大型风电机组偏航和变桨距控制系统研究

简述了偏航和变桨距系统结构特点和动作要求。针对风速风向非线性变化的特点,采用一 种变论域自适应模糊控制研究在风速变化下的兆瓦级风力发电机组偏航和变桨距系统联合互补 工作的控制技术。利用MATLAB 软件对系统进行了仿真,仿真结果证明了该方法的可行性。 关键词:大型风力发电机组;偏航和变桨距;自适应模糊控制;变论域 ### 大型风电机组偏航和变桨距控制系统研究 #### 一、引言 随着全球能源危机和环境问题的日益突出，风能作为一种清洁、可再生的能源，受到了越来越多的关注。大型风力发电机组作为高效利用风能的重要设备，在全球范围内得到了广泛的应用和发展。其中，偏航系统和变桨距系统及其控制技术是决定风力发电机组性能和风能利用率的关键因素之一。本文旨在探讨一种基于变论域自适应模糊控制技术的新型偏航和变桨距联合互补工作控制系统。 #### 二、机械部分 ##### 1.1 偏航机构 偏航机构是风力发电机组的核心组成部分之一，其主要功能在于跟踪风向的变化，确保风轮扫掠面始终与风向保持垂直，从而使风力发电机能够达到最大的发电能力。偏航系统通常包括以下几个关键组件： - **偏航轴承**：用于支撑机舱并允许其绕塔架中心线旋转。 - **偏航驱动装置**：提供旋转所需的驱动力。 - **偏航制动器**：在风向稳定时锁定机舱位置，保证机组安全运行。 - **偏航计数器**：记录偏航次数，用于监测维护需求。 - **纽缆保护装置**：防止电缆缠绕。 - **偏航液压回路**：为偏航操作提供液压动力支持。 ##### 1.2 变桨距机构 变桨距机构通过调节叶片的桨距角来适应风速的变化，进而改变叶片的气动特性。这种设计的优势在于能够在不同风速条件下优化风能捕获，同时降低过大的风力对机组的冲击。变桨距机构的主要特点是： - **自动调节**：能够实时调整桨距角，适应风速变化。 - **启动控制**：通过调整桨距角获得足够的启动转矩。 - **功率控制**：在风速过高时，通过改变桨距角控制吸收的风能，维持稳定的输出功率。 - **并网控制**：实现快速无冲击并网，提高整个风力发电系统的效率和电能质量。 #### 三、控制部分 ##### 2.1 动作功能要求 为了保证风力发电机组的安全运行和效率最大化，偏航和变桨距系统需要满足以下动作功能要求： 1. **启动和停机条件**：当风速低于启动风速或高于停机风速时，机组处于停机状态；当风速大于启动风速时，机组启动。 2. **风向追踪**：偏航系统应始终保持风轮正对风向。 3. **功率调节**：在风速变化时，变桨距系统需根据风速大小调整桨距角，以维持稳定的输出功率。 4. **紧急停机**：当风速超过设定的最大值时，系统应采取措施降低输出功率，并最终停止运行。 5. **解缆控制**：当偏航圈数达到一定值时进行解缆操作，避免电缆缠绕。 ##### 2.2 自适应模糊控制系统设计 为了解决风速风向非线性变化带来的控制难题，本研究采用了一种变论域自适应模糊控制策略。该方法能够更好地适应风速变化，提高风能利用率。具体来说，风轮从风中吸收的功率P可通过下式计算： \[ P = \frac{1}{2} Cp A \rho v^3 \] 其中，\( Cp \)为风轮的功率系数，\( A = \pi R^2 \)为风轮扫掠面积，\( \rho \)为空气密度，\( v \)为风速，\( R \)为风轮半径。对于变桨距控制风力机，风能利用系数\( Cp \)与叶尖速比\( \lambda \)以及桨叶的桨距角\( \beta \)的关系可用下式表示： \[ Cp = (0.44 - 0.0167\beta)\sin(\pi \lambda) \] 自适应模糊控制器的设计考虑了风速、风向以及输出功率等多种输入变量，通过不断学习和调整，使得控制器能够更加精确地预测和控制风力发电机组的行为。此外，该方法还引入了变论域的概念，使得控制器能够根据不同风速区间调整其控制策略，从而提高整体系统的稳定性和效率。 #### 四、结论 通过对偏航和变桨距系统的结构特点、动作要求以及基于变论域自适应模糊控制的联合互补工作控制技术的研究，可以显著提高大型风力发电机组的性能和风能利用率。通过MATLAB软件的仿真验证了该方法的有效性和可行性，为进一步的实际应用奠定了坚实的基础。未来的研究方向将着重于实际应用场景中的系统优化和改进，以应对更多复杂多变的环境条件。