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变速恒频风电机组额定风速以上恒功率控制

2014/6/30 9:04:00

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        风能作为一种取之不尽、清洁无污染的可再生能源,它的开发利用已经受到了世界各国的普遍重视。作为风力资源丰富的国家之一,我国在风力发电机组的国产化方面取得了较快的进展,“九五”期间实现了600kW风力发电机组96%的国产化率,成功开发了600kW失速型风力发电机组控制系统这一关键技术。目前,我们承担了国家863“兆瓦级变速恒频风力发电机组电气控制系统”的研制攻关任务,研制工作正在积极有效地开展中。
        变速恒频风力发电机组与失速型风力发电机组相比,其中一个很大的优点是额定风速以上输出功率平稳。变速恒频风力发电机组运行在额定风速以上时,既要使额定功率点以上输出功率平稳,避免波动,又要使发电机组传动系统具有良好的柔性,同时还要考虑对风电机组实现有效保护。目前我们研制的兆瓦级变速恒频风电机组主要采用了变桨距控制技术。变桨距控制技术是在风速过高时,通过调整桨叶节距,改变气流对叶片功角,从而改变风电机组获得的空气动力转距,使机组功率输出保持稳定。本控制策略采用了功率反馈闭环控制系统,来实现变速恒频机组额定风速以上的控制目标。

变桨距机构介绍
        变桨距执行机构是由机械和液压系统组成,它沿着风机的纵向轴调节风机的桨叶。因为桨叶的惯量很大,且变桨距执行机构不应该消耗大量的功率,所以执行机构具有的限制能力,其动态特性是在桨距角和桨距速率上均具有饱和限制的非线性动态,当桨距角和桨距速率小于饱和限度时,桨距动态呈线性。变桨执行机构如图1所示。
        执行机构的模型描述了来自控制器的桨距角指令到该指令的激励之间的动态。其数学模型可以描述成如下的一阶系统



实际控制系统中的给定值是从桨距角偏差到比例阀的-DC10V~ DC10V控制电压。



控制器设计
        本控制器的基本目的是通过调节桨距角来调节功率恒定输出。如图2所示,通过电量采集测出当前发电机输出功率P。与给定功率P*相比,计算出功率误差△P。功率的偏差作为PID控制器的输入量,控制器根据厶户发出叶片参考桨距角的β*的命令,然后计算出当前桨距角误差△β=β*-β(当前桨距角β),而后根据变距机构的参数确定桨距变化速率。参考桨距角限制在0~92�范围内,控制器在这一范围内,按照新的桨距角要求调节风力机桨叶。
        图2方框内是PID控制器,比例、积分、微分增益Kp、Ki、Kd的稳定数值范围由图所示的闭环传递函数的劳斯稳定判据确定。比例、积分、微分的增益通过模拟得到具体值,其原则是使风机功率输出维持在额定输出功率。



仿真结果
由图3仿真结果可知:
1)桨距角变化速率在液压系统允许的-5�/s~ 5�/s的范围内变化。
2)桨距角β的变化与风速v的变化趋势一样,风速v增加,平均桨距角β增大;相反,风速v降低,平均桨距角β减小。
3)风机叶片瞬时吸收的功率Pmech和风能利用系数Cp变化趋势显示,桨距角β的变化限制了叶片瞬时吸收的功率Pmech,叶片工作在较低的效率上。
4)发电机输出功率Pe能够通过桨距角β的变化作用在额定功率附近平滑变化,保持恒功率。
5)发电机转速的波动被(Pmech-Pe)和机组的惯性影响。



实现方法
       基于风力发电机组电控系统工作在恶劣的自然环境和强电磁干扰中,对控制系统的可靠性和抗干扰性要求很高,为此我们选用了西门子S7-300(CPU选用的是315—2DP)系列可编程序控制器作为整个电控系统的控制核心。S7-300控制器内部自带有连续PID控制器功能“CONT_C”,实际使用中我们只需要调用“CONT_C”,并为其设定相关参数即可。“CONT_C”的部分使用程序如下:
I_ITL_ON:=
D_SEL:=
CYCLE:=
SP_INT:="DB9".an_power_set ∥功率给定值
PV_IN:="DB6".an_power ∥发电机输出功率
PV_PER:=
MAN :=
GAIN :="DB9".GAINl ∥比例常数
TI :="DB9".TI1 ∥积分常数
TD :="DB9".TD1 ∥微分常数
TM_LAG:=
DEADB_W:="DB9".an_deadband1 ∥功率调节死区
LMN_HLM:="DB9".http://a.gongkong.com/meiti/meiti/picth_hlm1 ∥输出桨距角上限值
LMN_LLM:="DB9".http://a.gongkong.com/meiti/meiti/picth_llm1 ∥输出桨距角下限值
PV_FAC:=
PV_OFF:=
LMN_FAC:=
LMN_OFF:=
I_TLVAL:=
DISV :=
LMN :="DB9".out_pitch ∥输出参考桨距角
LMN_PER:=
QLMN_HLM:=系统程序的流程图如下:


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