基于不同載荷測(cè)量量的獨(dú)立變槳控制

周　峰，　陳忠雷，　鄧　英，　田　德

(華北電力大學(xué) 可再生能源學(xué)院， 北京 102206)

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基于不同載荷測(cè)量量的獨(dú)立變槳控制

周峰，陳忠雷，鄧英，田德

(華北電力大學(xué) 可再生能源學(xué)院， 北京 102206)

討論了依據(jù)3種不同載荷測(cè)量量的獨(dú)立變槳控制，分別為葉片面外彎矩、輪轂旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的彎矩和機(jī)艙坐標(biāo)系下的面外彎矩.結(jié)果表明：3種載荷測(cè)量方式的實(shí)施和維護(hù)的難度是依次遞減的；與沒(méi)有獨(dú)立變槳控制的情況相比，3種方式均能有效地降低葉片面外載荷諧波分量及傳遞給機(jī)組其他部件的載荷；載荷控制并未明顯影響機(jī)組的發(fā)電功率，但顯著增加了變槳機(jī)構(gòu)的動(dòng)作量.

風(fēng)電機(jī)組； 載荷控制； 獨(dú)立變槳; 載荷測(cè)量量

氣候變化和日益增長(zhǎng)的能源需求促進(jìn)了可再生能源的研究，風(fēng)力發(fā)電是一種較為成熟的可再生能源發(fā)電技術(shù)，為了增強(qiáng)其與化石能源發(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)能力，需要降低風(fēng)力發(fā)電的度電成本，因而風(fēng)電機(jī)組均向大功率、大尺寸發(fā)展，機(jī)組的結(jié)構(gòu)載荷也相應(yīng)增加.除了基本的功率控制需求，載荷控制成為機(jī)組控制中很重要的部分[1-2].

由于風(fēng)切變、塔影效應(yīng)和湍流等原因，風(fēng)輪掃掠面上各處的風(fēng)速不一致.機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，葉片在風(fēng)輪掃掠面上承受著變化的載荷，并通過(guò)傳動(dòng)鏈傳導(dǎo)至整個(gè)機(jī)組，這會(huì)增加塔架和齒輪箱的疲勞損傷，從而降低機(jī)組的預(yù)期壽命.風(fēng)電機(jī)組尺寸的增加進(jìn)一步加劇了載荷波動(dòng)，通過(guò)載荷控制可以有效地降低載荷波動(dòng)，從而在設(shè)計(jì)制造階段降低風(fēng)電機(jī)組的成本，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中減少由載荷引起的故障.

已有學(xué)者對(duì)載荷控制進(jìn)行了研究[3-7]，如在傳動(dòng)鏈增加阻尼以降低齒輪箱的疲勞載荷，在塔架的前后振動(dòng)方向和左右振動(dòng)方向增加阻尼以降低塔架的載荷，應(yīng)用獨(dú)立變槳控制(IPC)降低葉片的面外載荷.與依據(jù)葉片載荷測(cè)量量的獨(dú)立變槳控制相比，筆者以輪轂部分的載荷測(cè)量量作為控制器的輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立變槳控制.

1　依據(jù)葉片載荷測(cè)量量的獨(dú)立變槳控制

1.1獨(dú)立變槳控制

風(fēng)電機(jī)組(文中所指風(fēng)電機(jī)組均為水平軸3葉片形式)的基本控制目標(biāo)是功率控制.在額定風(fēng)速以上階段，控制葉片槳距角以調(diào)節(jié)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，保持機(jī)組運(yùn)行在額定功率狀態(tài).因此，載荷控制的前提是保證機(jī)組正常運(yùn)行，不影響發(fā)電能力及功率控制中的槳距角調(diào)節(jié)(CPC)，即

(1)

式中：β1、β2、β3和βc分別為3個(gè)葉片的槳距角和功率控制的集中槳距角.

載荷控制的目標(biāo)是降低葉片的面外彎矩，因此以葉片根部的面外彎矩作為載荷控制的輸入量.從理想化的風(fēng)輪模型出發(fā)，3個(gè)葉片的氣動(dòng)性能是完全一致的，唯一區(qū)別是相位上依次相差2π/3.以風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率(也稱1P)作為基頻，以傅里葉級(jí)數(shù)的形式描述葉片的面外彎矩My,i(葉片坐標(biāo)系見(jiàn)圖1)：

1,2,3

(2)

式中：Ah和φh分別為My,i的第h次諧波的幅值和初始相位；ω為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的頻率；i為葉片的標(biāo)號(hào).

(a)葉片坐標(biāo)系(b)輪轂旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

(c) 機(jī)艙坐標(biāo)系圖1　風(fēng)電機(jī)組葉片坐標(biāo)系Fig.1　Wind turbine coordinate system

借鑒交流電機(jī)中坐標(biāo)變換的思想，對(duì)3個(gè)葉片的面外彎矩進(jìn)行下列變換[8-9]：

(3)

式中：Pk表示變換矩陣；Md,k、Mq,k分別為My,i在第k次諧波坐標(biāo)系下的d軸和q軸分量.

My,i的第h次諧波經(jīng)過(guò)第k次諧波坐標(biāo)變換的結(jié)果符合式(4)的規(guī)律：

(4)

由式(4)可知，1P的坐標(biāo)變換后，原葉片彎矩中的1P分量變?yōu)?P，2P和4P分量變?yōu)?P，即各分量均變?yōu)?P的倍數(shù).

通過(guò)坐標(biāo)變換可明顯看出載荷控制的目標(biāo)，即降低Md,k和Mq,k中的直流分量以控制葉片的面外彎矩，該調(diào)節(jié)過(guò)程可以通過(guò)2個(gè)積分控制實(shí)現(xiàn).為了不受其他頻次的影響，控制頻率帶寬較窄.控制器輸出的槳距角調(diào)節(jié)量是在第k次諧波坐標(biāo)系下的，所以需要反變換到葉片坐標(biāo)系下，如式(5)所示，控制流程如圖2所示.

(5)

考慮到整個(gè)控制環(huán)節(jié)的滯后性，需要在反變換矩陣中調(diào)整相位，因此

(6)

圖2　載荷控制流程圖Fig.2　Load control scheme

綜合功率控制和載荷控制的槳距角調(diào)節(jié)作用，得到最后的槳距角目標(biāo)值：

(7)

1.2機(jī)組模型及仿真結(jié)果分析

以2 MW雙饋式風(fēng)電機(jī)組為模型，機(jī)組參數(shù)如表1所示，應(yīng)用Bladed軟件進(jìn)行仿真計(jì)算.運(yùn)行工況為16 m/s的恒定風(fēng)，考慮風(fēng)切變和塔影效應(yīng)，對(duì)比有無(wú)獨(dú)立變槳控制的葉片面外彎矩.

表1　2 MW雙饋式風(fēng)電機(jī)組參數(shù)

以葉片1為例，圖3為僅有功率控制和附加載荷控制時(shí)的發(fā)電功率和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速曲線，其中IPC-1P表示針對(duì)葉片面外彎矩中的1P分量的獨(dú)立變槳控制，其他依此類推.由圖3可以看出，獨(dú)立變槳控制沒(méi)有明顯影響功率控制，滿足了載荷控制的前提要求.與CPC相比，在應(yīng)用1P載荷控制的IPC情況下，葉片面外彎矩中1P分量從347 kN·m減小到176 kN·m，彎矩降低了47.7%.且2P和4P分量分別降低了33.7%和31.6%.因而，應(yīng)用IPC的載荷控制可以有效地降低葉片面外彎矩的波動(dòng)，從而減少葉片的疲勞損傷.但是，從圖3(d)可以看出，葉片的槳距角動(dòng)作量顯著增加，會(huì)增加葉片變槳機(jī)構(gòu)的損傷，繼而增加變槳機(jī)構(gòu)的維護(hù)成本.因此需在葉片載荷調(diào)節(jié)與變槳機(jī)構(gòu)的動(dòng)作量之間進(jìn)行一定的協(xié)調(diào)，取得一個(gè)合適的成本方案.

(a)

(c)

(d)圖3　僅有功率控制和附加載荷控制時(shí)的發(fā)電功率和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速曲線

Fig.3Curves of turbine power output and blade rotating speed respectively under collective and individual pitch control

2　依據(jù)輪轂載荷測(cè)量量的獨(dú)立變槳控制

以葉片的面外彎矩作為IPC的輸入量，需要在葉片根部安裝測(cè)量設(shè)備得到面外彎矩信號(hào).在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，葉片會(huì)隨著槳距角的調(diào)節(jié)而轉(zhuǎn)動(dòng)，因此需要在葉根處安裝2個(gè)方向垂直的傳感器，結(jié)合槳距角得出葉片的面外彎矩.總計(jì)需要6個(gè)傳感器得到控制器所需的信號(hào).

2.1輪轂旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

為減少傳感器的數(shù)量，可以在輪轂上安裝2個(gè)方向垂直的傳感器.輪轂上的載荷是3個(gè)葉片載荷作用的集中效果，因此通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換可達(dá)到與3個(gè)葉片面外載荷測(cè)量類似的效果.

由于輪轂也是在旋轉(zhuǎn)的，因此輪轂旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(見(jiàn)圖1)下y軸和z軸的彎矩可表示如下：

(8)

式中：Ar,h和φr,h分別為Mr,y在第h次諧波下的幅值和初始相位.

與第1節(jié)類似，同樣存在可以轉(zhuǎn)換到第k次諧波坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Rk：

(9)

2.2非旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

第2.1節(jié)中所用方法減少了傳感器的數(shù)量，但是風(fēng)電機(jī)組的控制器安裝在機(jī)艙，輪轂為旋轉(zhuǎn)部件，為此需要采用滑環(huán)或無(wú)線的方式在傳感器和控制器之間傳輸信號(hào)，這種方式同樣不便于應(yīng)用和維護(hù).據(jù)此考慮在機(jī)組的非旋轉(zhuǎn)部分測(cè)量載荷，并進(jìn)行相應(yīng)處理以得到控制器所需要的載荷信號(hào).

風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙坐標(biāo)系如圖1所示，定坐標(biāo)系下平行于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的y軸和z軸彎矩如下：

(10)

式中：Af,h和φf(shuō),h分別為彎矩的第h次諧波的幅值和初始相位.

首先需要從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換后彎矩的表達(dá)式與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的表達(dá)方式類似，再轉(zhuǎn)換到第k次諧波坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換矩陣Fk形式如下：

Fk=

(11)

控制器設(shè)計(jì)與前面的類似，需要注意的是，Mf,y和Mf,z并非直接測(cè)量得來(lái).根據(jù)載荷測(cè)量的位置，需要剔除其中非葉片載荷引起的載荷分量.例如，在機(jī)艙主軸的軸承處測(cè)量載荷，因該位置距離輪轂中心處有一段距離，需要排除風(fēng)輪重力作用產(chǎn)生的載荷，否則控制器輸入信號(hào)包含的非葉片載荷引起的載荷分量會(huì)降低控制效果.

2.3控制效果對(duì)比

風(fēng)電機(jī)組模型參數(shù)見(jiàn)表1，設(shè)置平均風(fēng)速為16 m/s、16%湍流度的風(fēng)況，驗(yàn)證獨(dú)立變槳控制下葉片面外彎矩1P分量的降低量.湍流下不同載荷測(cè)量信號(hào)下的獨(dú)立變槳控制結(jié)果如圖4所示(其中，R表示旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，F(xiàn)表示非旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系).

從圖4(b)可以看出，獨(dú)立變槳并未影響功率控制的效果，功率保持在額定功率附近.

從圖4(d)可以看出，3種載荷測(cè)量方式下的載荷控制均可有效降低葉片的1P面外載荷，分別降低了47.4%、49.3%和49.3%，區(qū)別很小，也從側(cè)面印證了葉片面外載荷只是輪轂集中載荷的一部分.

由圖4(e)可知，1P載荷分量有效地降低了49.4%.觀察其中頻率分量的分布情況，在3P倍數(shù)的分量上幾乎沒(méi)有載荷.而在圖4(f)中，y方向的0P載荷降低了53.3%，此頻率不同于葉片載荷中的1P，可以推知葉片載荷傳遞到靜止坐標(biāo)系時(shí)，載荷頻率發(fā)生了變化.從坐標(biāo)變換也可以推導(dǎo)出同樣的結(jié)論.

3　結(jié)　論

(1) 獨(dú)立變槳控制可以調(diào)節(jié)單個(gè)葉片槳距角，降低由外部因素引起的葉片載荷波動(dòng)，進(jìn)而減少葉片的疲勞損傷，延長(zhǎng)機(jī)組的運(yùn)行壽命.

(2) 獨(dú)立變槳控制依賴于載荷測(cè)量量，筆者分析了3種載荷測(cè)量量，即葉片面外彎矩、輪轂旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的彎矩及輪轂靜止坐標(biāo)系下的面外彎矩.將該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際時(shí)，需考慮布置和維護(hù)的成本，應(yīng)盡量減少難度，3種載荷測(cè)量方式的應(yīng)用難度依次遞減.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)圖4　湍流下不同載荷測(cè)量信號(hào)下的獨(dú)立變槳控制結(jié)果Fig.4　Results of individual pitch control with wind turbulence based on different load measurements

(3) 以2 MW雙饋式風(fēng)電機(jī)組模型為例進(jìn)行仿真計(jì)算，考慮湍流、風(fēng)切變和塔影效應(yīng)等外部因素.計(jì)算結(jié)果表明，基于3種測(cè)量的載荷控制在葉片一次面外彎矩的調(diào)節(jié)上有著近似的效果.附加載荷控制后，發(fā)電功率和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與僅有功率控制情況下無(wú)顯著差別.但是由于獨(dú)立變槳會(huì)顯著增加槳距角調(diào)節(jié)的動(dòng)作量，加劇變槳機(jī)構(gòu)的疲勞損傷，因此需在葉片載荷控制和變槳機(jī)構(gòu)維護(hù)間進(jìn)行一定的協(xié)調(diào).

(4) 載荷控制在不影響機(jī)組發(fā)電運(yùn)行的情況下顯著減緩了載荷波動(dòng)，降低了葉片的疲勞損傷.維護(hù)量的減少可以增加風(fēng)電機(jī)的成本優(yōu)勢(shì).

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Individual Pitch Control Based on Different Load Measurements

ZHOUFeng,CHENZhonglei,DENGYing,TIANDe

(School of Renewable Energy, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Individual pitch control was studied based on following 3 different load measurements, such as the blade root out-of-plane bending moment, rotating hub bending moment and fixed hub out-of-plane bending moment. Results show that the difficulty of above 3 measurement ways in implementation and maintenance is successively decreasing. Compared with controllers without load control, the controllers based on above 3 load measurements are able to cut down load fluctuations, so the load transmitted to other parts of the wind turbine would be reduced accordingly. Moreover, the load control shows no obvious influence on the power output of the wind turbine, but the pitch actuators would work more frequently.

wind turbine; load control; individual pitch control; load measurement

2015-12-01

2015-12-21

周峰(1988-)，男，江蘇鹽城人，博士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組控制.電話(Tel.)：13581578176；

E-mail：xiaofeng5197@163.com.

1674-7607(2016)09-0711-05

TK83

A學(xué)科分類號(hào)：480.60