基于Bladed与Matlab的风力发电机组控制器设计.docx

基于 Bladed 与 Matlab 的风力发电机组控制器设计

针对风力发电机组控制器的设计过程中， 转速控制器、 功率控制器以及变桨 控制器参数调整困难、控制效果不理想等问题，本文采用 matlab 软件自带单纯 形法对控制器 PID 参数进行寻优整定。同时通过 bladed 软件进行风电机组的仿 真及性能分析，进一步验证该方法的正确性，仿真结果表明：通过使用 bladed 软件与 matlab 软件相结合的控制器设计方法，可以获取较优的控制器参数，满 足控制器设计的实际需求。
标签： bladed； matlab；风力发电机组；控制器； PID 参数寻优 0 引言
风力发电机组是一个体积庞大、 结构复杂， 并且连续随机的非线性多变量系 统，直接对风电机组进行建模比较困难，也无法进行进一步的控制器的设计[1]。 根据风电设计领域相关软件的特点，本文采用 GL 公司提供的 Bladed 软件来建 立和获取风力发电机组的数学模型， 通过对模型的线性化分析处理， 结合 matlab 软件进行风力发电机组控制器的设计。
1 风力发电机组模型组建

风力发电机组是一个多变量的非线性系统， 其精确的数学模型的建立是十分 困难的， 动态特性也是由构成机组各部件的动态特性相互藕合而成。 各部件的模 型包括风速、叶轮、机舱、传动链、发电机、塔筒等，且各部件的动态特性都比 较复杂， 若不通过相关专业软件进行建模而分别建立其数学模型再将其组合起来 形成整机动态模型将会使整个设计工作变得非常困难[2]。通过 GL Bladed 软件中 的模态线性化功能模块能有效快速地建立起风力发电机组动态数学模型， 同时还 能将风电机组整合成线性模型， 有利于控制器的设计。 因此， 有效利用该软件可 减少设计者的工作量，缩短控制器的设计周期。
(1)Bladed 软件模态线性化设置。Bladed 模态线性化模(Model Linearisation) 如图 1 所示。根据软件要求， 需要设置风能相关常数 (Physical Constants)、叶轮 相关设计参数(Rotor configuration)、叶片相关参数(Blade geometry)等，同时 还需配置传动链相关参数(Drive train)、发电机(Generator)、控制系统参数和 变桨执行器参数[3]，以上对应参数均可从整机设计手册上查阅到。

(2)获取整机系统数学模型。变速变桨风力发电机组基本控制策略是：低 风速时保持风机在最佳叶尖速比上， 不需要复杂控制器即能实现最大风能跟踪捕 获；当风速达到额定转速时，防止转速上升，采用转速 -转矩控制；高风速时， 保持机组转速和功率在额定位置，采用转速 -变桨闭环控制[4]。明确在不同风速 下需要不同的系统数学模型之后，通过 Matlab 软件读取线性化模型文件，对所 需数据进行提取和状态空间转换来获取低于额定风速下的风机数学模型及高于 额定风速下的风机数学模型。

2 控制器参数整定

在额定风速以上时，由于机组模型的非线性，为提高风机稳定性、可靠性、 降低载荷， 需要设计可根据机组动态模型变化而改变控制参数的控制器。 (1) 控 制器基本原理[5]。 GL Bladed 中PI 控制器原理如式(1)：
式中 Kp 为控制器比例增益； Ki 为制器积分增益； Kp/Ki 定义为积分时间常
数； x 为设定转速与实际转速之差； y 为输出转矩给定值或桨角值。式(1)经离 散化变换后得式(2)：

式中 T 为采样周期；为上次误差值；为上次输出值。

(2) PI 控制参数整定与仿真。控制器参数整定中，利用单纯形法非常适合 非线性控制系统的参数优化问题， 它具有良好的收敛性、 计算机工作量小、 简单 实用等特点，因此本文选择该种整定方法[6]。在数字 PID 调节器参数的自寻最 优控制中， 所选择的性能指标应当既能反映动态性能， 又包含稳定特性， 因此选 择 ITAE 准则：
(3)

通过 Matlab 自带单纯形法库，同时可根据整定要求获得适合的 PI 参数值。

3 机组模型建立与仿真分析

采用以上整定方法可获取转矩控制 PI 参数值为： Kp=189.5， Ki=105.72。桨 距角控制 PI 参数值如表 1 所示。
将获得的 Kp 和 Ki 参数值按照式 (2) 的要求生成 Bladed 软件外部控制器的 控制参数，同时在 Bladed 中设置并生成 15m/s 的湍流风进行仿真。仿真结果如 图 1~2 所示。
由图 1~2 可以看出，在高额定风速的情况下，经上文所述的方法设计的控 制器能把风机转速和输出功率良好地控制在设定范围内，实现稳定的跟踪控制。
4 结论

目前基于 Bladed 和 Matlab 软件在风机控制策略设计及改型中被广泛的应 用。本文首先利用 Bladed 软件的风电机组的模态线性化模块获取风机状态空间 的线性化数学模型，同时结合 Matlab 软件，根据单纯型法设计控制器参数，实 现转矩控制器和变桨控制器参数的整定。通过最后整机仿真以及实际应用进行验 证， 结果表明本文所述风机控制器设计方法可以满足控制要求， 且对转矩控制器 和变桨控制器的设计具有一定的指导作用。

参考文献：

[1]邢作霞 .大型变速变距风力发电机组的柔性协调控制技术研究 .博士学位 论文，北京：北京交通大学， 2008 (04) .
[2]陈虎， 孟克其劳， 马建光.居于 MATLAB 的风力发电机组建模和仿真研究 [J].节能技术， 2012， 1 (01)： 24-28.

[3]GH bladed User manual.

[4]崔明东，孙禹 .风力发电机的独立变桨控制 [J].江西电力职业技术学院学
报， 2011， 3 (24)： 22-25.

[5]GH bladed Theory manual.

[6]刘晓谦，王勇，穆顺勇.基于单纯型法的 PID 控制器参数优化设计[J].计算 机仿真， 2004， 11 (11)： 191-193.
作者简介：程利民(1983- )，男，研究生，工程师，主要从事风力发电机组 控制系统的研究。