基于功率倍增特性的浓缩风能型风电机组变桨距控制方法

摘要

本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种基于功率倍增特性的浓缩风能型风电机组变桨距控制方法。通过对传统浓缩风能型风电机组结构、功率特性的研究，提出了分段功率跟踪式模糊PID变桨距控制策略。运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，自动实现对PID参数的最佳整定，而分段模糊控制充分考虑到了浓缩风能型风电机组功率变化特性，将机组的工作状态进行分段控制，即可以在各区间中降低被控对象的非线性化程度，同时也将参数Kp，Ki，Kd的整定进行了简化，充分发挥了其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便的优点。

权利要求

1.一种基于功率倍增特性的浓缩风能型风电机组变桨距控制方法，其特征在于，包括：步骤1、根据不同风速，将浓缩风能型风电机组工况划分为六个阶段：待风阶段、功率跃升阶段、功率缓冲阶段、额定功率稳定输出阶段、预切出阶段、顺桨停机保护阶段，其中前五个阶段分别对应以下风速区间：[0，Vcut-in)、[Vcut-in，V95％ref)、[V95％ref，V105％ref)、[V105％ref，V180％ref)、[V180％ref，Vcut-out)，其中，Vcut-in为切入风速，V95％ref为95％的额定风速，V105％ref为

105％的额定风速，V180％ref为180％的额定风速，Vcut-out为切出风速；

步骤2、当风速处于待风阶段时，浓缩风能型风电机组的叶片工作在零桨距角状态下，变桨距控制系统待机，整机待风；

步骤3、当风速处于功率跃升阶段时，浓缩风能型风电机组的叶片工作在桨距角为零的状态下，并进行功率跟踪监控；

步骤4、当风速处于功率缓冲阶段时，将功率缓冲阶段分成缓冲区间Ⅰ[V95％ref，Vref)与缓冲区间Ⅱ[Vref，V105％ref)，从而在两个缓冲区间上进行近似的线性化，选取不同的论域、运用不同的模糊控制规则进行分段模糊PID控制；Vref为额定风速；

步骤5、当风速处于额定功率稳定输出阶段时，将额定功率稳定输出阶段分成额定区间Ⅰ[ V105％ref，V150％ref)与额定区间Ⅱ[V150％ref，V180％ref)，从而在两个额定区间选取不同的论域、运用不同的模糊控制规则，以减小误差，进行分段模糊PID控制，V150％ref为150％的额定风速；

步骤6、当风速处于预切出阶段时，将叶片的气动刹车特性、转速加入到控制策略中进行模糊PID控制；当风速在此阶段中超出阈值，则直接顺桨停机， 进入到顺桨停机保护阶段；

步骤7、当风速处于[Vcut-out，+∞)区间时，变桨距控制系统迅速将叶片调整至顺桨状态；

停机保护风电机组安全。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述分段模糊PID控制方法包括独立的模糊整定Kp，Ki，Kd环节，PID控制环节，误差反馈环节，具体步骤如下：步骤101、分别以风速V、功率P、功率变化率PC为坐标轴，选取语言变量的词集均为{NB,NM,NS,ZR,PS,PM,PB}，即{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；

步骤102、应用风速、功率、功率变化率的隶属度函数所确定词变量的生成三维坐标系{V，P，PC}，该三维坐标系各坐标轴具有独立的单位标尺；

步骤103、通过对风速、功率、功率变化率的模糊状态的整定，并唯一对应一个坐标点，将所有整定的坐标点(V，P，PC)作为自变量域，作用于PID控制变量Kp、Ki、Kd的整定函数；

步骤104、设输出功率的误差为E，误差的变化为EC，桨距角的变化为U，选取E、EC、U的语言变量的词集均为{NB,NM,NS,ZR,PS,PM,PB}，即{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；

步骤105、给定输入为阶跃信号，由此选择以下论域及相关隶属函数，取输入E和EC的模糊集为{NB,NM,NS,ZR,PS,PM,PB}，论域为e＝{-30,30}，ec＝{-60,60}；同理，取输出Kp的论域为{-0.3,0.3}；取输出Ki的论域为{-0.06,0.06}；取输出Kd的论域为{-3,3}。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述PID控制变量Kp、Ki、Kd的 整定函数表达式为：式中K′p(V，P，PC)，K′i(V，P，PC)，K′d(V，P，PC)分别是模糊PID控制变量转换函数，Δp，Δi，Δd是控制量误差负反馈。

说明书

基于功率倍增特性的浓缩风能型风电机组变桨距控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种基于功率倍增特性的浓缩风能型风电机组变桨距控制方法。

背景技术

[0002] 浓缩风能型风电机组的理论基础是浓缩风能理论。浓缩风能理论的核心是能量守恒定律，即将稀薄的风能经浓缩风能装置加速、整流和均匀化后驱动叶轮旋转发电,从而提高了风能的能流密度，改善了风能的不稳定性，提高了风能品位。浓缩风能型风电机组凭借其先天性优势，可以广泛地应用于各种风速、各种空气密度地区。

[0003] 浓缩风能型风电机组具有其独特的n3功率特性。高风速区间，作用于浓缩风能型风电机组风轮上的风功率突变率过大，常规变桨距速度不能跟踪风功率变化。因而，需要一种专用变桨距控制方法。

[0004] 而且常规变桨距控制策略之下，变桨距速率均不高于6°/s，直接应用于浓缩风能型风电机组之上并不能解决功率跟踪的问题，反而会带来更多的系统不稳定因素，而硬性提高变桨距速率又会导致系统失稳。

[0005] PID控制具有控制原理简单，使用方便、适应性强、鲁棒性强、抗干扰能力强等优点，但是由于常规PID参数整定方法繁杂，其参数往往不易整定造成了性能欠佳。

[0006] 当系统数学模型未知或不确定时，特别是对于风电机组控制系统——非线性、多变量系统，模糊控制能达到令人满意的效果。

发明内容

[0007] 为了解决目前上述浓缩风能型风电机组采用的定桨距失速型控制方式存在的技术缺陷，通过对浓缩风能型风电机组特殊的风功率特性的分析研究，本发明提出一种基于功率倍增特性的浓缩风能型风电机组变桨距控制方法，包括：

[0008] 步骤1、根据不同风速，将浓缩风能型风电机组工况划分为六个阶段：待风阶段、功率跃升阶段、功率缓冲阶段、额定功率稳定输出阶段、预切出阶段、顺桨停机保护阶段，其中前五个阶段分别对应以下风速区间：[0，Vcut-in)、[Vcut-in，V95％ref)、[V95％ref，V105％ref)、[V105％ref，V180％ref)、[V180％ref，Vcut-out)，其中，Vcut-in为切入风速，V95％ref为95％的额定风速，V105％ref为105％的额定风速，V180％ref为180％的额定风速，Vcut-out为切出风速；

[0009] 步骤2、当风速处于待风阶段时，浓缩风能型风电机组的叶片工作在零桨距角状态下，变桨距控制系统待机，整机待风；

[0010] 步骤3、当风速处于功率跃升阶段时，浓缩风能型风电机组的叶片工作在桨距角为零的状态下，并进行功率跟踪监控；

[0011] 步骤4、当风速处于功率缓冲阶段时，将功率缓冲阶段分成缓冲区间Ⅰ[V95％ref，Vref)与缓冲区间Ⅱ[Vref，V105％ref)，从而在两个缓冲区间上进行近似的线性化，选取不同的论域、运用不同的模糊控制规则进行分段模糊PID控制；Vref为额定风速；

[0012] 步骤5、当风速处于额定功率稳定输出阶段时，将额定功率稳定输出阶段分成额定区间Ⅰ[V105％ref，V150％ref)与额定区间Ⅱ[V150％ref，V180％ref)，从而在两个额定区间选取不同的论域、运用不同的模糊控制规则，以减小误差，进行分段模糊PID控制，V150％ref为180％的额定风速；

[0013] 步骤6、当风速处于预切出阶段时，将叶片的气动刹车特性、转速加入到控制策略中进行模糊PID控制；当风速在此阶段中超出阈值，则直接顺桨停机，进入到顺桨停机保护阶段；

[0014] 步骤7、当风速处于[Vcut-out，+∞)区间时，变桨距控制系统迅速将叶片调整至顺桨状态；停机保护风电机组安全。

[0015] 所述分段模糊PID控制方法包括独立的模糊整定Kp，Ki，Kd环节，PID控制环节，误差反馈环节，具体步骤如下：

[0016] 步骤101、分别以风速V、功率P、功率变化率PC为坐标轴，选取语言变量的词集均为{NB,NM,NS,ZR,PS,PM,PB}，即{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；

[0017] 步骤102、应用风速、功率、功率变化率的隶属度函数所确定词变量的生成三维坐标系{V，P，PC}，该三维坐标系各坐标轴具有独立的单位标尺；

[0018] 步骤103、通过对风速、功率、功率变化率的模糊状态的整定，并唯一对应一个坐标点，将所有整定的坐标点(V，P，PC)作为自变量域，作用于PID控制变量Kp、Ki、Kd的整定函数；

[0019] 步骤104、设输出功率的误差为E，误差的变化为EC，桨距角的变化为U，选取E、EC、U的语言变量的词集均为{NB,NM,NS,ZR,PS,PM,PB}，即{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；

[0020] 步骤105、给定输入为阶跃信号，由此选择以下论域及相关隶属函数，取输入E和EC的模糊集为{NB,NM,NS,ZR,PS,PM,PB}，论域为e＝{-30,30}，ec＝{-60,60}；同理，取输出Kp的论域为{-0.3,0.3}；取输出Ki的论域为{-0.06,0.06}；取输出Kd的论域为{-3,3}。

[0021] 所述PID控制变量Kp、Ki、Kd的整定函数表达式为：

[0022]

[0023] 式中K′p(V，P，PC)，K′i(V，P，PC)，K′d(V，P，PC)分别是模糊PID控制变量转换函数，Δp，Δi，Δd是控制量误差负反馈。

[0024] 本发明的有益效果在于：

[0025] 1、本发明通过对功率的跟踪，在不同的风速段对浓缩风能型风电机组进行分段模糊PID变桨距控制，提高控制的精度，确保浓缩型风电机组在不同风速段均能最优化运行。

[0026] 2、本发明有效地发挥了浓缩风能型风电机组的优势，可以显著提高浓缩风能型风电机组的切出风速，减少弃风。在大风速工况下，在风能陡增的过程中，可以将传统25m/s的切出风速到新定义的切出风速之间的风速区定义为“半切出”风速区间，降低了发电的成本、提高了机组的经济效益，保证风电机组的安全并网运行。

[0027] 3、本发明使得浓缩风能型风电机组大型机的研发成为可能，使得以浓缩风能型风电机组为单元建设大型风电场成为可能，将大大降低风电的单位成本，经济效益、社会效益颇丰。

[0028] 4、变桨距模糊PID控制策略可以抑制增加了机组的运行的安全性及稳定性。从而也降低了机组的维护、维修成本。

附图说明

[0029] 图1是本发明中模糊PID控制的结构图。

[0030] 图2是本发明中模糊PID控制的流程图。

[0031] 图3三种状态的风速情况。

[0032] 图4三种状态的功率情况。

[0033] 图5三种状态的桨距角情况。

[0034] 图6三种状态的变桨速率情况。

[0035] 图7三种状态的叶片1的叶根处变桨弯矩。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图，对优选实施例作详细说明。

[0037] 本发明的目的是为了解决目前上述浓缩风能型风电机组采用的定桨距失速型控制方式存在的技术缺陷，通过对浓缩风能型风电机组特殊的风功率特性的分析研究，提供一种适应浓缩风能型风电机组特殊的功率特性的变桨距控制策略。

[0038] 在单位时间内流经风轮所吸收的风能为：

[0039]   (公式1)

[0040] 式中P——在单位时间流经风轮所吸收的风能，w；

[0041] P’——空气经过浓缩风能装置，在单位时间流经风轮所吸收的风能，w；

[0042] m——空气在单位时间内流经单位面积的质量，kg；

[0043] ρ——空气密度，kg/m3

[0044] V——风速，m/s

[0045] Cp——风能利用系数

[0046] A——风轮扫掠面积

[0047] 当空气经过浓缩风能装置之后，V变大为原来的n倍，此时由公式1，可得：

[0048]   (公式2)

[0049] 由此可知，通过浓缩风能型风机发电机组的风能浓缩，平均自然风的流速可增至原来的n倍，输出功率可以是普通型风力发电机的n倍。且经自然风的湍流度下降，从低风速段向高风速段的降幅明显增加。这可以表明，输出功率大可以使在相同额定功率下，浓缩风能型风电机组的高速旋转部件、叶轮的直径比普通型风力发电机叶轮直径更小，重量更轻，惯性更小，为变桨距控制带来一定的方便。

[0050] 由于浓缩风能型风电机组独特的功率特性，单位风速变化带来的功率变化是普通型风电机组功率变化的n3倍，在功率突变率过高，为变桨距控制的准确性、实时性都带来了极大的难度。

[0051] 在风电机组变桨距控制中，Kp，Ki，Kd参数不易整定使PID控制精度、稳定性受到极大的影响。而且浓缩风能型风电机组的功率变化极快，经典PID控制极容易因为运算速度过慢、参数整定不合理造成功率控制不及时，导致烧机。参数整定我们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则及有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，自动实现对PID参数的最佳整定，这就是模糊PID控制。

[0052] 首先对分段功率跟踪式模糊PID控制原理进行叙述。

[0053] 浓缩风能型风电机组的功率特性，与普通型风电机组有较大的差别。由于浓缩风能装置的作用，自然风速将被加速n倍，而由公式2可知，风能将变为原来的倍。这就意味着，浓缩风能型风电机组在中低风速段将克服普通风电机组额定工况下的动态载荷；当浓缩风能型风电机组工作于额定风速时，风机将要克服普通风机高风速段的动态载荷；而浓缩风能型风力发电机工作于高风速段接近于普通型风力发电机切出风速时，普通型风电机组早已关桨停机以保证系统安全了，但浓缩风能型风电机组仍需持续工作。这就使得对浓缩风能型风电机组的工况分割以及高风速段的控制响应显得尤为重要。

[0054] 浓缩风能型风电机组分段功率跟踪式模糊PID变桨距控制策略之中，分段功率跟踪模糊PID控制是一个核心想法。通过分段，将整个控制区间分成若干具有相对共性的工作区间。浓缩风能型风电机组具有独特的功率特性，将整个工作区间分成若干个工作区间有利于削弱各个区间的非线性程度。避免在整个强非线性工作区间上应用统一的模糊控制规则，造成控制精度的下降。

[0055] (1)浓缩式风电机组工况划分

[0056] 1)待风阶段

[0057] 待风阶段定义为[0，Vcut-in)。在此阶段，浓缩风能型风电机组的叶片工作在零桨距角状态下，变桨距控制系统待机，整机待风。此阶段无模糊PID控制。

[0058] 2)功率跃升阶段

[0059] 功率跃升阶段定义为[Vcut-in，V95％ref)。在此阶段，浓缩风能型风电机组的叶片工作在桨距角为零的状态下。在此阶段无模糊PID控制，仅进行功率跟踪监控。

[0060] 3)功率缓冲阶段

[0061] 功率缓冲阶段定义为缓冲区间Ⅰ[V95％ref，Vref)与缓冲区间Ⅱ[Vref，V105％ref)。

[0062] 根据推导：

[0063]   (公式3)

[0064]   (公式4)

[0065] 可知，为了避免普通型风机在额定功率附近造成的功率震荡，在此处将缓冲阶段分成缓冲区间Ⅰ[V95％ref，Vref)与缓冲区间Ⅱ[Vref，V105％ref)，从而在两个缓冲区间上进行近似的线性化，选取不同的论域、运用不同的模糊控制规则进行分段模糊PID控制。该结构设计可以平滑功率，避免功率震荡，保护机组。

[0066] 而此模糊PID控制需要建立在对机组输出电功率、风速、发电机转速以及桨距角的监测的基础上的。

[0067] 4)额定功率稳定输出阶段

[0068] 额定功率稳定输出阶段定义为额定区间Ⅰ[V105％ref，V150％ref)与额定区间Ⅱ[V150％ref，V180％ref)。机组在[V105％ref，V180％ref)区间上呈现强烈的非线性特征，在此区间上进行模糊PID控制，选取统一的控制规则将严重影响系统的准确性。

[0069] 经计算：

[0070]   (公式5)

[0071]   (公式6)

[0072] 可知，需要将额定功率稳定输出阶段分成额定区间Ⅰ[V105％ref，V150％ref)与额定区间Ⅱ[V150％ref，V180％ref)，从而在两个额定区间选取不同的论域、运用不同的模糊控制规则，以减小误差，进行分段模糊PID控制。避免超调的同时，也避免的欠调制造成的机组损坏，起到系统保护的功能。最终达到稳定的功率跟踪，实现最大风能捕获。

[0073] 5)“预切出”阶段

[0074] “预切出”阶段定义为区间[V180％ref，Vcut-out)。由于浓缩式风电机组的1-n3功率特性。在此阶段，浓缩风能型风电机组运行在降功率状态下。此时风功率随风速变化极为剧烈，甚至在切出风速时，作用于叶片上的风速相当于作用于部分普通风机上的极端风速。此时风电机组的叶片的桨距角只有工作于大的桨距角状态下才可以平稳工作于该阶段。此阶段运行在降功率状态下，浓缩风能型风电机组充分利用了大桨距角状态下风能捕获能力降低，且叶片也部分起到气动刹车的功能。在此阶段需较前四个阶段加入独特的控制策略。需要对叶片的气动刹车特性进行考虑。制定该阶段的模糊PID控制。

[0075] 由于该阶段需要同时就风功率、风轮气动刹车特性、风速、转速进行同时监控运算。当风速在此阶段中波动剧烈，可直接顺桨停机，进入到顺桨停机保护阶段。

[0076] 6)顺桨停机保护阶段

[0077] 进入顺桨停机保护阶段可以满足以下两个条件中任意一个：一、当工作风速落入区间[Vcut-out，+∞)。二、风速波动剧烈的“预切出”阶段。

[0078] 当风速大于切出风速Vcut-out时，变桨距控制系统将以最快速度将叶片调整至顺桨状态。停机保护风电机组安全。风速波动剧烈的“预切出”状态下，风电机组所受到的极限载荷都将极大的危及到风电机组的安全，因此，风电机组需要以最快速度将叶片调制顺桨状态，以规避风害。

[0079] 当工作风速满足条件一时，该阶段不需要进行分段模糊PID控制，直接触发变桨距执行机构。当满足条件二时，分段模糊PID控制器停止运行，并触发变桨距控制机构，执行顺桨保护。

[0080] 模糊PID控制结构原理图如图1所示。PID控制流程如图2所示。

[0081] (2)分段功率跟踪式模糊PID控制规则

[0082] 此发明分段功率跟踪式模糊PID控制，提出了一种三维度模糊控制理论。

[0083] 控制理论结构，如图1所示。分别以风速V、功率P、功率变化率PC为坐标轴，选取语言变量的词集均为{NB,NM,NS,ZR,PS,PM,PB}，即{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。应用风速、功率、功率变化率的隶属度函数所确定词变量的生成三维坐标系{V，P，PC}，该三维坐标系各坐标轴具有独立的单位标尺。通过对风速、功率、功率变化率的模糊状态的整定，并唯一对应一个坐标点。并将所有整定的坐标点(V，P，PC)作为自变量域，作用于Kp，Ki，Kd整定函数：

[0084]   (公式7)

[0085] 式中K′p(V，P，PC)，K′i(V，P，PC)，K′d(V，P，PC)是模糊PID控制变量转换函数，Δp，Δi，Δd是控制量误差返反馈。而PID控制变量转换函数设计的原则是：当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。而隶属度函数的选取则由浓缩式风电机组的容量等各参数进行专门定制。

[0086] 基于分段功率跟踪式变桨距控制策略进行仿真，仿真过程如下：

[0087] 选取湍流度较高的一类风场。

[0088] 湍流度Iref＝0.16；

[0089] 10分钟的平均参考风速Vref＝50m/s；

[0090] 50年一遇的极端风速Ve50(z)＝1.4Vref(z/zhub)0.11；

[0091] 1年一遇的极端风速Ve1(z)＝0.8Ve50(z)；

[0092] 纵向湍流尺度

[0093] 湍流标准偏差σ1＝Iref(0.75Vhub+b),b＝5.6m/s；

[0094] 极端阵风模型

[0095] 风速

[0096] 仿真时长T＝10.5s。

[0097] 计算模型为GH Bladed中的demo_a模型，具体参数为：

[0098] 机组额定功率Pe＝2MW，风轮直径D＝80m，轮毂高度zhub＝60m，轮毂处风速Vhub＝12m/s，根据以上参数计算得σ1＝2.336m/s，Ve1＝56m/s，Vgust＝6.47m/s。

[0099] 浓缩型机组风速增加为原来的1.8倍计算得出新的参数为：

[0100] σ1＝3.488m/s Ve1＝100.8m/s Vgust＝9.669m/s

[0101] 计算三种情况，额定风速下的极端阵风，高风速下的极端阵风，高变桨速率(12°/s)下的极端阵风。

[0102] 经过仿真验证，该控制方法可以有效应用浓缩风能型风电机组之中，进行功率跟踪与控制。仿真结果见图3-7。

[0103] 本发明通过功率跟踪对风电机组进行分段式模糊PID变桨距控制。针对PID控制器参数整定不易的局限，运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则及有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，自动实现对PID参数的最佳整定，而分段模糊控制充分考虑到了浓缩风能型风电机组功率变化特性，将机组的工作状态进行分段控制，即可以在各区间中降低被控对象的非线性化程度，同时也将参数Kp，Ki，Kd的整定进行了简化，充分发挥了其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便的优点。

[0104] 在控制方法中加入“功率缓冲”及“预切出”阶段，分区间段采用适用的PID参数进行变桨距控制，降低了浓缩风能型风电机组1-n3功率特性引起的功率震荡。提高了控制的准确性、实时性。

[0105] 变桨距控制策略通过对桨距角的控制，降低了传统浓缩风能型风电机组的切入风速，使得风力发电机可以在更低的风速下投入工作，同时也提高了机组的切除风速，使机组可以在更高的风速下稳定的吸收风能。拓宽了机组的工作区间，提高了机组的对各种风况适应能力。

[0106] 因此模糊PID变桨距控制策略使浓缩风能型风电机组向大型化、产业化、并网运行发展成为可能。

[0107] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。