风力发电的变桨距控制研究

基于模糊PID的风力发电机组变桨距控制研究

基于模糊PID的风力发电机组变桨距控制研究作者：田强来源：《现代电子技术》2013年第16期摘要：为了提高变桨距控制系统对风力发电机组的跟踪控制精度，同时避免局部极小值问题，针对常规PID控制难以实现风力发电机组控制效果，首先建立了风力发电机组变桨距的动态模型，在分析风力发电机组变桨距控制要求的基础上，提出了一种基于模糊PID的变桨距控制方法。

该方法将模糊与PID相结合这样有效的弥补常规PID的不足。

在随机风作用下对机组的模糊PI控制器进行仿真，仿真结果表明该模糊PI控制器具有良好的动态性能及对风速扰动的鲁棒性，能够有效改善风力发电机组的变浆距系统控制效果。

关键词：风力发电机组；变桨距控制；模糊PID；变速恒频中图分类号： TN710⁃34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）16⁃0146⁃030 引言风力发电是一种清洁、绿色、无污染的可再生新能源，近几年风力发电得到了快速的发展。

目前大型风力发电机组普遍采用变桨距控制系统，变桨距风机能够提高风机的风能利用系数以转换最大的风能[1]。

当风速达到额定风速以上时，采取变桨距控制策略，通过改变叶片的迎风角度以改变气流对风力机的作用面积，使发动机输出功率维持在允许范围内。

模糊（Fuzzy）控制是一种新颖的控制策略，其最大的特点是利用专家经验或相关控制经验建立语言控制规则，无需精确数学模型就可由控制器执行其功能[2]。

人们提出模糊控制与传统PID控制相结合，组成复合模糊PID控制器的策略，取长补短，综合其优点。

当误差大于某一阈值时，首先利用模糊控制算法，加快系统的响应速度，提高系统的阻尼特性且减小响应过程的超调量，使误差尽快到达平衡点附近；当误差到达平衡点附近时，经过阈值开关的转化，利用PI控制器中的积分作用消除系统的误差。

本文变桨距控制即采用这种复合控制技术。

1 风电机组变桨距控制工况分析定桨距风电机组相比，变桨距风电机组具有较好功率平滑控制性能及并网更加灵活等优点，被广泛应用于现代风力发电系统中。

直驱式永磁同步风力发电机变速变桨距控制

直驱式永磁同步风力发电机变速变桨距控制变桨距是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法。

变桨距控制会对所有由风轮产生的空气动力载荷产生影响。

直驱式永磁风力发电机组一旦达到额定转矩，载荷转矩就不能继续增加，但风速还在增加，所以转速也开始增加，应用变桨距控制调节转速，使转速不超过上限，并由变流器保证载荷转矩恒定不变。

通常PI或PID调节器调节桨距角就可以满足要求，在有些情况下要用滤波器对转速误差进行处理，以防止过度的桨距动作。

一、变速变桨距控制概述1.基本控制要求在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能捕捉较多风能，所以这时没有必要改变桨距角，此时的空气动力载荷通常比在额定风速以上时的动力载荷小，也没有必要通过变桨距来调节载荷。

在额定风速以上时，变桨距控制可以有效调节风力发电机组的吸收功率及风轮产生的载荷，使其不超出设计的限定值。

而且为了达到良好的调节效果，变桨距应该对变化的情况作出迅速的反应。

这种主动控制器需要仔细设计，因为它会与风力发电机组的动态特性相互影响。

随着叶片攻角的变化，气流对风轮的作用力也会随之发生改变，这就会导致风力发电机组塔架的振动。

随着风速的增加，为了保持功率恒定，转矩桨距角也随着增加，风轮所受到的力将会减小。

这就使塔架的弯曲减小，塔架的顶端就会向前移动引起以风轮为参照物的相对风速的增加。

空气动力产生的转矩进一步增加，引起更大的调桨动作。

显然，如果变桨距控制器的增益太高会导致正反馈不稳定。

2.主动失速变桨距在额定风速以下时，桨距角设定值应该设置在能够吸收最大功率的最优值。

按照这个原则，当风速超过额定风速时，增大或减小桨距角都会减小机组转矩。

减小桨距角，即将叶片前缘转向背风侧，通过增大失速角来调节转矩，使升力减小，阻力增加，称为主动失速变桨距。

尽管顺桨是更常见的控制策略，但是有些风力发电机组采用主动失速变桨距的方法，通常称为主动失速。

向顺桨方向变桨距比主动失速需要更多的动态主动性，一旦大部分叶片失速，就没有足够的变桨距调节来控制转矩。

风力发电机组变桨距控制器的研究

图２风能利用系数Ｃｐ曲线
根据图２及公式计算得当桨距角的值取０°时，风
７４
风力发电机组中的发电机一般采用异步发电机，
通过建立发电机的模型，发电机的反扭矩方程：
Ｔｅ＝（ωＧ
ｇｍ１Ｕ１２ｒ′２－ω１）［（ｒ１－ωＣＧ１ｒ－′２ωω１）２
＋（ｘ１
＋Ｃ１ｘ′２）２］
（６）
式中：ｇ为发电机极对数；ｍ１为相数；Ｕ１为修正数；ωＧ
的动态过程，可以简化为一阶数学模型：
ｄβ＝（βｒ－β ｄｔＴβ 公式（５）进行拉氏变换得：
（７）
β＝ＴβＳ１＋１βｒ
（８）
式中：Ｔβ 为变桨距执行机构时间常数，ｓ；βｒ为参考桨
距角，°；β为输出桨距角，°。
变桨距执行机构模型如图３所示。
图３变桨距执行机构结构
２模糊自适应ＰＩＤ控制器的设计
（湖北民族大学信息工程学院，湖北恩施４４５０００）
摘要：针对风力发电机组在高风速下运行时输出功率不稳定的问题，提出了模糊自适应ＰＩＤ变桨距控制器的设计方案。
以机组实际输出功率值与额定功率值的偏差及其偏差的变化率作为控制器的输入变量，确定模糊语言和隶属函数，基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ上对整个系统进行仿真。仿真结果表明模糊自适应ＰＩＤ控制器具有很好的控制精度和鲁棒性。
１．２传动系统的建模
通过有关风能利用系数Ｃｐ是叶尖速比 λ和桨距角 β的函数：
Ｃｐ＝（０．４４－０．０１６７λ）ｓｉｎ［１π５（－λ０－．３３）β］－
０．００１８４（λ－３）β
（３）
１ λ
＝λ＋０１．０８β－０β．３０＋３１５
（４）
由近似函数可得图２所示Ｃｐ的曲线。

直驱风力发电模糊PID变桨距控制

型，发电效率在显著提高，别是变速变桨距机组，特其发电机中采用的变速恒频技术提高了风力发电机组在低风速情况下的出力水平。采用永磁式发电机
的直驱风力发电系统，无需外部提供励磁电源，把
永磁发电机的变频的交流电通过变频器转变为电网同频的交流电，做到风力机与发电机的直接藕合，省去齿轮箱，大减小系统运行噪声，高可靠性，大提降低系统成本，成为当前风力发电的研究热点。
、Ｉ
匐似
盛 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
直驱风力发电模糊Ｉ变桨距控制ＰＤ
（长沙学院电子与通讯工程系，湖南长沙４００）１０３
摘
要：文章对直驱型风力发电系统的结构进行了分析，研究了变速恒频系统的变桨距控制策略。基于常规ＰＤ制和模糊控制的原理，Ｉ控结合实际工况和控制目标提出模糊ＰＩＤ控制，ＭＡＴＡＢ在Ｌ平台下进行仿真，结果表明模糊ＰＤ能有效地对桨距角进行控制。Ｉ关键词：直驱；风力发电；变桨距；模糊ＰＤ控制Ｉ
风力机上的机械应力；其次通过对发电机转子交流励磁电流幅值频率和相位可调的控制，实现了变速
机将捕获的风能以机械能的形式驱动永磁发电机，
（ｅｔｏｉｓ＆ｃＥｌｃｒｎｃｏｍｍｕｉａｉｎｅｇｎｅｉｇｄａｒｎｃｔｎｉｅｒｅｐｔｏｎｍｅｎｆＣｈｎｓａｃｌｇ，ａｇｈ４１０３，ｉａ）ｔｏａｇｈｏｌｅＣｈｎｓａ，００Ｃｈｎｅ

基于ANFIS的风力发电机组变桨距控制

２ＬａｎｚｈｏｕＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＣｏｍｐａｎｙ，ＬａｎｚｈｏｕＧａｎｓｕ７３００５０，Ｃｈｉｎａ；
３ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｆＳｏｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＬａｎｚｈｏｕＧａｎｓｕ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
ｈａｓｇｏｏｄｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｅｆｏｒｒｍａｎｃ甘肃兰州
７３００５０，２．甘肃省兰州供电公司，甘肃兰州
７３００５０）
７３００５０，
３兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州
摘
要：风速的随机变化对风力发电机组变桨距控制提出了更高的要求，提出基于自适应神经模糊推理系统（ＡｄａｐｔｉｖｅＮｅｕｒａｌＦｕｚｚｙＩｎ — ｆｅｒｅｎｃｅＳｙｓｔｅｍ，ＡＮＦＩＳ）的风力发电机组变桨距控制策略，构造了风力发电机的数学模型，将实测的发电机转速和实际的发电机转速的误差作为控制器的输入，在随机风速下对自适应神经模糊推理系统控制器进行实验仿真分析。实验结果表明，采用自
适应神经模糊推理系统控制的风力发电机组变桨距控制具有良好的鲁棒性和动态性能。

风力发电机组变桨距控制策略

2023-11-10CATALOGUE 目录•风力发电机组简介•变桨距控制策略的基本理论•变桨距控制策略的实现方法•变桨距控制策略的优化方法•变桨距控制策略在实际中的应用及案例分析01风力发电机组简介风力发电机组的基本构造风力发电机组的核心部件，由叶片和轮毂组成，用于捕捉风能并将其转化为机械能。

风轮齿轮箱发电机塔筒连接风轮和发电机的重要部件，将风轮的转速提升到发电机所需的速度。

将机械能转化为电能的重要部件，由定子和转子组成。

支撑风轮和发电机的高耸结构，通常由钢铁或混凝土制成。

风力发电机组通过旋转的风轮捕捉风的动能，并将其转化为机械能。

风的捕捉机械能的转化电能的产生机械能通过齿轮箱的传递，将转速提升到发电机所需的速度。

发电机将机械能转化为电能，通过电缆输送到电网。

03风力发电机组的运行原理0201按风向分类水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。

水平轴风力发电机组的风轮轴与地面平行，而垂直轴风力发电机组的风轮轴与地面垂直。

风力发电机组的分类按容量分类小型、中型和大型风力发电机组。

小型风力发电机组的功率通常在几百瓦到几千瓦之间，中型风力发电机组的功率在几兆瓦到几十兆瓦之间，而大型风力发电机组的功率通常在几百兆瓦到几兆瓦之间。

按运行原理分类恒速风力发电机组和变速风力发电机组。

恒速风力发电机组的风轮转速保持不变，而变速风力发电机组的风轮转速可以根据风速进行调整。

02变桨距控制策略的基本理论变桨距控制是一种用于调节风力发电机组功率输出的技术，通过改变桨叶的桨距角实现对风能捕获的优化控制。

在风速较高时，通过减小桨距角增加风能捕获，以提升发电机组的功率输出；在风速较低时，通过增大桨距角减小风能捕获，以避免过度捕获风能导致发电机组振动和疲劳损坏。

变桨距控制的概念和意义变桨距控制系统的基本结构变桨距控制系统主要由传感器、控制器和执行器组成。

传感器负责监测风速、风向和发电机组运行状态；控制器根据传感器信号和预设的控制逻辑对执行器进行指令输出；执行器根据指令调整桨叶的桨距角。

基于BP神经网络的风力发电机组变桨距控制仿真研究

ｏ２．
篓ｏ．１
０
如何最大程度的利用风能，一直是各国科研人员的研究重点。尤其是在风速高于额定风速时，风能得到了很大的浪费。从高风速时依靠ＢＰ神经网络控制技术来改变桨距角，使高风速时风能能够得到最大程度的利用。智能控制领域中的神经网络是一个
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杨晓红葛海涛
（华北电力大学机械工程系，保定０１０）７０３
ＳｉｌｔｎｒｓａｃｎｖｒｂｅｐｔｈｃｎｒＩｆｎｏｒｅｅａｉｎｂｓｄｏｍｕａｉｅｅｒｈｏａｉｌ— ｉｏｔｄｐｗｅｎｒｔａｅｎｏａｃｏｏｗｉｇｏ
ｅｓｒｔｅｇｎｒｏｉａｌｒｅｏｅ．ｉａｌ，ｅｖｒｃｉａｅｎｔｅｓｕａｉｄ１ｎｕｅｈｅｅａｒｔａｓｅａｄｐｗｒＦｎｌｔｅｉａｏｉｔｎｏｈｉｌｏｍｅ．ｔｗｈｔｔｂｙｈｉｆｔｎｓｋｍｔｎｏ
机械设计与制造
ｌ４８
文章编号：０１３９（０００ — １４０１０ — ９７２１）７０８— ３
第７期
２１００年７月
ＭａｈｎｒＤｅｉｎｃｉｅｙｓｇ
＆
Ｍａｕａｔｒｎｆｃｕｅ

变桨距风力发电机组控制方法研究和仿真

图 1所示。
º对于任意的叶尖速比 K, 桨叶节距角 B= 0b时的风能利用系数 Cp 相对最大。桨叶节距角 B增大, 风能利用系数 Cp 明显减小。以上两点为变速恒频变桨距控制提供了理论基础: 在风速低于额定风速时, 桨叶节距角 B= 0b, 通过变速恒频装置, 随风速变化改变发电机转子转速使风能利用系数恒定在 Cpm ax, 捕获最大风能, 并输出电能频率不变; 在风速高于额定风速时, 调节桨叶节距角从而改变发电机输出功率, 使输出功率稳定在额定功率附近。
参考文献:
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