控制系统的研究方法优化

对风力发电机组施加各种控制策略首先要对控制对象进行建模和仿真，研究机组的动态特性。风力发电机组的动态特性是构成机组的各部件的动态特性的总和，它包括风轮（桨叶）的气动特性、传动系统的动态特性、发电机的动态特性及控制系统的动态特性，如图1-4所示。

图1-4 风力发电机组的动态特性

对于风力发电机组的设计，特别是变速恒频风力发电机组，还应考虑整机的结构动力学问题，以控制机组在运行过程中由于内部和外部原因引发的系统不稳定性问题。

一台已设计好的风力发电机组，其动态特性是确定的，即对于任何给定的输入，它有一个确定的输出响应。如果输入是恒定的，我们可以通过设计，使得系统具有最佳输出；如果输入是变化的，我们希望系统能根据变化来进行适当的调整，使系统保持最佳输出。控制系统的作用就是根据它所接收到的机组及其工作环境信息，调节机组使其按照预先设定的要求运行。

对于定桨恒速风力发电机组，当输入变化时，控制系统对机组的调整非常有限，如当风向改变时，通过偏航系统调整其风轮方向，或在风速变化时切换发电机绕组，进行变极调速，对其动态响应特性没有施加任何影响，因此在输入变化的情况下，风力发电机组只有很小机会运行在最佳状态下。机组的控制方式如图1-5所示。

图1-5 定桨恒速风力发电机组的控制方式

对于变速恒频风力发电机组，由于采用了闭环控制（见图1-2），控制系统完全决定了系统的动态响应特性，并且可以根据输入的变化对输出进行控制。

表示风力发电机组动态特性的微分方程通常写成如下形式：

IΦ″+BΦ′+KΦ=F_A （1-1）

式中 I——风力发电机组的转动惯量；

B——阻尼系数；(https://www.xing528.com)

K——传动系统刚性系数；

F_A——驱动力；

Φ——轴的旋转角度。

当系统加入控制力F_C后，其动态特性方程改变为

IΦ″+B′Φ+KΦ=F_A-F_C （1-2）

假定控制力F_C是以比例加积分的方式作用在旋转轴上的，即

F_C=k₁Φ+k₂Φ′ （1-3）

这时，微分方程可以写成：

IΦ″+（B+k₂）Φ′+（K+k₁）Φ=F_A （1-4）

其中阻尼系数从B增加到（B+k₂），刚性系数从K增加到（K+k₁）。

从式（1-4）可以看到，由于控制系统的作用，改变了系统的动态特性，但系统的物理参数和所受的外力并没有改变。

对风力发电机组控制技术的研究主要集中在经典控制理论与技术方面，已有一些成熟的建模和仿真软件可用于控制系统的设计。但由于大型风力发电机组的结构设计极具个性，加之空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性，模型的建立不是件容易的事情。虽然可供建模和仿真研究的商业软件在不断地更新，但其结果仍然需要验证。因此，对样机进行系统辨识，是完成整机设计必不可少的环节。为了弥补经典控制技术的缺陷，应对运行环境条件的变化问题，自适应控制技术、基于模糊逻辑和神经网络的智能控制技术也被引入风力发电机组的控制系统。本书将对上述方法做力所能及的介绍。