基于特征提取的大型風(fēng)力機械變槳距實時控制方法

李利強,趙迎春,彭 睿,劉 莉

(國家電投集團廣西興安風(fēng)電有限公司,廣西 桂林 541300)

0 引言

風(fēng)力機械變槳距[1]在使用過程中主要應(yīng)用變槳風(fēng)力發(fā)電機組運行,但我國地形起伏大,變槳距在安裝時會受到風(fēng)湍流的影響,導(dǎo)致變槳風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的輸出功率延遲或輸出功率大小不一,影響變槳距的使用效果。為了能夠有效使用風(fēng)力機械變槳距,需要對風(fēng)力機械變槳距的發(fā)電機組進行有效控制[2],以此降低外界因素對變槳距的影響,提升變槳距的使用效率,為此,對大型風(fēng)力機械變槳距開展詳細研究。

王江江等[3]提出風(fēng)速波動時基于UKF-DFNN的變槳距控制方法,該方法將變槳距發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速及輸出功率作為輸入量,并濾波處理輸入量數(shù)據(jù),對該數(shù)據(jù)實行調(diào)整后取得變槳距的槳距角數(shù)值,通過建立的仿真模型將模糊PID控制輸送到變槳距參數(shù)中,完成對變槳距的控制,但該方法的濾波處理結(jié)果不佳,導(dǎo)致其存在控制精度差的問題。宋文靜等[4]提出了改進灰狼優(yōu)化算法在變槳距自抗擾控制中的應(yīng)用方法,該方法設(shè)計了一款自抗擾控制器,把該控制器應(yīng)用到變槳距中進行控制,確立了變槳距在不同風(fēng)速下的穩(wěn)定性,并采用改進灰狼優(yōu)化算法對設(shè)計的控制器優(yōu)化,利用參數(shù)調(diào)整控制器達到提升變槳距槳距角精度的目的,使變槳距本身的響應(yīng)速度更快、抗擾性更高,但該方法設(shè)計的自抗擾控制器不夠完善,導(dǎo)致其存在輸出功率紊亂的問題。

為了解決上述方法中存在的問題,提出基于特征提取的大型風(fēng)力機械變槳距實時控制方法。

1 大型風(fēng)力機械變槳距數(shù)學(xué)模型

1.1 空氣動力學(xué)特性分析

風(fēng)力機械變槳距主要由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)力,系統(tǒng)內(nèi)主要包含機械和電能轉(zhuǎn)化2個部分,這2個部分在變槳距內(nèi)發(fā)揮著重要作用。在控制風(fēng)力機械變槳距時,應(yīng)優(yōu)先分析風(fēng)力機械變槳距的動力學(xué)特性[5]。

在變槳距發(fā)電系統(tǒng)的機械部分中,變槳距的風(fēng)力發(fā)電機組可以獲取風(fēng)能產(chǎn)生的機械能功率,獲取的機械能功率定義為

(1)

Pa為機械能功率;ρ為空氣密度;R為半徑;V為風(fēng)速;λ為葉尖速比;Wr為角速度;Cp為利用系數(shù);β為槳距角。

通過式(1)獲取變槳距風(fēng)電機組的Cp風(fēng)能利用系數(shù)曲面,取得變槳距風(fēng)力發(fā)電組的功率信息:

a.風(fēng)力機械變槳距的槳距角β固定時[6],變槳距的風(fēng)能利用系數(shù)最大,用Cpmax表示。

b.β隨著外界因素的變化而逐漸增大時,Cp會有明顯的降低,所以β越大,Cp越低。

根據(jù)上述2點信息可知,當(dāng)外界風(fēng)速較低時,需要額外設(shè)置槳距角,將其限制在最佳范圍內(nèi),并通過外界裝備變換發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度,達到風(fēng)能利用系數(shù)Cp最大值的目的。與上述條件相反,風(fēng)速較低時,只需對槳距角的角度調(diào)節(jié),即可改變發(fā)電機的輸出功率,使變槳距在低風(fēng)速下仍然具備一定的穩(wěn)定性;當(dāng)外界風(fēng)速較高時,改變的發(fā)電機輸出功率需要通過調(diào)節(jié)槳距角實現(xiàn),令變槳距高風(fēng)速下的輸出功率保持穩(wěn)定,在設(shè)定的額定范圍內(nèi)。

根據(jù)λ=(Wr+R)/V可知,變槳距風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)速對變槳距的葉尖速比產(chǎn)生影響,使變槳距的Cp發(fā)生改變,以此轉(zhuǎn)換了變槳距的機械能功率[7],表達式為:Pa=Wr+Ta,Ta為變槳距的氣動力矩。而變槳距的風(fēng)輪氣動力矩計算式為

(2)

Cq為力矩系數(shù)。

1.2 變槳距風(fēng)力機組傳動系統(tǒng)

風(fēng)輪、風(fēng)輪側(cè)、齒輪箱、發(fā)電機側(cè)和發(fā)電機組等5個結(jié)構(gòu)是變槳距風(fēng)力發(fā)電機的組成部分,Ta對變槳距風(fēng)輪作用時,風(fēng)輪以Wr自動運行,描述為

(3)

T1s的表達式為

(4)

(5)

ng為增速比;Wg為轉(zhuǎn)動速度;dt為時間。

忽略發(fā)電機本身的機械阻力矩后,變槳距與發(fā)電機高速軸側(cè)較近的區(qū)域,描述為

(6)

Jg為發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量;Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)獲取的方程表達式,將式(6)代入其中,獲得傳動系統(tǒng)方程為

(7)

Jt為傳動系統(tǒng);Tg為電磁轉(zhuǎn)動慣量。

1.3 基于特征提取的大型風(fēng)力機械變槳距運行數(shù)據(jù)

通過大型風(fēng)力機械變槳距的動力學(xué)分析及傳動系統(tǒng)獲取結(jié)果,采用SCADA系統(tǒng)對變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的運行狀態(tài)進行采集,獲得變槳距風(fēng)速、槳距角、電機轉(zhuǎn)速和功率輸出等運行數(shù)據(jù)。

設(shè)定大型風(fēng)力機械變槳距的發(fā)電機組參數(shù),如表1所示。

表1 變槳距發(fā)電機組參數(shù)

為提升SCADA系統(tǒng)與采集數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性,采用數(shù)據(jù)預(yù)處理方法提取變槳距采集數(shù)據(jù)的特征信息,令變槳距的發(fā)電功率與風(fēng)速成正比,具體流程如下:

a.通過SCADA系統(tǒng)采集變槳距數(shù)據(jù),并對獲取的風(fēng)速數(shù)據(jù)濾波消噪。

b.對風(fēng)速數(shù)據(jù)濾波處理后[8],獲得風(fēng)速量的大小值,分別標記為Vmax、Vmin。

c.劃分[Vmin,Vmax]為M個子范圍,根據(jù)范圍結(jié)果對M進行估計,其估計結(jié)果表達式為

(8)

M為正整數(shù)。

d.設(shè)定變槳距風(fēng)速數(shù)據(jù)范圍在[Vmin+(R+1)Vstep,Vmin+RVstep],其中,Vstep為終止風(fēng)速,R為期望值。在指定范圍內(nèi)的風(fēng)速數(shù)據(jù)用I表示,設(shè)定范圍內(nèi)的風(fēng)速數(shù)據(jù)定義為

(9)

e.將[Vmin,Vmax]劃分成[min(VI),max(VI)],共劃分成m份,對劃分范圍內(nèi)的風(fēng)速期望值計算,表達式為

(10)

f.以上述計算方法為主,對SCADA系統(tǒng)中采集的變槳距數(shù)據(jù)參數(shù)期望值標記,重復(fù)上述流程,直至滿足R>M條件后停止。

通過以上流程,實現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法對風(fēng)力機械變槳距特征的提取。

2 大型風(fēng)力機械變槳距實時控制

2.1 變槳距實時控制特性分析

基于提取的風(fēng)力機械變槳距特征信息,建立變槳距槳距角位置閉環(huán)數(shù)學(xué)控制模型,從而實現(xiàn)變槳距實時控制?？刂魄皟?yōu)先對變槳距的特性展開分析,具體流程如下。

a.變槳距電液比例閥動態(tài)模型分析。以二階振蕩模型作為變槳距電液比例閥動態(tài)模型,其具體表達式為

(11)

QV為比例閥輸出的流量;WV為比例模型;I為輸入電流;KV為流量的增益效果;ωV為比例閥固有頻率;ξV為阻尼比;s為時間常數(shù)。

b.變槳距變量馬達動態(tài)模型分析。變槳距的液壓缸連續(xù)方程表達式為

(12)

qV為液壓缸流量;Ag為作用面積;Ctc為泄露系數(shù);pL為壓差;Vt為總?cè)莘e;βe為彈性模量;y為活塞位移。

變槳距的變量液壓缸動力微分方程為

(13)

m為活塞質(zhì)量;Be為阻尼系數(shù);K1為等效剛度;FSE為作用力。

2.2 建立變槳距系統(tǒng)控制模型

結(jié)合變槳距數(shù)學(xué)模型特性分析,建立變槳距實時控制模型[9],利用該模型實現(xiàn)變槳距的自動控制,該方程表達式為

(14)

Y為Laplace變換。

式(14)為變槳距槳距角控制模型,主要是利用雙PI控制器與位置傳感器構(gòu)建一個位置反饋控制閉環(huán),以此對變槳距的槳距角控制,有效提高整體控制精度,實現(xiàn)大型風(fēng)力機械變槳距的實時控制。

3 實驗與分析

為驗證基于特征提取的大型風(fēng)力機械變槳距實時控制方法的整體有效性,需要對該方法開展實驗對比測試。

采用基于特征提取的大型風(fēng)力機械變槳距實時控制方法(本文方法)、改進灰狼優(yōu)化算法在變槳距自抗擾控制中的應(yīng)用方法(方法2)和風(fēng)速波動時基于UKF-DFNN的變槳距控制方法(方法3)進行實驗測試。

a.變槳距的槳距角會隨著風(fēng)速位置的高低發(fā)生改變,若對槳距角的控制不佳就會導(dǎo)致變槳距的輸出功率紊亂。為驗證大型風(fēng)力機械變槳距的實時控制效果,采用本文方法、方法2和方法3分別對變槳距的輸出功率開展對比測試,以此證明3種方法的控制精度。設(shè)定變槳距的最佳輸出功率范圍在400～800 kW之間,當(dāng)3種方法在測試期間的輸出功率處于最佳輸出功率范圍內(nèi)時,則判定該方法的控制效果好、控制精度高。具體測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 變槳距輸出功率測試

由圖1可知,當(dāng)時間在不斷增加時,3種方法的變槳距輸出功率都出現(xiàn)了明顯變化。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn),在測試期間本文方法的輸出功率始終處于最佳輸出功率范圍內(nèi),可見本文方法的變槳距輸出功率屬于功率輸出穩(wěn)定的狀態(tài)。而方法2和方法3會隨著時間的增加導(dǎo)致自身輸出功率起伏較大,與設(shè)定的最佳輸出功率范圍存有差距,因而判定本文方法的控制精度要高于方法2和方法3,且本文方法的輸出功率要更加平穩(wěn)。

b.變槳距控制性能的好壞會對變槳距的使用效果產(chǎn)生影響,為了驗證3種方法的變槳距控制性能,選取MATLLAB7.1/Simulink平臺對變槳距的控制性能進行對比測試。

實驗測試前設(shè)定變槳距風(fēng)電機組的參數(shù)分別為:額定功率680 kW、變槳距的風(fēng)輪直徑40 m、齒輪箱變比42.16、變槳距發(fā)電機的轉(zhuǎn)速范圍為1 000～2 500 r/min。前10 s為了防止機器啟動時不穩(wěn)定因素造成的偏差,前10 s的數(shù)據(jù)忽略。基于設(shè)定的參數(shù),采用本文方法、方法2和方法3分別對變槳距的發(fā)電機轉(zhuǎn)速、驅(qū)動鏈形變彈力及槳距角控制,將控制結(jié)果與實際結(jié)果對比,測試結(jié)果如圖2、表2和表3所示。

圖2 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制性能測試

表2 驅(qū)動鏈形變彈力控制性能測試

表3 變槳距槳距角控制性能測試

由圖2和表2可知,當(dāng)時間在不斷變化時,本文方法與實際結(jié)果均保持相同的控制結(jié)果,而其他2種方法與實際效果均存有誤差。表3中,3種方法的變槳距槳距角都隨著時間的變化而產(chǎn)生變化,但控制精度最高的為本文方法,它在整體測試期間的槳距角都與實際結(jié)果保持一致。而方法3僅在30 s時,槳距角控制效果與實際結(jié)果相同,其余時間都與實際結(jié)果存有差異。綜上所述,本文方法的整體控制性能最高,控制效果最好,這主要因為本文方法對風(fēng)力機械變槳距開展了動力學(xué)分析,為后續(xù)控制效果奠定了信息基礎(chǔ),從而增強了變槳距的整體控制性能及控制效果。

4 結(jié)束語

大型風(fēng)力機械變槳距因外界因素的影響導(dǎo)致自身控制精度差,為解決這一問題,提出基于特征提取的大型風(fēng)力機械變槳距實時控制方法。該方法首先對風(fēng)力機械變槳距展開了動力學(xué)分析,基于分析結(jié)果提取了變槳距運行數(shù)據(jù)特征,以此為基礎(chǔ)建立變槳距實時控制模型,利用該模型實現(xiàn)變槳距自動控制。實驗部分進行了變槳距輸出功率測試、發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制性能測試、驅(qū)動鏈形變彈力控制性能測試和變槳距槳距角控制性能測試,實驗結(jié)果顯示,本文提出的控制方法具有良好的效果。