基于半實物仿真的風力機變槳距控制實驗

崔雙喜， 王維慶， 周順平

(1.新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.中國石油天然氣股份有限公司 烏魯木齊石化分公司煉油廠，新疆 烏魯木齊 830019)

0 引 言

風電是當前開發(fā)速度最快的清潔可再生能源，為適應風電產業(yè)飛速發(fā)展的需求，許多高校都相繼開設了風能與動力工程專業(yè)。為適應市場對學生高質量的要求，短期內提高學生在校實踐能力，培養(yǎng)理論與應用復合性人才，到實際運行的風電場將理論知識與實踐短期內結合顯然是不現實的，也是不切合實際的，學生在校期間需要有一個風電實踐場所[1-3]。為此，利用實驗室現有風力發(fā)電機組資源，在施加仿真模擬風速后，驗證獨立變槳距控制[4-6]時，風力機槳距角和功率及載荷的規(guī)律。設計計算機與風力機組I/O接口電路，搭建了半實物仿真實驗平臺。通過仿真實驗平臺，開發(fā)了兩個變槳距控制實驗項目：①變槳距時，風力機功率、槳葉所受推力及槳葉軸扭矩和槳距角的關系實驗；②無模型變槳距功率控制器設計及有效性和正確性的實驗驗證。通過對開發(fā)的兩個變槳距實驗的結果分析，表明實驗結果與理論完全吻合，這也驗證了搭建的變槳距半實物仿真實驗平臺是合理和可行的，為風力機進一步開發(fā)實驗奠定了半實物平臺基礎。

1 半實物仿真實驗平臺的搭建

計算機輸入接口電路采集風力機槳葉的槳距角、風力機功率輸出、風力機3個槳葉所受氣動推力、風力機3個槳葉根部軸扭矩，共8組數據。

風力發(fā)電機的槳距角檢測是在變槳距電機的輸出軸上安裝增量型編碼器，并且在變槳回轉軸承旁安裝最大槳距角位置校正開關、最小槳距角位置校正開關、最大槳距角位置極限開關、最小槳距角位置極限開關。風力機組輸出功率檢測采用發(fā)電機功率傳感器。風力機槳葉所受氣動推力檢測采用貼在槳葉上主應力最大點處的應變片傳感器。風力機槳葉根部軸扭矩檢測采用安裝在槳葉軸根部的非接觸式扭矩傳感器。

計算機輸出接口電路用以實驗時計算機直接輸出槳葉槳距角；或輸出變槳距控制后產生的槳葉槳距角期望值，其作用于風力機槳距角執(zhí)行機構，以測試槳矩角變化時風力機功率及槳葉氣動載荷的變化規(guī)律；或完成變槳距控制目的。

設計的計算機與風力機組輸入輸出(I/O)接口及搭建的半實物仿真實驗平臺框圖如圖1所示。

圖1 風力機半實物仿真實驗平臺框圖

2 無模型變槳距功率控制器

風力發(fā)電機組輸入控制變量u(k)取為期望參考槳距角，也是無模型變槳距控制器的輸出β(k)，維數為1，即

u(k)=[u(k)]=[β(k)]

(1)

式中，k為離散時間。

風力機組輸出變量y(k)取為風力發(fā)電機組輸出功率P(k)，維數也為1，即

y(k)=[y(k)]=[P(k)]

(2)

無模型變槳距功率控制時，將風力機視為單輸入單輸出系統。在設定了控制器的輸入輸出變量以后，就可以得到風力機組的泛模型[7-16]，如下式所示：

y(k)-y(k-1)=φ(k-1)[u(k-1)-u(k-2)]

(3)

式中:y(k)是系統在k時刻實際輸出;y(k-1)是系統在k-1時刻實際輸出;u(k-1)是k-1時刻的槳距角;u(k-2)是k-2時刻的槳距角;φ(k-1)是k-1時刻由系統結構和參數決定的待估參數。

泛模型的一步預測模型為

改革開放40年，也是中國磷復肥工業(yè)不斷超越自我、華麗蝶變的40年。未來，行業(yè)將繼續(xù)深入改革，推動我國從磷復肥大國向磷復肥強國闊步前行。

(4)

式中:

設計如下的參數估計準則函數:

(5)

式中，r是權重因子。

(6)

式中，l是步長序列，是在控制過程中可調的參數。

無模型控制的目的是在k時刻對系統施加控制作用u(k)，使系統輸出為期望值y*(k+1)，可以考慮下式所示的控制輸入準則函數:

(7)

式中:y*(k+1)是系統在k+1時刻的期望輸出值;y(k+1)是系統在k+1時刻的實際輸出;a是一個可調的權重系數，引入該系數可以避免式(8)控制律算法分母可能為零的奇異情況。

將式(4)代入準則函數式(7)中，并將式(7)對u(k)求導，令其等于零，得無模型控制律算法為

(8)

式中，m是可調節(jié)步長序列。

從控制律算法可看出，無模型控制律與風力機組數學模型結構、階次無關，僅用系統I/O數據設計。

綜上可知，無模型控制器包括兩個重要的算法，①未知待估參數φ(k)的辨識;②控制律的計算。因此，完整無模型控制器為由式(6)、(8)組成的方程。

無模型控制器算法完全由計算機采集的輸入輸出數據通過編程實現，其算法流程圖如圖2所示。

圖2 無模型控制算法流程

3 半實物仿真實驗

實驗室風力機(在室外)額定功率500 kW，額定風速12 m/s，計算機采用工控機。在實驗室搭建的半實物仿真實驗平臺上，開發(fā)了兩個仿真實驗項目：①風力機功率、槳葉所受推力及槳葉軸扭矩和槳距角的關系實驗；②無模型變槳距功率控制器的設計及有效性和正確性的驗證實驗。

3.1 風力機功率、槳葉所受推力及槳葉軸扭矩和槳距角的關系

實驗時模擬風速的平均值為12 m/s，這是輪轂離地高度處的平均風速，槳距角的期望輸出值設定為以3°/s的速率線性增大，作用于槳距角執(zhí)行機構，風力機輸出功率仿真實驗曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，平均風速一定時，隨著風力機槳距角增大，風力機輸出功率將減小，但兩者并非呈線性的關系，這也正與風力機風能利用系數不是和槳距角成正比這一基本理論相一致。

3槳葉所受推力仿真實驗曲線如圖4所示。由圖可以看出，槳距角增大時，3個槳葉所受氣動推力隨槳距角增大均呈周期性變化且非線性的減小。氣動推力呈周期性變化的根本原因在于風剪切，所謂風剪切是指，風速在垂直方向上隨高度的增加而增大。當槳葉周期性的轉過輪轂上空的高風速區(qū)及下部的低風速區(qū)時，槳葉所受氣動推力呈現周期性變化，并且隨槳距角增大而減小。

圖3 風力機輸出功率與槳距角的變化曲線

圖4 風力機氣動推力與槳距角的變化曲線

3槳葉根部軸扭矩仿真實驗曲線如圖5所示。由曲線可以看出，槳距角增大時，3個槳葉根部軸扭矩也在風剪切的影響下呈周期性變化，并且隨槳距角增大而減小，也非線性的關系。

圖5 風力機軸扭矩與槳距角的變化曲線

3.2 無模型變槳距功率控制器的設計

對風力機施加圖6所示實驗模擬風速，風速高于額定風速12 m/s。采用設計的無模型變槳距功率控制器，槳葉槳距角的調節(jié)曲線如圖7所示。從圖7曲線可看出，為保證在高于額定風速時，風力機輸出功率保持為額定功率，變槳距控制能夠使槳葉隨風速變化而調節(jié)槳距角，并且槳距角大時對應高風速，這與實際是相符的。

無模型控制功率仿真實驗曲線如圖8所示。從曲線可以看出，風力機施加額定以上風速時，為保證輸出功率恒定在額定功率，采用設計的變槳距功率控制器，調節(jié)槳葉槳距角，能夠使輸出功率控制在500 kW的額定值附近，這也驗證了所設計的無模型變槳距功率控制器的正確性。

圖6 實驗模擬風速

圖7 無模型控制槳距角調節(jié)曲線

圖8 無模型控制輸出功率

4 結 語

為此，搭建實驗室半實物仿真實驗平臺，自主開發(fā)實驗是很有必要的，通過搭建的仿真實驗平臺以及開發(fā)的實驗進行仿真實驗，得出的結果與理論相符，設計的無模型變槳距功率控制器是正確和有效的，這也反過來驗證了半實物仿真實驗平臺的合理性和可行性。通過搭建仿真實驗平臺，為風力機進一步開發(fā)實驗提供了可能，也為風能與動力工程專業(yè)學生將理論與實踐相結合提供了很好的半實物仿真實驗場所。

[1] 解 大,顧羽潔,徐 濤,等. 微電網仿真與實驗系統Ⅰ.總體設計[J].實驗室研究與探索,2011,30(9):74-78.

XIE Da, GU Yu-jie, XU Tao,etal. A Micro Grid Simulation and Testing System 1. General Design[J].Research and Exploration in Laboratory, 2011,30(9):74-78.

[2] 解 大,張延遲,盧婧婧,等. 大型風電機組仿真及試驗系統 Ⅱ.建模和仿真[J]. 實驗室研究與探索,2009,28(6):22-26.

XIE Da, ZHANG Yan-chi, LU Jing-jing,etal. A Large scale Wind Power Generation Simulation and Testing System Ⅱ Modeling and Simulation[J].Research and Exploration in Laboratory, 2009,28(6):22-26.

[3] 郭 華, 段 斌, 楊先有. 數字物理混合的變槳距控制器綜合實驗平臺[J]. 實驗室研究與探索,2012,31(1):53-57.

GUO Hua, DUAN Bin, YANG Xian-you. An Integrated Digital and Physical Experimental Platform of Pitch Controller[J].Research and Exploration in Laboratory, 2012,31(1):53-57.

[4] 邢 剛, 郭 威. 風力發(fā)電機組變槳距控制方法研究[J]. 農業(yè)工程學報, 2008,24(5):181-186.

XING Gang, GUO Wei. Method for collective pitch control of wind turbine generator system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2008, 24(5): 181-186.

[5] 韋 徵, 陳 冉, 陳家偉,等. 基于功率變化和模糊控制的風力發(fā)電機組變速變槳距控制[J]. 中國電機工程學報, 2011，31(17):121-126.

WEI Zheng, CHEN Ran, CHEN Jia-wei,etal. Wind Turbine-generator Unit Variable-speed Pitch Control Based on Judgment of Power Changes and Fuzzy Control[J]. Proceedings of the CSEE, 2011，31(17):121-126.

[6] 姚興佳, 張雅楠, 郭慶鼎. 風力發(fā)電機組的多模變槳距控制[J]. 沈陽工業(yè)大學學報, 2009, 31(2):149-152.

YAO Xing-jia, ZHANG Ya-nan, GUO Qin-ding. Multimode variable pitch control design for wind turbine system[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2009, 31(2):149-152.

[7] 李秀英,韓志剛.非線性系統的無模型控制方法[J].控制工程, 2010, 17(1): 38-41.

LI Xiu-ying, HAN Zhi-gang. Model Free Control Method for Nonlinear Systems [J]. Control Engineering of China, 2010,17(1) :38-41.

[8] 韓志剛,蔣愛平,汪國強. 無模型控制方法對多變量耦合系統控制的應用研究[J].控制與決策,2004, 19(10): 1155-1162.

HAN Zhi-gang, JIANG Ai-ping, WANG Guo-qiang. Study on control of multivariable coupling systems with model free control method [J]. Control and Decision, 2004,19(10):1155-1162.

[9] 韓志剛.一類復雜系統非建?？刂品椒ǖ难芯縖J].控制與決策, 2003, 18(4): 398-402.

HAN Zhi-gang. Study on non-modelling control method for a class of complex systems [J]. Control and Decision, 2003,18(4):398-402.

[10] 于志剛,趙杰.無模型控制律的基本形式收斂性分析[J]. 控制工程, 2009, 16(2): 130-132.

YU Zhi-gang, ZHAO Jie. Convergence analysis of model free control Law with prmiary Pattern [J]. Control Engineering of China, 2009,16(2):130-132.

[11] Wang H P, Pintea A, Christov N,etal. Recursive model free control of variable speed wind turbine systems[C]//2012 IEEE International Conference on Control Applications (CCA). Dubrovnik, Croatia: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 2012:1541-1546.

[12] Ge braad, Pieter M O, van Dam,etal. A model-free distributed approach for wind plant control[C]//American Control Conference (ACC).Washington, DC: Control Systems Society-CS, IEEE, 2013:628-633.

[13] Marden J R, Ruben S D, Pao L Y. A Model-Free Approach to Wind Farm Control Using Game Theoretic Methods[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2013,21(4):1207-1214.

[14] Yunqian Zhang, Zhe Chen, Ming Cheng,etal. Pitch control of wind turbines using model free adaptivecontrol based on wind turbine code[C]//2011 International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). Beijing: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2011:1-6.

[15] 魯效平, 李 偉, 林勇剛. 基于無模型自適應控制器的風力發(fā)電機載荷控制[J]. 農業(yè)機械學報,2011, 42(2):109-114.

LU Xiao-ping, LI Wei, LIN Yong-gang. Load Control of Wind Turbine Based on Model free Adaptive Controller[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(2):109-114.

[16] 王曉東, 姚興佳. 基于泛模型的風輪不平衡載荷控制[J]. 太陽能學報, 2012, 33(2):215-220.

Wang Xiao-dong, YAO Xing-jia. Totor Unbalance Load Control of Wind Turbine Based on Universal Model[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2012, 33(2):215-220.