離岸式風(fēng)力機(jī)的變槳LQR控制

謝雙義,金 鑫,陳 佳

(1.重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院,重慶 402247; 2.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400030;

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●能源與動(dòng)力工程●

離岸式風(fēng)力機(jī)的變槳LQR控制

謝雙義1,金 鑫2,陳 佳3

(1.重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院,重慶 402247; 2.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400030;

3.重慶市水文水資源勘測局,重慶 401147)

研究了離岸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)在額定風(fēng)速以上時(shí)的變槳情況,建立了基于變槳控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型,并針對(duì)傳動(dòng)鏈主動(dòng)阻尼過小的問題,采用線性二次型調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)模型的閉環(huán)極點(diǎn)進(jìn)行了合理配置。借助美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的FAST軟件和MATLAB/Simulink仿真軟件進(jìn)行了聯(lián)合仿真,結(jié)果表明,當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于額定風(fēng)速以上區(qū)域時(shí),設(shè)計(jì)的變槳控制器能很好地穩(wěn)定電功率輸出,同時(shí)也降低了風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈的扭轉(zhuǎn)載荷。

LQR;風(fēng)力發(fā)電機(jī);變槳

陸上風(fēng)力發(fā)電已超過十年的歷史,技術(shù)相對(duì)成熟[1],而離岸式風(fēng)力機(jī)則是近年剛剛興起,研究相對(duì)較少。當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在額定風(fēng)速以上,為了不使風(fēng)輪超速造成對(duì)風(fēng)力機(jī)的損害,此時(shí)就需要對(duì)葉片進(jìn)行變槳控制,使風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能變小。傳統(tǒng)的方法是使用經(jīng)典控制理論,即對(duì)應(yīng)單輸入單輸出的情況,由于葉輪的一階擺振模態(tài)與傳動(dòng)鏈的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)是耦合的[2],因此當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定時(shí)傳動(dòng)鏈的扭矩則變得不太理想。而現(xiàn)代控制理論則可以解決這種情形,因?yàn)樗鼘?duì)應(yīng)多輸入多輸出,即同時(shí)考慮葉片的變槳和傳動(dòng)鏈的扭轉(zhuǎn)載荷,控制效果比較理想。所以本文研究了美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室提供的張力腿式離岸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變槳控制,構(gòu)建了離岸式風(fēng)力機(jī)變槳控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型,并結(jié)合線性二次型調(diào)節(jié)技術(shù)(Linear Quadratic Regulator, LQR)對(duì)變槳控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)[3-4]。最后,在MATLAB/SIMULINK軟件中搭建仿真模型并與FAST軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真,結(jié)果表明,在額定風(fēng)速以上時(shí),變槳控制器不僅能穩(wěn)定電功率的輸出,而且可使風(fēng)力機(jī)的傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)載荷在一定程度上得到降低。

1 離岸式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

與采用固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的陸上風(fēng)力機(jī)不同,離岸式風(fēng)力機(jī)采用漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[5-6],主要包括三種[7]:駁船式、張力腿式和單柱式。本文以張力腿基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為研究點(diǎn),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 張力腿式漂浮風(fēng)力機(jī)

2 離岸式支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型

2.1 離岸式支撐結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

2.1.1 輻射波

輻射波浪對(duì)離岸式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用力為

2.1.2 繞射波

Pierson-Moskowitz振幅譜和Jonswap振幅譜[8-9]可用來描述波浪的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。本文采用Jonswap振幅譜的單邊功率譜密度:

式中:Hs為有效浪高;ω為波浪的頻率;λ為波長;Tp為頻譜峰值周期;γ為峰形參數(shù);σ為比例因子。

根據(jù)IEC 61400—3[10]的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),比例因子以及峰形參數(shù)的取值如下:

W(ω)=

2.1.3 水動(dòng)力學(xué)

波浪作用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí),其浮力表達(dá)式為:

3 基于線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)的變槳控制器設(shè)計(jì)

二次型調(diào)節(jié)器(LQR)理論是以二次型函數(shù)的形式給出的一種線性系統(tǒng),為使此二次型函數(shù)取到最小值,矩陣Q和R的選擇尤為重要,同時(shí)該控制方法在設(shè)計(jì)時(shí)能很容易得到最優(yōu)的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。但是美中不足的是LQR得到的反饋增益矩陣是基于全狀態(tài)反饋,而在實(shí)際工程操作中這是不現(xiàn)實(shí)或者是不必要的,為解決此問題,特引入狀態(tài)估計(jì)觀測器[11-13],其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

4 仿真分析

借助仿真軟件MATLAB/Simulink,搭建的模型如圖2所示。

圖2 風(fēng)力機(jī)的整體Simulink模型

采用在35 s時(shí)的14 m/s每隔4 s階躍變化到80 s時(shí)的24 m/s的階躍風(fēng)作為激勵(lì),如圖3所示,葉輪轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 階躍風(fēng)

圖4 葉輪轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

由圖4可知,葉輪轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)差為0.16,葉輪轉(zhuǎn)速在12.1 r/min額定轉(zhuǎn)速附近趨于穩(wěn)定,設(shè)計(jì)的控制器滿足實(shí)際要求。

為降低風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈的扭轉(zhuǎn)載荷,保護(hù)結(jié)構(gòu)不至于損壞,可通過該控制器給傳動(dòng)鏈增加適當(dāng)?shù)闹鲃?dòng)阻尼,仿真激勵(lì)如圖5和圖6所示。

圖5 18 m/s的湍流風(fēng)

圖6 波浪高度隨時(shí)間變化的情形

風(fēng)力機(jī)的傳動(dòng)鏈在較低阻尼和較高阻尼下,其軸扭矩和電功率的對(duì)比如圖7和圖8所示。

圖7 高速軸扭矩

圖8 電功率

由圖7可知,沒有施加主動(dòng)阻尼時(shí),其高速軸扭矩最大值為51 400 N;當(dāng)施加主動(dòng)阻尼時(shí)其最大值為50 050 N,相比前者降低2.63%。

由圖8可知,當(dāng)施加主動(dòng)阻尼時(shí),電功率輸出的標(biāo)準(zhǔn)差為128,而沒有施加主動(dòng)阻尼時(shí),其電功率輸出標(biāo)準(zhǔn)差為145。

由此可知當(dāng)增加傳動(dòng)鏈的主動(dòng)阻尼時(shí),不僅風(fēng)力機(jī)電功率輸出更加穩(wěn)定,而且風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈的扭轉(zhuǎn)載荷也有所降低。

5 結(jié) 語

為了在一定程度上降低離岸式風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈的扭轉(zhuǎn)載荷,采用LQR技術(shù),借助MATLAB/Simulink軟件搭建和設(shè)計(jì)了風(fēng)力機(jī)的變槳控制器并與FAST軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真,結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)搭建的LQR變槳控制器,可以使階躍風(fēng)激勵(lì)下的葉輪轉(zhuǎn)速很好地穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速附近(標(biāo)準(zhǔn)差為0.16),也可以使湍流風(fēng)激勵(lì)下的電功率輸出標(biāo)準(zhǔn)差由改進(jìn)之前的145降低為128,從而使電功率的輸出更加穩(wěn)定,而且還能讓風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈的扭轉(zhuǎn)載荷在一定程度上得到降低,相比改進(jìn)之前降低了約為2.63%。

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(責(zé)任編輯 郭金光,王瑩瑩)

Pitch control for offshore wind turbine based on LQR

XIE Shuangyi1, JIN Xin2, CHEN Jia3

(1.Chongqing Vocational College of Public Transportation, Chongqing 402247, China; 2.State Key Laboratory of Mechanical Transmission,Chongqing University,Chongqing 400030, China; 3.Chongqing Hydrology and Water Resources Investigation Bureau, Chongqing 401147, China)

This paper studied the pitch condition of the offshore wind turbine running with the rated wind speed, established the state space model based on pitch control system, and configurated the closed-loop poles of the state space model by LQR so as to overcome small active damping. A co-simulation was made through MATLAB/SIMULINK software with FAST software developed by National Renewable Energy Laboratory (NREL). The simulation results show that the designed pitch controller could not only make a more stable electrical power output with rated speed, but could reduce the drive train torsion load as well.

LQR; wind turbine; pitch

2015-09-06。

重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃一般項(xiàng)目CQCSTC(cstc2013jcyja900118)

謝雙義(1986—),男,講師,主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)建模與仿真。

TM614

A

2095-6843(2016)02-0174-04