引言控制系统是风电机组的信息枢纽，能够实现对风电机组的实时监控，处理采集到的信号和反馈信号，是实现风力发电系统有效运行的关键部分。控制系统通过改变发电机运行转速使风电机组在不同的风速区间内运行，从而最大限度地吸收风能，提高风电机组效率，其运行质量直接影响风电机组的性能表现。目前，有关风电机组控制系统的研究主要集中在单输入单输出(SISO)系统，也有一些成熟的多输入多输出(MIMO)现代理论系统。大型风电机组的结构设计具有多样性，通过建立模型代替实物的难度较大；大型风电机组运行的空气动力学特征具有不确定性，需要对仿真结果进行验证[1]。1PI控制器转矩控制器的主要作用为提高风能获取量，一般采用PI控制器实现功能，作用基本过程包括：对发电机转速进行Notch滤波和二阶低通滤波[2]，将其与发电机转速给定值进行对比，利用对比得到的偏差进行PI控制并限幅输出。发电机转速大于额定风转速时，变桨PI控制器通过实时调节桨距角限制叶轮获取的风功率，保证发电机转速稳定在额定转速。控制变桨距时，通过测量桨叶角度并实时查表得到PID控制器的比例、积分参数和微分参数[3]。根据发电机测量转速与发电机转速的偏差进行PI控制和限幅，得到给定桨叶角度并设定输出。在变桨距控制中提供两组PI参数，根据不同的机组运行条件，实现变桨PI参数的自由切换。PID控制器的基本准则为稳、快、准。其中，比例PI控制器具有放大控制器输入量（偏差）的作用，主要负责“快”；积分I控制器进行偏差的累积计算，以消除偏差，主要负责“准”；微分D控制器的作用为阻止偏差变化，负责“稳”。发电机转速的波动较大时，可以适当调节控制器参数，不能单独使用积分控制(I)和微分控制(D)，两者均需要与比例控制(P)结合使用。变桨距控制输出的限幅受风机运行模式的影响，使用提前变桨策略会影响最小桨距角的限定；限幅最大值出现在顺桨角度为89°、90°或91°时。通过变桨速率限幅将桨叶角度限制在允许范围内，通过Matlab搭建PI控制器，生成伯德图(Bode)，从而优化变桨距控制器的比例系数(Kp)、积分系数(Ti)[4]。1.1控制器的限幅计算发电机转速小于额定转速与切入转速的平均值时，转矩PI控制器输出的最小值为0，最大值由实时转速对应的最佳转矩给定。发电机转速不低于额定转速与切入转速的平均值时，转矩PI控制器输出的最小值由实时转速对应的最佳转矩给定，最大值为动态量。将转矩设定值乘以转速设定值，除以经过恒功率控制器滤波后的发电机转速，得到转矩设定值，将转矩设定值限制在一个区间，从而得到转矩设定值最大值。其中，限制区间的上限是转矩设定值乘以转矩最大系数，一般取1.05，下限是转矩设定值乘以转矩最小系数，一般取0.95。转矩设定值的上限与下限取值可以更改，但转矩取值范围过大会导致发电机转速波动大，运行不稳定；转矩取值范围过小，可能出现机组超速或机组无法满发等情况。1.2最优增益(Kopt)的计算根据能量守恒定律，发电机的转矩为：v=ωgRGλ (1)P=ρv3ACp(λ,θ)2=ρπR5Cp(λ,θ)ωg32λ3G3 (2)Tg=Pωg=ρπR5Cp(λ,θ)ωg22λ3G3 (3)式中：v——风速，m/s；ωg——发电机转速，rad/s；R——叶轮半径，m；G——传动比；λ——叶尖速比；P——功率，W；Cp(λ,θ)——风能利用系数；ρ——空气密度，kg/m3；A——迎风面积，m2；Tg——发电机转矩，N·m。定义Kopt=ρπR5Cp(λ,θ)2λ3G3，则Tg=Kopt×ωg2。2转矩控制与变桨距控制的解耦发电机转速小于等于额定转速时，转矩控制器和变桨控制器同时参与运行，使发电机转速达到设定值，有必要解耦转矩与变桨控制环节。系统解耦操作过程中，发电机转速小于额定转速时，保证只有转矩控制起作用，此时的桨距角为最佳桨距角的限定值；发电机转速大于额定转速时，只有变桨控制器起作用，转矩设定在限值上，以保证额定功率输出。转矩控制和变桨距控制的解耦具有多种方法。文中分别针对转矩和变桨控制器的输入偏差引入偏置值，通过偏置值的作用，转矩控制输出未达到额定转矩时，变桨距控制输出被限制为最小角度值；变桨距控制输出大于运行角度最小值时，转矩控制器输出一直被限制为最大转矩值。（1）转矩偏置（Tbias）计算。Tbias=rFrac1×DGeneratorSpeedSetpoint×PTorqueBiasSpeedFactor (4)式中：rFrac1——转矩偏差系数；DGeneratorSpeedSetpoint——发电机速度设定值；PTorqueBiasSpeedFactor——转矩偏置速度系数，一般设置为0.25。rFrac1=(rPitDem-LLimitsMinPos)/PTorqueBiasPitchMargin (5)式中：rPitDem——变桨距控制输出的变桨给定值；LLimitsMinPos——最小桨距角限定值；PTorqueBiasPitchMargin——转矩偏置变桨裕量，为定值0.087 3。对rFrac1进行限幅，rFrac1=Limit(rFrac1,0,1)。将rFrac1通过平滑滤波器输出。（2）变桨偏置（Pbias）计算。Pbias=rFrac2×PPitchBiasSpeedFactor×DGeneratorSpeedSetpoint (6)式中：rFrac2——变桨偏差系数；PPitchBiasSpeedFactor——变桨偏置速度系数，一般设置为0.05；DGeneratorSpeedSetpoint——发电机转速设定值。rFrac2=rTorqueMax-rTorqueDemand/1-PPitchBiasPowerFactor×rTorqueMax (7)式中：rTorqueMax——最大转矩限定值；rTorqueDemand——转矩控制器输出的转矩给定值；PPitchBiasPowerFactor——变桨偏置功率因数，为定值0.7。对rFrac2进行限幅，rFrac2=Limit(rFrac2,0,1)。将rFrac2通过平滑滤波器输出。3传动链加阻控制发电机转速大于额定转速时，发电机转矩保持额定转矩，表明抑制传动链扭矩振动的阻尼较小。扭矩振动模型中，齿轮箱可能产生较大的扭矩振荡，可以通过修正发电机额定转矩给定抑制扭矩振荡。针对转矩和功率的共振频率点，需要额外增加微小的脉冲波，通过相位调节抵消谐振作用，有效增加阻尼效果，显著减小齿轮箱、低速轴部件联轴器等传动链结构的载荷。在额定风速以下区域，传动链的阻尼较小导致其容易与叶轮面内模态和塔架侧向模态耦合，造成传动链振动大，需要针对传动链耦合频率主动增加阻尼策略[5]。传动链加阻控制原理如图1所示。传动链加阻控制过程中，发电机测量转速经过带通滤波器处理[6]，通过比例P控制器控制输出，输出量为转矩补偿量，被施加给转矩控制器的给定值。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.015.F001图1传动链加阻控制原理传动链加阻控制参数包括P控制器的增益、传动链加阻控制器输出转矩量的最大限定值，取0.3~0.5倍的额度转矩值。关闭传动链机组功能时，只需要将传动系阻尼器增益的和传动系阻尼器扭矩限制其中一个设置为0。4塔架前后加阻控制分析塔架振动产生的原因，额定风速以上时，随着桨叶角度发生变化，气流对叶轮的作用力也产生变化，将引起机组塔架振动。风速增加时，为了保持转速的稳定，桨叶角度增加，叶轮受力减小，塔架顶端会向前移动；风速减小时，为了保持转速的稳定，桨叶角度减小，叶轮受力增大，塔架顶端会向后移动。塔架前后加阻控制通过微调桨叶角度增加塔架前后的振动模态阻尼，减小塔架前后振动的现象，从而减小塔架前后方向载荷。塔架前后振动控制的实现过程包括：塔架前后振动加速度测量值经过二阶低通滤波、Notch滤波和超前滤波器滤波，由比例控制器输出，输出值为变桨补偿量，被施加至变桨控制的桨距角给定值。5仿真验证为了验证控制系统中PI控制器的参数优化、转矩控制与变桨距控制的解耦以及传动链加阻[6]的有效性，选取某厂家131-2.0 MW机组为研究对象，利用Bladed软件建立风机模型，根据软件自带的模型线性化功能模块提取风机模型线性化数据，将数据导入Matlab软件，被控制器调用[7]。某厂家131-2.0 MW机组技术参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.015.T001表1机组技术参数风机参数数值型号131-2.0MW额定功率/kW2 000轮毂中心高度/m110切入风速/(m/s)2.5切出风速/(m/s)20叶轮转速/(r/min)6.0~12.6功率调节方式变速变桨距控制通过调节变桨距控制器的Kp，Ti参数，使变桨距控制器达到稳定状态。PI参数优化前后变桨距控制器伯德图如图2所示。图2PI参数优化前后变桨距控制器的伯德图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.015.F2a1（a）幅值裕度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.015.F2a2（b）相角裕度变桨的风速-桨距角阶跃响应如图3所示。使用PI控制器参数优化的输出波动明显降低，控制器的稳定性更好，PI参数优化满足要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.015.F003图3变桨的风速-桨距角阶跃响应传动链加阻控制器伯德图如图4所示。传动链的风速-低速轴转矩阶跃响应如图5所示。使用传动链加阻后，低速轴转矩波动更收敛，稳定性更佳。图4传动链加阻控制器伯德图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.015.F4a1（a）幅值裕度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.015.F4a2（b）相角裕度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.015.F005图5传动链的风速-低速轴转矩阶跃响应6结语文章主要研究了风电机组PI控制器参数优化、转矩控制与变桨距控制的解耦以及传动链加阻对风电机组动态响应的影响；基于Matlab平台模拟仿真，验证了PI控制器参数优化波动明显降低，转矩控制与变桨距控制的解耦参数对控制器性能的影响，合理的耦合值使风电机组更加稳定，传动链加阻能提高控制器稳定性，可有效提高机组可利用率、降低载荷、提高机组安全性。