多种风机控制方法简介

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1、风力发电机控制系统简介风力发电机是一种复杂的，非线性的动态系统，它驱动于重力、随机的风力扰动以及重力的、离心的、回旋的负载。风机的空气动力运动是非线性的、不稳定的、复杂的。涡轮机转子受制于一个能驱动疲劳荷载的复杂三维风流域。建立风力涡轮机模型也是复杂而具有挑战性的。精确的模型必须拥有许多自由度来捕捉最为重要的动态效应。转子的旋转增加了动态模型的复杂性。风力涡轮机的控制算法设计必须考虑到这些复杂性。算法必须尽可能地在避免过于复杂和笨拙的情况下捕捉重要动态（涡轮机的）信息。下架的商业软件很少适合建立风力涡轮机动态模型。相反地，专业动态模拟编码对模拟全部重要非线性效应是很有必要

2、的。如图14-1所示，一个风力涡轮机包含了一些传感器、制动器及一个将这些元件组合在一起的系统。一个硬件或软件系统处理来自传感器的输入信号并为制动器产生输出信号。控制器的主要作用是来修改涡轮机的操作状态，来保持涡轮机的的安全操作、最大功率、缓冲破坏性疲劳荷载、探测故障情况。一个监控系统来控制机器的运转和停止，在涡轮机存在明显错位偏航时检测故障状况并触动紧急关闭装置。控制器的另一部分是用来获得最大功率并在正常涡轮机操作中减轻负载。如图14-2展示了风机的不同运行域，这是典型的实用范围。在区域2，当风速在运行范围内但低于额定风速时，控制器的目的是使风机功率最大化。在区域3，当风

3、速超出了额定风速，控制器用来将风机的功率保持在一个额定值，以限制涡轮机叶片负载和发电机转矩。其他运行区域包括启动区域（区域1）和机器关闭。在过去，风机的设计者们已经使用过不同的控制策略来达到这些不同的目的。对不同控制系统的大规模研究是在现代风机革命时进行的（详见本章的结尾的先行介绍）。在区域2和区域3，发电机速度常保持恒定。一些涡轮机在区域3利用叶片设计得到控制以使功率通过气动失速得到被动限制。功率输出并非恒定，但也不需要螺距机构来实现过负载控制。典型地，这些机器的活动控制只是与启动和关闭涡轮机有关。图14-1.风机控制舵机和典型的传感器图14-2.效用尺度风机的典型运行

4、域带有可调螺距的转子叶片常在恒速机器中使用，其较带有叶片失速的转子叶片能提供更好的涡轮机功率控制。在区域3中，可以调节叶片叶距以提供恒定功率。螺距机构在这些机器中必须是最快的，以在面对大风和扰动时提供较好的功率调节。无论如何，使涡轮机在区域2恒速运行（通过使用同步发电机或感应发电机）减少了机器的功率输出。为了能在区域2获得最大功率，转子转速必须随风速变化来保持最佳效果，相对稳定的步速率（详见图2-9）。现在大多数大型商用风机都是变速螺距可调的机器。这样就允许风机以近乎最佳的步速率在区域2的风速和发电功率下运行。叶距控制在区域1中用于启动，在区域3中用于保持额定功率以及关闭

5、。风机控制器的经典设计区域2和区域3对直流变速叶距可控风机的控制是使用诸如比例积分微分控制的经典控制设计技术的典型实例【Bossanyi2000；Burtonetal.2001】。如图14-3是这种机器的一个典型控制图。发电机转矩与区域2中的方程式相一致，正如上面14-3图中的控制回路：图14-3.商业风机的典型控制图2Q=kΩgen（14-1a）15CP,maxk=ρπR32（λ）opt（14-1b）其中，Q=gen发电机转矩（N-m）Ω=转子转速（rad/s）2K=转子功率最佳比例常数(N-m-s)3ρ=风阻（kg/m）R=齿顶圆角半径（m）CP,MAX=最大转子功率

6、系数；Eq.（2-14）λ=在某个叶桨角与C相关的最佳optp，max；Eq.（2-20）对区域2发电机力矩控制的改进可以增强能量捕捉。Fingersh和Johnson【2004】报告称增强的能量捕捉（使用了一种区域2的基准线变化控制器）接近所谓的优化追踪转子控制。对于区域3，经典的PID控制设计技术曾典型地用于叶距控制器的设计【Wright和Fingersh2008】.至于图14-3中下方的回路，我们看到发电机或者转子转速被测量并传送给叶距控制器。目的是在出现风速扰动时用PID叶距控制来调节涡轮机速度。叶距控制的表达式为：∆θ(t)=K∆Ω(t)+K∆Ω(t)dt+K∆

7、Ω(t)pI∫D（14-2）∆θ=受控叶距变化(rad)其中，∆Ω=与设置点相关的发电机或转子转动速度误差(rad)K=反馈比例增量(s)PK=完整反馈增量I2K=反馈增量微分(s)D区域3的控制设计目的是三个增量的决定值使得所需的上升转子转速追寻符合所需的设定值并保持闭环稳定。Hansenetal【2005】和Wright和Fingersh【2008】曾提供这些增量的选择方法。为了证实对这些增量的成功控制，控制设计者通常在进入场地实验和测试这样一个控制器之前模拟闭环涡轮机反馈。一些用来改善效果的对方程（14-2）的改进包括增