虚拟仿真技术探索与实践基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的风电机组变桨距控制系统仿真研究．重庆邮电大学自动化学院复杂系统分析与控制研究中心，重庆４０００６５．武汉铁路职业技术学院机车车辆工程系，湖北武汉４３０２０５）：针对风电机组复杂、非线性的特点，建立了完整的风电机组变桨距模型，并运用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ大的功能对其进行仿真研究。根据风电机组的数学模型，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下搭建了系统仿真模块，并在给定风速下对不同ＰＩＤ参数的变桨距控制系统进行仿真实验。实验结果表明：参数的设置决定了系统性能的好，合适的参数选取能使系统获得较好的动态特性。利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行仿真实验，能促进学生对风电机组控制系统的理解，提高学生的仿真能力，使学生掌握变桨距控制系统的结构和动态特性。关键词：风力发电机；变桨距控制；仿真；动态特性中图分类号：ＴＭ６１４；Ｇ４３４文章编号：１００２‐４９５６（２０１５）８‐０１０５‐０４ＰｒｏｂｅｖａｒｉａｂｌｅｐｉｔｃｈｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｂａｓｅｄＳｉｍｕｌｉｎｋＣｈｅｎＧｏｎｇｇｕｉ，ＨｕａｎｇＳｈａｎｗａｉ，ＧｕｏＹａｎｙａｎ，ＴａｎｇＸｉａｎｌｕｎ．ＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒＣｏｍｐｌｅｘＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＡｎａｌｙｓｉｓＣｏｎｔｒｏｌ，ＣｏｌｌｅｇｅＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６５，ＣｈｉｎａＶｅｈｉｃｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＲａｉｌｗａｙＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３０２０５，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ，ｗｈｉｃｈｈａｓｓｔｒｏｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎｓｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｍｐｌｅｘｎｏｎｌｉｎｅａｒｖａｒｉａｂｌｅｐｉｔｃｈｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．ＢａｓｅｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｓＳｉｍｕｌｉｎｋｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ＵｎｄｅｒｇｉｖｅｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｖａｒｉａｂｌｅｐｉｔｃｈｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｄｉｆｆｅｒｅｎｔＰＩＤｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｍａｎｉｆｅｓｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓｕｉｔａｂｌｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｌｅｃｔｉｏｎｃａｎｍａｋｅａｃｈｉｅｖｅｂｅｔｔｅｒｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔＳｉｍｕｌｉｎｋｃａｎｏｎｌｙｐｒｏｍｏｔｅｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｋｎｏｗｌｅｄｇｅａｌｓｏｉｍｐｒｏｖｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｖａｒｉａｂｌｅｐｉｔｃｈｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｕｒｔｈｅｒＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ；ｖａｒｉａｂｌｅｐｉｔｃｈｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ收稿日期：２０１５‐０１‐３０基金项目：重庆邮电大学教育教学改革项目（ＸＪＧ１４１６）；重庆市高等教育教学改革研究重点项目（１３２０１６）作者简介：陈功贵（１９６４，重庆，博士，教授，主要从事电气工程专业的教学和科研工作Ｅ‐ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｇｇｐｏｗｅｒ＠１２６．ｃｏｍ研究风电机组变桨距控制系统的意义在风力发电系统中，由于风电机组多变量、非线性的特点，给风电机组的变桨距控制带来了很大的困扰。
变桨距控制系统对于给定风速情况下维持发电机额定输出功率是非常重要的保证变桨距控制系统的稳定性，使得电力系统能够安全、有效地运行，是研究风力发电机组的关键问题风电机组变桨距控制系统性能的好坏很大程度上取决于变桨距控制器的控制规律及参数设置，找到合适的控制器参数是变桨距控制的另一个难题进行单纯的物理建模不仅会增加资源的消耗，而且不能随意改变控制器的参数simulink怎么搭建风速模型 程序，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ将仿真模型模块化ＩＳＳＮ１００２４９５６ＣＮ１１ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．３２Ａｕｇ．２０１５其高效率、低消耗的特点在风电机组变桨距控制系统中得到体现。Ｍａｔｌａｂ作为目前计算机仿真技术中最有效、最实用的工具，已在国内外的风力发电专业教材中得到普遍选用，为实验数据分析和处理提供了有效的平台。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ作为Ｍａｔｌａｂ中的动态仿真工具需建立仿真模快并设置模块的参数就可以得到仿真结果笔者搭建Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模块，在给定风速的条件下改变ＰＩＤ控制器［１０］的参数进行仿真实验得到了不同参数设置下的变桨距控制系统动态响应曲线，并根据仿真结果对系统动态性能进行分析与处理。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真融入风电机组变桨距控制系统实验教学中，学生可以把所学的理论知识运用到仿真实验中，这不仅能让学生很好地理解变桨距系统的结构及能量转换的原理，还能增强学生的实践能此外，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中详细的仿真图和实验数据可以培养学生对实验数据的处理和分析能力，这种理论与实践相结合的教学模式能有效提高教学质量［１２］风电机组的数学模型风力发电系统是一个综合空气动力学特性、机械特性和电气特性的复杂非线性系统，构建风电机组的数学模型对研究系统的动态特性及其控制规律具有重要意义。
笔者将风电机组模型分为风轮模型、传动机构模型和异步发电机模型等３部分。风轮模型风轮的作用是把风能转化为机械能。设输入风速和气动转矩Ｔｒ，Ｃｐ为风能利用系数，ＣＴ为气动转矩系数实际应用中，风能利用系数Ｃｐ被认为是由叶尖速比共同决定的二元函数，可用以下公式来表示传动机构模型本文采用非直驱式异步发电机组，在忽略异步发电机自身机械阻力和系统阻力的情况下，分别给出靠近风轮的低速轴和靠近发电机的高速轴的动态方程ＪｒｎＴｍＪｇ，Ｊｒ是风轮转动惯量，Ｊｇ是发电机转动惯量是齿轮箱增速比；Ｔｒ是风轮输出转矩，Ｔｍ是发电机轴机械转矩，Ｔｅ为发电机电磁转矩，由此式可得传动机构方程为（Ｊｒ发电机模型本文以理想状态下的异步发电机为研究对象，定子和转子绕组在气隙中都产生三相对称且正弦分布的磁通，则异步发电机模型可表示为Ｃ１ｘ２，Ｕ１为定子额定相电压，Ｃ１是修正系数是电机同步转速，ｒ１、ｘ１分别是定子绕组等效电阻和电抗，ｒ２、ｘ２分别是转子绕组等效电阻和电抗。风电机组Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模块在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境中建立风电机组变桨距控制系统仿真模块如图１所示。其中，控制系统包括叶尖速 比、ＰＩＤ 控制器、风能利用系数、风能气动转矩、传动系 统、发电机等６ 个子模块。
在给定风速工况下 ，利用发电机额定功率与系统 输出功率的误差对桨距角进行 ＰＩＤ 控制。 分别改变 不同的ＰＩＤ 参数数值并观察系统输出功率随之而发 生的变化。 变桨距控制系统 ＰＩＤ 控制器仿真模块如 仿真实验及结果分析在工程应用中 ，风力发电机变桨距控制系统动态 特性是必须进行的测试项目 ，这关系到风电机组的运 行安全及电能质量。 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真环境 ，根据建立的风电机组数学模型搭建仿真模块，并在 给定风速工况下 ，改变ＰＩＤ 控制器参数来观察系统动 态响应过程 ，然后根据实验数据及仿真图对系统作出 具体分析。 仿真实验所用的风力机组参数如表 ，异步发电机参数如表２所示 ，相关参数来源于德国 Ｎｏｒｄｅｘ 公司Ｓ７０／１５００ ｋＷ 风力机组。 风力机参数Ｊｒ ／（ｋｇ Ｐｅ／ＭＷ ４６０１０６ ．２２５７８ 异步发电机参数Ｊｇ ／（ｋｇ Ｐｇ／ｋＷ ｘ１ ．８１１１５２２ 如表３所示 ，Ｃａｓｅ ＰＩＤ参数来自多次整定后 的结果 Ｃａｓｅ１的基础上分别 改变 Ｋｐ 、ＫＩ 、ＫＤ 数值而设的仿真案例。 中所有的案例都是在给定风速输入为阶跃信号下进行的。 不同ＰＩＤ参数取值的仿真结果工况编号 Ｋｐ Ｐｍａｘ／ＭＷ Ｔｓ ：基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的风电机组变桨距控制系统仿真研究 工况编号Ｋｐ Ｐｍａｘ／ＭＷ Ｔｓ 为改变ＫＰ 数值时发电机输出功率及桨距角 的仿真图。
从图中可以看出 ，经过参数优化后的变桨 距控制器（Ｃａｓｅ １）对系统性能控制良好 ，受到风速扰 ，系统具有较小的超调量，并迅速作出响应 定值恢复的速度也较快，发电机输出功率最大值 Ｐｍａｘ ．９１８２ＭＷ ，系统调节时间 Ｔｓ ３８．３７８ Ｋｐ取值较大时（Ｃａｓｅ 系统虽然没有超调，但出现了较严重的毛刺现象。 Ｋｐ取值较小时（Ｃａｓｅ ，系统调节精度降低，响应速度 也极为缓慢。 改变ＫＰ 数值的仿真结果 ＫＩ取值过大时（Ｃａｓｅ 统的稳态误差得到消除，但会产生较大的超调。 ＫＩ ，系统的静态误差难以消除，影响系 统的调节精度。 ＫＤ取值过大或过小（Ｃａｓｅ ，系统超调量都增大simulink怎么搭建风速模型 程序，调节时间都变长。 改变ＫＩ 数值的仿真结果 （下转第１２６ ．液压系统ＰＬＣ 控制实例［Ｍ］ ．北京 ：中国电力出版 ．基于ＡＭＥＳｉｍ 的液压并联机构建模及耦合 特性仿真［Ｊ］ ．浙江大学学报 ：工学版 ，２００７（１１） ：１８７５‐１８８０ ．基于ＡＭＥＳｉｍ 液压元件设计库的液压 系统建模与仿真研究［Ｊ］ ．机床与液压 ，２０１２（１３） ：１７２‐１７４ ．基于ＡＤＡＭＳ 的液压驱动四足机器人步 态规划与仿真［Ｊ］ ．机械设计与制造 ，２０１２（７） ：１００‐１０２ ．基于ＡＤＡＭＳ 的液压挖掘机工作装置动 力学仿真分析［Ｊ］ ．现代制造工程 ，２０１４（１１） ：７４‐７７ ．基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 的多级液压缸建模与仿真应用研究 ．液压与气动，２０１２（８） ：８８‐９１ ．基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 的气控液压背压阀仿真与设 ．控制工程，２０１４（２） ：２０４‐２０９ ，李湘伟．基于 ＦｌｕｉｄＳＩＭ 的仿真方法在液压动力头 控制系统中的应用［Ｊ］ ．煤矿机械 ，２０１２（１０） ：２２１‐２２３ ［１０］李剑峰 ．液压支架液压系统设计的有用工具［Ｊ］ ．煤矿机械 ，２０１１ ．液压与气动，２０１１（８） ：１１１‐１１４ ．北京：冶金工业 出版社 ，２００９ ．基于ＦｌｕｉｄＳＩＭ‐Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓ 的检测设备气动控制分 ．制造业自动化，２００８（５） ：１８‐２０ ．一种基于ＬａｂＶＩＥＷ ＰＬＣ控制液压系统仿真方法［Ｊ］ ．机床与液压 ，２００７（１０） ：１８２‐１８５ 改变ＫＤ数值的仿真结果 结束语风力发电系统是一个综合了多种专业技术的复杂 系统 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下的仿真结果表明 ＰＩＤ控制器参数的变化对系统性能影响很大。
选取合 适的ＰＩＤ 参数 ，能有效改善控制系统的动态特性 ，进而提高输出电能的质量。笔者将Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 仿真 实验引入课程教学中 ，不仅能更好地激发学生的学习 兴趣 ，还能培养学生的动手能力和解决问题能力。 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 实验结果中丰富的实验数据和仿真图形 ＰＩＤ参数 变化而引起的风电机组变桨距控制系统性能的改变有 更加深刻的认识。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ＣｈｅｎＧｏｎｇｇｕｉ ＬｉｕＬｉｌａｎ ＳｏｎｇＰｅｉｚｈｕ ，ｅｔ ａｌ ．Ｃｈａｏｔｉｃ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ＰＳＯ‐ｂａｓｅｄ ｍｕｌｔｉ‐ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒｌｏｓｓｅｓ ｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓ ．ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，２０１４（８６） ：５４８‐５６０ ．风力发电电动变桨距载荷模拟及控制策略仿真实验平台开发［Ｊ］ ．实验技术与管理 ，２０１４ ，３１（１１） ：８９‐９３ ．基于模糊ＰＩＤ 的风力发电机组变桨距控制研究［Ｊ］ ．现代电子 技术 ，２０１３ ，３６（１６） ：１４６‐１４８ ．模糊前馈与模糊ＰＩＤ 结合的风力发电机组变桨距控制［Ｊ］ 国电机工程学报，２０１０ ，３０（８） ：１２３‐１２８ ＣｈｅｎＧｏｎｇｇｕｉ ，Ｄｕ Ｙａｎｇｗｅｉ ，Ｓｏｎｇ Ｐｅｉｚｈｕ ．Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｈｙｄｒｏｔｕｒｂｉｎｅ ｇｏｖｅｒｎｏｒ ＰＩＤ ｃｏｎｔ ｒｏｌｌｅｒ ｃｈａｏｔｉｃｉｍｐｒｏｖｅｄ ＰＳＯ ａｌｇｏｒｉｔ ｈｍ［Ｊ ．ＥｎｅｒｇｙＥｄｕｃａｔｉｏｎ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰａｒｔ ：ＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１４ ，３２（５） ：３９４９‐３９６２ ．Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真技术在电机实验 教学中的应用［Ｊ］ ．实验技术与管理 ，２０１１ ，２８（８） ：７９‐８２ ．Ｍａｔｌａｂ软件在自动控制原理实验中的 应用［Ｊ］ ．实验技术与管理 ，２０１４ ，３１（６） ：１３８‐１４０ ，１４５ ，马立新．仿真技术在光伏系统功率跟踪中的应用 ．实验技术与管理，２０１４ ，３１（８） ：１１４‐１１７ ，陈真．基于 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ＰＩＤ控制器设计［Ｊ ，２００７，２４（５） ：７０‐７２ ．先进ＰＩＤ 控制 ＭＡＴＬＡＢ 仿真［Ｍ］ ．北京 ：电子工业出版 ．基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 的系统仿真技术与应用［Ｍ］ ：清华大学出版社，２０１１ ．基于Ｍａｔｌａｂ 的电力电子技术仿真平台设 ．电气电子教学学报，２０１４ ，３６（４） ：１０５‐１１０
发表评论