大型风电机组的动态加权模糊独立变桨距控制

独立变桨距控制

电气技术

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大型风电机组的动态加权模糊独立变桨距控制

风力发电系统的数学模型具有高度非线性、时变、多变量和强耦合的特点。本文在分析机组特性和变桨距控制要求的基础上，将模糊控制与PID控制相结合，提出一种应用于独立变桨距的模糊PID参数自整定控制器设计方案，并且针对独立变桨距控制系统的稳态功率与减小桨叶受力两个目标，提出一种基于目标的动态加权模糊控制方法。通过仿真证明，在风速高于额定风速时，可以根据风速的变化调整桨叶的桨距角，从而保证在发电机输出功率稳定的前提下，减小桨叶承受的气动载荷。

姚兴佳

马

佳

郭庆鼎/沈阳工业大学风能技术研究所

变桨距风力发电机组可以在风速持续变化时，控制叶片的迎风角始终保持在最佳角度，从而使风力发电机组有可能在不同风速下始终保持最佳转换率，在当前大型风电机组设计中，桨叶节距角同步调整的统一变桨距技术已被普遍采用

［1，2］

。然而，随着风轮直径的增

大，各叶片所处的空间位置不同，由于风切变、湍流以及塔影效应的影响，叶

姚兴佳/教授

片在旋转过程中所经历的风速呈现周期性和随机性的波动，结果导致叶片根部弯矩出现相应的波动，这将大大增加叶片疲劳载荷。统一变桨距控制不能补偿

关键词/Keywords风场引起的不均匀载荷，这是它的主要风力发电机组·

缺点

［3］

。因此，近年来，通过单独控制

独立变桨距·每个叶片桨距角以减小叶片载荷波动的模糊PID·独立变桨距技术引起了众多研究者的关动态加权·

注。在风轮旋转过程中，单独调节三个叶片桨距角，以补偿由于叶片旋转空间不均匀性引起的弯矩的波动，从而大大减小了叶片的疲劳载荷

［4-6］

。

由于风力发电与风湍流有着密切的

关系，不均匀载荷更显著，由此，人们希望通过智能控制尽量减少结构载荷，

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·冶金电气·2011年第30卷第24期

而不是采用更强的结构来承受严重的潜在

载荷，这样可以减少成本［7］

。文献［8］提出了H∞鲁棒控制对于风电机组恒功率

控制的作用；文献［

9］说明了神经网络技术在变桨距风力发电领域中的应用；文

献［

10］提出了对桨距角进行d－q变换的方法形成两个单入单出控制环进行控制的优化方法。

本文给出风力发电系统模糊自适应PID控制方案。考虑桨叶受力，提出一种基于目标的动态加权模糊控制方法，提高了叶片受力控制器配合功率控制器组成的变桨距控制系统的总体响应速度和性能。

风力机变桨距控制理论

变桨距控制简言之就是通过调节叶片

节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的气动转矩和气动功率。

在独立变桨距控制中，控制的首要目标是减小功率的波动，其次是减小载荷和振动，所以要注意如何使三个桨叶相互协调，合理的控制使其发电机的输出功率稳定在额定功率，这也是研究重点之一。目前，独立变桨距系统的控制策略主要包括基于桨叶加速度和基于桨叶方位角两种，考虑到三个桨叶都是相同的，只是在空间的位置不同，本文提出了基于桨叶方位角权系数分配的独立变桨距控制方案，其控制框图如图1所示。

桨叶方位角θ为该桨叶中心线与风轮扫及面右半x轴间夹角，设定逆时针旋转方向为正。

如果忽略不同型号风力机桨叶的形状差别，则可设定每个桨叶受风的“平均风