風能作為一種取之不盡、清潔無污染的可再生能源，它的開發(fā)利用已經受到了世界各國的普遍重視。作為風力資源豐富的國家之一，我國在風力發(fā)電機組的國產化方面取得了較快的進展，“九五”期間實現(xiàn)了600kW風力發(fā)電機組96％的國產化率，成功開發(fā)了600kW失速型風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)這一關鍵技術。目前，我們承擔了國家863“兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組電氣控制系統(tǒng)”的研制攻關任務，研制工作正在積極有效地開展中。

變速恒頻風力發(fā)電機組與失速型風力發(fā)電機組相比，其中一個很大的優(yōu)點是額定風速以上輸出功率平穩(wěn)。變速恒頻風力發(fā)電機組運行在額定風速以上時，既要使額定功率點以上輸出功率平穩(wěn)，避免波動，又要使發(fā)電機組傳動系統(tǒng)具有良好的柔性，同時還要考慮對風電機組實現(xiàn)有效保護。目前我們研制的兆瓦級變速恒頻風電機組主要采用了變槳距控制技術。變槳距控制技術是在風速過高時，通過調整槳葉節(jié)距，改變氣流對葉片功角，從而改變風電機組獲得的空氣動力轉距，使機組功率輸出保持穩(wěn)定。本控制策略采用了功率反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)變速恒頻機組額定風速以上的控制目標。變槳距機構介紹變槳距執(zhí)行機構是由機械和液壓系統(tǒng)組成，它沿著風機的縱向軸調節(jié)風機的槳葉。因為槳葉的慣量很大，且變槳距執(zhí)行機構不應該消耗大量的功率，所以執(zhí)行機構具有的限制能力，其動態(tài)特性是在槳距角和槳距速率上均具有飽和限制的非線性動態(tài)，當槳距角和槳距速率小于飽和限度時，槳距動態(tài)呈線性。變槳執(zhí)行機構如圖1所示。

執(zhí)行機構的模型描述了來自控制器的槳距角指令到該指令的激勵之間的動態(tài)。其數(shù)學模型可以描述成如下的一階系統(tǒng)

實際控制系統(tǒng)中的給定值是從槳距角偏差到比例閥的-DC10V～+DC10V控制電壓。

控制器設計

本控制器的基本目的是通過調節(jié)槳距角來調節(jié)功率恒定輸出。如圖2所示，通過電量采集測出當前發(fā)電機輸出功率P。與給定功率P＊相比，計算出功率誤差△P。功率的偏差作為PID控制器的輸入量，控制器根據(jù)厶戶發(fā)出葉片參考槳距角的β＊的命令，然后計算出當前槳距角誤差△β=β＊-β（當前槳距角β），而后根據(jù)變距機構的參數(shù)確定槳距變化速率。參考槳距角限制在0～92°范圍內，控制器在這一范圍內，按照新的槳距角要求調節(jié)風力機槳葉。

圖2方框內是PID控制器，比例、積分、微分增益Kp、Ki、Kd的穩(wěn)定數(shù)值范圍由圖所示的閉環(huán)傳遞函數(shù)的勞斯穩(wěn)定判據(jù)確定。比例、積分、微分的增益通過模擬得到具體值，其原則是使風機功率輸出維持在額定輸出功率。

仿真結果

1）槳距角變化速率在液壓系統(tǒng)允許的-5°/s～+5°/s的范圍內變化。

2）槳距角β的變化與風速v的變化趨勢一樣，風速v增加，平均槳距角β增大；相反，風速v降低，平均槳距角β減小。

3）風機葉片瞬時吸收的功率Pmech和風能利用系數(shù)Cp變化趨勢顯示，槳距角β的變化限制了葉片瞬時吸收的功率Pmech，葉片工作在較低的效率上。

4）發(fā)電機輸出功率Pe能夠通過槳距角β的變化作用在額定功率附近平滑變化，保持恒功率。

5）發(fā)電機轉速的波動被（Pmech-Pe）和機組的慣性影響。

基于風力發(fā)電機組電控系統(tǒng)工作在惡劣的自然環(huán)境和強電磁干擾中，對控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性要求很高，為此我們選用了西門子S7-300（CPU選用的是315—2DP）系列可編程序控制器作為整個電控系統(tǒng)的控制核心。S7-300控制器內部自帶有連續(xù)PID控制器功能“CONT_C”，實際使用中我們只需要調用“CONT_C”，并為其設定相關參數(shù)即可。“CONT_C”的部分使用程序如下：

I_ITL_ON：=

D_SEL：=

CYCLE：=

SP_INT：="DB9"．an_power_set∥功率給定值

PV_IN：="DB6"．an_power∥發(fā)電機輸出功率

PV_PER：=

MAN：=

GAIN：="DB9"．GAINl∥比例常數(shù)

TI：="DB9"．TI1∥積分常數(shù)

TD：="DB9"．TD1∥微分常數(shù)

TM_LAG：=

DEADB_W：="DB9"．an_deadband1∥功率調節(jié)死區(qū)

LMN_HLM：="DB9"．∥輸出槳距角上限值

LMN_LLM：="DB9"．∥輸出槳距角下限值

PV_FAC：=

PV_OFF：=

LMN_FAC：=

LMN_OFF：=

I_TLVAL：=

DISV：=

LMN：="DB9"．out_pitch∥輸出參考槳距角

LMN_PER：=

QLMN_HLM：=