基于FAST 與Simulink 風力發(fā)電機組降載荷控制研究

龔睫凱，孫文磊，吳安

(新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊830047)

典型的變速風力發(fā)電機擁有不同運行區(qū)域。如圖1 所示，在區(qū)域2，控制的目的是，在最優(yōu)葉尖速比下，使用發(fā)電機扭矩控制來增大風能捕捉率。在區(qū)域3，發(fā)電機扭矩是恒定的，并且用葉片變槳控制來維持風輪轉(zhuǎn)速。另一個風力發(fā)電機控制目的是減少結(jié)構(gòu)動態(tài)載荷。

圖1 風力發(fā)電機運行區(qū)域

在文獻［1 －2］ 里，已經(jīng)闡明用狀態(tài)－ 空間控制器的設(shè)計來調(diào)節(jié)區(qū)域3 的風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速和提高柔性風力發(fā)電機模態(tài)的阻尼。并說明采用全態(tài)反饋控制來確定安裝風力發(fā)電機的地點以提高瞬態(tài)響應(yīng)和提高穩(wěn)定性。當風力發(fā)電機測量有限時，狀態(tài)評估必須用在評估安裝狀態(tài)。成功使用狀態(tài)評估的條件是基于僅僅一小部分的測量值，如發(fā)電機轉(zhuǎn)速和塔架前后加速度。其他的研究者在區(qū)域2 使用狀態(tài)－空間的方法設(shè)計控制來增加能量提取率和用變槳控制來減少疲勞載荷。

在實地測試風力發(fā)電機過程中，用這些現(xiàn)代控制算法來驗證其降載荷能力，并把控制算法的執(zhí)行解決方案運用到商業(yè)風力發(fā)電機上。降低載荷是減少能量成本的一個重要指標。這些現(xiàn)代控制算法的性能必須與基于經(jīng)典控制方法的簡單控制對比，可以驗證載荷減少的趨勢。到目前為止，很少研究者發(fā)布在實際風力發(fā)電機中實施和測試狀態(tài)－空間控制的結(jié)果。并且這些控制的設(shè)計是采用增加大阻尼給柔性模態(tài)，在開環(huán)運行時，其一般有小額阻尼。較差的控制器的設(shè)計會使這些模態(tài)不穩(wěn)定，并增加疲勞載荷。設(shè)計在區(qū)域2 和3 之間的控制器來穩(wěn)定這些模態(tài)是很重要的。在區(qū)域2 和3 控制器的平穩(wěn)過渡必須維持這些低阻尼模態(tài)的穩(wěn)定，這樣疲勞載荷也不會增加。

1 3 自由度動力學方程的建立

狀態(tài)矢量Δx1、Δx2和Δx3分別代表傳動鏈擾動扭轉(zhuǎn)角、發(fā)電機擾動轉(zhuǎn)速和傳動鏈擾動角速度。且q6為葉輪方位角;為葉輪轉(zhuǎn)速;q7為發(fā)電機方位角;為發(fā)電機轉(zhuǎn)速;Kd為傳動鏈扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù);Cd為傳動鏈阻尼比。

葉輪旋轉(zhuǎn)自由度平衡扭矩方程為:

式中:Taero為葉輪氣動扭矩;Tshaft為主軸反饋扭矩;Irot為葉輪轉(zhuǎn)動慣量。

低速軸反饋扭矩方程為:

Taero泰勒展開再變形有:

主軸擾動扭矩方程為:

葉輪平衡扭矩方程轉(zhuǎn)化成:

平衡條件滿足:Taero(w0，Ω0，β0) =Tshaft0

這樣可得:

應(yīng)用狀態(tài)－空間方程來描述:

那么得出:

同理，發(fā)電機的扭矩平衡方程可以寫成:

平衡狀態(tài)下，發(fā)電機的加速度為0，得出:

該控制為扭矩控制，那么整機三自由度動力學方程為:

2 基于Simulink 現(xiàn)代控制模型的搭建

在仿真開始前，必須對風力發(fā)電機組進行線性化處理，這樣才能啟動圖2 Simulink 仿真控制模型，如圖2 所示即在Simulink 中搭建的三自由度控制模型，其中FAST 風力發(fā)電機模塊式FAST 動力學軟件與MATLAB/Simulink 連接接口，通過這個模塊搭建起整機動力學仿真，圖3、圖4 和圖5 分別是圖2 中的扭矩控制圖、狀態(tài)評估控制器和含有塔架阻尼反饋的PI 控制器。

圖2 Simulink 仿真控制模型

圖3 扭矩控制圖

圖4 狀態(tài)評估控制器

圖5 含有塔架阻尼反饋的PI 控制器

3 仿真結(jié)果分析

圖6 是仿真中的風速波動圖，可以看到風速在5 ～20 m/s 之間跳動，其風種子是在結(jié)構(gòu)動力學仿真軟件FAST 中的Turbsim 模塊中生成的。圖7、圖8 和圖9 分別是基于PI 控制和現(xiàn)代控制得到的三葉片葉根處揮舞和擺振方向的載荷對比圖，可以看出現(xiàn)代控制應(yīng)用在風力發(fā)電機組的優(yōu)越性，現(xiàn)代控制算法降載荷的能力也是可觀測到的。圖10 是低速軸在兩種控制器下的載荷結(jié)果對比，也很明顯得出現(xiàn)代控制方法降低載荷的能力遠遠優(yōu)于PI 控制算法。

圖6 風速變化

圖7 葉片1 葉根揮舞方向和擺振方向載荷比較

圖8 葉片2 葉根揮舞和擺振方向載荷比較

圖9 葉片3 葉根揮舞和擺振方向載荷比較

圖10 低速軸扭矩載荷比較

4 結(jié)論

FAST 風力發(fā)電機組動力學軟件是基于假想模態(tài)的方法進行分析的，且其柔性部件為葉片、塔架和低速軸，文中根據(jù)IEC 規(guī)范，生成了某工況模擬下的風文件，結(jié)合FAST 和氣動載荷模塊的AeroDyn，建立了風文件數(shù)據(jù)和氣彈耦合結(jié)構(gòu)動力學模型。建立了三狀態(tài)量控制方程，較好反映了整機關(guān)鍵柔性零部件的運行情況。通過測量風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來控制傳動鏈的扭矩和阻尼系數(shù)。PI 控制由于只能實現(xiàn)單輸入單輸出的過程，局限性窄，所以在PI 控制的基礎(chǔ)上搭建的現(xiàn)代控制算法，降低了風力發(fā)電機組的整體載荷，設(shè)計的狀態(tài)評估反饋法調(diào)整扭矩，減少了傳動鏈的載荷。通過PI 控制和現(xiàn)代控制兩種控制器的對比，相對于PI 控制算法而言，現(xiàn)代控制算法確實是一條有利于風力發(fā)電機組降載荷的路徑。

【1】WRIGHT A D，BALAS M J. Design of State-Space-Based Control Algorithms for Wind Turbine Speed Regulation［C］//21st ASME Wind Energy Conference，Reno，Nevada，14 －17January，2002.

【2】WRIGHT A D，BALAS M J.Design of Controls to Attenuate Loads in the Controls Advanced Research Turbine［C］.23rd ASME Wind Energy Conference，Reno，Nevada，5 －8January，2004.

【3】鄧英，梁晶晶，王湘明，等.減緩風力發(fā)電機組驅(qū)動鏈載荷的控制器［J］. 太陽能學報，2009，30(10):1420 －1423.

【4】WRIGHT A D. Modern Control Design for Flexible Wind Turbines［R］. NREL Report No. TP-500-35816，National Renewable Energy Laboratory，2004.

【5】范曉旭，白焰，呂躍剛，等.大型風發(fā)電機組線性二次型高斯最優(yōu)控制策略［J］. 中國電機工程學報，2010，20(30):100 －105.

【6】吳士昌，吳忠強.自適應(yīng)控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005:62 －176.

【7】吳安.風力發(fā)電機組整機動力學模型和載荷控制研究［D］.烏魯木齊:新疆大學，2012.

【8】包能勝，葉枝全.水平軸風力機狀態(tài)空間模型參數(shù)辨識［J］.太陽能學報，2009，24(3):371 －375.