第２４卷第１期 江西电力职业技术学院学报 Ｖｏ１．２４ Ｎｏ．１ ２０１１年３月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｎｇｘｉ Ｖｏｅａｌｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ Ｍａｒ．２Ｏ１ ｌ 风力发电机组的独立变桨控制 崔明东．孙 禹 （巾围华电集团公司云南以｝Ｌ河发电，．云南会洋６５４２００） 摘 要：为了实现风力发电机组３个桨叶的独立控制，依据风力机空气动力学原理和风剪切效应，提出了基于桨叶方位 角信号的权系数分配独立变桨距控制方法 通过权系数对３个桨叶统一的桨距角进行重新分配．将统一变化的变桨角转化为 每个桨叶独立变化的桨距角？以２ＭＷ变速变桨风力发电机组为研究对象．基于Ｂｌａｄｅｄ软件平台对该控制策略与传统的变桨 控制策略进行仿真比较：结果表明，相对传统的变桨距控制．独立变桨距控制使风力发电机组能够在额定转速下保持稳定的电 功率输出的同时还能减小齿轮箱转矩尖峰 关键词：风力发电机；独立变桨控制；桨叶方位角：风切效应 中图分类号：ＴＭ７１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—００９７（２０１ １）０１—００２２—０５ ０ 引言 典型的变速变桨风力发电系统由机械部分和电 大型风力发电机组在产业化设计中，经济性、可 能转化部分组成。对于风电系统的机械部分，由空气 靠性、优质电能是重要的设计指标。对于变速变桨机 动力学 可知，风机从风能捕获的机械能为： １ 组来说，在控制方面需要考虑提高风力机输出功率 ＝— ｐ 尺 ｃ （Ａ，卢） （１） 的稳定性 这样可以有效提高电能品质和降低传动 式中：Ｐ为空气密度；尺为风轮半径：Ｖ为风速： 链转矩波动，延长部件寿命。 Ａ为叶尖速比； 为桨距角；Ｗ 为风轮旋转角速度； 目前国内外学者对风机运行在额定风速以上改 为风能利用系数 。基于美国可再生能源实验室 善风电品质和降低齿轮箱转矩尖峰进行了相关研 提供的ＷＴ—ＰｅＩｆ软件 可得如下ＣＰ曲面。 究。Ｅｎｄｕｓａ Ｂｉｌｌｙ Ｍｕｈａｎｄｏ等人提出在风力发电机组 控制中采用变增益ＰＩＤ控制方式［１－２：。然而，风机的 非线性空气动力特征制约了上述控制器性能 ０．４ 传统风力发电机组控制策略：当风速在额定风 Ｏ．３ 速以下时通过控制发电机输 转矩来实现：当风速 占０．２ 在额定风速以上时通过控制桨距角，使机组能准确 Ｏ．１ 地保持在额定功率发电。Ｅｎｄｕｓａ Ｂｉｌｌｙ Ｍｕｈａｎｄｏ等人 ０．０… 一＾ 囊 根据传统的控制策略对风力发电机组桨距控制采用 ３０ ｌ＿。 …ｊ ●一 ２Ｏ 、 一 ２０ 输出统一变桨角作为控制器的唯一输入＿１ ．．采用上 １０ 。 １５ 述变桨距控制方式不能有效地保持电功率稳定和减 浆 角ｐ ｏ ５ 口 尖遮比＾ 小齿轮箱转矩尖峰的多目标控制，因此，本文提 独 图１ 变速变桨风力机Ｇｐ— 运行特性曲线 立变桨控制。并基于Ｂｌａｄｅｄ软件平台对所采用的桨 从图ｌ可以得到以下结论： 距控制策略进行仿真。结果表明．所采用的独立变 １）对于同定的桨距角／３，存在唯一最大风能利 桨距控制策略能够满足控制要求。 用系数Ｃ～。 １ 变桨距基本原理分析 ２）随着桨距角 增大，风能利用系数明显减小。 以上两点为变桨距控制提供了理论基础：在低 １．１ 风力机空气动力学特性分析 风速时，浆距角设定在最优值，通过变速恒频装置改 收稿日期：２０１０一ｌｌ—Ｏｌ 作者简介：崔明东（１９７９－），男，云南会泽人，工学硕十，主要从事计算机监控及网络通信、电力设备故障智能化监测与诊断方面的研究 第１期 崔明东等：风力发电机组的独立变桨控制 ２３ 变发电机转子转速使风能利用系数最大：在高风速 时，调节桨距角来改变发电机输出功率．使输出功率 乎成线性化的改变，因此，通过改变控制器的全局增 益使其与桨距角成反比例线性关系变化以便补偿转 矩的波动 根据运行点调整控制器的增益称为增益 调度 ｊ，变增益控制框图如图２所示。 稳定在额定值附近。风轮转速或风速改变将引起叶 尖速比变化．影响风能利用系数，从而改变风轮捕获 的机械能功率 ，表达式为： ＝Ｗ （２） 式中： 为风轮气动力矩，表达式为： ＝｝ｐ彻 （二 ， ）Ｖ。 （３） 式中：Ｃ 为力矩系数，其表达式为： Ｃｑ： 、 （４）／ Ａ １－２风剪切效应分析 以上风力机空气动力学特性分析是假定风速在 空间分布上是均匀的，在时间上是变化的，但是，自 然界的风是瞬息万变的，其在时间和空间上的分布 都是不均匀的。影响风速变化的因素很多，除了气 候、地形环境等因素外．风速的随机变化会因为桨叶 长度的增加而相互抵消，高度因素的影响反而会更 明显。风速在竖直高度方向上的变化主要是由风切 效应产生的。 风剪切是指风速随垂直高度的变化，即风速会 随高度的增加而增加。假设地面为零风速平面。则 有风切经验公式 为 ＶＨ＝（ Ｈ） （５） 式中： 为离地参考高度 处风速； 。为离地 参考高度 。处风速；ｎ为剪切指数，它取决于大气 稳定度和地面粗糙度。 ２变桨距控制 变速变桨风力机组变桨距控制方案：在额定风 速以上，风机控制系统通过调节节距角来改变风能 利用系数，从而控制风轮转速和发电机输出功率。变 桨距控制器的基本目标。：：风力发电机组在额定转 速下保持稳定的电能输ｍ ２．１ 传统变桨控制 变速变桨风力机组的桨距角参考值可南风速、 发电机转速和电机输出功率三个参数来独立控制． 本文以发电机转速作为变桨控制量，发电机转速滤 波反馈信号与转速给定值之间的偏差作为ＰＩＤ控 制器的输入 ：，ＰＩＤ控制器给出桨距角参考值 。但 由于桨距角的变化对于风速而言是非线性的，在高 风速时，桨距角的很小变化就会对转矩产生很大的 影响。通常情况下，转矩会随着桨距角的变化而几 图２ 带增益调度的变桨距控制器 ２．２独立变桨距控制 传统变浆控制方式在保持稳定的风轮转速下不 能有效地降低电功率波动。因此，本文捉 独立变桨 距控制，即同时控制三叶片的节距角ＪＢ，使风力发电 机组在额定风速以上时，其在额定转速下保持稳定 的电能输 ，同时也减小齿轮箱转矩尖峰。 目前国内外风电变桨控制主要有两种方法：统 一变桨距控制和独立变桨距控制。独立变桨距控制 是指风力机每支叶片根据自身的控制规律独立地变 化桨距角 。冈３为独立变桨控制框图： 橱 巨匦 ｏ． ． 磊而 滤波 图３ 风力机独立变桨距控制框图 独立变桨距系统的控制策略主要有两种：一种 是基于桨叶加速度信号的独立变桨控制：另一种是 基于桨叶方位角信号的独立变桨距控制６ｉ。在Ｔ程 上，测量桨叶加速度不容易实现，最简单易用的测量 方法是测量叶轮位置角。南于各叶片风切效应随高 度变化比较明显，且与各自的方位角有关．因此，可 以根据桨叶的方位角来为每个叶片产生近似的桨距 控制信号，并以此进行独立变桨距控制。风速传感器 一般安装在机舱上，离风轮中心的距离与风轮半径 相比可以忽略不计。风速传感器所测的风速便可认 为是轮毂处的风速 ， 近似等于机舱中心高度。 假设取距离风力机转轴ｒ处长度为ｄ 的叶片叶素离 地高度为 ，，其与桨叶方位角 之间的关系为： Ｈ ＝Ｈ０＋ｒｓｉｎ（ ） （６） ２４ 江西电力职业技术学院学报 第２４卷 将桨叶平均风速点等效在桨叶长度的３／４处，则 式（６）可表示为： ３５ ３Ｏ …～～桨跆角３ ： 桨距角２ ： 桨距角１ Ｈ：Ｈｏ＋孚ｓｉｎ（ ） （７） ２５ ：◆ ：？＿ ０ ；ｌ ２，－ ｛： ． 统 变桨 ，根据式（６）和式（７）推得每个桨叶所受平均风 ≮≮ 『２ｏ 警教ｌ÷ －一 ０ ｆ ●一÷ ｊ一 速，如式（８）所示： Ｖｉ＝ ３Ｒ ｓｉｎ（９ （ ）×孕）］－ｘＶ。（８） 式中：尺为桨叶长度， 为桨叶１的方位角。 权系数依据每个桨叶受风情况来进行分配，风 越大，权系数越大，桨叶节距角变化值也越大。权系 数Ｋ 表达式为： 釜 兰 ３Ｒ ｓｉ １）× 经权系数Ｋ 分配后每个叶片的节距角 为： 产Ｋｉ （１０） 式中： 为统一变化桨距角给定值。 ３系统仿真分析 本文基于Ｂｌａｄｅｄ软件平台对风力机运行在额 定风速以上区域所采用控制策略的可行性进行验 证。模拟的风力机组主要参数：风轮直径８０ ｍ，切入 风速为４ ｍ／ｓ，切出风速为２５ｍ／ｓ，额定风速１２ｍ／ｓ， 额定功率２ＭＷ，风轮额定转速１８ｒｐｍ。本文控制策 略的效果体现在额定风速以上的各个工况下，同时 在实际中，由于湍流风导致的随机变化占主导地位， 因此本文取ＤＬＣ１．２下２０ｍ／ｓ时的仿真结果作比较。 采用６００ｓ的湍流风来模拟外部风速环境，该湍 流风在长度方向、宽度方向、高度方向的湍流密度分 别为１６．５％、１２．８９％和９．１２％，湍流风速曲线如图４ 所示 ２０ 篓１５ １Ｏ ０ １０ｏ ２００ ３００ ４００ ５００ ６ｏ０ 时间／ｓ 图４湍流风速曲线 图５显示了在独立变桨控制下３个叶片的变桨 角与统一变桨控制下叶片的变桨角。 １５ １． ：爱 ＿毫 。 ： ； ； ＿ｌ＿¨ 。越 。： ¨ ＿ ！ ．＿ ＿囊 一０－ ｌ０。 ＊ ． 。 ：誊Ｉｌ ■ ０ ｊ １０。。５ ｌ 一。。０◆√ 、 。０ ０ ＿ ■０。 ■：≮ ，、 √ｌ … 一 一 … 一一 …一… ： Ｉ ０ ０ ２０ ４０时闸，ｓ ｌ６０ ８０ ： １Ｏ０ 图５独立变桨距各桨叶节距角 图６为风力发电机输出功率曲线，图中绘出了 两种控制方式下的功率曲线。采用独立变桨控制风 力发电机输出功率波动最大误差值小于额定功率的 ８．９％，统一变桨的风力发电机输出功率变化幅度达 到了额定功率的１２％。 ２．２ 统… 变桨 ２．１ ≥ 旃２．０ １．９ Ｏ １ＯＯ ２００ｔ￣＿３００ ４Ｏ０ ５００ ６ＯＯ 图６电功率曲线 图７是风轮转速曲线，在统一变桨控制下，风轮 转速波动最大误差达到了额定转速的３．２８％。在变 转矩独立变桨控制下，风轮转速变化幅度小于额定 转速的１．９８％。 １８．２ １８．Ｏ ￡ １７＿８ １７．６ ：｝ １７．４ 。ｉ ｉ ０ １００ ２００ ３００ ４００ ５００ ６Ｏ０ 时 ／ｓ 图７风轮转速曲线 齿轮箱转矩曲线如图８。图中显示．相对于统一 变桨，采用独立变桨控制使得齿轮箱转矩尖峰下降。 ４结论 本文通过对变速变桨风力发电机组传统变桨控 第１期 ｕＪｚ乏 ＃瀑 翘 崔明东等：风力发电机组的独立变桨控制 ２５ １．４ ｅｔ ａ１．Ｇａｉｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ＷＴＧ ｕｎｄｅｒ 独 变桨： 统一变桨 １．３ ｗｉｄｅｌｙ ｖａｒｙｉｎｇ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｌｏａｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ， ２０ｏ７。３２：２４０７—２４２３． ［２］Ｍａ Ｘ．Ａｄａｐｔｉｖｅ ｅｘｔｒｅｍｕｍ ｃｏｎｔｍｌ ａｎｄ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ １．２ ．［Ｄ］．ＰｈＤ ｔｈｅｓｉｓ，Ｄａｎｅｍａｒｋ，Ｍａｙ １９９７． ［３］Ｖａｎ ｄｅｒ Ｈｏｏｆｉ，Ｅ．Ｌ Ｓｃｈａａｋ．Ｐ，ｖａｎ Ｅｎｇｅｌｅｎ． Ｇ．．Ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ １ｆ ＿ 栅１ １ ’ ’ 一 ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ［Ｒ］．Ｈｏｌｌａｎｄ：Ｄｕｔｃｈ ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆＥｃｏｎｏｍｉｃ Ａｆｌｆａｉｒｓ．２００３：６９—７５． ：１．Ｏ Ｏ ２００ ３００ ４００ ６００ ［４］Ｔｏｎｙ Ｂｕｒｔｏｎ，Ｄａｖｉｄ Ｓｈａｒｐｅ，Ｎｉｃｋ Ｊｅｎｋｉｎｓ ａｎｄ Ｅｒｖｉｎ Ｂｏｓｓａｎｙｉ． 时问，ｓ Ｗｉｎｄ Ｅｎｅｒｙｇ Ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ． 图８齿轮箱转矩 Ｌｔｄ．２００ｌ：４７２－４８０． ［５］Ｂｕｈｌ，Ｍ．Ｌ，２００４“ＷＴ＿ＰＥＲＦ ＵＳＥＲ’Ｓ ＧＵＩＤＥ”Ｔｅｃｈ．Ｒｅｐｏｒｔ， 制策略的研究，提出了独立变桨距控制策略．实现了 Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｇｏｌｄｅｎ，ＣＯ． 风力机的桨距控制。仿真结果表明，在高风速下，采 ［６］林勇刚，徐立，李伟，等．电液比例变桨距风力机半物理仿 用独立变桨距控制的方式，可使风力发电机组运行 真试验台［Ｊ］．中国机械工程，２００５，８（１６）：６６７—６７０． 在额定功率点和额定转速点，提高发电质量，同时也 ［７］王江．带增益调度的风力发电变桨距控制研究［Ｊ］．电源技 减小了齿轮箱转矩尖峰。 术应用，２００９，１２（３）：８—１１． ［８］Ｆａｂｉｅｎ Ｌｅｓｃｈｅｒ，Ｊｉｎｇ Ｙｕｎ Ｚｈａｏ，Ｐｉｅｒｒｅ Ｂｏｒｎｅ．Ｒｏｂｕｓｔ Ｇａｉｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆ０ｒ Ｐｉｔｃｈ Ｒｅｇｕｌａｔｅｄ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｓｐｅｅｄ 参考文献： Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ［Ｊ］．Ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏ１．１４（４）： ２９９－３１５． ［Ｉ］Ｅｎｄｕｓａ Ｂｉｌｌｙ Ｍｕｈａｎｄｏ，Ｔｏｍｏｎｏｂｕ ｓｅｎｊｙｕ，Ｎａｏｍｉｔｓｕ Ｕｒａｓａｋｉ， ［责任编辑杜琴］ Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ Ｐｉｔｃｈ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｓｙｓｔｅｍ ＣＵＩ Ｍｉｎｇ－ｄｏｎｇ，ＳＵＮ Ｙｕ （Ｃｈｉｎａ ＨｕａＤｉａｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｙｉｌｉｈｅ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ，Ｙｕｎｎａｎ Ｈｕｉｚｅ ６５４２００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ ｐｉｔｃｈｓ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ，ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅ ｗｅｉｇｈｔ ｎｕｍｂｅｒ ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ ｖａｒｉａｂｌｅ—・ｐｉｔｃｈ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｚｉｍｕｔｈ ａｎｇｌｅ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｔｃｈ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｗｉｎｄ ｓｈｅａｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｃａｎ ｆｉｇｕｒｅ ｏｕｔ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ｒｅｇｉｏｎ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｚｉｍｕｔｈ ａｎｇｌｅ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｐｉｔｃｈ．Ｔｈｅ ｕｎｉｔｉｖｅ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ ｗａｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｖａｒｉａｌｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｚｉｍｕｔｈ ａｎｇｌｅ．Ｗｉｔｈ ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ ２ＭＷ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ， Ｔｈｅｎ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｏｎ ｓｅｌｆ－ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｂｌａｄｅｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｓｉｍ— ｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｉｔｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ， ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｐｉｔｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｎ ｍａｉｎｔａｉｎ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｐｏｗｅｒ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ，ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｅａｋｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｇｅａｒｂｏｘ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ；ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｐｉｔｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ；ａｚｉｍｕｔｈ ａｎｇｌｅ；ｗｉｎｄ ｓｈｅａｒ ｅｆｆｅｃｔ