變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳控制及載荷優(yōu)化

劉軍， 高璐

(西安理工大學(xué)，陜西 西安　710048)

?

變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳控制及載荷優(yōu)化

劉軍， 高璐

(西安理工大學(xué)，陜西 西安710048)

針對額定風(fēng)速以上，如何抑制變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因反饋信號滯后引起的輸出功率波動以及機(jī)組載荷等控制技術(shù)問題進(jìn)行研究。在研究了傳統(tǒng)變槳控制的基礎(chǔ)上，提出基于風(fēng)擾動的前饋補償控制與傳統(tǒng)PID反饋信號相結(jié)合的變槳控制策略。通過MATLAB環(huán)境下進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明：槳控制策略能夠快速使風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩保持在額定轉(zhuǎn)矩附近，減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動以及風(fēng)電機(jī)組傳動鏈扭振，從而降低風(fēng)電機(jī)組承受的氣動載荷使得系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；最大風(fēng)能跟蹤；變槳距控制；載荷控制；前饋補償控制

0　引　言

目前大型變速變槳風(fēng)電機(jī)組通常采用PI控制器進(jìn)行槳距控制。但由于額定風(fēng)速以上到切出風(fēng)速范圍較大以及風(fēng)速的隨機(jī)性，使得輸出轉(zhuǎn)速的反饋信號滯后。在風(fēng)速快速增加時，容易引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)。而在風(fēng)速突然下降時，又會引起轉(zhuǎn)速的大幅下降，造成功率的大幅波動[1-2]，所以僅采用PI反饋控制難以抑制輸出功率波動。

針對PI變槳控制存在的不足，此次采用基于風(fēng)擾動的前饋補償控制對傳統(tǒng)PI控制得到的參考槳距角進(jìn)行在線補償修正。當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速并發(fā)生突降時，前饋補償控制器能夠迅速減小槳距角的設(shè)定值，增加風(fēng)輪吸收的風(fēng)能。反之，控制器能夠迅速加大槳距角設(shè)定值，增大槳距角，減小風(fēng)能吸收，從而保證風(fēng)輪轉(zhuǎn)速能夠快速穩(wěn)定在額定值附近，降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動，維持功率恒定。最后在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行仿真研究，驗證了此次控制策略的可行性和有效性。

1　風(fēng)力機(jī)變槳控制理論

1.1風(fēng)力機(jī)氣動特性分析

對于風(fēng)電系統(tǒng)的機(jī)械部分，由空氣動力學(xué)[3]可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從風(fēng)能捕獲的氣動功率P[4]為:

(1)

(2)

式中ρ為空氣密度；R為葉輪旋轉(zhuǎn)平面半徑；v為風(fēng)速；λ為葉尖速比；β為槳距角；ωr為葉輪轉(zhuǎn)速；CP(λ,β)為風(fēng)能利用系數(shù)，它是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)[5]。

Cp(λ,β)=0.517 6(116λi-0.4β-5)e(-21λi)+0.006 8λ

(3)

(4)

根據(jù)式(3)(4)得到CP與λ,β關(guān)系,如圖1所示。

從圖1可以得出兩點結(jié)論：(1) 當(dāng)保持槳距角β不變時,存在一個對應(yīng)著最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax的最佳尖速比λopt；(2) 對于確定的尖速比λ,風(fēng)能利用系數(shù)在槳距角β=0°時相對最大,且隨著槳距角β增大,風(fēng)能利用系數(shù)明顯減小。因此在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時,可通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)槳距角從而改變發(fā)電機(jī)輸出功率,使其穩(wěn)定在額定功率附近[6]。

圖1　風(fēng)能利用系數(shù)與尖速比、槳距角之間的關(guān)系

由式(2)可知風(fēng)輪轉(zhuǎn)速或風(fēng)速改變將引起葉尖速比變化[7]，影響風(fēng)能利用系數(shù)從而改變風(fēng)輪捕獲的機(jī)械功率，表達(dá)式為:

P=ωrTr

(5)

式中Tr為氣動轉(zhuǎn)矩[8]，如式(6)所示。

(6)

式中CT為力矩系數(shù)。

1.2風(fēng)力機(jī)變槳控制

變槳風(fēng)力機(jī)組的槳距參考值一般是以電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制槳距角的變量。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值之間的誤差作為PID控制器的輸入，PID控制器給出槳距角參考值，控制結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2　槳距角控制結(jié)構(gòu)圖

圖2中，βref為槳距角參考值，它通過變槳控制器得到。βref與實際槳距角β比較得到差值Δβ，然后通過變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)來改變槳距角β逐漸趨進(jìn)于槳距角參考值βref。

1.3風(fēng)力機(jī)傳動系統(tǒng)模型

典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由風(fēng)輪、低速軸、齒輪箱、高速軸、發(fā)電機(jī)組成。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，可將風(fēng)力機(jī)帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動這一現(xiàn)象進(jìn)行物理學(xué)模型抽象，將風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)等效為2個質(zhì)量塊[9]，如圖3所示。

圖3　傳動鏈兩質(zhì)量塊等效模型

傳動鏈的氣動方程為：

(7)

式中δ為機(jī)組傳動軸扭轉(zhuǎn)角度；ωr和ωg分別為風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；Ks為傳動鏈等效剛性系數(shù)；Jr和Jg分別為風(fēng)輪和電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量；Bs為摩擦系數(shù)；Tg為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。

2　變槳控制器設(shè)計

變速變槳風(fēng)力機(jī)組通過PI控制器給出槳距角參考值，但是由于槳距角的變化對于風(fēng)速而言是非線性的，風(fēng)力機(jī)的特性也會隨著運行點的不同而發(fā)生變化[10]。當(dāng)風(fēng)速在額定值附近時，需要較大的PI控制器增益；而在高風(fēng)速段時，較大的風(fēng)速變化只需要一個較小的槳距角改變量就可以使輸出功率穩(wěn)定[11]。在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，以通過槳距角調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為目標(biāo)，建立傳動鏈動力學(xué)方程：

(8)

式中Δω為風(fēng)輪擾動轉(zhuǎn)速；ωo為風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速；

此時發(fā)電機(jī)功率保持恒定，有：

(9)

假設(shè)恒功率區(qū)存在氣動扭矩和葉輪轉(zhuǎn)速的微小變化，對(9)進(jìn)行泰勒級數(shù)展開得：

(10)

式中Δβ為槳距角在平衡點附近的變化量。

利用PID控制器，可得到其相對于轉(zhuǎn)速偏差量的關(guān)系：

(11)

式中KP、KI、KD分別為槳距角控制器的比例、積分、微分增益。

(12)

上式(12)可以看作一個二階系統(tǒng)，系統(tǒng)的頻率ωn和阻尼ξ為:

(13)

設(shè)計槳距角控制器時。忽略其微分增益。僅僅考慮比例增益及積分增益給系統(tǒng)帶來的影響，即取KD=0時，可得：

(14)

由式(14)可知,PI控制器增益與其功率對槳距角的微分有關(guān)，當(dāng)風(fēng)力機(jī)運行于不同風(fēng)速時,其對應(yīng)的槳距角不同，其微分值各異，該運行點處的控制器增益亦不同。

3　基于風(fēng)擾動的前饋補償控制器

基于以上分析可知，傳統(tǒng)PI控制中固定增益不能滿足在大范圍風(fēng)速變化下的轉(zhuǎn)速控制。對于風(fēng)速的突變，變槳控制器的相應(yīng)速度不夠迅速，控制功率輸出效果并不理想。所以此次采用基于風(fēng)擾動的前饋補償控制對采用傳統(tǒng)PID控制得到的參考槳距角進(jìn)行在線補償修正。在額定風(fēng)速以上，根據(jù)風(fēng)速實時變化量，計算出適配的槳距角修正量，與PID 控制器輸出的槳距角相加，整體作為槳距角的設(shè)定值。圖4為基于風(fēng)擾動的前饋補償變槳距控制框圖。

圖4　前饋補償變槳距加速度控制框圖

對上式(9)其進(jìn)行泰勒級數(shù)展開得：

(15)

式中Δv為風(fēng)速擾動量；

將式(15)代入(8)中得：

(16)

在額定風(fēng)速以上，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運行穩(wěn)定時，轉(zhuǎn)速增量Δω趨于0，此時可以得到在風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定情況下槳距角增量與風(fēng)速增量存在以下關(guān)系：

(17)

(18)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)速發(fā)生突變時，槳距角變化響應(yīng)速度慢于風(fēng)速的變化，可以參照上式槳距角與風(fēng)速的關(guān)系，根據(jù)風(fēng)速的變化量給出合適的槳距角修正量。通過計算得到控制增益k，其值如表1所示。

當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速，突變增大時，通過前饋補償控制得到槳距角補償量Δβ，此時槳距角參考值：β*ref=βref+Δβ。槳距角的增大允許槳葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)提前動作，減少風(fēng)輪吸收的風(fēng)能，使風(fēng)機(jī)以稍低于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的速度達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，以防止功率超過額定值。當(dāng)風(fēng)速突降時，此時槳距角參考值：β*ref=βref-Δβ。由圖1可知，此時風(fēng)能利用系數(shù)增大，增加了風(fēng)能吸收，減緩了由于風(fēng)速突然下降引起的輸出轉(zhuǎn)矩突降，減少功率波動，使其維持額定值附近，同時減少了槳葉擺振載荷。

表1　控制增益k

(19)

4　變槳距仿真結(jié)果與分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)如下：額定功率為2 MW；額定風(fēng)速為12 m/s；空氣密度1.225 kg/m3；葉輪半徑為35 m；風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量為5 000 000 kg/m2，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量為20 kg/m2。在MATLAB仿真環(huán)境下對采用傳統(tǒng)PI變槳距控制與基于風(fēng)擾動的前饋補償變槳距控制下的風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，其仿真結(jié)果如圖(5～12)所示。

圖5　階躍風(fēng)

圖6　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖7　階躍風(fēng)下槳距角變化

圖8　隨機(jī)風(fēng)

圖10　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

從圖6～7可以看出，通過前饋補償控制，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動明顯減小，并且能夠更快的跟蹤額定轉(zhuǎn)速。槳距的響應(yīng)速度也有所提高，變化更加平滑，從而減少了槳距角頻繁動作而引起的疲勞載荷。從圖9～圖11可以看出，當(dāng)風(fēng)速隨機(jī)變化時，通過前饋補償，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速振動波動明顯減小，發(fā)電機(jī)輸出功率比較平滑，能夠很好地穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)。

圖11　發(fā)電機(jī)輸出功率

圖12　葉片擺振載荷

根據(jù)數(shù)據(jù)分析可

知：傳統(tǒng)PI變槳距控制后的擺振載荷平均值為3.150 5e+5(N·m)，前饋補償控制后的擺振載荷平均值為2.902 1e+5(N·m),說明前饋補償控制后的擺振載荷明顯降低。圖12仿真結(jié)果表明，基于風(fēng)擾動的前饋補償控制能夠有效減少槳葉受到的擺振載荷，從而也降低了槳葉的受力波動情況，增強了風(fēng)機(jī)整體的穩(wěn)定性和安全性。

5　結(jié)束語

通過對兩種變槳距控制方法進(jìn)行仿真對比研究，仿真結(jié)果表明：對于隨機(jī)不穩(wěn)定變化的風(fēng)的影響，采用前饋補償變槳距控制策略的風(fēng)力機(jī)葉片所受的擺振載荷與疲勞損傷要小于采用傳統(tǒng)變槳距控制策略的風(fēng)力機(jī)。并且采用前饋補償變槳距控制能夠顯著地減小了風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動，有效抑制了傳動鏈扭轉(zhuǎn)載荷振動，減小機(jī)組的疲勞載荷損害，延長了整個機(jī)組的使用壽命。

[ 1 ] 馬蕊,鄂春良,付勛波,等.兆瓦級變速恒頻風(fēng)電機(jī)組變速變槳距控制技術(shù)研究[J].電氣傳動,2010,40(4):7-10.

[ 2 ] VANDER HOOFT E L,SCHAAK P,VAN ENGELEN T G. Wind turbine control algorithms[R].Holland:Dutch Ministry of Economic Affairs,2003.

[ 3 ] 賀德馨.風(fēng)工程與工業(yè)空氣動力學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[ 4 ] 宋新甫, 梁波. 基于模糊自適應(yīng)PID 的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變槳距控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2009, 37(16):50-53.

[ 5 ] 郭鵬. 模糊前饋與模糊PID結(jié)合的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速變槳距控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2010,30(8):123-128.

[ 6 ] 何玉林,蘇東旭,黃帥,等.變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳距控制及載荷優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2011,39(16):95-99.

[ 7 ] 王文亮,葛寶明,畢大強.儲能型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(14):43-48.

[ 8 ] 劉偉,沈宏,高立剛,等.無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(5):77-81.

[ 9 ] 陳家偉,陳杰,龔春英.永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)氣動載荷抑制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2013,33(21):99-108.

[10] 任海軍,何玉林,杜靜,等.變速變槳距風(fēng)力機(jī)功率控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù),2011,55(8):59-63.

[11] BIANCHI F D,SNCHEZ,PETA R S，et al．Gain scheduled control based on high fidelity local wind turbine models[J].Renewable Energy,2012,37(5):233-240．

Variable Pitch Control and Load Optimization for Variable Speed Wind Power Generation Systems

LIU Jun, GAO Lu

(Xi’an University of Technology, Xi’an Shaanxi 710048, China)

This paper discusses suppression of the output power fluctuation of the variable-speed wind power generation unit due to feed-back signal hysteresis occurring in case of wind velocity exceeding its rated value, as well as control technologies such as load of the machine group On the basis of a study on the traditional variable pitch control, it presents a variable pitch control strategy combining feed-forward compensation control based on wind disturbance and traditional PID feed-back signal. The result of simulation in the MATLAB environment shows that the designed variable pitch control strategy can quickly keep the output torque of the wind turbine in the vicinity of the rated torque, and reduce turbine speed fluctuations and torsional vibration of the drive chain of the wind turbine, thus lowering aerodynamic load of the turbine and ensuring more steady system operation.

wind power generation system; maximum wind power tracking; variable pitch control; load control; feed-forward compensation control

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.015

TM315

A

1000-3886(2016)01-0044-04

劉軍(1963-)，男，陜西人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。高璐(1989-)，女，陜西人，碩士，研究方向為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)傳動鏈載荷控制。

定稿日期: 2015-03-24