基于AMESim的风力发电机组变桨距控制的实现

摘要：AMESim(Advaneed Modeling and Simulation Environment for Systems Engineering)是世界著名的工程系统高级建模与仿真平台，在AMESim平台上，研究人员可以建立复杂的一维多学科领域的机电液一体化系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。基于AMESim的软件特点，在此基础上建立风力发电机组的传动和控制模型，实现典型的风力发电机组随着风速的变化改变浆距角，从而实现变桨距控制，保持风力发电机组的输出功率恒定。

关键字：风力发电机组：变桨距；功率恒定

近年来，随着能源问题的不断凸显，风能的利用开发越来越受到世界范围的重视。风能是可再生能源能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的可再生能源。风力发电是风能利用的主要方式。越来越多的科研机构和院校开始从事风力发电机组的研究和开发。

风资源最显著的特点就是随机变化性，而风力发电最终将要并入电网，因此对电能的质量有很高的要求，所以对于风力发电机组需采取变桨距控制。本次基于AMESim建立风力发电机组模型，通过建立闭环控制器，模拟变桨控制，实现风速波动变化，输出功率稳定的运行曲线。

1　风力发电机组的结构及原理

风力发电机组是一种能量转换装置，把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能。风力发电的原理，是利用风带动风机叶片旋转，传递给主轴，再通过增速机(齿轮箱)将旋转的速度实现增速，再通过齿轮箱的高速轴连接发电机。带动发电机转动，使发电机发电。如图1所示：

当风作用在叶轮上，把风能转换机械能，但大型MW级风力发电机组这时的低速轴转速一般为10～20r／min，而目前异步发电机的转速一般要求1500r／min(50Hz)左右，因此需要齿轮箱增速装置。齿轮箱将风能提供的转速传递给发电机，同时也传递的转矩，从而带动发电机的发电。

风能的典型的特性是随机性，它是随着时间随机变化，因此作用在叶轮上的输入转矩也是随机变化的，但是风力发电机组输出功率应该尽可能的稳定在额定功率附近。变桨距控制是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法。在额定风速以下，风力发电机组应该尽可能地吸收更多的风能，所以这时不需改变浆距角，不需要变桨距控制；当风速大于额定风速时，变桨距通过改变桨叶的浆距角，从而调节风速产生的转矩，有效的调节风力发电机组的吸收功率，使其不超过额定功率的设定值；当风速大于切出风速时，此时已经超过了风力发电机组正常运行的最大风速，因此需要气动停车，必要时也需要机械制动。

2　基于AMESim的仿真模型的建立和仿真

恒速变桨距风力发电机组通常将感应发电机通过变流装置直接并入电网，所以其转速近似保持恒定。当风速达到额定风速时，输出功率与风力发电机组的额定功率相等，当风速继续增加时，为减小叶轮的空气动力系数并将功率限定在额定值，叶片开始调节浆距角，这里的功率差为额定功率与传感器测得的实际发电功率的差。因此控制器的目标就是不断比较实际功率和额定功率的差值，并反馈到变桨执行机构，改变浆距角，从而使输入转矩保持额定值。恒速变桨距风力发电机组控制图如图2所示：

由于系统建模过程中的复杂与不便，因此国外尤其是欧洲开始开发新的机电液系统的仿真软件，研制出更为实用的，并且取得了成功。LMS Imagine.LabAMESim就是其中的代表。它是法国IMAGINE公司于1995年推出的基于键合图的液压一机械系统建模仿真及动力分析软件。它基于直观的建模平台，整个仿真过程中系统模型可以显示在该平台中，因而广泛应用在汽车、液压和航空航天工业研发部门。

在信号控制库中，建立风速模型和闭环控制模型；在机械库、传动库中，建立风机传动链的模型，其中利用AMESim超级元件功能自定义子模型图标(中间方块图)代替一级行星+两级平行轴的子模型传动结构。基于AMESim搭建系统模型如图3：输入风速信号，并可设定切入风速和切出风速；齿轮箱传动部分，其内部传动结构采用一级行星+两级平行轴齿轮传动，并设置有机械制动装置(brake)；利用传感器测量出系统的输出功率(power)；带有闭环控制器，来实现变桨控制，以改变浆距角，保持输入转矩恒定。

为模拟风力发电机组的各种工作状态，设定风速从0m／s到增加到25m／s并带有简单的波动。根据风力发电机组运行特点，设定切入风速为3m／s，切出风速为20m／s。设置运行时间250s，采样间隔0.1s，运行仿真。

由仿真结果可以得查询到功率恒定时输入转矩和转速为123078Nm和20.35r／min，输出转矩和转速为15980.2Nm和1540.59r／min。

输入功率：Pin=(20.35*2π／60)*123078

=2430850W；

输出功率：Pout=(1540.59*2π／60)*15980.2

=2576782W；

机组效率：η=Pout／Pin*100％=97.8％；

系统模型运行曲线如图4：

从图4可以分析到：由风速实际曲线(wind speed)可以得到，风速从Om／s开始逐渐增加到25m／s，并加入简单的风速的波动。由输入转矩曲线(input torque)当风速大于切入风速3m／s时，系统开始启动，输入转矩随着风速的增加而增加，在达到额定功率之前，为吸收最大风能，不需要变桨角；当实际测得功率大于额定功率时，就需要变桨机构开始起作用，通过控制器不断改变桨角，来保持输入转矩保持在额定范围内，从而保持输出功率曲线(output power)达到额定功率之后保持近似不变。当风速大于切出风速20m／s时，系统开始采取气动制动措施，改变浆距角为最大值(一般为90度)，这时风的方向与桨叶方向可以认为是平行的，使风速作用的输入转矩减为最小(近似为0Nm)，整个机组实现气动停车，必要时还要采取机械制动措施，来实现快速停车并保护风力发电机组。

3　结论

随着风力发电的快速增长，越来越大的风电将要并网运行。风速是随机变化的，但是风力发电机组的输出频率和功率应该达到并网要求，在额定频率和功率附近保持恒定的。本文基于AMESim平台建立的风力发电机组模型，完成了从风能到机械能的能量变换，模拟了风力发电机组从定桨距到变桨距调节输入转矩，保持输出转速和功率为恒定的仿真过程。

随着风电的研究投入越来越多，将来风能定会提供给人类提供更多更优质的电能。