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作者:孔朝志,付小林,冯永刚
摘要:介绍了兆瓦级变速变桨距风力发电机组控制算法的实现过程,根据风机的非线性特征,提出了一种通过模型线性化和状态空间方程最小实现整定控制算法参数的方法。再利用MATLAB/Simulink强大的数值计算功能对主要控制环节进行设计及参数调整,并通过BLADED外部控制器模块对完整的控制算法进行了仿真研究。与常规控制算法相比,使用该方法设计的参数在控制过程中同时兼顾到风机的动态特性与稳定性,有效提高机组的运行性能。
关键词: 风力发电机组; 变速变桨距;控制算法;参数整定;仿真
0 引言
随着风力发电机组单机容量的不断增大,变速变桨距控制技术已经成为当前风电机组控制的主要方式,利用该技术可以提高捕获风能效率,获得最佳能量输出。风机的运行环境是复杂多变的,对风电机组动态过程的控制,首先需要建立其非稳态气动力模型,然后利用该模型来设计整机控制策略,最后再借助相关软件对风机整个运行过程进行动态仿真。不仅要实现功率输出最大化,还应该尽可能减小风机相关部件的载荷[1-3]。
因此,本文通过对大型变速变桨距风力发电机组动态特性的分析,提出一种以获取最大能量转换效率为目的的控制算法,该算法能同时兼顾到控制过程良好的动态特性与稳定性,并将机组结构在自然风作用下引起的动力学问题及其疲劳影响程度降到最低。
1 风力发电机组模型
1.1 风力发电机组动态特性分析
风力发电机组的动态特性是构成机组各部件的动态特性的总和,它包括风轮的空气动力学特性和结构动力学特性、传动链动态特性、发电机动态特性及控制系统动态特性,如图1所示。
已设计定型的风力发电机组,其动态特性是确定的,即对于任何给定的输入,它有一个确定的输出响应。如果输入是恒定的,我们可以通过设计,使得系统具有最佳输出;如果输入是变化的,我们希望系统能根据变化来进行适当的调整,使系统保持最佳输出。控制系统的目的就是尽量保持系统的输出在所期望的范围之内。
图1 风力发电机组的动态特性
1.2 模型线性化
风力发电机组是一个非线性的复杂系统,直接采用其非线性模型进行控制设计,有较大的难度,控制效果会不太理想。因此,控制算法实现的起点是建立风机动态特性的线性化模型[4],在此基础上再评估设计的控制算法的性能和稳定性。通常,在应用于实际风电机组之前,控制器要进行三维湍流风输入的仿真验证。当变速变桨距风力发电机组在额定风速以下运行时,通过PI控制器得到给定转矩便可实现平滑控制,转矩控制器的线性化模型也比较简单。必须包括传动链的旋转动态特性,其他动态特性可以忽略。对于变桨控制器的线性化模型,至少应包括以下动态特性:转子和发电机的旋转、塔筒的前后振动、速度传感器响应、变桨执行机构响应等。
BLADED是广泛应用于风电行业的专业设计软件,具有非常强大的计算和仿真功能。其中,软件的模态线性化模块使用了叶片和塔架结构动力学的模态表示法,能有效建立风力发电机组动态数学模型。因此,利用BLADED软件可以进行模型线性化计算[5],具体的参数设置如下图所示。
a 模态分析参数
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