风力发电变桨系统中控制策略的优化设计和应用

刘宇泽，陈宇

1.大连市第八中学，辽宁大连 116021

2.华锐风电科技（集团）股份有限公司，北京 100872

刘宇泽1，陈宇2

1.大连市第八中学，辽宁大连 116021

2.华锐风电科技（集团）股份有限公司，北京 100872

兆瓦级风力发电机组的电动变桨系统是保证风机安全、提高风机运行效率、减小风机载荷的关键。因此，能够将桨叶准确地驱动到目标位置是变桨系统的主要任务。本文针对电动变桨系统引入一种优化的控制策略，利用其简单、跟踪调节性能好、鲁棒性强、能消除不可测干扰等优点，提高变桨系统的控制品质。

变桨控制；风力发电；控制策略

1 绪论

电动变桨系统是风力机组功率控制和安全运行的重要执行机构，在机组运行中发挥着重要作用［1］。风机通过变桨系统改变叶片的角度来调节对风能的吸收，如何增加变桨系统的稳定性和可靠性，提高变桨系统的响应速度和鲁棒性对于机组安全稳定运行显得尤为重要。

2 电动变桨系统的结构

电动变桨系统主要由滑环、过压保护装置、变桨驱动器（一般是伺服驱动器）、变桨电机、后备电源等组成。电动变桨系统一般是由三个独立的变桨驱动单元分别控制三个桨叶，这样如果某个变桨控制单元出现故障，其它两个桨叶可以完成顺桨，从而使风机完成气动刹车，保证风机安全。

电动变桨系统的变桨驱动器通过滑环与机舱中供电线路和风机主控制器相连，获得动力电源和接受变桨控制信号，变桨驱动器同时具有一些IO信号处理功能。变桨电机是通过变桨减速机控制变桨轴承带动桨叶旋转。电机的编码器反馈信号可以用来计算桨叶的位置。备用电源由储能元件和充电器组成。备用电源需在主电源发生停电故障时为系统供电，使电动变桨系统将桨叶从工作位置驱动到顺桨位置。

3 变桨系统的软件设计要求

根据运行特点，变桨系统可分为3种工作模式：手动模式、安全模式、位置模式。手动模式的优先级最高，变桨系统在人工接入手动控制盒之后触发这种模式。在手动模式下，变桨驱动器根据手动控制盒的指令控制变桨电机按照设定的速度旋转。安全模式是指变桨系统出现严重故障时，变桨系统根据风机主控制器的指令或者由安全链IO信号触发这种模式。位置模式由风机主控制器指令触发，变桨驱动器控制变桨电机按照主控制器实时传过来的速度设定值运行。

手动模式和安全模式都是临时模式，并且都按固定的速度驱动变桨电机运行，所以控制起来较为容易，普通的伺服驱动器就可以很好地满足工程需要。当风机在正常运行时，变桨系统运行在位置模式，叶片期望位置由风机主控制器根据当前发电机功率和转速以固定的循环周期实时计算出来，进而由叶片期望位置计算出变桨电机的期望转速，并通过通讯总线发给变桨驱动器。风机主控制器计算出的变桨电机期望转速通过通讯总线传输到变桨驱动器需要一个周期的时间，而变桨驱动器执行完指令并将叶片的实际位置反馈给风机主控制器也需要一个周期的时间，因此优化的设计需要考虑两个滞后环节的问题。

4 变桨控制算法设计

4.1控制算法简介

本文讨论的控制算法是在传统反馈控制的基础上，经过变换产生的。很多实际控制系统，其被控对象的数学模型可近似视为带纯滞后的一阶或二阶环节。当纯滞后环节用Taylor级数展开时，控制器可转化为常规的单位反馈控制，使控制器的设计更简单实用。该控制器用于此类系统比传统的反馈控制亦能获得良好的动态和稳态性能［2］。

4.2变桨系统控制器的结构

变桨系统控制器的期望叶片位置由风机主控制器根据当前发电机转速和功率计算得出，作为控制器的输入目标值。它减去两个变量作为比例环节Kp的输入，一个被减变量是实际伺服系统输出的叶片实际位置与系统内部伺服参考模型的输出位置的差值经过滤波之后的值，另一个被减变量是比例环节经过积分后的内部叶片位置。比例环节Kp的输出是参考速度，分别送给了积分环节和实际伺服系统。积分环节的输出是参考位置，作为反馈返回，同时也作为伺服系统参考模型的给定输入。伺服系统参考模型的输出是系统内部计算出的叶片位置。伺服系统参考模型是根据变桨驱动器和电机建立的整体模型。实际伺服系统也是指变桨驱动器和电机的整体。

4.3系统中各参数的调节方法

增大比例系数Kp可以加快系统响应速度，减少误差，但是如果过分增大Kp将影响系统的稳定性。伺服系统参考模型由一个一阶惯性环节和一个纯滞后环节构成。一阶惯性环节的惯性时间常数不应该太大，伺服系统本身惯性就较少，这个环节可以当作滤波器用。纯滞后环节的滞后时间应该是系统的两个通讯周期。反馈滤波器主要用于平滑信号，一般采取一阶惯性滤波器。惯性时间常数对抑制干扰作用明显，但是太大会使系统响应变慢。

5 仿真实验

根据前面的分析，在matlab中建立控制系统仿真模型。优化的控制算法仿真结果如图1所示。传统PID控制算法仿真结果如图2所示。从仿真结果可以看出优化的控制算法比PID控制算法控制效果要好，超调小。

6 结论

本文介绍了一种风力发电机组的电动变桨控制技术。从分析系统的需求出发，设计了一种实用的电动变桨系统控制算法。通过仿真实验证明，优化的控制器设计较采用传统的PID控制器设计的变桨系统能获得良好的动态响应，同时也能兼顾稳定性和鲁棒性。

［1］凌志斌，窦真兰，张秋琼，等.风力机组电动变桨系统［J］.电力电子技术，2011，45（8）：101-103.

［2］唐新宇，任智华，王萍.系统内模控制器设计及其仿真［J］.天津工业大学学报，2003，22（1）：84-86.

TM6

1674-6708（2015）147-0066-02