基于多控制器协同调节的风力机变桨距控制的研究

本文主要研究风力发电机组中风力机的运行控制策略,目的是为大型变桨距风力发电机组建立一种能够高效、稳定获取风能的控制方法。根据风力机捕获风能的特性及风力发电机组的并网需求,在额定风速以下,风力机的转速与风速必须保持在某个恒定的速度比上,才能保证风力机的最大风能捕获效率；在额定风速以上,通过变桨距控制使风力机的转速及转矩保持在额定值,保证风力发电机组更好的发电质量以及更长的使用寿命等。因此,风力机变桨距控制作为当今大型风力发电机组关键技术之一,其性能直接影响着整个风电机组的运行状况及寿命。本文分析了风能转换系统的基本工作原理及其能量转换特性,对变桨变速风力发电机组各个阶段的运行特性进行研究与分析,采用一种新的控制策略解决当前变桨距控制中存在的问题。 在额定风速以下,利用发电机转速反馈PI调节,将风力机桨距角调节为0度,通过发电机转速反馈PID调节实现低风速发电机转矩控制,从而达到跟踪最佳叶尖速比和捕获最大风能的效果。 在额定风速以上,充分利用当前风电控制系统中未被利用的风速信号,桨距角控制也不再单一得基于转速反馈调节变桨距控制或功率反馈调节变桨距控制来实现,而是采用基于发电机转速反馈调节变桨距PI控制、基于发电机功率反馈调节变桨距变积分PI控制和基于风速及其变化调节的模糊前馈桨距角补偿控制等多控制器协同调节的风力机变桨距控制策略,最终参考桨距角的输出为三者输出之和,旨在加强高风速期间以及阵风到来时桨距角的调节效果。此外,由于发电机转矩是基于发电机转速反馈PID调节来控制,且低风速0度桨距角由转速反馈调节变桨距控制器计算获取,故转速反馈调节变桨距控制器起主要调节作用,功率反馈调节变桨距控制器与模糊前馈桨距角补偿控制器起辅助调节作用,且模糊前馈桨距角补偿控制器仅受风速影响。额定风速以上转矩控制通过限幅保持在额定转矩。 然后阐述控制策略的实现过程,并在MATLAB/simulink中对风力机控制环节进行仿真分析及控制器参数的整定,仿真结果表明本文基于多控制器协同调节的变桨距控制策略具有良好的控制效果。最后,本文采用倍福PLC模拟风电主控制器,搭建基于CANopen总线通讯的模拟平台,设计主控制器变桨距软件。