大型风力发电机组变桨距控制技术研究

科技与创新┃Science and Technology & Innovation

文章编号：2095－6835（2016）22－0014－03

2016年 第22期 大型风力发电机组变桨距控制技术研究

程 申1，高桂革1，曾宪文2

（1.上海电机学院 电气学院，上海 201306；2.上海电机学院 电子信息学院，上海 201306）

摘 要：由于风速的随机性、时变性和风力发电系统的非线性等特点，根据对风速特性、桨叶空气动力学理论的分析，提出了基于前馈补偿的变桨距控制策略，分别采用方位角和加速度权系数分配对各个桨叶单独进行控制，然后根据前馈补偿理论分别对2种控制方法进行补偿。通过建模仿真和比较2种方法，结果表明：2种控制策略都能在稳定输出功率的同时降低桨叶的拍打振荡和不平衡载荷，减轻风机的疲劳载荷。前者简单易行、成本低，具有很好的工程应用价值；后者对风速应对能力更强，响应速度更快。

关键词：变桨距控制；前馈补偿；方位角权系数；加速度权系数

中图分类号：TM315 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.014

2.1 基于方位角权系数分配的控制策略

基于方位角权系数分配的变桨距控制策略是通过方位角传感器来测量信号的控制方法。在正常工作时，桨叶的所处位置可以根据方位角θ来确定。权系数根据各桨叶受风的大小来分配。原则为：在稳定风机输出功率的前提下得出统一变桨距相对应的值，再通过权系数对各个桨叶桨距角的变化量进行调整。受风越大，所对应的权系数就越大，而桨距角变化值也越大；反之，则越小。

变桨距桨距角变化量调整的最大范围为：

∆β=β（Vmax）－β（Vmin）. （5）

式（5）中：β（Vmax）为最大风速下的桨距角；β（Vmin）为最小风速下的桨距角。

各桨距角相对于统一变桨桨距角给定值调整量为：

∆βi=Ki·∆β. （6）

式（6）中：Ki为权系数，与方位角θ有关。

权系数根据规律来选取：

Ki=sinθi. （7）

每个桨距角给定控制量为：

βi=β+∆βsinθi. （8）

式（7）（8）中：θi为每个桨叶的方位角；β为统一变桨给定桨距角值。

每个桨距角相对于统一变桨给定桨距角调整量之和为0，33

即∑i=1βi=0，权系数满足∑i=1Ki=3，这样可以使变桨距控制 的功率输出稳定在额定功率附近。

2.2 基于加速度权系数分配的控制策略

基于加速度权系数分配的变桨距控制策略是利用加速度传感器测量信号的控制方法，可以直接检测风机桨叶受力状况。根据各桨叶的受力情况分配相应的权系数，受力越大，分配的权系数就越大，桨距角的变化量也就越大；反之，则越小。权系数的分配方法和控制思路与基于方位角加速度权系数分配的变桨控制策略类似，Ki为各桨叶对应的权系数，为加速度信号。

2.3 前馈补偿控制

前馈补偿的理论不但能够抑制扰动所引起的静态偏差和动态偏差，而且能够被用于随动系统给定信号之中，前馈补偿的目标是加强系统的跟随性能。其原理为：在已知外部作用的前提条件下，施加相反于外部作用的控制量，目的是不让被控制量受到变化，即在控制量与外部作用的共同作用下降低偏差。

按照输入补偿的控制系统如图1所示。

随着风电机组单机容量的不断增大，变桨距控制技术已成为风力发电的一项关键技术。变桨距控制通常又分为统一变桨距控制和变桨距控制2种方法。变桨距根据桨叶所受风速或受力的不同来调节每个桨叶的桨距角，不仅能够稳定风机的输出功率，还能够降低桨叶的拍打振荡，改善风轮载荷不均匀情况，降低机组的疲劳应力，延长风机的寿命。

本文分析了风速特性、空气动力学理论，提出了基于前馈补偿理论的变桨距控制方法，通过仿真分析，结果表明：使用此变桨控制策略不但能够使风机的输出功率稳定在额定功率附近，而且能够降低机组载荷，减小桨叶振荡。

.com.cn. All Rights Reserved.1 变桨距控制基本原理

1.1 风速特性

风切变效应是指当风速稳定时，随着高度的增加风速会不断增大。风切变效应公式为：

vHHn

=（）. （1） vH0H0

式（1）中：vH为距离地面高度H的处风速；vH0为距离地面高 度H0处的风速；n为风剪切指数。

塔影效应是指因为风机塔架对气流的阻挡，周围气流速度减小。当塔影效应存在时，垂直于风轮所在平面并且在塔影坐标系下某点的速度为：

22

⎡R（⎤⎡（Y⋅ht）⎤（xt2−yt2）x2−y2）

（=v⎢1−t2t2t⎥=v⎢1−vxt,yt）⎥. （2） 22（xt+yt）⎦⎣（xt+yt）⎦⎣

式（2）中：v为风轮面气流速度；（xt，yt）为塔架坐标系下2

个水平方向的坐标；Rt为塔架半径；Y为塔径修正因子；ht为塔架某点高度。

1.2 空气动力学理论

在风的作用下，风轮旋转将风能转化为机械能，由传动系统带动发电机运行再将机械能转化为电能输出。风机输出功率和气动转矩分别为：

p=

1

ρπR2Cp（λ,β）v3. （3） 21T=v2. （4） ρπR3Cp（λ,β）

2λ式（3）（4）中：R为风轮半径；ρ为空气密度；λ为叶尖速比；β为桨叶桨距角；Cp为风能利用系数；v为风轮实际风速。

此外，桨叶的轴向气动力是桨叶产生拍打振荡的主要原因。 2 基于前馈补偿的变桨距控制策略

基于桨叶方位角信号和基于桨叶加速度信号是2种基础的变桨距控制方法。

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变化而变化。

图1 引入输入补偿的系统框图

在上述系统中，如果E（s）＝R（s）－C（s）＝0，则为完全跟随，即完全补偿，可得到：

G（=CS）

1

. （9） G（2S）

变桨距的电动执行机构可等效为一阶惯性环节：

tββ=uβ-β. （10）

图4 功率输出曲线1

式（10）中：tβ为桨距角响应时间常数；uβ为桨距角控制给定值；β为实际桨距角。

基于前馈补偿的风力机组变桨距控制系统如图2所示。

图2 基于前馈补偿的风力机组变桨距控制框图

3 仿真结果分析

风机模型的参数使用2 MW风机的主要参数来仿真。主要参数如表1所示。

表1 风机技术参数

参数

数值

额定功率/MW 2 风轮半径/m 35 轮毂高度/m 70 风轮额定转速/（r/min） 15 额定风速/（m/s） 12 切入风速/（m/s） 5 切出风速/（m/s） 22 3.1 仿真曲线分析

3.1.1 方位角权系数变桨距控制仿真

图3为在随机风速下桨距角的变化曲线。由此可知，随着风速的变化，变桨距控制策略根据所测量桨叶方位角的变化来分配权系数，使得桨距角随着风速的不断变化而变化。

图3 桨距角变化曲线1

图4为输出功率的仿真。相对于统一变桨距控制，变桨距控制输出功率的幅值变化频率与幅度更低，曲线更平滑，对于维持风力发电机组输出功率有更好的稳定性。 3.1.2 加速度权系数变桨距控制仿真

图5为在随机风速下桨距角的变化曲线。由图5可以看出，随着风速的变化，变桨距控制策略根据所测量各桨叶加速度（受力）的变化来分配权系数，使得桨距角随着风速的不断

图5 桨距角变化曲线2

图6为输出功率曲线。由图6可知，使用变桨距控制的频率和幅度更低，响应速度也更快，随着时间的增加，控制器精度不断提升，表现出更好的稳定性。

图6 输出功率曲线2 3.2 两种控制策略比较

通过仿真得出结果，即2种变桨距控制策略都具有良好的控制性能，在满足输出功率稳定性的同时实现各桨叶的平稳变化，能进一步减小桨叶的拍打振荡，减轻风力发电机组疲劳载荷。但是，基于前馈补偿的加速度权系数控制策略对于不断变化的风速应对能力更强，相应速度更快。

作为权系数反馈量的方位角和加速度，其测量都需要用传感器来实现。通常，风机上都会有测量桨叶方位角的转速传感器，易于装配且成本不高；而加速度传感器要在各个叶片多处安装来保证其精确测量，致使其成本增大并且安装较困难。从难度和成本上看，前者更为简单实用。

从变桨距执行机构来看，基于方位角的控制策略更加依赖转速的调节，有其固定的调桨幅度；基于加速度的控制策略由于还会受到湍流效应等因素的影响，使其变桨变化范围与频率更大，对其执行机构的要求会更高。

总之，基于前馈补偿的加速度权系数控制策略的控制性能比基于前馈补偿的方位角权系数控制策略会更好一些，对风速的应对能力相对更强，不过其要求更多、更精确的传感器来保证精度，对变桨距执行机构的要求也更高。这样成本就会很高。所以，在实际工程中2种控制策略的应用需要视情况具体分析。 4 结论

为了实现大型风力发电机组的变桨距控制，使用方位角和加速度权系数两种基础的变桨距控制方法对每个桨叶

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桨距角进行控制。再根据前馈补偿的控制原理，提出基于前馈补偿的变桨距控制方法。2种策略策略都具有更好的控制性能，在满足输出功率稳定性的同时实现各桨叶的平稳变化，能进一步减小桨叶的拍打振荡，减轻风力发电机组疲劳载荷。基于前馈补偿的加速度权系数控制策略对于不断变化的风速应对能力更强，响应速度更快；基于前馈补偿的方位角权系数控制策略控制方法简单易行成本低，具有很好的工程应用价值。 参考文献

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业出版社，2010.

［4］任丽娜，吕明月，刘爽爽.基于蜂群算法优化的变桨距自抗

扰控制器［J］.新型工业化，2014（06）.

（上接第6页）

4 结束语

本项目根据实际需要完成了计分系统的研究与设计，包括整机设计、下位机底层硬件和软件设计，较好地达到了预期目标，系统实物图如图3所示。图中列出了发送端上位机（PC控制台界面）、下位机（图中所示为发送端）、串口连接线和接收端。

2016年 第22期 ［5］Vapnik V.The nature of statistical learning theory.New York：

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永磁同步风力发电机功率平滑控制［J］.中国电机工程学报，2009，29（18）.

〔编辑：刘晓芳〕

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图3 系统实物图

系统充分利用了STCC52RC单片机微型化、低功耗、抗干扰能力强和nRF24L01可较远距离传输信息等优点，节省了电力和人力成本。该系统可根据赛制要求更改，以适用于不同的竞赛场合。 参考文献

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〔编辑：张思楠〕

（上接第13页）

比较以上两种控制方法可发现，超前滞后校正需要通过比较复杂的传递函数计算来得到控制系统，而继电反馈只需调整2种模式便可得到参数并实现控制，过程比较简单。这两种方法相对应的波形图有差别，超前滞后的响应更快、上升时间较短，但最终的稳定值基本一致。由于继电反馈的参数计算还有其他方法，可以进行改进，从而消除上升阶段的纹波。 4 结论

本文基于PID控制的理论，对Buck-Boost电路应用了继电反馈的方法进行参数整定，并根据继电反馈下观测被控过程的极限环振荡以及Z-N公式，推导了相应的PID控制器参数整定公式。

继电反馈法是在闭环控制回路中加入继电控制，利用继电控制的非线性特性使被控过程出现极限环振荡，从而获得过程临界动态特性参数，再利用Z-N法整定公式获得PI控制器的参数。该方法简单、可靠、易于计算，相比之前出现的多种PID参数自整定技术，继电反馈整定技术有许多优点：①这种方法耗时较少、易于使用。②继电反馈整定的调节过程属于闭环控制过程。因此，适当选择继电参数可以使过程的频率响应维持在设定点附近，即使过程处于非线性区域，也不会影响系统的正常运行。这种方法

可以适用于高度非线性的过程对象。③这种方法需要较少的先验知识，对于一些复杂的自适应控制器是非常有用的。 参考文献

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〔编辑：张思楠〕

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