基于半物理仿真平台的风力机PID控制研究

摘 要： 针对变速变桨风力机组的特点，基于风力机半物理仿真平台，根据建立的组合风速模型及风力机不同的运行区域，研究了考虑机械传递、阻尼等因素的风力机PID控制方法，并进行了实验验证。结果表明，真实物理平台实验更能体现风力机的机械特性，建立的PID控制方法也较为贴近真实风机的控制特性。

关键词： 风力发电机组； 风速模型； 半物理仿真平台； PID控制

中图分类号： TN911.7?34； TK81 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）13?0132?04

Wind turbine PID control based on semi?physical simulation platform

HE Shao?hua， LIAO Ming?fu， WANG Si?ji， LIU Yong?wei， LI Hao

（Institute of Monitoring and Control for Rotating Machinery and Wind Turbines， Northwestern Polytechnic University， Xi’an 710072， China）

Abstract： The control method of taking accounting of mechanical transmission and damping is researched on the basis of the characteristics of variable speed variable pitch wind turbines， the wind turbine semi?physical simulation platform， and the established model of wind speed and different operating regions of wind turbines. The experiment verification of the method was conducted. The results showed that the experiment of real physical platform can reflect the mechanical properties of the wind turbines better， and the established PID control method is relatively close to the control characteristics of real wind turbines.

Keywords： wind turbine； wind speed model； semi?physical simulation platform； PID control

0 引 言

近年来，随着风电市场的扩大和变速变桨风力机的发展，风力机控制系统的设计开发越来越重要。但是，由于风力机工作的风速具有随机性、间歇性特点，加上能量传递链的柔性结构及随转速变化的机械阻尼的影响，风力机的控制成为一个难题。在真实风力机上进行控制研究，因工作量大、风速不稳及较难对外界影响因素进行控制，难以实现。文献[1]建立了风速的四分量时域模型，在不同的风速下对风力机性能进行了仿真分析。文献[2]采用PD方法对风力机组进行控制仿真研究。上述研究均建立在Matlab/Simulink仿真的基础上，与真实风力机控制有一定差距，不能很好地体现出风力机的机械特性。因此，本文研究了基于风力机半物理仿真平台，考虑机械特性的PID控制方法，并进行了实验验证。

1 风速模型

在风力机控制研究中，首要任务是建立合适的风速模型。风速模型的选用直接影响到整个风力机性能的检测。好的模型，能反映自然风的随机性及间歇性的特点。文献[3]阐述了组合风速模型。该模型计算简单，容易实现，且能较好的反应自然风的主要特征。模型分为4个部分：基本风速，反映风场平均风速的变化；阵风，反映风速突然变化的特性；渐变风，反映风速的渐变变化特性；噪声风，反映风速在相对某高度上的随机变化特性。

使用Matlab/Simulink建立组合风速的数学模型，得到风速的曲线如图1所示。

图1 模拟风速曲线

2 控制方法

2.1 风电机组的运行区域

实际运行中的风力发电机可以划分为以下几个阶段[4]：

（1） 启动区。风速在切入风速以下时，发电机与电网相脱离，发电机不发电，机组只在风力作用下做机械转动。风速达到切入风速，一般为3～3.5 m/s左右，持续5～10 min左右，风力机启动，发电机并入电网。

（2） [Cp]恒定区。发电机并入电网，风速在额定风速以下的区域。风力机开始发电。根据风速，发电机的转速发生变化，机组始终保持在最佳叶尖速比[（Cp]恒定），最大限度捕获风能。

（3） 转速恒定区。由于风速的持续增大，发电机转速增加到机组允许的最大转速。保持这一转速不变，随着风速的持续增大，叶尖速比[λ]略有减小，风能利用系数[Cp]也减小，但是机组的功率仍在增大。

（4） 功率恒定区。随着机组功率的持续增大，发电机及变流器达到功率极限。机组控制桨叶开始变桨，[Cp]进一步变小，从而维持整个机组的功率恒定。

2.2 控制方法设计

本文实验基于风力机半物理仿真平台，分为风轮模拟转矩输入模块及模拟风力机控制模块，两个模块配合同时进行。

2.2.1 风力机半物理仿真平台

如图2所示，实验用风力机半物理仿真平台主要包括三个部分：

（1） 计算机模拟系统。主要是将风力机的建模参数、模拟风速、叶片参数、变桨角度及主轴实测转速等输入到风轮输入模拟程序中，从而得到相应的风轮转矩。

（2） 风轮转矩模拟系统。根据计算得到的风轮转矩对驱动电机部分进行直接转矩控制，通过减速机，对模拟风力机系统部分提供相应的转矩。

（3） 模拟风力机控制系统。主要根据发电机转速，基于某种控制策略，得到相应的发电机控制转矩，从而对发电机的转矩进行控制，达到风力机最大功率的风能捕获。

2.2.2 风轮模拟转矩输入模块

风力机风轮从风中获得的转矩为[5]：

[TT=12CTλ，βρπv2R3] （1）

式中：[TT]为风轮转矩，单位：N・m；[CT]为转矩系数；[λ=RΩv，]为叶尖速比；[β]为风力机桨距角，单位：（°）；[ρ]为空气密度，单位：kg/m3；[v]为风速，单位：m/s；[R]为叶片半径，单位：m；

转矩系数[CT，]可由式[CT=Cpλ]计算得到。其中，[Cp]为风能转换效率系数，与叶尖速比[λ、]桨距角[β]成非线性关系[6]：

[Cpλ，β=0.22116λi-0.4β-5e-12.5λi] （2）

[1λi=1λ+0.08β-0.035β3+1] （3）

图2 风力机半物理仿真平台

根据文献[7]，风力机风轮从空气中获得的转矩，可用多项式进行拟合。本文以某型风力机为原型，经比较，6次多项式拟合函数误差较小，可以满足仿真模拟需求。

[CTλ=a0+i=16aiλi] （4）

式中：[a0，][a1，]…，[a6]为多项式系数。拟合曲线如图3所示，多项式系数见表1。

图3 某型风力机力矩系数拟合曲线

当风速位于启动区转速恒定区之间时（3～11.14 m/s），叶尖速比始终保持设计叶尖速比[λD；]当风速位于转速恒定区与功率恒定区之间时（11.14～12 m/s），转速不变，叶尖速比随着风速而变化。由式（4）计算可得启动区到功率恒定区之间的理论转矩。当风速处于功率恒定区（12～25 m/s），由于研究用的半物理平台没有变桨模块，风轮转矩设定为理论最大值保持不变，为理想值，与真实情况有所差异。最后，上位机通过RS 232串口，将计算得到的理论转矩，传送给变频器作为给定值，变频器的内部处理器通过矢量控制算法进行处理，提供给异步电动机电源信号，使电动机按照指定方式提供转矩[8]。

2.2.3 风力机控制模块

风力机工作在[Cp]恒定区，载荷通常比较小，可以通过控制器调节发电机转速，进而控制风轮转速，使风力机始终工作在最佳叶尖速比，从而实现最大功率的风能捕获。广泛采用的一种控制率为[T=Kω2，]其中[T]为发电机转矩控制值；[K]为常数，可以通过风力机工作在设计叶尖速比获得；[ω]为发电机转速[9]。风力机工作在转速恒定区，控制器调节发电机转速保持不变。风力机工作在功率恒定区，变桨机构开始工作，发电机转速始终保持在额定转速附近。

发电机转速PID控制器框图[10]，如图4所示。

图4 发电机转速控制器框图

PID控制器使用增量式的PID控制方法，相比于位置式PID，具有计算量小、不容易累计误差、易于实现手动到自动的无扰动切换等特点，予以采用。由于实验用的半物理仿真平台没有变桨机构，当风力机从转速恒定区过渡到功率恒定区，发电机转速始终保持不变，为理论设计值。实际中，根据采用不同的变桨控制策略，发电机转速会有所变化。

3 实验验证

本文研究的主要内容是，通过风力机半物理仿真平台上的PID控制，模拟某型风力机PID控制的可能性。某型风力机的相关技术参数如表2所示。

在PID控制中，使用的采样周期为2 s，控制周期为0.5 s，也就是每2 s采集一次风速并进行4次PID控制。这样做的目的是尽量在模拟真实风力机控制的前提下，防止搭建的仿真平台操作频繁，出现冲击，从而毁坏设备。采用图1的模拟风速曲线，实验结果如图5～图9所示。

图5 风力机输入扭矩曲线

图6 发电机转速设定曲线

图7 发电机实际转速曲线

由上述的数据以及仿真曲线，可知：

（1） 通过PID控制，低风速情况下，风力机叶尖速比始终持在最大叶尖速比附近。高风速情况下，风力机通过变桨以及减小叶尖速比，保持了功率的基本恒定。从而保证了风力机最大功率的风能捕获。

图8 风力机输出功率曲线

图9 风力机输出转矩曲线

（2） 由于风力机的功率及风轮转矩与风速的立方，平方成正比。所以在风速出现扰动的情况下，风机也会出现较大扰动。

（3） 图5及图7的0～250 s时间内，输入的转矩以及发电机的转速都需要从0调节到一个固定的值，在风速大于切入风速以后再重新调节。是因为搭建的风力机仿真模拟平台，启动的时候，电动机部分需要给定一个较小的转矩，发电机部分需要给定一个较小的转速。不然平台由于机械故障，会出现强烈的振动，从而影响实验的进行。实际中的风力机切入风速以下的时候，风轮转矩以及发电机转速随着风速变化，发电机不接入电网。

（4） 图6及图7为仿真过程中发电机转速的设定值与实际值。除0～250 s发电机实际转速从0到达一定的设定值，其他时间内设定值与实际值非常接近，误差控制在很小的范围，证明所采用的PID转速控制方法有效。

（5） 风机发电机部分转矩出现的扰动较大，是因为在真实的风力机中，始终存在机械故障，如不对中、齿轮箱问题等，从而影响到发电机的转矩。

4 结 论

本文针对变速变桨风力机的特点，研究了考虑风力机机械特性的PID控制方法，并进行了实验验证，得出如下结论：

（1） 真实的物理平台实验与Matlab/Simulink仿真实验存在着一定的差异性，由于物理仿真平台的机械特性，仿真过程中往往需要根据实际情况，完善控制策略，即风力机控制策略中必须考虑机械特性。

（2） PID控制方法具有易于实现、可靠性高及适应性强等特点。通过实验验证可以看出，其具有良好的控制效果。本文的实验结果给风力机的PID控制提供了参考。

参考文献

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