唐俏俏,劉皓明,袁曉玲,許波峰

(河海大學能源與電氣學院,江蘇 南京　211100)

基于獨立變槳距控制的風輪減載策略

唐俏俏,劉皓明,袁曉玲,許波峰

(河海大學能源與電氣學院,江蘇 南京211100)

摘要：為減小風切變、塔影效應(yīng)以及湍流風等因素引起的風輪不平衡載荷,在分析風切變、塔影效應(yīng)以及湍流風模型的基礎(chǔ)上,提出了一種基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨立變槳距控制策略。結(jié)合方位角權(quán)系數(shù)分配環(huán)節(jié)和葉根揮舞載荷反饋PID控制環(huán)節(jié),分別調(diào)節(jié)每支葉片的槳距角,實現(xiàn)風輪減載控制?；贕H Bladed平臺的仿真結(jié)果表明,與統(tǒng)一變槳距控制相比,所提獨立變槳距控制策略可有效減小風輪不平衡載荷,不僅適用于風切變和塔影效應(yīng)引起的載荷波動,在湍流風影響時也能起到較好的抑制作用。

關(guān)鍵詞：獨立變槳距;減載策略;載荷反饋;方位角反饋;風切變;塔影效應(yīng);湍流風;GH Bladed平臺

隨著風力發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展,現(xiàn)代風力機的單機容量越來越大,體積和質(zhì)量也不斷增加[1]。風力機運行過程中所受載荷情況非常復(fù)雜,除了受重力載荷、慣性載荷以及控制系統(tǒng)運行載荷,還受到由風切變、塔影效應(yīng)、湍流等因素引起的不平衡氣動載荷[2]。這種不平衡載荷不僅加劇了風輪(包括葉片和輪轂)的疲勞損傷,還會進一步產(chǎn)生主軸、齒輪箱、塔架等主要零部件的額外疲勞載荷,加速關(guān)鍵部位的老化,從而影響機組的安全運行、威脅機組的壽命[3]。

風力機變槳技術(shù)可分為統(tǒng)一變槳距和獨立變槳距,獨立變槳距控制是在統(tǒng)一變槳距基礎(chǔ)上分別給每支葉片疊加槳距角微調(diào)量,從而改善葉片的氣動特性、減小風輪不平衡載荷。國內(nèi)外不少學者針對獨立變槳距控制展開了研究:Zhang等[4]分析了風力機不平衡載荷的產(chǎn)生原因,并得出大型風力機應(yīng)采用獨立變槳距技術(shù)減小風輪不平衡載荷的結(jié)論;在分析風切變和塔影效應(yīng)風速模型的基礎(chǔ)上,姚興佳等[5]、邢作霞等[6]采用基于方位角反饋的獨立變槳距控制策略,通過測量風輪方位角、設(shè)置權(quán)系數(shù),分別調(diào)節(jié)每支葉片的槳距角,在穩(wěn)定輸出功率的同時減小葉片載荷;考慮到風場中湍流風的影響,Bossanyi[7]、魯效平等[8]采用了基于載荷反饋的獨立變槳距控制策略,利用坐標變換將測得的葉根載荷變換為輪轂俯仰和偏航載荷,經(jīng)過PID控制器得到每支葉片槳距角微調(diào)量,對于湍流風引起的不平衡載荷有較好的控制效果。

上述研究均針對特定風速情況制定了相應(yīng)的獨立變槳距控制策略,但實際風場受各種因素影響,風速隨時間和空間分布的差異性很大。筆者考慮到風速變化的周期性(如風切變、塔影效應(yīng))和隨機性(如湍流風),提出一種基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨立變槳距控制策略,結(jié)合方位角權(quán)系數(shù)分配環(huán)節(jié)和葉根揮舞載荷反饋PID控制環(huán)節(jié),以調(diào)節(jié)每支葉片的槳距角,從而達到減小風輪不平衡載荷的目的。

1風 速 模 型

1.1風切變

風切變是指風速隨著高度的增加而增加,可用指數(shù)模型[9]或?qū)?shù)模型[10]來描述:

(1)

式中:V(z)——距地面高度z處平均風速;h——輪轂中心距地面的高度;Vh——輪轂中心處風速;α——風切變系數(shù);z0——地表粗糙高度。

目前采用較多的是指數(shù)模型,其中α的取值與地理、環(huán)境等因素相關(guān),一般隨地表粗糙程度的增加而增加[11]。

1.2塔影效應(yīng)

塔影效應(yīng)是指由于塔架對氣流的阻塞造成的風速變化,即塔架上游和下游處來流風速的大小和方向均發(fā)生了改變[12]。GH Bladed軟件中描述塔影效應(yīng)共有3種模型:潛流模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃徒M合模型。對于上風向風電機組,通常采用潛流模型描述塔影效應(yīng)的影響[9]。

潛流模型假設(shè)直徑為D的圓柱體四周為不可壓無黏氣流,且

(2)

式中:F——塔架直徑修正系數(shù);DT——計算塔影效應(yīng)處的塔架直徑。

對于風輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)一點,距離塔架軸線前方距離為x、側(cè)向距離為y,風速可表示為

(3)

式中:V0——空間平均風速。

1.3湍流風

實際風場的風速不僅隨著空間分布變化,還具有時間上的隨機性,湍流風即為描述隨時間和空間變化的風速模型,可用von Karman或Kaimal模型來表示[13]。利用GH Bladed軟件可定義風場的寬度和高度、風區(qū)持續(xù)時間、頻率、平均風速以及湍流種子,從而生成三維湍流風。湍流風場包括覆蓋葉輪掃風面的矩形網(wǎng)格上每一點風速的時間記錄,其中任意兩點的時間記錄都彼此相關(guān),與大氣湍流的橫向、縱向頻譜特性相一致。

對于von Karman模型,三維湍流風模型的橫向(v)和縱向(w)分量對應(yīng)的頻譜表示為[14]

(4)

其中

2獨立變槳距控制策略

由于風切變、塔影效應(yīng)和湍流風的影響,風輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)風速分布不均勻,導致葉片在旋轉(zhuǎn)過程中載荷波動,傳遞至輪轂處形成風輪不平衡載荷。由風力機的空氣動力學原理可知,調(diào)節(jié)葉片槳距角的大小直接影響葉片氣動載荷的變化[15],因此采用獨立變槳距控制技術(shù),分別調(diào)節(jié)每支葉片的槳距角,使其根據(jù)自身位置或載荷情況獨立地變化,可有效改變其氣動特性、調(diào)整受力情況,進而減小風輪不平衡載荷。為減小風切變、塔影效應(yīng)、湍流風等因素引起的風輪不平衡載荷,筆者提出了基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨立變槳距控制策略,結(jié)合方位角權(quán)系數(shù)分配環(huán)節(jié)和葉根揮舞載荷反饋PID控制環(huán)節(jié),以調(diào)節(jié)每支葉片的槳距角,其控制框圖如圖1所示。

圖1　基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨立變槳距控制框圖Fig. 1　Block diagram of individual pitch control based on combined feedback of azimuth angle and load

從圖1可以看出,基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨立變槳距控制策略有兩套槳距角調(diào)節(jié)信號,分別來自于方位角反饋和載荷反饋。針對風切變和塔影效應(yīng)引起的周期性載荷波動,根據(jù)方位角反饋可設(shè)置權(quán)系數(shù),動態(tài)調(diào)節(jié)槳距角,形成周期性控制律;考慮到湍流風等隨機因素的影響,當方位角反饋不足以平緩載荷波動時,根據(jù)載荷反饋可在其基礎(chǔ)上修正槳距角變化值、提供槳距角補償信號,以進一步減小風輪不平衡載荷。

(5)

式中:m——指數(shù)系數(shù),可根據(jù)試驗驗證選取理想數(shù)值。

基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨立變槳距控制將方位角反饋和載荷反饋的槳距角調(diào)節(jié)信號相加,最終得到每支葉片的槳距角需求,即

(6)

3算 例 仿 真

為了驗證所提獨立變槳距控制策略的有效性,本文基于GH Bladed平臺進行仿真研究,對比分析不同控制策略下的風力機槳距角和載荷變化情況。

3.1考慮風切變和塔影效應(yīng)的影響

假設(shè)輪轂處風速恒定為12 m/s,考慮風切變和塔影效應(yīng)的共同影響,取風切變指數(shù)模型系數(shù)α=0.2,塔影效應(yīng)潛流模型的塔架直徑修正因子F=0.8,GH Bladed仿真結(jié)果如圖2所示,進一步數(shù)值分析結(jié)果見表1。

圖2　風切變和塔影效應(yīng)仿真結(jié)果Fig. 2　Simulated results in consideration of wind shear and tower shadow

表1　風切變和塔影效應(yīng)數(shù)值分析結(jié)果

圖3　輪轂處風速隨時間變化曲線Fig. 3　Variation of wind speed at rotor hub with time

變槳技術(shù)槳距角/rad葉根載荷/(MN·m)輪轂載荷/(kN·m)平均值標準偏差平均值標準偏差平均值標準偏差統(tǒng)一變槳距0.09090.03781.2920.1783264.1121.8獨立變槳距0.08920.03921.2990.1622196.0100.5

從仿真結(jié)果可以看出,與統(tǒng)一變槳距控制相比,獨立變槳距控制下的葉根載荷和輪轂載荷均有明顯減小。其中,葉根載荷波動幅值降低了46.98%,輪轂載荷平均值減小了50.75%,此時3支葉片的槳距角均在0.025 rad范圍內(nèi)變化,工程上可接受。

3.2考慮湍流風的影響

實際風場中存在很多隨機因素,可能會激發(fā)較大的風輪不平衡載荷,本文在風切變和塔影效應(yīng)的基礎(chǔ)上,假設(shè)還有湍流風的作用,湍流風模型中輪轂處風速隨時間變化如圖3所示。數(shù)值分析結(jié)果見表2,仿真結(jié)果如圖4所示。

從仿真結(jié)果可以看出,與統(tǒng)一變槳距控制相比,獨立變槳距控制下的葉根揮舞載荷波動幅值降低了9.03%,輪轂載荷的平均值減小了25.78%。顯然,基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨立變槳距控制策略不僅對風切變和塔影效應(yīng)影響下的載荷波動有著較好的抑制作用,同時還能有效減小湍流風引起的風輪不平衡載荷。

4結(jié)語

針對風切變、塔影效應(yīng)以及湍流風等因素引起的風輪不平衡載荷,提出了一種基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨立變槳距控制策略,仿真結(jié)果表明,該控制策略有較好的風輪減載效果,對于葉根載荷和輪轂載荷波動均有明顯的抑制作用,從而達到減小風輪疲勞載荷、延長機組壽命的目的。該控制策略不僅對風切變和塔影效應(yīng)影響下的載荷波動有著較好的抑制作用,同時還能有效減小湍流風引起的風輪不平衡載荷。

圖4　湍流風仿真結(jié)果Fig. 4　Simulated results in consideration of turbulent wind

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Rotor load reduction strategy based on individual pitch control

TANG Qiaoqiao, LIU Haoming, YUAN Xiaoling, XU Bofeng

(CollegeofEnergyandElectricalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing211100,China)

Abstract:In order to reduce the rotor unbalance load caused by wind shear, tower shadow, and turbulent wind, an individual pitch control strategy based on the combined feedback of the azimuth angle and load is proposed according to a wind model considering the wind shear, tower shadow,and turbulence. In the individual pitch control strategy,the azimuth angle weight coefficient assignment module and the module of blade root flapwise load fed back to the PID controller are used to adjust the pitch angle of each blade and achieve rotor load reduction. The simulated results of the GH Bladed software show that, compared with the collective pitch control strategy, the proposed individual pitch control strategy can significantly reduce the rotor unbalance load, and it is not only effective in alleviating the load fluctuation caused by wind shear and tower shadow, but also able to achieve good load reduction performance under turbulent conditions.

Key words:individual pitch control; load reduction strategy; load feedback; azimuth angle feedback; wind shear; tower shadow; turbulent wind; GH Bladed platform

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.03.015

收稿日期：2015-03-09

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2013AA050601);江蘇省“六大人才高峰”項目(2015-XNY-005)

作者簡介：唐俏俏(1991—),女,江蘇阜寧人,碩士研究生,主要從事風力發(fā)電及其對電力系統(tǒng)的影響研究。E-mail: qqthhu@163.com

中圖分類號：TM315

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1980(2016)03-0278-05