基于轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)電變槳加載系統(tǒng)的研究及仿真

余清清，孫 勇，周 浩

(浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012)

0 引言

變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組目前已成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研發(fā)和應(yīng)用的主流機(jī)型，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電動變槳技術(shù)不但改善了槳葉和整機(jī)的受力狀況，而且優(yōu)化了風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)，使整機(jī)獲得了最優(yōu)發(fā)電效率［1-3］。

變槳控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速變化實(shí)時調(diào)節(jié)槳距角。在低風(fēng)速起動時，槳葉調(diào)整到合適角度，使風(fēng)輪獲得最優(yōu)起動力矩;當(dāng)風(fēng)速過高時，系統(tǒng)通過調(diào)整槳葉，改變氣流對葉片的攻角，從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩，使機(jī)組功率輸出保持穩(wěn)定。

我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)起步晚，風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)方面的測試就更晚了。近些年國內(nèi)涌現(xiàn)出不少變槳系統(tǒng)測試臺，但國內(nèi)的測試臺無論從模型建立還是控制方法上均存在很多不足，變槳系統(tǒng)的測試方法也處在較低水平。變槳系統(tǒng)的性能對于風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行起到關(guān)鍵的作用，筆者對如何建立能夠真實(shí)模擬風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)運(yùn)行工況的加載試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成功建設(shè)變槳系統(tǒng)試驗(yàn)臺。研究通過Bladed 風(fēng)電機(jī)組仿真軟件與機(jī)組主控控制變槳系統(tǒng)的輸出，同時Bladed 仿真軟件模擬各種風(fēng)況，試驗(yàn)臺根據(jù)不同風(fēng)況給出相應(yīng)的載荷。電機(jī)加載采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制［4］方法，確定槳葉模擬系統(tǒng)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩［5-7］，使得控制準(zhǔn)確性高、反應(yīng)速度快，試驗(yàn)臺可模擬任何機(jī)型的槳葉在不同工況下運(yùn)行并進(jìn)行測試。

1 變槳系統(tǒng)試驗(yàn)臺介紹

試驗(yàn)臺由兩個系統(tǒng)組成:加載系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)。加載系統(tǒng)主要有風(fēng)機(jī)仿真軟件、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集裝置、變頻器、加載電機(jī)、扭矩儀、編碼器等。變槳系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)主控、變槳控制器、變槳驅(qū)動器、變槳電機(jī)等組成。風(fēng)電機(jī)組變槳加載試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 風(fēng)電機(jī)組變槳加載試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)框圖

試驗(yàn)臺實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 風(fēng)電機(jī)組變槳加載試驗(yàn)臺的實(shí)物圖

Bladed 仿真軟件配合機(jī)組主控建立不同工況的模型，通過計(jì)算得出相應(yīng)數(shù)據(jù)，將模擬的機(jī)組數(shù)據(jù)發(fā)送給風(fēng)電機(jī)組主控，并通過變槳控制柜與變槳驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)對變槳電機(jī)的控制，將模擬的電機(jī)加載轉(zhuǎn)矩值發(fā)送給試驗(yàn)臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理，試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)對收到的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償處理，并將處理后的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值發(fā)送至加載系統(tǒng)中的變頻器，控制變頻器根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。

該設(shè)計(jì)采用的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法，對加載電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，可采用分段補(bǔ)償?shù)姆椒?，根?jù)任何一段時間內(nèi)的起始和終止時間風(fēng)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩差值來得出這段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)矩變化量。

轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法可以利用高采樣率、高精度的扭矩傳感器每隔一段時間采集和測量加載電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩并發(fā)送給控制中心，對加載系統(tǒng)進(jìn)行分段補(bǔ)償，高采樣率、高精度的扭矩傳感器能夠可靠地完成轉(zhuǎn)矩的采集工作，采集率可以達(dá)到6 kHz。

2 槳葉模擬系統(tǒng)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩分析

2.1 模擬槳葉的輸出轉(zhuǎn)矩變化量

本研究將Bladed 仿真軟件中空氣動力學(xué)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行疊加計(jì)算后確定為所模擬槳葉的輸出轉(zhuǎn)矩。將不同風(fēng)速下得到的所模擬槳葉的輸出轉(zhuǎn)矩做差值運(yùn)算，得到所模擬槳葉的輸出轉(zhuǎn)矩變化量。

下面將通過推導(dǎo)公式對上述步驟予以闡述:

公式如下:

式中:ΔT1—所模擬槳葉的輸出轉(zhuǎn)矩變化量;TM—風(fēng)速為v1時，對應(yīng)的所模擬槳葉的輸出轉(zhuǎn)矩值;T0—風(fēng)速為v0時，對應(yīng)的所模擬槳葉的輸出轉(zhuǎn)矩值。

該轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法用于對加載電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，研究者可采用分段補(bǔ)償?shù)姆椒?，根?jù)任何一段時間內(nèi)，起始和終止時間風(fēng)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩差值來得出這段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)矩變化量。

2.2 加載系統(tǒng)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩

(1)確定被模擬槳葉的總轉(zhuǎn)動慣量與模擬槳葉輸出轉(zhuǎn)矩的加載系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動慣量的差值;

(2)將差值與被模擬槳葉的總轉(zhuǎn)動慣量做除法運(yùn)算;

(3)確定除法運(yùn)算的結(jié)果與所模擬槳葉的輸出轉(zhuǎn)矩變化量的乘積，得到加載系統(tǒng)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩。

下面將通過推導(dǎo)公式對上述步驟予以闡述:

由所模擬槳葉的運(yùn)動方程:

加載系統(tǒng)的運(yùn)動方程:

由于試驗(yàn)平臺變槳加載系統(tǒng)是用加載電機(jī)來模擬槳葉，通過計(jì)算后得出J1與J2不相同，經(jīng)過相同的轉(zhuǎn)矩變化量ΔT1后，兩者的轉(zhuǎn)速變化是不相同的。

本研究將現(xiàn)有技術(shù)中的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩經(jīng)過轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償算法計(jì)算后，作為目標(biāo)轉(zhuǎn)矩中的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，就可以真實(shí)地模擬槳葉的動態(tài)特性。

得到施加轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償后的加載系統(tǒng)的動態(tài)特性:

這樣，加載電機(jī)與槳葉經(jīng)過兩種相同的轉(zhuǎn)矩變化的同時，加載電機(jī)經(jīng)過齒輪箱速比折算后，會經(jīng)歷相同的轉(zhuǎn)速變化，相當(dāng)于對加載系統(tǒng)施加了額外的轉(zhuǎn)矩，可以達(dá)到轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

則:

由式(2，5)推導(dǎo)，得出:

式中:J1—被模擬槳葉的總轉(zhuǎn)動慣量，dω1/dt—模擬槳葉的轉(zhuǎn)速變化率，J2—模擬槳葉輸出轉(zhuǎn)矩的加載系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動慣量，dω2/dt—加載系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化率，ΔT1—模擬槳葉的輸出轉(zhuǎn)矩變化量，ΔJ—加載系統(tǒng)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)動慣量，ΔT—加載系統(tǒng)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩。

2.3 補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩的折算

對于該加載系統(tǒng)，并未模擬變槳系統(tǒng)中的速比變化，故在模擬槳葉的加載系統(tǒng)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩必須進(jìn)行速比折算，生成加載電機(jī)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩。本研究將轉(zhuǎn)速比與加載系統(tǒng)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩進(jìn)行乘法運(yùn)算。

下面將通過推導(dǎo)公式對上述步驟予以闡述:根據(jù)式(6)得到:

式中:λ—變槳系統(tǒng)中的低速軸與高速軸的轉(zhuǎn)速比，ΔTH—加載系統(tǒng)中的加載電機(jī)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩。

本研究在對加載系統(tǒng)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩進(jìn)行折算后，生成加載電機(jī)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，結(jié)合測得的加載電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩，生成加載電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，并將目標(biāo)轉(zhuǎn)矩向加載系統(tǒng)中的變頻器發(fā)送，控制變頻器根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩對加載電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。

3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的分析

本研究依據(jù)上述的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償理論，基于2.5 MW風(fēng)電機(jī)組Bladed 模型［8-9］和加載系統(tǒng)，搭建了試驗(yàn)平臺，在該平臺上模擬了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況下的變槳轉(zhuǎn)矩并通過加載系統(tǒng)給變槳系統(tǒng)加載，風(fēng)電機(jī)組工況仿真結(jié)果:風(fēng)速曲線如圖3 所示。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖4 所示。槳距角曲線如圖5 所示。功率曲線如圖6所示。

圖3 風(fēng)速曲線

圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

圖5 槳距角曲線

圖6 功率曲線

本研究利用Bladed 仿真軟件運(yùn)行上述工況，將Bladed 中的空氣動力學(xué)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和摩擦力［10］產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行疊加計(jì)算及轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償計(jì)算后仿真得出加載電機(jī)的響應(yīng)波形，仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖7 仿真的加載電機(jī)的響應(yīng)曲線

本研究采用與上述一樣的機(jī)組模擬相同的工況，將Bladed 軟件中模擬的機(jī)組工況通過風(fēng)機(jī)主控實(shí)時傳給變槳系統(tǒng)來控制變槳電機(jī)轉(zhuǎn)速;將Bladed 模擬的槳葉輸出轉(zhuǎn)矩值通過風(fēng)機(jī)主控以模擬量信號實(shí)時傳給加載系統(tǒng)，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償處理后對加載電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，測試結(jié)果如圖8 所示。

圖8 實(shí)測加載電機(jī)響應(yīng)曲線

(1)從圖7 中160 s～180 s 的曲線和圖8 的響應(yīng)曲線比較可知，相同的仿真工況下，仿真形成的響應(yīng)曲線和實(shí)測的響應(yīng)曲線基本上一致;

(2)由圖8 可知，加載電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值與實(shí)測值基本一致，跟隨性也基本保持同步，驗(yàn)證了利用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制能達(dá)到對加載電機(jī)的良好控制;

(3)從仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)兩方面驗(yàn)證了轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償處理優(yōu)化了變槳加載試驗(yàn)臺。

4 結(jié)束語

本研究介紹了利用Bladed 仿真軟件，通過轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制與轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償優(yōu)化相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)了變槳系統(tǒng)的半物理，為變槳系統(tǒng)的測試與開發(fā)提供了可靠的平臺。研究中分析了槳葉模擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，推導(dǎo)出了加載系統(tǒng)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩的公式，最后經(jīng)過速比折算，得出系統(tǒng)中加載電機(jī)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩值。

基于2.5 MW 風(fēng)電機(jī)組Bladed 模型進(jìn)行仿真及加載試驗(yàn)，通過軟件仿真與試驗(yàn)臺實(shí)測對比，仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)基本保持一致，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償能優(yōu)化加載控制。研究中介紹的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償可應(yīng)用到不同工程上，為優(yōu)化控制提供參考。

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