调节控制器用于双馈风电机组的功率控制策略研究

文/刘超 王世荣 刘芳园 杨帅

本文提出了一种基于PI 控制

器利用非线性单纯形算法的功率

控制策略，通过该控制器对控制

参数进行优化，再结合变桨距控

制法，实现对双馈风电机组功率

的有效控制。经仿真结果证明，

利用该控制器可以改善双馈风电

机组功率控制系统的各项动态性

能，提高控制精度，且具有良好

的鲁棒性。

摘 要

馈风力发电机的核心部件，其控制效果的好坏

直接决定双馈风力发电机的电能质量。PWM

变换器通常采用PI 控制器、内模控制器、模

糊控制器，其中PI 控制器结构简单、鲁棒性

较强，通常作为复杂非线性动态系统的基本控

制器。本文基于此，将PWM 变换器与PI 控

制器相结合的控制思路用于风电功率控制，并

对此展开研究, 在理论探索和指导工程实践方

面都有十分重要的意义。

1 PI调节控制器的功率控制策略

1.1 PI调节控制器的优化技术

本节主要讲述了一种基于PI 调节控制器

的优化技术，该控制器利用非线性单纯形算法

输出最优控制参数，实现对桨距角β 的精确控

制，具体流程见图1。控制器引入时间乘绝对

误差积分（ITAE）指标用于PI 控制参数优化,

其数学表达式为：

通常选择T 值为调节时间Ts，e(t) 为误差

函数。ITAE 综合考虑了PI 控制器稳态误差与

调节时间的性能指标，是自适应控制系统和多

输入多输出控制系统的最佳性能指标之一。

在RTDS 环境下，对搭建的双馈型风机

模型进行控制系统参数优化, 利用RTDS 的

CBuilder 模块, 通过Java 语言编程, 建立一个

新的能够实现非线性单纯形算法功能的原件,

且该元件能够循环运行、自动编译，实现PI

控制器参数优化的目的。

通过对转子侧变换器PI 参数优化的具体

方法，即在系统稳定运行在0.9pN 的状态下，

在t=5s 时分别使PWM 变换器的转速给定值

和无功功率给定值发生在0.1p.u. 阶跃，200ms

后恢复至初值，通过仿真寻找令目标函数值最

小的PI 控制器的参数。

设定转子这样就可以得到测量时接地侧

变换器目标函数为：

ω* 式中、Q* 分别为转速、无功功率给

定值；ω、Q 分别为转速、无功功率计算值。

1.2 PI调节控制器的功率控制原理

基于风速的风力机输出功率控制方法, 当

风速在切入风速和额定风速之间变化时, 采用

变速控制方法, 追踪最佳功率曲线, 获得最大

功率；当风速在额定风速和切出风速之间变化

时，采用变桨距控制方法, 调节桨叶桨距角的

变化，保持额定功率不变。该方法的特点为能

根据风速的大小选用不同的控制方法, 实现风

力机最大功率的输出, 提高了发电机组风能利

用效率，同时保证了风力机运行的稳定性和可

靠性。

本节主要讲述了通过PI 控制器对监测到

的风速进行优化处理，然后输出最优控制参数

作用于控制器，从而精确控制桨距角随风速的

变化，提高风电的功率控制效率，其变桨控制

算法控制流程如图2 所示, 其中：V 为风速；

P 为功率；P* 为功率给定值；λ 为尖速比；λopt

为最优尖速比；ω 为风轮角速度；ω* 为风轮

角速度给定值；n 为齿轮箱传动比；R 为风轮

半径；β 为桨距角；Cp 为风能系数。

变桨控制具体实施流程如下：

（1）风力发电机组并网后，初始化控制

系统, 桨距角β=0, 并判断风速大小。

（2）当风速小于切入风速，PI 控制器将

检测到的风速信号经过进行优化处理，将处理

的后的参数传给风力机控制器，风力机控制器

经判断不动作风力机。

（3）当风速在切入风速和额定风速之间

变化时，PI 控制器将检测到的风速信号经过

进行优化处理，将处理的后的参数传给变速控

制器，控制器发出驱动信号，通过齿轮箱调节

发电机转速ω，并和给定值ω* 相比较构成一

个闭环反馈自动控制系统，追踪最佳功率曲线

变化，获得最佳风能系数，

从而捕获最大功率

图1：双馈风电机组控制系统PI 参数优化流程图图2：变桨控制流程图

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138 • 电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering

。

（4）当风速大于额定风速、小于切出风

速，PI 控制器将检测到的风速信号经过优化

处理，将处理的后的参数传给控制器, 变速控

制器停止工作，而变桨距控制器开始工作, 根

据功率传感器测得的功率信号P 和功率给定值

p* 相比较，由控制器发出驱动信号，使得液

压变桨距机构动作调节桨叶桨距角的变化，获

得变化的构成一个闭环反馈自动控制

系统，保持额定功率不变；

（5）当风速大于切出风速,PI 控制器将

检测到的风速信号经过进行优化处理，将处理

的后的参数传给风力机液压控制器，驱动风力

机液压刹车机构开始动作, 风力机停止工作,

风电机组切出电网。

2 仿真与分析