在這種自然和可再生資源很容易獲得的地區(qū)，風能在公用事業(yè)規(guī)模應用中變得越來越流行。像天氣和氣候的大多數(shù)因素一樣，風速是可變的，從電力工程師的角度來看是非常不可預測的。因此，風力渦輪機的設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。以下公式告訴您風中有多少能量（而不是您可以提取多少）：

　　可用風力（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.）的風力渦輪機，掃過面積約為 80 sq. ft.

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

　　現(xiàn)代水平軸渦輪機是風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，風車可以在更大的風速范圍內(nèi)產(chǎn)生有用的電力，并且可以防止在大風時超過額定軸速（再次，因為剛剛討論的增加風速的 V3 效應）。因此，在使用微控制器進行傳感和系統(tǒng)控制的所有風力發(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，我們可以認為最終目標是將發(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車的運行區(qū)域細分為四個區(qū)域。區(qū)域 1 是不足以運行風車的風。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)要求相當高。功率曲線迅速變化，因為如前所述，風能取決于風速的立方。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)可能很嚴重的風速波動。

　　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。風速可以通過位于風車上或附近的風速計獨立于動力渦輪機來獲取。這些設備通常用于確定風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電場。一旦渦輪機在線（區(qū)域 2 和 3），大多數(shù)設計使用軸速作為控制輸入，因為它也可以用作系統(tǒng)設定點。

　　開環(huán)控制是設置風車葉片間距的一種選擇。然而，這不是最好的方法，因為它可能會導致轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生不安全的機械應變。閉環(huán)控制是首選并且是風電行業(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)標準。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，從而使系統(tǒng)準確穩(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）通過比例項處理當前誤差，通過整數(shù)項處理過去值，并使用導數(shù)項預測未來值。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)設置為零來消除預測能力。

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

　　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 設備，例如 8 位ATTINY10-TSHR，即使是最普通的任務，也可以在整個渦輪機中進行穩(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 允許設計人員在原型設計期間修改微代碼，以開發(fā)最準確、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力渦輪機設計人員能夠創(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載。本文討論了合適的微控制器設備、控制算法、和用于風力渦輪機設計的編程工具。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。