兆瓦级风力发电机组变桨距控制系统研究

0 引言
风能是可再生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。随着能源消耗日益增长，环境进一步恶化，世界各国都把发展可再生的“绿色”能源作为本国能源战略的重点。风力发电是风能利用的主要方式，近年来我国在风电技术和风电产业方面都取得了长足进步，但是在兆瓦级风力发电机组的设计技术和制造技术方面都还处于起步阶段，自主创新能力还很薄弱实践经验积累不足，控制技术与国外先进技术有较大差别。
变桨距控制系统作为兆瓦级风力发电机组控制系统的核心部分之一，对机组安全、稳定、高效的运行具有十分重要的作用。稳定的变桨距控制已成为当前兆瓦级风力发电机组控制技术研究的热点和难点之一。因此，有必要对兆瓦级风力发电机组的变桨距控制系统进行详细对比分析和研究。本文结合国外兆瓦级风力发电机组的发展现状，对风力发电机组变桨距系统控制的结构和控制原理进行分析。并利用PID控制方法对模型进行简要的仿真，以验证模型的正确性。

1 风力机空气动力学特性分析
在外界风力的作用下，风轮旋转产生机械能，带动发电机输出电能。但实际上风力机不能将风轮扫及面上的全部风能转换为旋转的机械能，存在风能利用系数Cp：

式中：Pin一风轮扫及面内的全部风能；Pout一风轮吸收的机械能；ρ一空气密度；A一风轮扫及面积；v―风轮上游风速。
变桨距风力机的风能利用系数Cp与尖速比λ和桨叶的节距角β成非线性关系。尖速比即为桨叶尖部的线速度与风速之比：

式中：n――风轮的转速；ω一风轮转动角速度；R一风轮半径。
据有关资料的记载和研究，风力机部分的风能利用系数Cp可近似用以下公式表示：

在上式的基础上可以，通过Mat1ab进行计算可以得到大致的风轮变桨距的叶尖速比与风能利用率之比：

从图1中可以得到以下结论：
1)在某一个特定的桨距角β下，不管叶尖速比如何变化，仅存在唯一的风能利用系数最大值Cpmax，且仅有0．5左右；
2)对于任意的尖速比λ，桨叶节距角β=O°下的风能利用系数相对最大，随着桨叶角不断增大，风能利用系数迅速减小。

2 风力发电机组的模型
本论文以兆瓦级的变桨距变速风力发电机组为研究对象。假设所采用的风力发电机组由一水平轴可变距风轮，通过增速器与发电机连接而成，系统方框图如下图：

为设计好控制器，建立风力发电机的动态模型是必要的前提条件。风力发电机组从控制系统角度来看可以分为三个子系统：风轮气动特性、传动特性和发电机模型。
2．1 风轮气动特性
在系统中，我们假定可变距的桨叶是刚性的。
由式(1)，风轮吸收的功率(机械能)为：

风轮的动态模型由以下运动方程表示：

式中：Jr一风轮的转动惯量，kgm2；ωr一风轮转动的角速度，rad／s；Tr一风轮的气动转矩，N・m；n一齿轮箱增速器的传动比；Tm一从转动轴传递给刚性齿轮的扭矩，N・m。
风轮转矩与功率之间的关系为：

2．2 传动系统动态特性
风轮将风的动能转换成风轮轴上的机械能，然后这个能量要变成所需要的电能，而电能由高速旋转的发电机来产生。由于叶尖速度的限制，风轮旋转速度较慢，而发电机不能太重，而极对数较少，发电机转速要尽可能的高，因此就要在风轮与发电机之间连接齿轮箱增速器，把转速提高，达到发电机的转速。
根据风轮气动特性，风轮产生的转矩Tr作用于带有转动惯量Jr的风轮上。风轮通过增速比为n的增速器连接到转动惯量Jg的发电机，发电机将产生一反扭矩Te。由于风轮、输入轴和增速器之间的刚性连续，因此忽略传动系统中的总摩擦力和输出轴上的相对角位移。
2．3 发电机
本论文中所涉及到的发电机为绕线式三相异步发电机，因此是通过改变定子电压而改变发电机反力矩和转速来实现变速的。