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一一非线性、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宄，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,Veut_in)、[Veut_in，V95%ref)、[V95%ref，V1Q5%ref)、[V105% ref^Vl80%ref)、[Vl80%ref，Vcut-out)，其中，Vcut_in为切入风速，V95%时为95 %的额走风速，V1Q5%ref 为105%的额定风速，￥18(|%时为180%的额定风速，￥。^_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%Mf， U与缓冲区间II[VMf，V1(l5%Mf)，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；VMf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[v1(l5%:ref，V15(l%:ref)与额定区间II[v15(l%:ref，v18(l%: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，V15(l% #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[￥___，+<-)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，I，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_，匪，呢，21^5，？1^8}，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&的论域为{-0. 3, 0. 3};取输出K^勺论域为{-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]
【主权项】
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：[〇, Veut-J、[VeuHn，V95%ref)、[V95%ref，V 1Q5%ref)、[V麵 ref， Vl80%ref)、[Vl80%ref，Vcut-out)， 其中，为切入风速，V95^efS 95%的额定风速，V 105% ref 105%的额定风速，￥18(|%#为180%的额定风速，￥___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%，〇与缓 冲区间II [VMf，V1(l5%Mf)，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；V Mf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 [Vl05% ref，Vl50% r ef)与额定区间II [v15(l%Mf，v18(l%raf)，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，V 15(l%MfS 180%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[ν___，+<-)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，K d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 _，匪，呢，21^5，？1^8}，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{_〇. 3, 0. 3};取输出&的论域为{-0. 06, 0. 06};取输出K d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K p、Kp 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，Λ p，Ai, Λ 4是控制量误差负反馈。
【专利摘要】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。
【IPC分类】F03D7-00
【公开号】CN104832368
【申请号】CN201510163513
【发明人】田德, 邓英, 陈忠雷, 王伟龙, 周峰, 林俊杰, 钱家骥
【申请人】华北电力大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月8日