尹海峰，秦斌

湖南工業(yè)大學(xué)，湖南株洲，412007

0 引言

國家發(fā)改委能源研究所在2011年發(fā)布的《中國風(fēng)電發(fā)展路線圖2050》[1]顯示，到2030年、2050年，中國風(fēng)電裝機(jī)容量將占電源結(jié)構(gòu)的15%和26%。近海風(fēng)電在2021年底退補(bǔ)政策的影響下，其裝機(jī)容量得到了迅猛發(fā)展，目前已接近飽和。而遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展雖然才剛剛起步，但是在風(fēng)能質(zhì)量、可利用風(fēng)場面積上具有很大優(yōu)勢，是未來深海風(fēng)電發(fā)展的重要方向。影響海上浮動式風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性與載荷特性的關(guān)鍵因素是風(fēng)電機(jī)組的空氣動力學(xué)特性、波浪動力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性以及風(fēng)場的動態(tài)特性等系統(tǒng)特性。Openfast是美國國家可再生能源實驗室（NREL）設(shè)計的整機(jī)載荷計算軟件，得到了GL等認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)可，NREL和麻省理工學(xué)院通過OC4項目，在OpenFast平臺中對漂浮式風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了動力學(xué)理論建模，論文通過Openfast與Matlab/simulink聯(lián)合仿真，對5MW半潛式海上風(fēng)電機(jī)組各子系統(tǒng)進(jìn)行建模。

AQUINO等[2]提出一種魯棒控制策略，經(jīng)過實驗驗證，該控制策略能明顯降低平臺的振蕩；戴巨川等[3]通過研究三柱式漂浮平臺及其與風(fēng)機(jī)的動態(tài)耦合運(yùn)動，在實物研究的基礎(chǔ)上提出了平臺載荷及運(yùn)動分析模型。魯效平等[4]基于陸基風(fēng)電機(jī)組的獨立變槳距控制策略，提出了專家PID控制器，經(jīng)實驗表明該策略能有效減少平臺的縱搖載荷。

論文中模型的控制系統(tǒng)采用獨立變槳控制，雖然國內(nèi)外對統(tǒng)一變槳距技術(shù)研究比較成熟，但是由于各葉片受風(fēng)的不均勻性，采用獨立變槳控制可以對風(fēng)輪各槳葉的槳距角進(jìn)行獨立調(diào)節(jié)，在保證輸出功率穩(wěn)定的同時降低作用在葉片上的不平衡載荷，并提高風(fēng)機(jī)的工作效率。

1 漂浮式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)建模

海上風(fēng)電機(jī)組基本原理是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，由多場耦合而成，與陸基風(fēng)組相比，內(nèi)部需要額外考慮漂浮平臺的運(yùn)動和錨鏈的運(yùn)動，外部還需要考慮深海入流風(fēng)、海上波浪情況和冰載荷的影響，各子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 氣動系統(tǒng)

風(fēng)輪捕獲功率為：

空氣動力學(xué)轉(zhuǎn)矩為：

其中，ρ為空氣密度，R為葉片半徑，V為迎面風(fēng)風(fēng)速，Ta為空氣動力轉(zhuǎn)矩，Cp(λ,β)為風(fēng)能利用系數(shù)，λ為葉尖速比，ωt為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ,β)可用下式所示：

1.2 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

論文采用發(fā)電機(jī)模型為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，在d-q軸坐標(biāo)系下建立電磁轉(zhuǎn)矩方程：

式中，Te為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；p為發(fā)電機(jī)極對數(shù)；Lm為定子、轉(zhuǎn)子繞組的互感；iSq、iRd、iRq、iSd分別為轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組在q軸和d軸上的電流分量。

1.3 變槳系統(tǒng)模型

目前大型風(fēng)電機(jī)組主要采用電-液伺服系統(tǒng)，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，變槳機(jī)構(gòu)可用一階動力學(xué)方程近似表示：

式中，τ為時間常數(shù)，β是實際槳距角，dβ是參考槳距角。

風(fēng)機(jī)實際運(yùn)行時，為了保證功率的穩(wěn)定運(yùn)行以及降低疲勞載荷，一般將最大變槳速率限制在±8°/s，并且變化幅度一般在0~30°之間。

風(fēng)電機(jī)組往往根據(jù)風(fēng)速大小分為三個運(yùn)行階段，即低風(fēng)速階段、過渡階段和高風(fēng)速階段。

當(dāng)?shù)陀陬~定風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要通過最大功率追蹤盡可能多地輸出功率。當(dāng)高于額定風(fēng)速時，處于高風(fēng)速階段，此時需要通過變槳控制改變?nèi)~片攻角以降低輸出功率，NREL-5MW風(fēng)電機(jī)組的額定風(fēng)速是11.4m/s，考慮到深海處風(fēng)速較大，普遍大于風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速，因此論文主要研究高風(fēng)速階段的變槳距控制。

1.3.1 統(tǒng)一變槳距控制

統(tǒng)一變槳距控制即在接收到變槳指令后，通過變槳距執(zhí)行器使三個槳葉旋轉(zhuǎn)同樣的角度。如圖2所示。但這種控制方式忽略了風(fēng)剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)產(chǎn)生的不平衡載荷的影響，將會降低葉片的使用壽命。

1.3.2 獨立變槳據(jù)控制

獨立變槳距控制能夠?qū)D(zhuǎn)輪中的各個槳葉的槳距角進(jìn)行單獨控制，較好地解決了不平衡載荷使各葉片受力不均勻的問題，因此能有效地提高風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性以及可靠性。論文采用基于方位角權(quán)系數(shù)的獨立變槳距控制策略，相關(guān)控制原理如圖3所示。

基于風(fēng)場模型，每個槳葉受到的平均風(fēng)速[5]為

式中，R為葉片半徑，H0為輪轂中心高度，θ為葉片的方位角，v0為風(fēng)輪中心的風(fēng)速，i=1、2、3，第i個槳葉得到方位角權(quán)系數(shù)公式[5]如下：

風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行的過程中，風(fēng)輪葉片周期性地掃掠，分段權(quán)系數(shù)獨立變槳控制策略可以根據(jù)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)到不同的位置，選用不同的權(quán)系數(shù)分配模型，產(chǎn)生相應(yīng)的槳距角，從而達(dá)到減小風(fēng)輪葉片的振動引起的不平衡載荷的目的。

1.4 風(fēng)速模型

論文中所需要的風(fēng)文件由前處理軟件TurbSim生成，TurbSim是一個全場的、隨機(jī)的三維湍流風(fēng)仿真軟件，優(yōu)勢是能根據(jù)槳葉半徑、輪轂高度、平均風(fēng)速等參數(shù)的設(shè)置，生成所需要的隨時間和空間變化的三維湍流風(fēng)速場。仿真采用平均風(fēng)速為18m/s的三維湍流風(fēng)，其風(fēng)速大小主要取決于X軸上的分量，如圖4所示。

2 漂浮式風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)模型

論文研究的對象為5MW的海上漂浮式風(fēng)電機(jī)組，在美國國家再生能源實驗室提供的半潛式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上，在主輸入文件中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，建立了5MW變速變槳風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速模型、氣動模型以及發(fā)電機(jī)模型等。機(jī)組的主要參數(shù)[6]如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

Simulink能夠以一個S函數(shù)的模塊來鏈接用戶自定義的Fortran程序，通過使用內(nèi)嵌于S函數(shù)中的OpenFast運(yùn)動方程，與MATLAB的標(biāo)準(zhǔn)通道子程序進(jìn)行鏈接。圖5即為OpenFast非線性風(fēng)機(jī)模塊。

Paraview是后處理軟件，將上述模型數(shù)據(jù)實時導(dǎo)入Paraview中，能顯示運(yùn)行中的半潛式風(fēng)電機(jī)組模型，如圖6所示。

3 仿真結(jié)果與分析

采用基于方位角權(quán)系數(shù)分配的獨立變槳距策略進(jìn)行控制，得到的葉輪功率、葉片槳距角、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、葉根載荷、波浪高程、浮式平臺位移結(jié)果如圖7~12所示。

從圖中可以看出，浮式風(fēng)機(jī)平臺受到海浪和風(fēng)況的影響較大，采用獨立變槳距控制策略，能夠穩(wěn)定輸出功率，并且從圖10可以看出，在獨立變槳距條件下的葉根載荷波動比統(tǒng)一變槳距小，有效地降低了載荷。

4 結(jié)語

論文以5MW半潛式漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組為背景，建立海上風(fēng)電系統(tǒng)動態(tài)模型，并在Matlab/Simulink中搭建獨立變槳距控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)模型，與Openfast中的OC4項目進(jìn)行聯(lián)合仿真。較好地模擬了漂浮式風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中的各子系統(tǒng)的耦合情況和載荷情況，仿真結(jié)果驗證了該模型的準(zhǔn)確性，并通過獨立變槳距與統(tǒng)一變槳距控制的對比試驗，驗證了獨立變槳距控制在減載方面的優(yōu)越性。