变速风力发电机组的变桨控制及载荷优化

薛藻芹

摘 要 本文结合实际案例，从如何选择抑制变速风力变化给电机组造成信后滞后影响等信息，能够利用有效的信息将整个风力发电机组的输出功率及相关的额定风速进行有效的限制，进而实现整个变速风力发电的实际荷载控制技术问题。本文研究了传统变桨控制技术，并按照相关的技术原理对整个反馈信号及相关信息进行有效分析，从而实现降低风电机组承受荷载能力及其相关性。

关键词 变速风力发电机组 变桨控制 荷载优化

中图分类号：TM315 文献标识码：A

0引言

现阶段，对于整个变速风电发电机组来说，其主要的应用环节及其变桨控制的相关性是整个变速风力发电机组进行有效变化及控制的主要操作过程。在变速风力发电机组进行控制时可以采用相关的控制器进行有效的控制，从而实现将风速范围进行有效的设定，调节风速的最大化影响，进而实现整个风速变化的随机性。但是由于风速的变化会引起整个风电机组承受何在的最大优化。当风力在不断变化时，将会引起整个转速的大幅下降，引起整个转速的变化，从而造成功率的大幅波动，影响了输出功率。针对变桨控制所产生的一系列问题，因此在整个降低发电机转矩波动的过程中需要结合相应的功率恒定，最后在MATLAB环境下进行仿真研究，验证相关的控制策略的可行性和有效性。

1风力机变桨控制理论

1.1风力机气动特性分析

由气动力学分析知，风力发电机从风能捕获到气动功率中，整个气动功率中及相关的风能利用系数相比较。当保持相应的桨角 不变的情况下，会使得整个最大风能系数的最佳尖速比进行有效的分析。对于确定的尖速比 ，风能利用系数在桨距角 = 0笆毕喽宰畲螅？且随着桨距角 增大，风能利用系数明显减小。因此在风速高于额定风速时，可通过调节风力机桨距角从而改变发电机输出功率，使其稳定在额定功率附近。

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功率，从而使得整个机电发电机进行相应的关系。

1.2风力机变桨控制

风力机变桨的控制距离参考值及相关的电机转速作为控制桨的距离进行有效的分析，进而实现整个发电机组的相关性，发电机转速反馈信号及相关的误差进行有效的分析，实现误差作为PID控制器的输入性质，从而使得整个控制器进行桨距离的变化性。相应的桨距离角的参考值，及相应的变化性存在一定的分析性原因，它通过变桨控制器与相应的 角与实际的桨距离角成为一定的参考值，所以对于整个变桨执行力来说具有一定的改变性，影响了整个将桨距角的参考值。

2基于风扰动的前馈补偿控制器

基于以上分析可知，传统 PI 控制中固定增益不能满足在大范围风速变化下的转速控制。对于风速的突变，变桨控制器的相应速度不够迅速，控制功率输出效果并不理想。所以此次采用基于风扰动的前馈补偿控制对采用传统 PID 控制得到的参考桨距角进行在线补偿修正。在额定风速以上，根据风速实时变化量 计算出适配的桨距角修正量，与 PID 控制器输出的桨距角相加，整体作为桨距角的设定值。

风力发电系统在风速发生突变时，桨距角变化响应速度慢于风速的变化，可以参照上式桨距角与风速的关系，根据风速的变化量给出合适的桨距角修正量。通过计算得到控制增益 k。当风速高于额定风速，突变增大时，通过前馈补偿控制得到桨距角补偿量 ，此时桨距角参考值： * ref = ref + 。桨距角的增大允许桨叶执行机构提前动作，减少风轮吸收的风能，使风机以稍低于电机额定转速的速度达到额定转矩，以防止功率超过额定值。当风速突降时，此时桨距角参考值： * ref = ref - 。由此可知，此时风能利用系数增大，增加了风能吸收，减缓了由于风速突然下降引起的输出转矩突降，减少功率波动，使其维持额定值附近，同时减少了桨叶摆振载荷。从整个风力发电的过程中及相关的变化性分析可以看出，发电机组的变桨控制机相关的荷载变化具有一定的变化，相应的变化性及结果性可以进行相应的分析，使得整个PID的控制器与相关的桨距角具有一定的变化性，设定值与相关的已知数据之间的关系具有一定的分析性，其额定风速的变化与相关的风力发电机组的运行的稳定性具有一定的作用，此时可以通过得到相关的风力机发电稳定情况及相應的桨距角的增值量进行相应的分析，使得整个风速增量存在一定的关系。

3变桨距仿真结果与分析

风力发电的变化主要与其相关的参数具有一定的关系，额定功率为2MW，且额定风速为12m/s，空气密度大小为1.225kg/m3，叶轮的半径与相应的风轮的转动与相应的转动惯性具有一定的相关性，使得整个发电机惯量为20kg/m2，在相应的实际仿真的环境中，采用传统的PI变桨距离与相关的风扰动速率与相关的前馈补偿系统进行相应的分析，实现整个仿真环境下的风力机系统仿真结果具有一定的相关性。可以看出，通过前馈补偿控制，发电机转速波动明显减小，并且能够更快发电机转速的跟踪额定转速。桨距的响应速度也有所提高，变化更加平滑，从而减少了桨距角频繁动阶跃风下桨距角变化作而引起的疲劳载荷。当 风速随机变化时，通过前馈补偿，发电机转速振随机风动波动明显减小，发电机输出功率比较平滑，能够很好地稳定在额定范围内。

4结束语

通过对两种变桨距控制方法进行仿真对比研究，仿真结果表明： 对于随机不稳定变化的风的影响，采用前馈补偿变桨距控制策略的风力机叶片所受的摆振载荷与疲劳损伤要小于采用传统变桨距控制策略的风力机。并且采用前馈补偿变桨距控制能够显著地减小了风力发电机转速的波动，有效抑制了传动链扭转载荷振动，减小机组的疲劳载荷损害，延长了整个机组的使用寿命。

参考文献

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[2] 何玉林，苏东旭，黄帅等.变速变桨风力发电机组的桨距控制及载荷优化[J].电力系统保护与控制，2011，39（16）：95-99.