帶增益調度的風力發電變槳距控制研究

O 引言
現代風力發電興起於20世紀70年代，經過多年的發展，從最初的定槳距到現在的變槳距，從恆速恆頻到如今的變速恆頻，風力發電技術已較為成熟，基本實現了風力發電機組從能夠向電網供電到理想地向電網供電的最終目標。
近年來變槳距機組逐漸成為風力發電的主流機型，變槳距是指安裝在輪轂上的葉片可以藉助控制技術改變其槳距角的大小，從而改變葉片氣動特性，使槳葉和整機的受力狀況大為改善，並使風力機在高風速時可以輸出更多功率且使輸出功率更加平穩。槳距角的控制量可以是風速、機組輸出功率或發電機轉速，由於精確測量風速十分困難，本文選擇一種由機組的輸出功率來控制槳距角的控制策略，通過仿真驗證了這種控制策略的可行性，然後引入一種帶增益調度控制的控制策略，仿真證明這種控制策略可達到更好的控制效果。

l 變槳距控制原理
變速變槳距風力發電機組的控制主要通過兩個階段來實現：在額定風速以下時，保持最優槳距角不變，採用最大功率跟蹤法(MPPT)，通過變流器調節發電機電磁轉矩使風輪轉速跟隨風速變化，使風能利用係數保持最大，風機一直運行在最大功率點；在額定風速以上時，通過變槳距系統改變槳距角來限制風輪獲取能量，使風力發電機組保持在額定功率發電。而對於定槳距風力發電機組，當風速高於額定風速時，由於其槳距角不能改變，只能通過風機的失速特性來降低風能的吸收，因此在風速高於額定風速時不能維持額定功率輸出，輸出功率反而會下降。
下面的公式是風速為V1時風輪捕獲的風能P，其中P為空氣密度，S為風輪掃掠面面積，CP為風能利用係數，它是葉尖速比λ和槳距角β的函數。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/163856.htm

由以上幾個式子可以得到變槳距風力機的(CP一β)特性曲線，見圖1。

從圖中可得出以下兩點：
(1)對於某一固定槳距角β，存在唯一的風能利用係數最大值Cpmax，對應一個最佳葉尖速比λopt；
(2)對於任意的尖速比λ，槳距角β=0°下的風能利用係數CP相對最大。槳葉節距角增大，風能利用係數CP明顯減小。
以上兩點即為變速恆頻變槳距控制的理論依據：在風速低於額定風速時，槳葉節距角β=0°，通過變速恆頻裝置，風速變化時改變發電機轉子轉速，使風能利用係數恆定在Cpmax，捕獲最大風能；在風速高於額定風速時，調節槳葉節距角從而減少發電機輸出功率，使輸出功率穩定在額定功率。
變槳距風電機組的運行過程可以劃分為以下四個階段：
(1)風速小於切入風速；
(2)風速在切入風速和額定風速之間；
(3)風速在額定風速和切出風速之間；
(4)風速大於切出風速。
在風速小於切入風速時，機組不產生電能，槳距角保持在90°；在風速高於切入風速後，槳距角轉到0°，機組開始併網發電，並通過控制變流器調節發電機電磁轉矩使風輪轉速跟隨風速變化，使風能利用係數保持最大，捕獲最大風能；在風速超過額定值後，變槳機構開始動作，增大槳距角，減小風能利用係數，減少風輪的風能捕獲，使發電機的輸出功率穩定在額定值；在風速大於切除風速時，風力機組抱閘停機，槳距角變到90。以保護機組不被大風損壞。
圖2表示了四個階段各個參數的變化情況。

2 變槳控制策略
變槳距風力機組的槳距角參考值可由風速、電機轉速和發電機輸出功率三個參數來獨立控制，但由於風速難於精確測量，而且在整個風輪掃掠面上的風速並不相等，所以本文不用風速作為變槳控制量，而選擇電機輸出功率作為控制槳距角的變量。其控制策略如圖3所示。

功率反饋信號和功率給定值之間的誤差作為PI控制器的輸入，PI控制器給出槳距角參考值βref，但是由於槳距角的變化對於風速而言是非線性的，當風速在額定值附近時，較小的風速變化也需要槳距角改變一個較大的角度才能使輸出功率穩定，所以在風速超過額定不多的風速階段，需要較大的PI控制器增益；而在超過額定風速較多的高風速段，較大的風速變化只需要一個較小的槳距角改變量就可以使輸出功率穩定，所以在此風速段PI控制器的增益可以較小。所以控制器所需的增益大小和所需的槳距角基本成線性反比關係，由此提出一種由槳距角大小來調節控制器增益的控制策略，即在原有控制系統中加入一個增益調度控制器，使PI控制器的在所需槳距角較小時有較大的增益，在所需槳距角較大時有較小的增益，此增益控制器由一個多項式實現。帶增益調度控制器的變槳控制框圖如圖4所示。