风力发电机组变桨距控制方法研究

第２４卷第５期

２００８年

５月

农业工程学报

ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣＳＡＥ

Ｖｂｌ．２４Ｎｏ．５

１８１

Ｍａｙ２００８

风力发电机组变桨距控制方法研究

邢钢１，郭威２

（１．天津工业大学计算机与自动化学院，天津３００１６０；

２．天津工业大学机械电子学院，天津３００１６０）

摘要：由于风能的能量密度低、随机性和不稳定性等特点，给大型风力发电机组的控制技术问题带来困难。该文以国产兆瓦级风力发电机组为依托，对大型风力发电机组变桨距控制技术进行研究。分析变桨距控制的基本规律，建立统一变桨和独立变桨距的设计方案和控制方法。提出一种应用于统一变桨距的模糊ＰＩＤ参数自整定控制器设计方案，并在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立相应的仿真模块。仿真结果表明，模糊ＰＩＤ的统一变桨距系统能较好地实现大型风电机组对功率控制的要求。此外，利用神经网络技术，提出一种基于来流角预测的独立变桨距控制策略，并通过仿真证明其可有效地减小桨叶的气动疲劳载荷，且功率控制效果良好。通过比较发现，独立变桨距控制比统一变桨距控制的输出功率更加稳定。

关键词：风力发电机组；统一变桨距控制；独立变桨控制；模糊ＰＩＤ；神经网络中图分类号：ＴＫ８３；０２３２

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２－６８１９（２００８）一５－０１８１－０６

邢钢，郭威．风力发电机组变桨距控制方法研究［Ｊ］．农业工程学报，２００８，２４（５）：１８１—１８６．

ＸｉｎｇＧａｎｇ，Ｇｕｏ

Ｗｅｉ．Ｍｅｔｈｏｄ

ｆｏｒｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅｐｉｔｃｈｃｏｎｔｒｏｌｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣＳＡＥ，

２００８，２４（５）：１８１—１８６．（ｉｎ

ＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈ

ａｂｓｔｒａｃｔ）

ＰｉｔｃｈＣｏｎｔｒ０１）。

０

引言

变桨距系统作为大型风电机组控制系统的核心部分

统一变桨距控制是最先发展起来的变桨距控制方法，目前应用最为成熟。统一变桨距控制是指风力机所有叶片的节距角均同时改变相同的角度。

独立变桨距控制是在统一变桨距的基础上发展起来的新型变桨距控制理论和方法。独立变桨距控制是指风力机的每支叶片根据自己的控制规律独立地变化节距

角【７１。

２２．１

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大型风力发电机组控制技术研究的热点和难点之一。国外研制的大容量风电机组，已将模糊控制、专家系统和神经网络等智能控制技术应用于变桨距控制领域【ｌ。３】，其技术日趋成熟。国内在变桨距技术方面相对起步较晚，一些研究将模糊控制和神经网络等技术应用于变桨距控制方法，并取得了一些成果Ｍ】。本文主要讨论风力机功率控制方法，分别研究了模糊ＰＩＤ统一变桨距功率控制系统、基于来流角预测的独立变桨距功率控制策略；并将神经网络技术及

统一变桨距功率控制与仿真

统一变桨距的模糊ＰＩＤ功率控制器设计

ＰＩＤ控制器是以其算法简单、鲁棒性好和可靠性高等

优点，广泛应用于工业自动控制领域，但传统的ＰＩＤ算法难以胜任高性能的大型风力发电机组的变桨距控制。研究表明，基于模糊逻辑的参数自整定ＰＩＤ控制器不但可以解决线性控制问题，也能很好地适应非线性系统。

在功率控制过程中，要求模糊控制器根据功率偏差

其优秀“预测”功刨ｌ’２】应用于独立变桨距功率控制和相

应的计算机仿真，并将二者的仿真结果进行比较，为中国大型风电机组变桨距控制系统国产化的研发提供一些设计思路和理论方法。

１

变桨距控制原理及控制过程变桨距控制（Ａｃｔｉｖｅ

Ｐｉｔｃｈ

信号ｅ及其变化率吾调节比例系数绵、积分系数局和微分系数岛的数值。根据的ＰＩＤ算法中各环节作用和实际

控制经验，可总结出参数整定规则，这些规则是制定模糊控制规则的依据和基础【８，９１。

模糊控制规则是模糊控制的核心算法。本文采用二维模糊控制，其模糊条件语句为：

ＩｆＥ

ａｎｄ

ＥＣ

ｔｈｅｎ

Ｃｏｎｔｒ０１）技术简单来说，

就是通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的气动转矩和气动功率。目前，国内外风电变桨距控制主要有两种方法，即统一变桨距控制

（ＣｏＵｅｃｔｉｖｅＰｉｔｃｈ

Ｃｏｎｔｒ０１）和独立变桨距控制（Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ

差的变化率；（，＿桨距角变化量。

收稿日期：２００７－０１－２７

修订日期：２００８－０５－０５

基金项目：国家８６３计划项目（２００６ＡＡ０５２４２９）

作者简介：邢钢，副教授，研究方向：风力发电机设计与变桨距控制．天津天津工业大学计算机与自动化学院，３００１６０。Ｅｍａｉｌ：ｘｉｎｇｇａａ９２００４＠１２６．ＧＯｍ

．

Ｕ．卜功率偏差；ＥＣＬ一功率偏

控制规则选取的基本原则是，当功率偏差较大时，以考虑快速消除偏差为主；当功率偏差较小时，主要考虑避免过大超调，保证系统稳定。Ｍａｍｄａｎｉ法是工程上最常用的模糊推理方法，本文采用此方法设计模糊控制器