劉軍， 高璐

(西安理工大學(xué)，陜西 西安　710048)

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變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳控制及載荷優(yōu)化

劉軍， 高璐

(西安理工大學(xué)，陜西 西安710048)

針對(duì)額定風(fēng)速以上，如何抑制變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因反饋信號(hào)滯后引起的輸出功率波動(dòng)以及機(jī)組載荷等控制技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究。在研究了傳統(tǒng)變槳控制的基礎(chǔ)上，提出基于風(fēng)擾動(dòng)的前饋補(bǔ)償控制與傳統(tǒng)PID反饋信號(hào)相結(jié)合的變槳控制策略。通過(guò)MATLAB環(huán)境下進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明：槳控制策略能夠快速使風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩保持在額定轉(zhuǎn)矩附近，減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)以及風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈扭振，從而降低風(fēng)電機(jī)組承受的氣動(dòng)載荷使得系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；最大風(fēng)能跟蹤；變槳距控制；載荷控制；前饋補(bǔ)償控制

0　引　言

目前大型變速變槳風(fēng)電機(jī)組通常采用PI控制器進(jìn)行槳距控制。但由于額定風(fēng)速以上到切出風(fēng)速范圍較大以及風(fēng)速的隨機(jī)性，使得輸出轉(zhuǎn)速的反饋信號(hào)滯后。在風(fēng)速快速增加時(shí)，容易引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)。而在風(fēng)速突然下降時(shí)，又會(huì)引起轉(zhuǎn)速的大幅下降，造成功率的大幅波動(dòng)[1-2]，所以僅采用PI反饋控制難以抑制輸出功率波動(dòng)。

針對(duì)PI變槳控制存在的不足，此次采用基于風(fēng)擾動(dòng)的前饋補(bǔ)償控制對(duì)傳統(tǒng)PI控制得到的參考槳距角進(jìn)行在線補(bǔ)償修正。當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速并發(fā)生突降時(shí)，前饋補(bǔ)償控制器能夠迅速減小槳距角的設(shè)定值，增加風(fēng)輪吸收的風(fēng)能。反之，控制器能夠迅速加大槳距角設(shè)定值，增大槳距角，減小風(fēng)能吸收，從而保證風(fēng)輪轉(zhuǎn)速能夠快速穩(wěn)定在額定值附近，降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，維持功率恒定。最后在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證了此次控制策略的可行性和有效性。

1　風(fēng)力機(jī)變槳控制理論

1.1風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性分析

對(duì)于風(fēng)電系統(tǒng)的機(jī)械部分，由空氣動(dòng)力學(xué)[3]可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從風(fēng)能捕獲的氣動(dòng)功率P[4]為:

(1)

(2)

式中ρ為空氣密度；R為葉輪旋轉(zhuǎn)平面半徑；v為風(fēng)速；λ為葉尖速比；β為槳距角；ωr為葉輪轉(zhuǎn)速；CP(λ,β)為風(fēng)能利用系數(shù)，它是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)[5]。

Cp(λ,β)=0.517 6(116λi-0.4β-5)e(-21λi)+0.006 8λ

(3)

(4)

根據(jù)式(3)(4)得到CP與λ,β關(guān)系,如圖1所示。

從圖1可以得出兩點(diǎn)結(jié)論：(1) 當(dāng)保持槳距角β不變時(shí),存在一個(gè)對(duì)應(yīng)著最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax的最佳尖速比λopt；(2) 對(duì)于確定的尖速比λ,風(fēng)能利用系數(shù)在槳距角β=0°時(shí)相對(duì)最大,且隨著槳距角β增大,風(fēng)能利用系數(shù)明顯減小。因此在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí),可通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)槳距角從而改變發(fā)電機(jī)輸出功率,使其穩(wěn)定在額定功率附近[6]。

圖1　風(fēng)能利用系數(shù)與尖速比、槳距角之間的關(guān)系

由式(2)可知風(fēng)輪轉(zhuǎn)速或風(fēng)速改變將引起葉尖速比變化[7]，影響風(fēng)能利用系數(shù)從而改變風(fēng)輪捕獲的機(jī)械功率，表達(dá)式為:

P=ωrTr

(5)

式中Tr為氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩[8]，如式(6)所示。

(6)

式中CT為力矩系數(shù)。

1.2風(fēng)力機(jī)變槳控制

變槳風(fēng)力機(jī)組的槳距參考值一般是以電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制槳距角的變量。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值之間的誤差作為PID控制器的輸入，PID控制器給出槳距角參考值，控制結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2　槳距角控制結(jié)構(gòu)圖

圖2中，βref為槳距角參考值，它通過(guò)變槳控制器得到。βref與實(shí)際槳距角β比較得到差值Δβ，然后通過(guò)變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)改變槳距角β逐漸趨進(jìn)于槳距角參考值βref。

1.3風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)模型

典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由風(fēng)輪、低速軸、齒輪箱、高速軸、發(fā)電機(jī)組成。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，可將風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)這一現(xiàn)象進(jìn)行物理學(xué)模型抽象，將風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)等效為2個(gè)質(zhì)量塊[9]，如圖3所示。

圖3　傳動(dòng)鏈兩質(zhì)量塊等效模型

傳動(dòng)鏈的氣動(dòng)方程為：

(7)

式中δ為機(jī)組傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)角度；ωr和ωg分別為風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；Ks為傳動(dòng)鏈等效剛性系數(shù)；Jr和Jg分別為風(fēng)輪和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bs為摩擦系數(shù)；Tg為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。

2　變槳控制器設(shè)計(jì)

變速變槳風(fēng)力機(jī)組通過(guò)PI控制器給出槳距角參考值，但是由于槳距角的變化對(duì)于風(fēng)速而言是非線性的，風(fēng)力機(jī)的特性也會(huì)隨著運(yùn)行點(diǎn)的不同而發(fā)生變化[10]。當(dāng)風(fēng)速在額定值附近時(shí)，需要較大的PI控制器增益；而在高風(fēng)速段時(shí)，較大的風(fēng)速變化只需要一個(gè)較小的槳距角改變量就可以使輸出功率穩(wěn)定[11]。在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，以通過(guò)槳距角調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為目標(biāo)，建立傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)方程：

(8)

式中Δω為風(fēng)輪擾動(dòng)轉(zhuǎn)速；ωo為風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速；

此時(shí)發(fā)電機(jī)功率保持恒定，有：

(9)

假設(shè)恒功率區(qū)存在氣動(dòng)扭矩和葉輪轉(zhuǎn)速的微小變化，對(duì)(9)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)得：

(10)

式中Δβ為槳距角在平衡點(diǎn)附近的變化量。

利用PID控制器，可得到其相對(duì)于轉(zhuǎn)速偏差量的關(guān)系：

(11)

式中KP、KI、KD分別為槳距角控制器的比例、積分、微分增益。

(12)

上式(12)可以看作一個(gè)二階系統(tǒng)，系統(tǒng)的頻率ωn和阻尼ξ為:

(13)

設(shè)計(jì)槳距角控制器時(shí)。忽略其微分增益。僅僅考慮比例增益及積分增益給系統(tǒng)帶來(lái)的影響，即取KD=0時(shí)，可得：

(14)

由式(14)可知,PI控制器增益與其功率對(duì)槳距角的微分有關(guān)，當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于不同風(fēng)速時(shí),其對(duì)應(yīng)的槳距角不同，其微分值各異，該運(yùn)行點(diǎn)處的控制器增益亦不同。

3　基于風(fēng)擾動(dòng)的前饋補(bǔ)償控制器

基于以上分析可知，傳統(tǒng)PI控制中固定增益不能滿足在大范圍風(fēng)速變化下的轉(zhuǎn)速控制。對(duì)于風(fēng)速的突變，變槳控制器的相應(yīng)速度不夠迅速，控制功率輸出效果并不理想。所以此次采用基于風(fēng)擾動(dòng)的前饋補(bǔ)償控制對(duì)采用傳統(tǒng)PID控制得到的參考槳距角進(jìn)行在線補(bǔ)償修正。在額定風(fēng)速以上，根據(jù)風(fēng)速實(shí)時(shí)變化量，計(jì)算出適配的槳距角修正量，與PID 控制器輸出的槳距角相加，整體作為槳距角的設(shè)定值。圖4為基于風(fēng)擾動(dòng)的前饋補(bǔ)償變槳距控制框圖。

圖4　前饋補(bǔ)償變槳距加速度控制框圖

對(duì)上式(9)其進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)得：

(15)

式中Δv為風(fēng)速擾動(dòng)量；

將式(15)代入(8)中得：

(16)

在額定風(fēng)速以上，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，轉(zhuǎn)速增量Δω趨于0，此時(shí)可以得到在風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定情況下槳距角增量與風(fēng)速增量存在以下關(guān)系：

(17)

(18)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)速發(fā)生突變時(shí)，槳距角變化響應(yīng)速度慢于風(fēng)速的變化，可以參照上式槳距角與風(fēng)速的關(guān)系，根據(jù)風(fēng)速的變化量給出合適的槳距角修正量。通過(guò)計(jì)算得到控制增益k，其值如表1所示。

當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速，突變?cè)龃髸r(shí)，通過(guò)前饋補(bǔ)償控制得到槳距角補(bǔ)償量Δβ，此時(shí)槳距角參考值：β*ref=βref+Δβ。槳距角的增大允許槳葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)提前動(dòng)作，減少風(fēng)輪吸收的風(fēng)能，使風(fēng)機(jī)以稍低于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的速度達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，以防止功率超過(guò)額定值。當(dāng)風(fēng)速突降時(shí)，此時(shí)槳距角參考值：β*ref=βref-Δβ。由圖1可知，此時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)增大，增加了風(fēng)能吸收，減緩了由于風(fēng)速突然下降引起的輸出轉(zhuǎn)矩突降，減少功率波動(dòng)，使其維持額定值附近，同時(shí)減少了槳葉擺振載荷。

表1　控制增益k

(19)

4　變槳距仿真結(jié)果與分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)如下：額定功率為2 MW；額定風(fēng)速為12 m/s；空氣密度1.225 kg/m3；葉輪半徑為35 m；風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為5 000 000 kg/m2，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為20 kg/m2。在MATLAB仿真環(huán)境下對(duì)采用傳統(tǒng)PI變槳距控制與基于風(fēng)擾動(dòng)的前饋補(bǔ)償變槳距控制下的風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，其仿真結(jié)果如圖(5～12)所示。

圖5　階躍風(fēng)

圖6　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖7　階躍風(fēng)下槳距角變化

圖8　隨機(jī)風(fēng)

圖10　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

從圖6～7可以看出，通過(guò)前饋補(bǔ)償控制，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯減小，并且能夠更快的跟蹤額定轉(zhuǎn)速。槳距的響應(yīng)速度也有所提高，變化更加平滑，從而減少了槳距角頻繁動(dòng)作而引起的疲勞載荷。從圖9～圖11可以看出，當(dāng)風(fēng)速隨機(jī)變化時(shí)，通過(guò)前饋補(bǔ)償，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速振動(dòng)波動(dòng)明顯減小，發(fā)電機(jī)輸出功率比較平滑，能夠很好地穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)。

圖11　發(fā)電機(jī)輸出功率

圖12　葉片擺振載荷

根據(jù)數(shù)據(jù)分析可

知：傳統(tǒng)PI變槳距控制后的擺振載荷平均值為3.150 5e+5(N·m)，前饋補(bǔ)償控制后的擺振載荷平均值為2.902 1e+5(N·m),說(shuō)明前饋補(bǔ)償控制后的擺振載荷明顯降低。圖12仿真結(jié)果表明，基于風(fēng)擾動(dòng)的前饋補(bǔ)償控制能夠有效減少槳葉受到的擺振載荷，從而也降低了槳葉的受力波動(dòng)情況，增強(qiáng)了風(fēng)機(jī)整體的穩(wěn)定性和安全性。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)兩種變槳距控制方法進(jìn)行仿真對(duì)比研究，仿真結(jié)果表明：對(duì)于隨機(jī)不穩(wěn)定變化的風(fēng)的影響，采用前饋補(bǔ)償變槳距控制策略的風(fēng)力機(jī)葉片所受的擺振載荷與疲勞損傷要小于采用傳統(tǒng)變槳距控制策略的風(fēng)力機(jī)。并且采用前饋補(bǔ)償變槳距控制能夠顯著地減小了風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，有效抑制了傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)載荷振動(dòng)，減小機(jī)組的疲勞載荷損害，延長(zhǎng)了整個(gè)機(jī)組的使用壽命。

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Variable Pitch Control and Load Optimization for Variable Speed Wind Power Generation Systems

LIU Jun, GAO Lu

(Xi’an University of Technology, Xi’an Shaanxi 710048, China)

This paper discusses suppression of the output power fluctuation of the variable-speed wind power generation unit due to feed-back signal hysteresis occurring in case of wind velocity exceeding its rated value, as well as control technologies such as load of the machine group On the basis of a study on the traditional variable pitch control, it presents a variable pitch control strategy combining feed-forward compensation control based on wind disturbance and traditional PID feed-back signal. The result of simulation in the MATLAB environment shows that the designed variable pitch control strategy can quickly keep the output torque of the wind turbine in the vicinity of the rated torque, and reduce turbine speed fluctuations and torsional vibration of the drive chain of the wind turbine, thus lowering aerodynamic load of the turbine and ensuring more steady system operation.

wind power generation system; maximum wind power tracking; variable pitch control; load control; feed-forward compensation control

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.015

TM315

A

1000-3886(2016)01-0044-04

劉軍(1963-)，男，陜西人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。高璐(1989-)，女，陜西人，碩士，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)傳動(dòng)鏈載荷控制。

定稿日期: 2015-03-24