變槳控制系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機的設(shè)計

　　在這種自然和可再生資源很容易獲得的地區(qū)，風(fēng)能在公用事業(yè)規(guī)模應(yīng)用中變得越來越流行。像天氣和氣候的大多數(shù)因素一樣，風(fēng)速是可變的，從電力工程師的角度來看是非常不可預(yù)測的。因此，風(fēng)力渦輪機的設(shè)計不僅要能夠承受大自然的全部能量，還要能夠在盡可能廣泛的輸入范圍內(nèi)有效地收集能量。以下公式告訴您風(fēng)中有多少能量（而不是您可以提取多少）：

　　可用風(fēng)力（瓦）= 1/2 * Da * A * V3

　　其中：

　　Da = 空氣密度 = 1.23（1 立方米空氣在海平面重 1.23 公斤）

　　A = 風(fēng)力渦輪機的掃掠面積，以平方米為單位。對于葉片直徑為 3 m（約 10 ft.）的風(fēng)力渦輪機，掃過面積約為 80 sq. ft.

　　V = 速度（風(fēng)速）。注意 V 是立方的。這意味著如果您將風(fēng)速翻倍，您將獲得 8 倍的能量。設(shè)計用于以 10 mph 風(fēng)速發(fā)電的風(fēng)力渦輪機必須在 20 mph 風(fēng)速下處理 8 倍的能量。

　　現(xiàn)代水平軸渦輪機是風(fēng)力收集的最常見配置。幾乎所有大型渦輪機的一個關(guān)鍵特性是能夠控制葉片的槳距。通過控制葉片螺距，風(fēng)車可以在更大的風(fēng)速范圍內(nèi)產(chǎn)生有用的電力，并且可以防止在大風(fēng)時超過額定軸速（再次，因為剛剛討論的增加風(fēng)速的 V3 效應(yīng)）。因此，在使用微控制器進(jìn)行傳感和系統(tǒng)控制的所有風(fēng)力發(fā)電機會中，最基本和最關(guān)鍵的是可變槳距葉片的轉(zhuǎn)子速度。

　　查看從零時間（初始啟動）開始的安裝，我們可以認(rèn)為最終目標(biāo)是將發(fā)電機軸速度平穩(wěn)提升到額定轉(zhuǎn)速。普遍接受的方法是將風(fēng)車的運行區(qū)域細(xì)分為四個區(qū)域。區(qū)域 1 是不足以運行風(fēng)車的風(fēng)。運行開始或切入速度定義了區(qū)域 2 的底部。渦輪機的全額定速度和功率定義了區(qū)域 3 的下邊緣。需要安全切斷的不安全風(fēng)占據(jù)區(qū)域 3 的上邊界。

　　考慮到控制系統(tǒng)必須使葉片在區(qū)域 2 中旋轉(zhuǎn)并在整個區(qū)域 3 中保持額定規(guī)格，顯然系統(tǒng)要求相當(dāng)高。功率曲線迅速變化，因為如前所述，風(fēng)能取決于風(fēng)速的立方。控制器還需要解決覆蓋 2 區(qū)和 3 區(qū)的整個運行范圍內(nèi)可能很嚴(yán)重的風(fēng)速波動。

　　系統(tǒng)數(shù)據(jù)

　　在提供輸入之前，變槳控制系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)。有兩種選擇。風(fēng)速可以通過位于風(fēng)車上或附近的風(fēng)速計獨立于動力渦輪機來獲取。這些設(shè)備通常用于確定風(fēng)速是否足以啟動渦輪機。這種類型的監(jiān)督控制也可以集中用于集群或風(fēng)電場。一旦渦輪機在線（區(qū)域 2 和 3），大多數(shù)設(shè)計使用軸速作為控制輸入，因為它也可以用作系統(tǒng)設(shè)定點。

　　開環(huán)控制是設(shè)置風(fēng)車葉片間距的一種選擇。然而，這不是最好的方法，因為它可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生不安全的機械應(yīng)變。閉環(huán)控制是首選并且是風(fēng)電行業(yè)中最常見的方法。比例積分微分 （PID） 控制器（圖 1）是工業(yè)控制系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它提供了簡單性和性能的平衡。PID 控制器將“誤差”值計算為測量過程變量和所需設(shè)定點之間的差值?？刂破髟噲D通過調(diào)整過程控制輸入來最小化誤差。

　　圖 1：帶有 PID 控制器的閉環(huán)系統(tǒng)。（由愛特梅爾提供。）

　　PID控制算法允許系統(tǒng)根據(jù)測量信號的歷史和變化率做出響應(yīng)，從而使系統(tǒng)準(zhǔn)確穩(wěn)定。對于槳距控制和電機控制等系統(tǒng)，通常會忽略導(dǎo)數(shù)項 （D），因為它易受噪聲影響。這給我們留下了一個 PI 控制器。

　　作為開發(fā) PI 控制器的起點，Atmel 提供了完整的文檔和 C 中離散 PID 控制器（例如AVR221）的工作實現(xiàn)。1 AVR221 代碼適用于任何 Atmel AVR 設(shè)備，從 8 位到 32 位微控制器。在操作中，PID 控制器獲取測量的輸入，在本例中為軸速度，并將其從期望值中減去以提供誤差值。該算法（圖 2）通過比例項處理當(dāng)前誤差，通過整數(shù)項處理過去值，并使用導(dǎo)數(shù)項預(yù)測未來值。如前所述，電動機和發(fā)電機控制系統(tǒng)通常選擇通過將微分系數(shù)設(shè)置為零來消除預(yù)測能力。

　　圖 2：PID 控制器原理圖。（由愛特梅爾提供。）

　　初始參數(shù)通常來自系統(tǒng)建模。為了優(yōu)化控制器響應(yīng)，系統(tǒng)通常會在盡可能接近模擬最終運行條件的環(huán)境中進(jìn)行調(diào)整。至于 PI 算法本身，主要考慮的應(yīng)該是避免系統(tǒng)不穩(wěn)定。對于俯仰控制，系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)在積分項中添加飽和度校正。在離散控制器代碼中，這可以通過設(shè)置 MAX_I_TERM 來完成。正確的值將取決于實際的風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)參數(shù)，并且可以通過模擬進(jìn)行估計并在原型測試期間進(jìn)行驗證。

　　盡管示例控制系統(tǒng)處于操作控制級別，但離散 PID 控制器的靈活性意味著可以在子系統(tǒng)級別為任何低級別控制器部署類似的功能，以測量振動、齒輪箱溫度或風(fēng)速并將值報告給電子監(jiān)管層。Atmel MCU 提供小至最小的 6 引腳 TinyAVR 設(shè)備，例如 8 位ATTINY10-TSHR，即使是最普通的任務(wù)，也可以在整個渦輪機中進(jìn)行穩(wěn)定控制。

　　調(diào)整 PI 控制器參數(shù)的最佳方法是使用渦輪機的運行模型或風(fēng)洞模型。代碼更改不需要從控制器板上移除 MCU 來閃存存儲器，而是使用通用編程器。Atmel 允許設(shè)計人員在原型設(shè)計期間修改微代碼，以開發(fā)最準(zhǔn)確、最強大的控制系統(tǒng)。為了簡化測試期間的代碼下載，Atmel 提供了ATAVRISP2完整的系統(tǒng)內(nèi)編程器（圖 3）。

　　概括

　　隨著為滿足世界不斷增長的能源需求而對清潔發(fā)電的需求增加，風(fēng)能成為太陽能和其他能量收集系統(tǒng)的有吸引力的替代品（或補充品）。具有簡單而強大的控制算法的小型微控制器使風(fēng)力渦輪機設(shè)計人員能夠創(chuàng)建高效的能量收集系統(tǒng)。這些相同的算法具有足夠的通用性，甚至可以控制用于渦輪速度控制的葉片槳距調(diào)整的最基本和最關(guān)鍵的功能。槳距角控制是控制風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的空氣動力最常用的手段。俯仰角控制還對可以由 PI 控制器控制的空氣動力負(fù)載產(chǎn)生影響，以實現(xiàn)更低的扭矩峰值以及更低的疲勞負(fù)載。本文討論了合適的微控制器設(shè)備、控制算法、和用于風(fēng)力渦輪機設(shè)計的編程工具。使用提供的鏈接訪問 Digi-Key 網(wǎng)站上的產(chǎn)品信息頁面，可以獲得有關(guān)此處提及的產(chǎn)品的更多信息。