風力發(fā)電系統(tǒng)控制模型的建立畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 。下面概述的風力發(fā)電系統(tǒng)的各種控制策略在國內(nèi)外大中型并網(wǎng)發(fā)電的風力發(fā)電機中均有應用。 風輪機的氣動特性[8]風輪機通過葉片捕獲風能，將風能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩。風輪機的特性通常用風能轉(zhuǎn)換效率Cp尖速比λ曲線來表示，圖22是一條典型的曲線。尖速比可表示為 （21） 式中 為風輪機的機械轉(zhuǎn)速(rad/s)；為葉片半徑(m)；為來流的線性風速(m/s)。根據(jù)風機葉片的空氣動力特性，風能轉(zhuǎn)換效率是尖速比λ和槳矩β的函數(shù)，即。典型與和的關(guān)系可用圖23來表示。由圖中可見，對于同一個值風輪機可能運行在A和B兩個點，它們分別對應于風輪機的高風速運行區(qū)和低風速運行區(qū)，當風速發(fā)生變化時風輪機的運行點將要發(fā)生變化。在恒頻應用中，發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化只比同步轉(zhuǎn)速高百分之幾，但風速的變化范圍可以很寬。按(21)式，尖速比便可以在很寬范圍內(nèi)變化(取決于葉片設計)，風輪機捕獲風力可以寫成 (22)式中 是氣動功率(W)；是空氣密度(kg/m3)；是掃掠面積(m2)；是風輪機的功率系數(shù)。 由(22)式可知，風機整體設計和相應的運行控制策略應在追求最大的情況下進行相應的調(diào)整，便可增加其輸出功率。如圖24所示是理想風輪機的功率曲線。從理論上講風輪機組的輸出功率是無限大的，它是風速立方的函數(shù)。但在實際應用中，它卻受到了如下的限制：（1）功率限制：由于構(gòu)成電路的所有電氣元件都受到了功率限制；(2)轉(zhuǎn)速限制：由于系統(tǒng)中的齒輪箱、電機都存在轉(zhuǎn)速的上限。因而風輪機的運行存在三個典型區(qū)：在低風速段，按恒定途徑控制風輪機直到轉(zhuǎn)速達到極限；然后按恒定轉(zhuǎn)速控制風輪機，直到功率最大；功率最大后，風輪機按恒定功率控制。 定槳距風力發(fā)電機的控制策略傳統(tǒng)概念的風力發(fā)電機一般都是上風向、三葉片的風輪機，通過齒輪增速箱來驅(qū)動異步發(fā)電機，并與電網(wǎng)相連來發(fā)電的。風輪機的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特性的風力發(fā)電機組稱為定槳距風力發(fā)電機組。風輪機吸收的功率隨風速不停地變化，發(fā)電機工作于同步轉(zhuǎn)速附近，而風電機組的設計一般在額定功率時風輪的轉(zhuǎn)換效率在最佳區(qū)段。當風速超過額定風速時，為了保持發(fā)電機輸出功率恒定，必須通過葉片失速效應特性來降低值，以維持輸出功率的恒定。對于定槳距系統(tǒng)，發(fā)電機正常工作的滑差小于1%，允許滑差范圍一般在5%以內(nèi)，而風速的變化范圍卻很大。從的函數(shù)關(guān)系來看，難以保證在額定風速之前使值達到最大，特別是在低風速段。通常系統(tǒng)設計有兩個不同功率、不同極對數(shù)的異步發(fā)電機，以滿足不同風速的要求。大功率高轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機工作于高風速區(qū)，小功率低轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機則工作于低風速區(qū)，由此來調(diào)整尖速比，實現(xiàn)追求最大下的整體運行控制。定槳矩風機的功角一般設定在0176。，在不同風頻密度的地區(qū)可根據(jù)具體情況在安裝時予以調(diào)整，但必須充分考慮到對于風機失速點的影響。從設計的角度考慮，葉片的翼形難以做到在失速點之后功率恒定，通常都有些下降，因其發(fā)生在高風速段，對發(fā)電量有一定影響。風機采用異步發(fā)電技術(shù)，存在功率流向的不確定性，發(fā)電機可能低于同步轉(zhuǎn)速運行，也可能工作在同步轉(zhuǎn)速之上。在大小發(fā)電機軟切換控制過程中必須慎重處理。 變槳距風力發(fā)電機的控制策略為了盡可能提高風輪機風能轉(zhuǎn)換效率和保證風輪機輸出功率平穩(wěn)，風輪機將進行槳距調(diào)整。在定槳距風輪機的基礎(chǔ)上加裝槳距調(diào)整環(huán)節(jié)，稱為變槳距風輪機組。變槳距風力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動特性，主要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進行調(diào)節(jié)。在額定風速以下時，葉片攻角處于零度附近，此時葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影響，變化范圍很小，可等同于定槳距風機。在額定風速以上時，變槳距機構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片攻角，保證發(fā)電機的輸出功率在允許范圍內(nèi)。風輪機的槳距控制系統(tǒng)，通常采用典型的PID轉(zhuǎn)速、功率和槳距角三模態(tài)控制。速度控制和直接槳距控制常用于風力發(fā)電機的起動、停止和緊急事故處理。因而，變槳距風輪機的起動風速較定槳距風輪機低，但對功率的貢獻沒有意義；停機時對傳動機械的沖擊應力相對緩和。風機正常工作時，主要采用功率控制。對于功率調(diào)節(jié)速度的反映取決于風機槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。在實際應用中，由于功率與風速的三次方成正比，風速的較小變化將造成風能較大變化，風機輸出功率處于不斷變化中。風速變化頻繁幅度大的狀況出現(xiàn)時將引起風機槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)頻繁動作。風機槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)對風速的反應有一定的時延，在陣風出現(xiàn)時槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)來不及動作而造成風機的瞬時過載，不利于風機的運行。針對這一點，提出了混合失速的風機設計概念。即仍然發(fā)揮葉片的失速效應，在失速點之前進行槳距調(diào)整，即便槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)來不及動作通過葉片的失速效應發(fā)揮作用也不會造成風機的瞬時過載。 變速風力發(fā)電機的控制策略[9]上面的風輪機直接由追求值最優(yōu)進入功率最大的限制，調(diào)整的范圍和靈敏度很有限。從圖26可以看出，風機轉(zhuǎn)速對于功率系數(shù)影響很大。工業(yè)控制領(lǐng)域交流電動機調(diào)速技術(shù)在很多設備中已有成熟應用。同樣，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的大小和相位(RCC)從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)追求最優(yōu)和無功功率的平衡。這一調(diào)速系統(tǒng)與變槳距環(huán)節(jié)結(jié)合起來，就構(gòu)成了變速恒頻變槳距風力發(fā)電機的主要技術(shù)特點。交流發(fā)電機采用高滑差繞線式轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機。變速風機要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風變化，相應轉(zhuǎn)子電流頻率是不定的。轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)的速度為，使得定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率。控制的值以使等于電網(wǎng)頻率。這一點與鼠籠式轉(zhuǎn)子電流頻率的結(jié)論是一致的(為電機轉(zhuǎn)差)。值得指出的是發(fā)電狀態(tài)與電動狀態(tài)的區(qū)別在于轉(zhuǎn)差和功率流向的不同，因而造成兩者在功率(能量)平衡上存在差別(特別是轉(zhuǎn)子能量)。在實際應用中，發(fā)電機轉(zhuǎn)速與風速的對應關(guān)系不必完全覆蓋風速的范圍，電機轉(zhuǎn)速范圍為1100~1700RPM，僅有部分超同步范圍。控制系統(tǒng)負責控制和轉(zhuǎn)子電流相角。也就是說，可以向電網(wǎng)提供無功，同時，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)更靈敏，風機運行的柔性更好，有利于風機輸出功率更平穩(wěn)和減小傳動機械的沖擊應力。功率元件采用IGBT管，一般通過查表獲得調(diào)節(jié)信號：風速5~7m/s，風機工作于同步轉(zhuǎn)速以下(1100~1500RPM)；風速7~9m/s風機工作于同步轉(zhuǎn)速附近(1500RPM)，與一般風機工作方式一致； 風速9~15m/s，風機工作于同步轉(zhuǎn)速以上(1500~1625RPM)；風速15~25m/s，風機工作于負荷調(diào)節(jié)狀態(tài)，根據(jù)功率調(diào)節(jié)風機行為，電機允許轉(zhuǎn)速范圍為1600~1650RPM。 變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型框圖[2] 變槳距風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)變槳距風力發(fā)電機組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為三種運行狀態(tài)，即風力發(fā)電機組的起動狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）、欠功率控制（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。（1） 起動狀態(tài)變槳距風輪的槳葉在靜止時，節(jié)距角為90176。，氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，當風速達到起動風速時，槳葉向0176。方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風輪起動。在發(fā)電機并入電網(wǎng)以前，變距系統(tǒng)的節(jié)距給定值由發(fā)電機的轉(zhuǎn)速信號控制。轉(zhuǎn)速控制器按一定的速度上升斜率給出速度參考值，變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，調(diào)整槳葉節(jié)距角，進行速度控制。（2） 欠功率狀態(tài)欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機并入電網(wǎng)后，由于風速低于額定風速，發(fā)電機在額定功率以下的低功率狀態(tài)運行。為了改善低風速時的風輪氣動特性，采用了Optitip技術(shù)，即根據(jù)風速的大小，調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。（3） 額定功率狀態(tài)當風速達到或超過額定風速后，風力發(fā)電機組進入額定功率狀態(tài)。在傳統(tǒng)的變槳距控制方式中，將轉(zhuǎn)速控制切換為功率控制，變距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機的功率信號進行控制。功率反饋信號與額定功率進行比較，功率超過額定功率時，槳葉節(jié)距向迎風面積減少的方向轉(zhuǎn)動一個角度，反之則向迎風面積增大的方向轉(zhuǎn)動一個角度。由于變槳距系統(tǒng)的響應速度受到限制,對快速變化的風速,通過改變節(jié)距來控制輸出功率的效果并不理想。因此，為了優(yōu)化功率曲線，最新設計的變槳風力發(fā)電機組在進行功率控制的過程中，其功率反饋信號不再作為直接控制槳葉節(jié)距的變量。變槳距系統(tǒng)由風速低頻分量和發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制，風速的高頻分量產(chǎn)生的機械能波動，通過迅速改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來進行平衡，即通過轉(zhuǎn)子電流控制器對發(fā)電機轉(zhuǎn)差率進行控制，當風速高于額定風速時，允許發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高，將瞬變的風能以風輪動能的形式儲存起來；轉(zhuǎn)速降低時，再將動能釋放出來，使功率曲線達到理想的狀態(tài)。 變槳距控制系統(tǒng)（1）變槳距控制系統(tǒng)[10]在發(fā)電機并入電網(wǎng)時前，發(fā)電機轉(zhuǎn)速由速度控制器A根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速反饋信號與給定信號直接控制；發(fā)電機并入電網(wǎng)后，速度控制B與功率控制器起作用。功率控制器的任務主要是根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速給出相應的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，并確定速度控制器B的速度給定。節(jié)距的給定參考值由控制器根據(jù)風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)給出。如圖28所示，當風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)前，由速度控制器A給出；當風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)后由速度控制B給出。（2）變距控制變距控制系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)，如圖29所示。變距控制器是一個非線性比例控制器，它可以補償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號控制比例閥（或電液伺服閥），驅(qū)動液壓缸活塞，推動變槳距機構(gòu)，使槳葉節(jié)距角變化。活塞的位移反饋信號由位移傳感器測量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。 （3）速度控制器A轉(zhuǎn)速控制器A在風力發(fā)電機組進入待機狀態(tài)或從待機狀態(tài)重新起動時投入工作，如圖210所示在這些過程中通過對節(jié)距角的控制，轉(zhuǎn)速以一定的變化率上升。控制器也用于在同步速（50Hz時1500轉(zhuǎn)/min）時的控制。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速177。10內(nèi)持續(xù)1s發(fā)電機將切入電網(wǎng)。控制器包含著常規(guī)的PD控制器和PI控制器，接著是節(jié)距角的非線性化環(huán)節(jié)，通過非線性化處理，增益隨節(jié)距角的增加而減小，以此補償由于轉(zhuǎn)子空氣動力學產(chǎn)生的非線性，因為當功率不變時，轉(zhuǎn)矩對節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。 當風力發(fā)電機組從待機狀態(tài)進入運行狀態(tài)時，變槳距系統(tǒng)先將槳葉節(jié)距角快速地轉(zhuǎn)到45176。，風輪在空轉(zhuǎn)狀態(tài)進入同步轉(zhuǎn)速。當轉(zhuǎn)速從0增加到1500時，節(jié)距角給定值從45176。線性的減小到5176。這一過程不僅使轉(zhuǎn)子具有高起動力矩，而且在風速快速地增大時能夠快速起動。 （4）速度控制器B 發(fā)電機切入電網(wǎng)后，速度控制系統(tǒng)B作用。如圖211所示，速度控制器B受發(fā)電機轉(zhuǎn)速和風速的雙重控制。在達到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加。額定的速度給定值是1569r/min,相應的發(fā)電機轉(zhuǎn)差率是4%。如果風速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機轉(zhuǎn)差率將降低到2%，節(jié)距控制將根據(jù)風速調(diào)整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。如果風速高于額定值，發(fā)電機轉(zhuǎn)速通過改變節(jié)距來跟蹤相應的速度給定值。功率輸出將穩(wěn)定地保持在額定值上。從圖中可知在風速信號輸入端設有低通濾波器，節(jié)距控制對瞬變風速并不響應。 功率控制為了有效地控制高速變化的風速引起的功率波動，新型的變槳距風力發(fā)電機組采用了RCC（Rotor Current Control）技術(shù)，即發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)。通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的控制來迅速改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，從而改變風輪轉(zhuǎn)速，吸收由于瞬變風速引起的功率波動。 （1）功率控制系統(tǒng)功率控制系統(tǒng)如圖212所示，它由兩個控制環(huán)節(jié)組成。外環(huán)通過測量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生功率參考曲線。內(nèi)環(huán)是一個功率伺服環(huán)，它通過轉(zhuǎn)子電流控制器（RCC）對發(fā)電機轉(zhuǎn)差率進行控制，使發(fā)電機功率跟蹤功率給定值。如果功率低于額定功率值，這一控制環(huán)將通過改變轉(zhuǎn)差率，進而改變槳葉節(jié)距角，使風輪獲得最大功率。（2）轉(zhuǎn)子電流控制器原理[8]轉(zhuǎn)子電流控制器由快速數(shù)字式PI控制器和一個等效變阻器構(gòu)成。它根據(jù)給定的電流值，通過改變轉(zhuǎn)子電路和電阻來改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率。在額定功率時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率能夠從1%到10%（1515到1650）變化，相應的轉(zhuǎn)子平均電阻從0到100%變化。當功率變化即轉(zhuǎn)子電流變化時，PI調(diào)節(jié)器迅速調(diào)整轉(zhuǎn)子電阻，使轉(zhuǎn)子電流跟蹤給定值，如果從主控制器傳出的電流給定值是恒定的，它將保持轉(zhuǎn)子電流恒定，從而使功率輸出保持不變。圖213 轉(zhuǎn)子電流控制器原理圖從電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式來說明轉(zhuǎn)子電阻與發(fā)電機轉(zhuǎn)差率的關(guān)系。發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩為 (23)式中 —電機極對數(shù)；—電機定子相數(shù)；—定子角頻率,即電網(wǎng)角頻率；—定子額定相電壓；—轉(zhuǎn)差率；—定子繞組的電阻；定子繞組的漏抗；—折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏抗。式中只要不變，電磁轉(zhuǎn)矩就可以不變，發(fā)電機的功率可保持不變。當風速變大時，風輪及發(fā)電機上的轉(zhuǎn)速上升，即發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率增大，只要改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電阻即可保持輸出功率不變。RCC控制單元有效地減少了變槳距機構(gòu)的動作頻率及動作幅度，使得發(fā)電機的輸出功率保持平衡，實現(xiàn)了變槳距風力發(fā)電機組在額定風速以上的額定功率輸出，有效地減少了風力發(fā)電機因風速的變化而造成的對電網(wǎng)的不良影響。 變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型的建立 控制選擇器模型的建立在控制選擇器的模型中，當輸入的時間值低于1秒時,輸出為低水平輸出值0；當輸入的時間值超過1秒時, 輸出為高水平輸出值1。圖214 系統(tǒng)控制選擇器模型 風輪機轉(zhuǎn)速控制模型的建立根據(jù)系統(tǒng)控制選擇器來實現(xiàn)在ω和1之間的選擇，利用乘法器乘以轉(zhuǎn)速的基準值314rad/s得到風輪機轉(zhuǎn)速的值，對風輪機進行控制。（1）選擇器參數(shù)：選擇器功能是當運行時間在0到所設域值時，由B通道輸入,到達所設定的值以后由A通道輸入。（2）選擇器A、B端輸入?yún)?shù)：A端輸入變量發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w；B端輸入常數(shù)1。（3）乘法模塊輸入?yún)?shù)：乘法模塊功能是把兩個輸入相乘后在輸出。在軟件環(huán)境中輸入同步轉(zhuǎn)速314rad/s。（4）時鐘脈沖CNT控制參數(shù)：時鐘脈沖控制是由一個時間信號模型與一個單信號輸入比較儀組成，其功能是當輸入時間信號低于所設域值時，輸出L