風(fēng)電機(jī)組柔塔避振控制策略開發(fā)與驗(yàn)證

劉紅文，王 靛，蔣 韜，萬宇賓，翟大勇，陸仕信

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

“十三五”期間，我國風(fēng)電場開發(fā)重心往中東部、南方地區(qū)轉(zhuǎn)移，開發(fā)容量達(dá)4 200萬千瓦以上[1]。中東部地區(qū)，如江蘇、安徽及河南等省份，屬于低/超低風(fēng)速區(qū)域，風(fēng)電場年平均風(fēng)速一般較低。低/超低風(fēng)速區(qū)域具有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：（1）年平均風(fēng)速低，典型值在5.0 ～ 6.0 m/s ；（2）風(fēng)切變大，典型值均在0.2以上。

回顧風(fēng)電技術(shù)發(fā)展歷程，為了提高年發(fā)電量，我國在長葉片風(fēng)電機(jī)組方面進(jìn)行研發(fā)，取得了很多技術(shù)性突破。如2 MW風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品，低風(fēng)速產(chǎn)品的風(fēng)輪直徑從110 m發(fā)展到115 m，再到121 m，至目前為止，已經(jīng)有126 m乃至130 m風(fēng)輪直徑的超低風(fēng)速產(chǎn)品[2]。風(fēng)輪直徑的增加，主要從“掃風(fēng)面積”技術(shù)指標(biāo)提升對(duì)風(fēng)的捕獲能力，從而提高風(fēng)電機(jī)組的年發(fā)電量。我國在低風(fēng)速技術(shù)方面的這些技術(shù)創(chuàng)新，持續(xù)引領(lǐng)全球低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組技術(shù)革新?lián)Q代，促使具有開發(fā)價(jià)值的風(fēng)資源的年平均風(fēng)速下探到5 m/s乃至更低，為我國“棄風(fēng)限電”背景下的風(fēng)電行業(yè)發(fā)展開辟了新的發(fā)展方向。而國外，由于風(fēng)資源特性差異，其主要?jiǎng)?chuàng)新集中在高塔架風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)研究和開發(fā)方面，塔架高度從120 m到160 m的風(fēng)電機(jī)組均有批量裝機(jī)，100 m以上塔架高度的風(fēng)電機(jī)組安裝數(shù)量達(dá)萬臺(tái)以上。從風(fēng)資源角度來說，風(fēng)速會(huì)在垂直距離上有變化，該變化被稱為風(fēng)切變。風(fēng)切變?cè)酱?，表征風(fēng)速在該維度上變化越大?？梢岳迷撎匦蚤_發(fā)不同高度的塔架以提高風(fēng)場年平均風(fēng)速。以85 m塔架高度為基準(zhǔn)，120 m塔架高度相對(duì)于85 m塔架而言，當(dāng)85 m塔架高度對(duì)應(yīng)風(fēng)場年平均風(fēng)速為5 m/s時(shí)，風(fēng)切變?cè)?.1～0.3范圍內(nèi)變化，則120 m高度對(duì)應(yīng)風(fēng)場的年平均風(fēng)速可增加0.2～0.6 m/s，對(duì)應(yīng)年發(fā)電量提升約6.6%～22.7%。因此，隨著風(fēng)電開發(fā)重心的轉(zhuǎn)移，如何利用和解決高風(fēng)切變的技術(shù)成為我國風(fēng)電技術(shù)最新發(fā)展趨勢，高塔架風(fēng)電機(jī)組開發(fā)技術(shù)成為整機(jī)廠家新的技術(shù)和產(chǎn)品競爭熱點(diǎn)。

目前我國高塔架主要有全鋼柔塔（簡稱“柔塔”）和鋼混塔（簡稱“混塔”）兩種技術(shù)路線。柔塔技術(shù)因?qū)λ驳脑O(shè)計(jì)方法、工藝和質(zhì)量要求與常規(guī)塔筒的一致，且供應(yīng)鏈成熟，具有成本優(yōu)勢，因此受到市場青睞。但選擇柔塔技術(shù)時(shí)，需權(quán)衡經(jīng)濟(jì)性以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因?yàn)樗艿囊浑A固有頻率與風(fēng)輪的一倍轉(zhuǎn)速頻率（1P）有交點(diǎn)，存在共振點(diǎn)，會(huì)影響機(jī)組安全性。為此需要設(shè)計(jì)獨(dú)特的控制策略，從根本上避免機(jī)組長期、穩(wěn)定運(yùn)行在轉(zhuǎn)速共振區(qū)間，即需設(shè)置轉(zhuǎn)速禁區(qū)，該區(qū)間的大小一般為轉(zhuǎn)速共振點(diǎn)的10%[3]。對(duì)于轉(zhuǎn)速禁區(qū)的控制方式，主要有荷蘭能源研究中心ECN[4]和E.A.Bossanyi[5-6]提出的兩種不同控制方式，其中ECN所提出的方法為轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩查值法，并未采用PID自適應(yīng)控制；E.A.Bossanyi提出在共振轉(zhuǎn)速前后10%內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)速禁區(qū)，在該轉(zhuǎn)速禁區(qū)內(nèi)以一定斜率增加/減小轉(zhuǎn)矩給定值，實(shí)現(xiàn)共振轉(zhuǎn)速穿越，但并未考慮轉(zhuǎn)速禁區(qū)間的能量損失；文獻(xiàn)[7]對(duì)荷蘭能源研究中心ECN和E.A.Bossanyi的兩種方法進(jìn)行了定性的對(duì)比分析，并確定以設(shè)置轉(zhuǎn)矩函數(shù)，保證負(fù)載轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩之間形成匹配的控制方法，其也未采用PID自適應(yīng)控制。本文提出一種新的柔塔控制策略，其基于PI控制的轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器，自適應(yīng)控制并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穿越，以避免風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行于共振轉(zhuǎn)速區(qū)間，減小因共振所導(dǎo)致的異常載荷。該策略開發(fā)依托2MW D121型機(jī)組125 m柔塔項(xiàng)目，經(jīng)過了Bladed軟件仿真驗(yàn)證，并在河南內(nèi)黃高塔樣機(jī)進(jìn)行掛機(jī)運(yùn)行，結(jié)果表明本文所采用的全新策略可成功解決柔塔共振技術(shù)難題。

1 柔塔機(jī)組共振問題分析

風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)多耦合、非線性系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以用考慮多自由度和柔性的數(shù)值仿真軟件進(jìn)行模擬。在分析柔塔共振問題時(shí)，可以將塔筒-機(jī)艙系統(tǒng)簡化成一個(gè)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，塔筒的運(yùn)動(dòng)方程[8-10]可被描述為

式中：M——質(zhì)量矩陣；C——阻尼矩陣；K——?jiǎng)偠染仃嚕籉——軸向推力；qi——位移矩陣；——速度矩陣；——加速度矩陣。

根據(jù)式(1)，塔筒的一階固有頻率為

由式(2)可知，塔筒固有頻率f和剛度K成正比，與質(zhì)量M成反比。隨著塔筒高度的增加，剛度K將會(huì)減小，塔筒固有頻率也會(huì)降低，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速區(qū)間，風(fēng)輪的1倍轉(zhuǎn)速頻率1P將會(huì)和塔筒固有頻率相交，引起塔筒共振。如圖1所示，對(duì)于125 m高度塔筒，其一階固有頻率為0.175 52 Hz，與1P在10.6 r/min處有共振點(diǎn)，需要采取相應(yīng)控制策略以避免風(fēng)電機(jī)組發(fā)生共振。

圖1 風(fēng)電機(jī)組整機(jī)Campbell圖（塔架高度為125 m）Fig. 1 Campbell diagram of wind turbine(tower height is 125 m)

2 基于PI控制的柔塔避振策略

風(fēng)電機(jī)組一般采用最大風(fēng)能捕獲的常規(guī)控制策略，其控制的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線為圖2中的A-B-C-DE-F-G。其中，A-B與E-F兩段恒轉(zhuǎn)速區(qū)間采用PID控制，B-C-D-E段采用最優(yōu)風(fēng)能捕獲控制，F(xiàn)-G段采用變槳控制。而對(duì)于采用柔性塔架的風(fēng)電機(jī)組，因其一階固有頻率與1P有交點(diǎn)(圖2中的O點(diǎn))，如仍采取常規(guī)控制策略，會(huì)引起共振。當(dāng)振動(dòng)超過結(jié)構(gòu)極限，則會(huì)造成塔筒結(jié)構(gòu)損傷，甚至發(fā)生倒塌。故需設(shè)計(jì)一種控制策略，在共振頻率附近，形成轉(zhuǎn)速禁區(qū)（該區(qū)間不能成為風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間），即轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制曲線變?yōu)锳-B-C-H-I-D-E-F-G。

圖2 柔塔控制策略Fig. 2 Soft tower control strategy

風(fēng)速波動(dòng)時(shí)，原本在C-D段允許穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速段，需要通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，讓其運(yùn)行在C-H或者I-D段。根據(jù)振動(dòng)機(jī)理，運(yùn)行轉(zhuǎn)速在共振點(diǎn)±5%范圍以外時(shí)，共振可明顯消除。針對(duì)風(fēng)電機(jī)組柔性塔架，轉(zhuǎn)速禁區(qū)段C-H及I-D一般取共振頻率對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的±10%。因此，本文在原有轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制器基礎(chǔ)上，額外增加轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器（圖3），通過PI控制調(diào)節(jié)該控制器的輸出轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)風(fēng)速情況自適應(yīng)控制，達(dá)到轉(zhuǎn)速穿越目的，轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制邏輯如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制框圖Fig. 3 Block diagram of speed exclusion zone control

圖4 轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制邏輯Fig. 4 Control logic of speed exclusion zone control

圖4中，轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)下限值對(duì)應(yīng)圖2的C-H段（簡稱“LowerSP”），此時(shí)控制器輸出限幅值為[0,轉(zhuǎn)矩上限值]；轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)上限值對(duì)應(yīng)圖2的I-D段（簡稱“HigherSP”），此時(shí)控制器輸出限幅值為[轉(zhuǎn)矩下限值，0]。兩個(gè)參考點(diǎn)之間的切換邏輯如下：若轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器輸出達(dá)到轉(zhuǎn)矩上限值時(shí)，控制器的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)被設(shè)置為HigherSP；若轉(zhuǎn)矩禁區(qū)控制器輸出達(dá)到轉(zhuǎn)矩下限值時(shí)，控制器的轉(zhuǎn)速參考點(diǎn)則被設(shè)置為LowerSP。

綜合圖2～圖4。風(fēng)電機(jī)組柔塔在全風(fēng)速段的控制過程詳細(xì)描述如下：

（1）A-B區(qū)間，常規(guī)轉(zhuǎn)矩控制器起作用，轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器輸出為0，風(fēng)電機(jī)組維持最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

（2）B-C區(qū)間，常規(guī)轉(zhuǎn)矩控制器起作用，轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器輸出為0，風(fēng)電機(jī)組維持最優(yōu)Cp（風(fēng)能利用率）運(yùn)行。

（3）C-H或I-D區(qū)間，轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器輸出起主導(dǎo)作用，根據(jù)外部風(fēng)速情況，維持機(jī)組在C-H段或I-D段運(yùn)行，或根據(jù)風(fēng)速在C-H段與I-D段間自適應(yīng)切換，避免機(jī)組在轉(zhuǎn)速禁區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行從而引起共振。

（4）D-E區(qū)間，常規(guī)轉(zhuǎn)矩控制器起作用，轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器輸出為0，風(fēng)電機(jī)組維持最優(yōu)Cp運(yùn)行。

（5）E-F區(qū)間，常規(guī)轉(zhuǎn)矩控制器起作用，轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器輸出為0，風(fēng)電機(jī)組維持以最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

（6）F-G區(qū)間，常規(guī)轉(zhuǎn)矩控制器起作用，轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器輸出為0，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行變槳調(diào)節(jié)。

3 仿真及驗(yàn)證

本文以2 MW D121型風(fēng)電機(jī)組125 m柔塔為研究對(duì)象，其設(shè)計(jì)約束如下：（1）年平均風(fēng)速為6.0 m/s；（2）湍流強(qiáng)度為B類；（3）風(fēng)切變?yōu)?.33；（4）塔架高度125 m。該樣機(jī)被安裝于河南省內(nèi)黃縣境內(nèi)。本文首先采用Bladed軟件仿真驗(yàn)證所提策略的控制邏輯以及載荷適應(yīng)性，然后在樣機(jī)上進(jìn)行控制邏輯驗(yàn)證與效果驗(yàn)證。

3.1 Bladed軟件仿真

將柔塔避振控制策略編制成外部控制器，利用Bladed軟件在轉(zhuǎn)速共振點(diǎn)對(duì)應(yīng)風(fēng)速附近生成隨機(jī)湍流風(fēng)（圖5），以模擬風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況，驗(yàn)證控制策略的有效性。

圖5 6 m/s湍流風(fēng)Fig. 5 Turbulence wind with average speed of 6 m/s

有轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制和無轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制的仿真結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，無轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制的風(fēng)電機(jī)組存在在轉(zhuǎn)速禁區(qū)內(nèi)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)；而采用轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器后，風(fēng)電機(jī)組按照控制邏輯將轉(zhuǎn)速控制在LowerSP和HigherSP兩個(gè)恒轉(zhuǎn)速段，可根據(jù)風(fēng)速自動(dòng)切換運(yùn)行，避免了在轉(zhuǎn)速禁區(qū)內(nèi)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比Fig. 6 Comparison of generator speeds

圖7對(duì)比了采用轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器前后塔架左右方向的振動(dòng)加速度情況。結(jié)果表明，柔塔增加轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器后，振動(dòng)位移明顯減小（紅色線），符合柔塔設(shè)計(jì)預(yù)期要求。

圖7 塔筒振動(dòng)對(duì)比Fig. 7 Comparison of tower vibration

3.2 樣機(jī)現(xiàn)場驗(yàn)證

對(duì)采用柔塔控制策略的柔塔樣機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證，結(jié)果分別如圖8和圖9所示。圖9中，狀態(tài)1對(duì)應(yīng)圖2的C-H段，狀態(tài)3對(duì)應(yīng)圖2的I-D段，狀態(tài)2對(duì)應(yīng)圖2中C-H到I-D或I-D到C-H間切換暫態(tài)。

圖8 柔塔樣機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速Fig. 8 Generator speed of the soft tower prototype

圖9 柔塔樣機(jī)振動(dòng)加速度對(duì)比Fig. 9 Acceleration comparison of soft tower prototype

從圖8可以看出，采用柔塔控制策略后，柔塔機(jī)組不會(huì)在設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速禁區(qū)內(nèi)形成正常運(yùn)行點(diǎn)。轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器可使機(jī)組運(yùn)行在設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速禁區(qū)最高穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)HigherSP（圖8的標(biāo)識(shí)1和標(biāo)識(shí)3）或者轉(zhuǎn)速禁區(qū)最低穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)LowerSP（圖8的標(biāo)識(shí)2和標(biāo)識(shí)4），且可在1-2，2-3，3-4狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)平滑切換。

圖9為柔塔機(jī)組在轉(zhuǎn)速禁區(qū)內(nèi)穿越時(shí)的機(jī)艙前后及左右方向的振動(dòng)加速度情況?？梢钥闯?，從轉(zhuǎn)速禁區(qū)最高穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)切換至轉(zhuǎn)速禁區(qū)最低穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)時(shí)，機(jī)艙前后及左右振動(dòng)加速度沒有明顯增加。這說明本文所設(shè)計(jì)策略對(duì)于避免塔筒共振是有效的。

4 結(jié)語

針對(duì)柔塔因一階固有頻率與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速1P存在交點(diǎn)而存在共振風(fēng)險(xiǎn)問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于PI控制的轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器，并采用自適應(yīng)控制方法實(shí)現(xiàn)了柔塔轉(zhuǎn)速穿越。Bladed仿真以及樣機(jī)驗(yàn)證結(jié)果表明,采用該控制策略能夠避免風(fēng)電機(jī)組在共振轉(zhuǎn)速區(qū)間運(yùn)行，解決了柔塔機(jī)組的1P共振技術(shù)難題。由于轉(zhuǎn)速禁區(qū)控制器牽涉到多個(gè)控制參數(shù)之間的匹配，在特定場址風(fēng)資源條件下，需根據(jù)風(fēng)頻分布情況，對(duì)轉(zhuǎn)速禁區(qū)的寬度以及控制參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，這是下一步研究方向。