L1变桨距控制器方案验证

风电机组的大致运行工作区，可以分为两段，低风速段是最大风能捕获工作区，主要是通过控制发电转矩，来维持最优叶尖速比达到提高风能利用率的目标；而我们的变桨距控制器主要针对高风速段恒功率控制，即维持发电功率平稳。

L1变桨距控制方案验证采用的是额定功率1.5MW三叶水平轴迎风式变速风力发电机，风轮转动惯量J_r=4456761kg·m³，风轮外部阻尼K_r=45.52N·m/（rad·s），发电机转动惯量J_g=123kg·m²，发电机外部阻尼K_g==0.4N·m/（rad·s），J_t和K_t按J_t=J_r+n²_gJ_g和K_t=K_r+n²_gK_g计算得到。

实际模型=（T_a（ω_r，β）-K_tω_r-T_g+δ）/J_t中大部分参数的近似值是可以得到的。这为我们参考模型的设计提供了依据。

根据实际模型，我们将极点配置在-0.52，转速相对于参考额定转速值r的稳态增益为1，在这里我们给出一种仿真效果较好的一阶线性参考模型：

其中，A_m=-0.52，b=400，β_ipart（t）=-k_gr，r=188.4rad/s。

接下来，将由参考模型构成的状态预测器设计为

对桨距角控制量的增益非线性作调整，而则对实际模型与增益非线性的参考模型之间存在的误差进行估计。这两个作为L1控制器中的可校正参数，采用自适应机制进行在线学习。

自适应机制将实际模型发电机转速输出ω_r与状态预测器输出作比较，对系统参数变化和扰动带来的性能不稳定起到抑制，使得维持在0附近。

在Bladed风力发电仿真软件下，对采用的L1控制器做仿真验证，仿真时，采用的采样周期和控制周期皆为0.04s。对控制器中参数学习率进行调试，可以得到当仿真效果比较理想时，下面自适应调整率中参数的比较合适的取值。

其中，ΓσPb=0.12，ΓφPb=0.0004；可选为2.14，可选为5.38。

实际控制器是加入低通滤波器环节对输出的高频噪声进行抑制的。低通滤波器以频域形式可以表示为，减小k则可以增强低通滤波的效果。实际控制器如下：(www.xing528.com)

较理想的仿真情况下，k=2.4。

变桨距执行系统的模型是带有死区的非线性环节。风电机组的桨距角的可调节范围和变桨距速率范围都是有限制的。当桨距角和变桨距速率在饱和极限范围内时，变桨距执行系统表现为线性特性。执行系统的模型近似为一阶系统。因为，桨距角的变化范围为0°～90°，所以，需要对实际控制器输出加入限幅环节，限制在0～1.57rad。同时，对于本实施例中的风力机，桨距角的变化率要在±10°/s之内。

在Bladed风电仿真软件中，在采用图8-9中的风速情况下发电机转速曲线如图8-10所示。两条曲线分别是带增益调整的PI控制器的发电机转速控制效果和L1控制器的发电机转速控制效果。可以很明显地看出，L1控制器能够更好地维持转速平稳。

图8-9 风速曲线图

L1变桨距控制器技术方案在该款额定功率1.5MW大型风力发电机进行了验证，结果如图8-11和图8-12所示。采用L1控制器能够更好地控制转速更加平稳，保证功率平稳。在风发生突变时可以更好地抑制机组超速，减少机组大风停机时间。

图8-10 发电机转速曲线图

图8-11 风力发电机组发电功率曲线图

图8-12 风力发电机组桨距角曲线图