風(fēng)電系統(tǒng)獨(dú)立變槳距控制綜述

馬忠鑫，潘庭龍

(江南大學(xué)，江蘇無(wú)錫214122)

0 引 言

目前，變槳距已成為市場(chǎng)上大中型風(fēng)力機(jī)槳葉控制的主流運(yùn)轉(zhuǎn)形式。這種風(fēng)力機(jī)可根據(jù)隨機(jī)風(fēng)速的變化對(duì)槳葉節(jié)距角進(jìn)行調(diào)整，使得在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)最大地利用風(fēng)能。變槳距控制有統(tǒng)一變槳距和獨(dú)立變槳距兩種形式。統(tǒng)一變槳距系統(tǒng)通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)的三個(gè)槳葉實(shí)同步調(diào)節(jié)控制。隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量、塔架高度及風(fēng)輪半徑的增大，其缺點(diǎn)也暴露出來(lái)［1－2］。首先統(tǒng)一變槳距調(diào)節(jié)的前提條件是風(fēng)輪掃平面內(nèi)的風(fēng)速是相同的，當(dāng)然這在實(shí)際中是不可能的，當(dāng)兆瓦級(jí)的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪掃及面的最高端與最低端風(fēng)速的不同使得吸收功率相差20%，這使得統(tǒng)一變槳距沒有優(yōu)勢(shì)。其次由于各個(gè)槳葉上承受的風(fēng)速不同，使得槳葉在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，槳葉所承受的載荷也不相同，而統(tǒng)一變槳距顯然不能對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行很好的調(diào)節(jié)。

獨(dú)立變槳距控制技術(shù)是在統(tǒng)一變槳距控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，且它的每個(gè)槳葉都有一套獨(dú)立的變距伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。顯然，獨(dú)立變槳距控制能夠解決上述缺點(diǎn)所引起的問(wèn)題。

1 獨(dú)立變槳距技術(shù)的控制目標(biāo)

風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)機(jī)捕獲的機(jī)械功率［3－4］:

其中:ρ為空氣密度;Cp為風(fēng)能捕獲系數(shù);R為葉片半徑;v為風(fēng)速。

根據(jù)式(1)可知，調(diào)節(jié)Cp可以調(diào)節(jié)捕獲的風(fēng)能，Cp為葉尖速比λ與槳矩角β的函數(shù)，可以用如下非線性函數(shù)模擬［5］:

由式(2)得到變槳距風(fēng)力機(jī)特性曲線，如圖1所示，從圖中可歸納出以下兩點(diǎn)。

圖1 變槳距風(fēng)力機(jī)特性曲線(Cp－λ)

(1)對(duì)某一固定的節(jié)距角β下，最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax具有唯一性。

(2)對(duì)任意葉尖速比λ，當(dāng)槳葉的節(jié)距角β=0時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)Cp相對(duì)最大;當(dāng)節(jié)距角β增大時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)Cp相對(duì)減小。

當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率也會(huì)相應(yīng)增大，如果不對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，這對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不利的。根據(jù)圖1，適當(dāng)增加節(jié)距角可以使風(fēng)能利用系數(shù)減小，發(fā)電機(jī)的輸出功率也相應(yīng)減小。因此當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出功率大于額定值時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角來(lái)減小發(fā)電機(jī)的輸出功率并使之維持在額定值。

獨(dú)立變槳距可以充分利用風(fēng)速在各個(gè)槳葉上分布的不同，對(duì)各槳葉的節(jié)距角進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)，在保證輸出功率穩(wěn)定的情況下降低了作用在槳葉上的載荷，減輕輸出力矩的波動(dòng)，減小槳葉拍打振動(dòng)，提高了風(fēng)力機(jī)的工作效率。

2 獨(dú)立變槳距控制策略

如上所述，獨(dú)立變槳距控制技術(shù)的出現(xiàn)，為降低風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)載荷等目標(biāo)提供了更先進(jìn)的解決方案。目前國(guó)外的研究主要集中在如何進(jìn)一步減小系統(tǒng)載荷包括風(fēng)電系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部分和非旋轉(zhuǎn)部分的載荷;國(guó)內(nèi)主要側(cè)重智能控制理論應(yīng)用在對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的研究控制方面。下面對(duì)目前兩類獨(dú)立變槳距控制策略進(jìn)行概述。

2.1 基于槳葉載荷估計(jì)的控制策略

通常情況下，獨(dú)立變槳距控制基于兩個(gè)分離的SISO環(huán)，以實(shí)現(xiàn)降低轉(zhuǎn)子的傾斜力矩和偏航力矩的目的。文獻(xiàn)［6－10］將槳葉載荷的周期分量通過(guò)Coleman變換，建模到轉(zhuǎn)子的傾斜力矩和偏航力矩中，從而實(shí)現(xiàn)采用SISO的PI控制環(huán)來(lái)降低轉(zhuǎn)子力矩的低頻成分。此控制策略的框圖如圖2所示。

圖2 基于槳葉載荷估計(jì)的獨(dú)立變槳距控制

Coleman變換公式:

式中:M1、M2、M3為槳葉上的測(cè)得的載荷力矩;Mtilt、Myaw為變換到二相垂直的d－q軸上的傾覆力矩和偏航力矩。

設(shè)定PI調(diào)節(jié)器的給定值為零，從而實(shí)現(xiàn)常規(guī)SISO的PI控制環(huán)來(lái)降低轉(zhuǎn)子力矩的低頻成分，經(jīng)過(guò)PI變換到d－q軸下的傾斜方向和偏航方向的變槳角 θ2、θ3，后經(jīng)過(guò) Coleman反變換。即:

轉(zhuǎn)換成各槳葉的微調(diào)的變槳角 β1、β2、β3，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)獨(dú)立變槳距控制和槳葉載荷的減小。ωref、ωmeas分別為槳葉的期望角速度、測(cè)量角速度;β0為統(tǒng)一變槳角。

另外，圖2中的ωref、ωmeas分別為槳葉的期望角速度、測(cè)量角速度，β0為統(tǒng)一變獎(jiǎng)角。

該控制策略在實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉載荷的降低有顯著的成果，且操作簡(jiǎn)單，具有一定的魯棒性，且本控制策略對(duì)于載荷的測(cè)量要求較高。文獻(xiàn)［11］采用了LQG優(yōu)化控制方法對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，但是這些對(duì)于風(fēng)電系統(tǒng)的非旋轉(zhuǎn)部分的疲勞載荷的降低確實(shí)微乎其微。文獻(xiàn)［12］采用修改Coleman變換，對(duì)基本的獨(dú)立槳距控制進(jìn)行擴(kuò)招，大大降低了兩倍頻、三倍頻周期分量。文獻(xiàn)［13］根據(jù)Coleman域的多變量?jī)?yōu)化控制及風(fēng)速信號(hào)信號(hào)估計(jì)方法，在此模型上做出了改進(jìn)，其思想是通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的隨機(jī)游走模型對(duì)槳葉有效風(fēng)速信號(hào)在軸向、偏航、傾斜三個(gè)方向上的分量進(jìn)行建模，并與風(fēng)機(jī)的狀態(tài)擴(kuò)展在一起，通過(guò)擴(kuò)展的卡爾曼濾波器進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，然后將估計(jì)的風(fēng)速信號(hào)應(yīng)用到動(dòng)態(tài)擾動(dòng)前饋控制器中;前饋控制與LQG最優(yōu)反饋控制器的輸出疊加在一起，構(gòu)成前饋－反饋的控制結(jié)構(gòu)。

2.2 基于智能控制的策略

風(fēng)電系統(tǒng)的控制目標(biāo)是根據(jù)各槳葉所受風(fēng)速的不同對(duì)三個(gè)槳葉節(jié)距角進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，以實(shí)現(xiàn)在額定風(fēng)速以上保證發(fā)電機(jī)工作在額定功率。針對(duì)風(fēng)力機(jī)的非線性模型特征及風(fēng)的不確定性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，所以采用帶有加權(quán)系數(shù)的模糊控制［5，14］。模糊控制器的輸入為獨(dú)立變槳角給定值與實(shí)際測(cè)得的βi的差值ei，還有其差值的微分Δei。

其原理框圖如3所示。Pref、Pmea分別為風(fēng)力機(jī)的期望功率及實(shí)際測(cè)量功率;β0為槳葉的統(tǒng)一變槳角。根據(jù)各個(gè)槳葉所承受風(fēng)速的不同，利用加權(quán)系數(shù)加以微調(diào)，即有:

式中:ci為加權(quán)系數(shù)，其值與平均風(fēng)速vi有關(guān)，大?。?］:

如果忽略槳葉的形狀，則各槳葉受風(fēng)的平均風(fēng)速為vj就在其中心位置。

式中:v為風(fēng)速信號(hào);θ為槳葉的方位角。

變槳距電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型:

式中:Tβ為時(shí)間常數(shù);βr為參考節(jié)距角;β為對(duì)應(yīng)各個(gè)槳葉分別為 β1、β2、β3。

該控制策略實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出功率的穩(wěn)定，減小槳葉拍打振動(dòng)。但是對(duì)于極端風(fēng)況給風(fēng)機(jī)造成的過(guò)載荷的問(wèn)題缺乏研究，且模糊控制的方法依賴于知識(shí)規(guī)則，系統(tǒng)的自適應(yīng)能力不高，易造成精度下降。

圖3 基于模糊控制的獨(dú)立變槳距控制

3 展 望

由于獨(dú)立變槳距控制研究還處于起步階段，就研究現(xiàn)狀分析而言，仍有一些亟待解決的科學(xué)問(wèn)題，這些問(wèn)題的解決對(duì)于提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等起到至關(guān)重要的作用，對(duì)完善風(fēng)電系統(tǒng)的控制技術(shù)及理論具有重要促進(jìn)作用。其主要問(wèn)題體現(xiàn)在以下三方面:

(1)具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、物理意義明確，又能最大程度地體現(xiàn)風(fēng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性、載荷特性的風(fēng)機(jī)非線性模型建立問(wèn)題。目前采用的風(fēng)機(jī)模型主要有兩類，一是線性化模型，該模型或者忽略了風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，或者對(duì)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了簡(jiǎn)化;二是由空氣動(dòng)力學(xué)非線性模型與專用軟件生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)的力學(xué)線性化模型，該模型一方面輸入、輸出及狀態(tài)變量非常多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，另一方面，模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)透明性低，不利于風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)載荷的分析計(jì)算，從而影響極端風(fēng)況下降荷控制策略的有效進(jìn)行。

(2)同時(shí)實(shí)現(xiàn)風(fēng)速與風(fēng)向?qū)崟r(shí)觀測(cè)的觀測(cè)器設(shè)計(jì)。目前，風(fēng)況觀察主要有兩大類，第一是依賴于轉(zhuǎn)子有效風(fēng)速的觀測(cè)，并根據(jù)該信號(hào)作出判別，顯然轉(zhuǎn)子有效風(fēng)速不能全面反映風(fēng)機(jī)各槳葉所承受的實(shí)際風(fēng)況;第二類，盡管考慮了風(fēng)速、風(fēng)向問(wèn)題，但其采用的觀測(cè)器主要依賴于線性化模型或者復(fù)雜的非線性化模型，在觀測(cè)精度、速度及計(jì)算的復(fù)雜度方面都有待進(jìn)一步提升。所以同時(shí)實(shí)現(xiàn)風(fēng)速與風(fēng)向?qū)崟r(shí)觀測(cè)的觀測(cè)器設(shè)計(jì)是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。

(3)實(shí)現(xiàn)降低槳葉及塔架載荷疲勞的風(fēng)力機(jī)獨(dú)立變槳距優(yōu)化控制方法問(wèn)題。新投入的大型風(fēng)電機(jī)組多數(shù)運(yùn)行在變槳距控制方式下，統(tǒng)一變槳距的研究相對(duì)比較成熟，雖然統(tǒng)一變槳距控制可以在穩(wěn)定輸出功率的前提下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子過(guò)速保護(hù)等，但是對(duì)于降低處于多維風(fēng)場(chǎng)中的風(fēng)機(jī)葉片的載荷效果不佳;獨(dú)立變槳距控制可以彌補(bǔ)以上缺陷。

但目前獨(dú)立變槳距控制研究還處于起步階段，采用的方法大多為基于線性化模型的常規(guī)控制方法或單一智能控制方法等，較難實(shí)現(xiàn)變化風(fēng)速對(duì)風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)載荷造成的影響進(jìn)行全面有效的控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)獨(dú)立變槳距控制理論及控制目標(biāo)的分析來(lái)引出獨(dú)立變槳距控制方法策略。從目前的參考文獻(xiàn)來(lái)看，獨(dú)立變槳距的控制理論的控制方法及成果有限，這也是值得研究的一個(gè)方向，以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化控制為目標(biāo)，將會(huì)對(duì)獨(dú)立變槳距起到更優(yōu)的控制效果，這對(duì)于規(guī)模日益擴(kuò)大的風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于以后的研究來(lái)說(shuō)這也是一個(gè)熱點(diǎn)。

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