兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組變槳距控制系統研究

式中：p一發(fā)電機極對數；m1一電機定子相數；U1一電網(wǎng)電壓，V；Cl一修正系數；ωg一發(fā)電機轉動(dòng)的角速度，rad／s；ω1一發(fā)電機同步轉速，rad／s；r1，x1一分別為定子繞組的電阻和漏抗，Ω；r2，x2一分別為歸算后轉子繞組的電抗和漏抗，Ω。
發(fā)電機轉動(dòng)方程：

式中：Jg――發(fā)電機的轉動(dòng)慣量，kg?m2；Te一發(fā)電機反力矩，N?m。
風(fēng)輪軸角速度與發(fā)電機轉速之間關(guān)系由下式表示：

3 兆瓦級變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機組的變槳距控制策略
根據變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機在不同區域的運行情況，將基本控制策略確定為：低于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤Cpmax曲線(xiàn)，以獲得最大能量；高于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤Pmax曲線(xiàn)，并保持輸出穩定。
假設啟動(dòng)前發(fā)電機組的槳葉節距角處于某一恒定角度。當風(fēng)速達到啟動(dòng)風(fēng)速后，風(fēng)輪轉速由零增大到發(fā)電機可以切入的轉速，Cp值不斷上升，風(fēng)力發(fā)電機組開(kāi)始發(fā)電運行。通過(guò)對發(fā)電機轉速進(jìn)行控制，風(fēng)力發(fā)電機組逐漸進(jìn)入Cp恒定區(Cp=Cpmax)，這時(shí)機組在最佳狀態(tài)下運行。隨風(fēng)速增大，轉速也增大，最后達到一個(gè)允許的最大值，這時(shí)，只要功率低于允許的最大功率，轉速便保持恒定。達到功率極限后，發(fā)電機組進(jìn)入功率恒定區，這時(shí)隨風(fēng)速的增大，必須使Cp值減小，使葉尖速比減少的速度比在轉速恒定區更快，從而使風(fēng)力發(fā)電機組在較小的Cp值下作恒定功率運行。

4 PID控制器及MATLAB仿真結果
PID控制是工業(yè)控制中基本且最常見(jiàn)的方法。PID控制器形式比較簡(jiǎn)單，它由比例、積分和微分(Proportional―Integral一Derivative)構成，其傳遞函數為：

式中：Kp、Ki和Kd分別是比例、積分和微分增益。
PID參數的整定就是根據被控對象特征和所希望的控制性能要求決定三個(gè)參數(Kp、Ki、Kd)。
在低于額定風(fēng)速時(shí)，控制的目標是尋求最大功率系數以捕獲最大風(fēng)能。從風(fēng)電廠(chǎng)實(shí)驗數據可知，槳距

角為00，葉尖速比為9時(shí)，風(fēng)能利用系數Cp的值最大(約為0．4623)。因此，在低于額定風(fēng)速時(shí)，將槳葉節

距角置于00，而只要調節風(fēng)輪轉速，使其與風(fēng)速之比保持不變(λ=ωrR/v=9)，即可獲得最佳風(fēng)能利用系

數Cpmax。采用PID控制器改變發(fā)電機定子電壓，以此調節發(fā)電機反力矩來(lái)改變轉速，選取Kp=150，Ki=2．

5，Kd=7．5(槳葉節距角最初被置為00)。
在高于額定風(fēng)速時(shí)，控制的目標是保持輸出功率穩定在最大允許值。因此在風(fēng)速較高時(shí)，通常通過(guò)調

整槳葉節距角來(lái)調節功率利用系數Cp的值，以此保持輸出功率為最大允許值。采用PID控制器調節槳葉節

距角來(lái)改變Cp的值，選取Kp=O．00007，Ki=O．00001，Kd=0．000001。由此，采用PID控制器在MATLAB中

搭建的系統模型如圖所示：

當風(fēng)速變化時(shí)，各種風(fēng)況下輸出功率和發(fā)電機轉速的仿真結果如下圖所示。

當風(fēng)速v=6m／s時(shí)，即風(fēng)力機達到額定功率前，異步電動(dòng)機的輸出功率和轉速的仿真如下圖4、圖5所示：
當風(fēng)速v=19m／s時(shí)，即風(fēng)力機達到額定功率后，異步電動(dòng)機的輸出功率和轉速的仿真如下圖6、圖7所示：

5 結論
本文以1．3MW級風(fēng)力發(fā)電機組為例，在分析了風(fēng)能、風(fēng)力機特性以及異步電機的基礎上，研究了最大風(fēng)能的追蹤和額定功率保持的控制策略，并以傳統的PID控制方法仿真，結果表明模型的正確性。