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基于半物理仿真平台的风力机PID控制研究

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贺少华+廖明夫+王四季+刘永伟+李浩

摘要：针对变速变桨风力机组的特点，基于风力机半物理仿真平台，根据建立的组合风速模型及风力机不同的运行区域，研究了考虑机械传递、阻尼等因素的风力机PID控制方法，并进行了实验验证。结果表明，真实物理平台实验更能体现风力机的机械特性，建立的PID控制方法也较为贴近真实风机的控制特性。

关键词：风力发电机组；风速模型；半物理仿真平台；PID控制

：TN911.7?34；TK81：A：1004?373X（2014）13?0132?04

WindturbinePIDcontrolbasedonsemi?physicalsimulationplatform

HEShao?hua，LIAOMing?fu，WANGSi?ji，LIUYong?wei，LIHao

（InstituteofMonitoringandControlforRotatingMachineryandWindTurbines，NorthwesternPolytechnicUniversity，Xian710072，China）

Abstract：Thecontrolmethodoftakingaccountingofmechanicaltransmissionanddampingisresearchedonthebasisofthecharacteristicsofvariablespeedvariablepitchwindturbines，thewindturbinesemi?physicalsimulationplatform，andtheestablishedmodelofwindspeedanddifferentoperatingregionsofwindturbines.Theexperimentverificationofthemethodwasconducted.Theresultsshowedthattheexperimentofrealphysicalplatformcanreflectthemechanicalpropertiesofthewindturbinesbetter，andtheestablishedPIDcontrolmethodisrelativelyclosetothecontrolcharacteristicsofrealwindturbines.

Keywords：windturbine；windspeedmodel；semi?physicalsimulationplatform；PIDcontrol

0引言

近年来，随着风电市场的扩大和变速变桨风力机的发展，风力机控制系统的设计开发越来越重要。但是，由于风力机工作的风速具有随机性、间歇性特点，加上能量传递链的柔性结构及随转速变化的机械阻尼的影响，风力机的控制成为一个难题。在真实风力机上进行控制研究，因工作量大、风速不稳及较难对外界影响因素进行控制，难以实现。文献[1]建立了风速的四分量时域模型，在不同的风速下对风力机性能进行了仿真分析。文献[2]采用PD方法对风力机组进行控制仿真研究。上述研究均建立在Matlab/Simulink仿真的基础上，与真实风力机控制有一定差距，不能很好地体现出风力机的机械特性。因此，本文研究了基于风力机半物理仿真平台，考虑机械特性的PID控制方法，并进行了实验验证。

1风速模型

在风力机控制研究中，首要任务是建立合适的风速模型。风速模型的选用直接影响到整个风力机性能的检测。好的模型，能反映自然风的随机性及间歇性的特点。文献[3]阐述了组合风速模型。该模型计算简单，容易实现，且能较好的反应自然风的主要特征。模型分为4个部分：基本风速，反映风场平均风速的变化；阵风，反映风速突然变化的特性；渐变风，反映风速的渐变变化特性；噪声风，反映风速在相对某高度上的随机变化特性。

使用Matlab/Simulink建立组合风速的数学模型，得到风速的曲线如图1所示。

图1模拟风速曲线

2控制方法

2.1风电机组的运行区域

实际运行中的风力发电机可以划分为以下几个阶段[4]：

（1）启动区。风速在切入风速以下时，发电机与电网相脱离，发电机不发电，机组只在风力作用下做机械转动。风速达到切入风速，一般为3～3.5m/s左右，持续5～10min左右，风力机启动，发电机并入电网。