XIAOZHONGMING

来源：三峡大学电气与新能源学院电力电子系  作者：严峥嵘 吴先用 张河宜

      摘要：变速风力机组在高于额定风速时，其变桨距控制系统会根据风速的变化，调节桨叶节距角，使得风力机吸收功率一直维持在额定值附近。文章基于Matlab／Simulink仿真软件，在理论分析变桨距控制技术之后，搭建出风速四分量，阶跃风模型，风轮模型，传动系统模型以及变桨距执行机构等子模型，构造变速风力发电机的变桨距仿真模型。首先用阶跃风模型替代风速四分量模型来进行仿真，以此来调节变桨距执行机构中的时间常数和桨距角变化率最大值，使其控制效果达到最佳。最后根据以上得到的结果，构建基于模拟自然风况下的风力机变桨距仿真模型。仿真结果表明：模型与实际相符，且控制效果良好，验证了该模型的正确性与实用性。


      关键词：风力发电机；变桨距控制；建模仿真


      0.引言


      风能以其储量丰富，无污染等优点[1七]，引起了各国学者的广泛关注。风力发电是利用风能的有效途径之一。风力机是把风能转化为机械能的主要装置，它直接影响着风力发电系统的性能和效率。风力机主要分为两大类，一是定桨距风力机，二是变桨距风力机。定桨距风力机，顾名思义，将桨叶节距角固定，使得机组的输出功率随风速的变化而变化，通常在额定风速以下风能利用系数很低，经济效益不高；变桨距则不同，在定桨距的基础上，通过增设了桨距调节装置，可使得在额定风速以下时节距角处于零度附近，可看作等同于定桨距风力发电机；在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片节距角，保证发电机功率平稳输出。


      1.风力发电机组的变桨距控制技术


      风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能转换为电能的过程，其中风力机及其控制系统将风能转换为机械能；发电机及其控制系统将机械能转换为电能。


      1．1风力机运行特性





      1．2风力机的功率调节


      功率调节技术是风力机的关键技术之一，目前投入运行的机组主要有两类功率调节方式：一类是定桨距失速控制技术，另一类是变桨距控制技术。

      定桨距风力机组是一种风力机的功率调节完全依靠叶片气动特性的控制技术。这种机组的输出功率随风速的变化而变化，通常在额定风速以下风能利用系数很低，尤其是在低风速。其机组通常设计为有两个不同功率、不同极对数的异步发电机。大功率高转速发电机工作在高风速区，小功率低转速发电机工作在低风速区，由此来调节C口。当风速超过额定风速时，通过偏航控制或叶片的失速降低G，从而维持功率恒定。但实际上难以做到功率恒定，通常有些下降，如图2所示。而变桨距风力发电机为了尽可能提高风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，在定桨距基础上安装桨距调节装置，使得其功率调节不完全依靠叶片的气动特性，它主要依靠叶片节距角的改变来进行调节。在额定风速以下时节距角处于零度附近，变化范围很小，可看作等同于定桨距风力发电机；在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片节距角，保证发电机功率平稳输出。

      2.风力发电机组基本模块的建模与仿真


      变桨距风力发电机主要由风速模型，风轮模型，传动系统模型，桨距角控制系统模型和变桨距执行机构这几个模块构成[6]。


      2．1风速模型


      本文采用风速四分量模型，主要将风速分为基本风、阵风、阶跃风和随机风。自然风速可表示为：








      2．2风轮模型


      风轮是吸收风能并将其转换为机械能的装置，是一个复杂的空气动力学系统。为了仿真与计算的方便，本文只采用基于风能利用系数C。模型(如图3)。

      相关参数设置分别为：叶片半径R为11．6 m，空气密度1．225，切入风速为3 m／s，切出风速为25 m／s。


      2．3传动系统模型


      传动系统模型是一个由低速轴、齿轮箱、高速轴以及两端的风轮转子和发电机转子所构成的传动系统。本文采用一质量块模型，将风轮和发电机等效到一端，以简化传动系统的建模。

      相关参数设置为：齿轮传动比忌为1，发电机的转动惯量为1 800 kg·m2，风轮的转动惯量为55 500 kg·m2。


      2．4桨距角控制器模型


      本文采用PI控制器作为桨距角控制器，这里不再赘述。


      2．5变桨距执行机构模型


      变桨距执行机构描述的是风轮叶片调节至所需桨距角的执行情况，其输入是桨距角的目标值，输出是桨距角的实际值。桨距角是有上限的，一般为60。。通常，变桨距执行机构可用一阶传递函数表示为：

     3.风力发电机组变桨距模型与验证


      在风速高于额定风速时，变速风力发电机组的变桨距就会动作，限制风力机的输出功率维持在额定水平以下，使功率恒定输出。为了测试出变桨距执行机构中时间常数T与桨距角变化率上限臼～对桨距角的变化情况，先用阶跃风模型来模拟变桨情况，以便调节出最适宜的参数。根据上文已建立的模型，搭建出基于多阶跃风速的变桨距模型(图7)。

      3．1 基于多阶跃风速的变桨距模型


      多阶跃风仿真波形如图8。图9、图10为多阶跃风速的变桨距模型仿真结果。由图9、图10，可以看出变桨距执行机构中的时间常数和桨距角变化率上限选择的很好，可以很快速地跟踪到桨距角的变化。故根据多阶跃风已获得的参数，由此建立基于风速四分量模型的风机变桨距仿真模型。

      3．2模拟自然风速下的变桨距仿真模型


      设置阵风起始、持续时间分别为25 s和40 s，阵风的峰值风速为3 l"n／s，阶跃风阶跃的启动、终止和保持时间分别为60 s、80 s和10 s，阶跃风的峰值风速为4 In／s，基本风风速为18 m／s，其他参数同多阶跃风速响应，仿真时间100 s。所得到变速风力发电机组在高于额定风速时功率控制的风速、桨距角、转矩仿真结果如图1 1～图13。


      4.仿真分析


      图11是风速的四分量模型。仿真结果与现实中的风速相符，都具有随机性，爆发性，不稳定性等特点；