本发明属于风机控制技术领域，特别涉及一种基于pi算法的风机变桨控制方法及系统。
背景技术：
风能是一种可再生的清洁能源，世界范围内风力发电蓬勃发展，与此同时，市场对风力发电技术要求越来越高，风机发电效率、稳定性、智能化要求越来越高。风机所处环境复杂，受天气、风向、风速、雨量、地势、海拔等自然条件影响比较大，对风机控制系统的稳定性、可靠性提出更高的要求。其中，一个重要问题是风机变桨系统的稳定性，因为风机的风轮直径都在百米左右，加上塔影效应、风剪切、地表起伏等影响，风机三个浆叶在风机运行时会受到不同的干扰，而且干扰变化剧烈，难于实时监测。因此对变桨控制系统进行研究对工业的发展具有重要意义。
由于在变桨过程中，风轮处于旋转状态，会出现整个风机受力不均衡的，加剧轮毂和塔筒的振动，给整个系统带来不安全因素。因此对变桨控制的算法研究层出不穷，都是针对这个问题，如模糊控制、神经网络控制、多模型控制等策略，但都处于理论阶段，很难应用到实际的工程项目中。
目前国内风电机组大多采用pi控制器完成对变桨系统的控制，由于风速变化的随机性和风电机组的强非线性，在风况变化的情况下采用pi控制器系统可以得到较好的响应速度和调节特性。现有技术中有一些方案是采用固定pi控制器的参数控制变桨控制器输出桨距角；也有一些方案是采用不断调节pi控制器的参数以得到最优的pi控制参数。但是采用这些方案得到的桨距角可能不太精确，提高了风力发电机组运行的稳定性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于pi算法的风机变桨控制方法及系统，用于解决现有技术中的风机变桨控制方法不适合于实时变化的风速的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于pi算法的风机变桨控制方法，包括以下技术方案：
方法方案一，一种基于pi算法的风机变桨控制方法，包括如下步骤：
实时采集风速发送给pi变桨控制器；并采集发电机的实时功率，将采集的发电机的实时功率与发电机的额定功率的差值发送给pi变桨控制器，通过调整pi控制器的传递函数的参数输出桨距角，所述pi控制器的传递函数的参数根据风速的变化调整，利用所述桨距角控制风机变桨，pi变桨控制器的传递函数表示为：
其中，gc1(s)是第一传递函数，gc2(s)是第二传递函数，k表示比例放大系数，λ1和λ2表示可调参数，t1表示变桨电机时间常数，t2表示风机浆叶的惯性时间常数、s表示复数，τ表示滞后时间常数。
方法方案二，在方法方案一的基础上，参数k、参数λ1及参数λ2通过标定实验得到。
方法方案三，在方法方案一的基础上，需对采集的风速进行前馈控制，将经过前馈控制后的风速发送给pi变桨控制器。
方法方案四，在方法方案三的基础上，当发电机的实时功率与发电机的额定功率之间的差值小于等于0时，输出桨距角为0，当发电机的实时功率与发电机的额定功率之间的差值大于0时，将所述差值作为输入量发送给pi变桨控制器。
方法方案五，在方法方案四的基础上，所述发电机的实时功率通过变流器采集获取。
方法方案六，在方法方案四的基础上，所述发电机的实时功率通过功率测量模块测量获取，功率测量模块测得的功率由发电机的实际转速计算出来的功率减去发电机组的机械功率得到。
本发明还提供了一种基于pi算法的风机变桨控制系统，包括以下技术方案：
系统方案一，一种基于pi算法的风机变桨控制系统，包括采集单元、pi变桨控制器及变桨执行单元，所述采集单元用于实时采集风速发送给pi变桨控制器；并采集发电机的实时功率，将采集的发电机的实时功率与发电机的额定功率的差值发送给pi变桨控制器，通过调整pi控制器的传递函数的参数输出桨距角，所述pi控制器的传递函数的参数根据风速的变化调整，所述变桨执行单元用于根据所述桨距角控制风机变桨，pi变桨控制器的传递函数表示为：
其中，gc1(s)是第一传递函数，gc2(s)是第二传递函数，k表示比例放大系数，λ1和λ2表示可调参数，t1表示变桨电机时间常数，t2表示风机浆叶的惯性时间常数、s表示复数，τ表示滞后时间常数。
系统方案二，在系统方案一的基础上，参数k、参数λ1及参数λ2通过标定实验得到。
系统方案三，在系统方案一的基础上，还包括风速前馈控制单元，所述风速前馈控制单元用于对采集的风速进行前馈控制，将经过前馈控制后的风速发送给pi变桨控制器。
系统方案四，在系统方案三的基础上，当发电机的实时功率与发电机的额定功率之间的差值小于等于0时，输出桨距角为0，当发电机的实时功率与发电机的额定功率之间的差值大于0时，将所述差值作为输入量发送给pi变桨控制器。
系统方案五，在系统方案四的基础上，还包括变流器，所述发电机的实时功率通过变流器采集获取。
系统方案六，在系统方案四的基础上，还包括功率测量模块，所述发电机的实时功率通过功率测量模块测量获取，功率测量模块测得的功率由发电机的实际转速计算出来的功率减去发电机组的机械功率得到。
本发明的有益效果是：
本发明通过不断调整pi控制器传递函数的参数k、参数λ1及参数λ2，以适应不同的风速，因此，本发明的方法可以在风速变化频繁、风机桨叶受的扰动较大时，快速准确的调整桨距角，不至于使风机浆叶受力不均匀出现晃动，以使风机保持在额定发电机功率状态，可以有效控制风机变桨系统的稳态和动态性能。缩短了风机变桨系统的响应时间，提高了系统的快速性，稳定风机组的输出功率，提高风机组的发电效率。
附图说明
图1为本发明的变桨控制系统的原理图；
图2为预测pi算法的结构示意图；
图3为预测pi算法在变桨控制系统中的控制原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
为了解决风速变化时造成的风机变桨控制不准确的问题，本发明提供了一种基于pi算法的风机变桨控制系统。如图1所示，风机变桨控制系统包括采集单元、风速前馈控制单元及风机变桨控制器，其中，采集单元用于实时采集风速，风速前馈控制单元用于对采集的风速进行前馈控制，并将经过前馈控制后的风速发送给变桨控制器，采集单元还采集了发电机的实时功率，将采集的发电机的实时功率与发电机的额定功率的差值发送给pi变桨控制器，通过调整pi控制器的传递函数的参数输出桨距角，pi控制器的传递函数的参数根据风速的变化调整，pi变桨控制器输出桨距角给变桨执行单元，变桨执行单元通过风机浆叶、轮毂、齿轮箱等传动机构，对风轮进行控制，改变风机浆叶的攻角，控制发电机转速，从而改变风机浆叶吸收的风能达到稳定风速的作用，保持发电机输出功率稳定。
实施上述控制系统的风机变桨控制方法，包括如下步骤：
1)实时采集风速，在风速变化时，对采集的风速进行前馈控制滤除剪切风速，补充风速测量误差，把风速的变化作为干扰量输入给变桨控制器，避免了风速过大时对风机造成损坏；
2)采集发电机的实时功率，将采集的发电机的实时功率与发电机的额定功率的差值发送给变桨控制器，经过pi控制后输出桨距角控制风机变桨。
发电机的实时功率的测量有两种方式，第一种是通过变流器采集功率，第二种是通过功率测量模块测量，发电机转速通过发电机编码器采集在风机变桨控制系统中计算出转速。当采用功率测量模块获取发电机的实时功率时，由发电机的实际转速计算出来的功率减去发电机组的功率所得到的就是功率测量模块测得的功率。
风机变桨控制系统是一个大滞后、时变、非线性的复杂系统，风机变桨控制器采用pi算法来调节。控制的过程中，判断发电机的实时功率与发电机的额定功率的差值是否大于0，当差值不大于0，即发电机的实时功率小于或等于发电机的额定功率时，桨距角输出为0度，不做任何调节；当差值大于0时，将该差值输入变桨控制器进行pi控制。
变桨控制系统中桨距角控制的表达式为：
其中，θ为桨距角，ξ为变桨执行系统的阻尼系数，θr为桨距角的设定值，ω为无阻尼自然频率。
由于变桨控制系统具有二阶滞后系统的特性，属于预测pi算法控制的范围，能够具有较好的控制效果，便将控制系统的传递函数表示为：
其中，w表示无阻尼自然频率，ξ表示变桨系统的阻尼比，τ表示滞后时间常数，s为复数。
预测pi控制器的输入输出关系，如图2所示：
u(s)＝gc1(s)e(s)-gc2(s)u(s)
其中，e(s)为额定功率和反馈的发电机的功率测量值的差值。
则可得出第一传递函数gc1(s)和第二传递函数gc2(s)，分别表示为：
其中，gc1(s)是第一传递函数，gc2(s)是第二传递函数，k表示比例放大系数，λ1和λ2表示可调参数，调节其大小可以调节闭环系统响应的速度，t1表示变桨电机时间常数，t2表示风机浆叶的惯性时间常数、s表示复数，τ表示滞后时间常数。
本实施例中，第一传递函数
在不同风速条件下，通过不断调整λ1、λ2和k参数的值，预测pi控制器对输出功率的调节能够达到快速稳定的效果，参数λ1、参数λ2和参数k通过实验标定获取，相关工作人员在现场根据风速的不断变化，调整对应的参数λ1、参数λ2和参数k，实验完成后，将不同的风速对应的参数λ1、参数λ2和参数k做成表格，当需要对风机控制时，首先采集此时的风速，通过采集的风速的大小取查询上述的表格，获得此时的风速对应的参数λ1、参数λ2和参数k，将参数λ1、参数λ2和参数k输入pi控制器能够得到较为精准的桨距角，对变桨系统进行控制。
如图3所示，以3mw的风电机组，且每个风机包含三个浆叶为例，额定功率设定为3000kw，如图3所示，当风速达到10m/s时采用本发明的方法对每个风机进行控制，其输出为y(s)，能够使风机且输出功率曲线平滑，输出功率保持在2950kw到3050kw之间，基本稳定在额定功率，证明了本发明的方法快速性强，且超调小。
本发明首先通过前馈控制滤除风速变化时的剪切风速，能够在不同风速下，提前做出变桨动作，减少由于变桨时塔筒受力不均衡而出现急剧振动的情况；同时采用预测pi算法应用于变桨控制器中，可以在风速变化频繁、风机桨叶受的扰动较大时，快速、准确的调整桨距角，不至于使风机浆叶受力不均匀出现晃动，使风机保持在额定发电功率状态。可以有效控制变桨系统的稳态和动态性能。相比现有的控制技术，本发明具有如下好的效果：
(1)缩短了系统的响应时间，提高了系统的快速性，保证了发电机输出功率在额定值，系统的动态稳定性和稳态性能指标都达到理想效果。
(2)当风速和风向变化急剧增强时，采用预测pi算法控制变桨系统，能够快速的响应系统变化，提前做出变桨动作，减少由于变桨时塔筒受力不均衡而出现急剧振动的情况，其控制效果能够达到控制要求，能够稳定风电机组的输出功率，提高机组的发电效率。
(3)此控制算法能够方便的移植且不需要增加风电机组的硬件条件，控制成本低，并且降低了桨叶、机舱、塔架等风电机组关键部件的损伤，提高大型风电机组的使用寿命。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。