大型風(fēng)力機(jī)槳距角補(bǔ)償控制策略研究

盧奭瑄 張忠財(cái) 鄭金雨

摘 要：由于風(fēng)切變效應(yīng)及氣動(dòng)載荷的循環(huán)變化對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響，本文于重復(fù)控制的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種槳距角控制器。該種控制器由并聯(lián)濾波器和重復(fù)控制器兩部分組成，濾波器可減弱風(fēng)速變化帶來的擾動(dòng)影響，重復(fù)控制器可使傳動(dòng)鏈具有較好的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在外部風(fēng)速變化擾動(dòng)時(shí)，此控制器能有效保證風(fēng)力機(jī)的功率穩(wěn)定輸出。同時(shí)，還對(duì)輸入擾動(dòng)和參數(shù)變化具有較好的動(dòng)態(tài)能力。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī) 濾波器 重復(fù)控制 槳距角控制

中圖分類號(hào)：TM31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（c）-0094-02

Abstract：Due to the wind shear effect and the cyclic change of pneumatic load for the wind turbine，this paper designs a pitch angle controller on the basis of repetitive control.This kind of controller is composed of parallel filter and repetitive controller， The filter can reduce the effects of disturbance for the changing of wind speed， repeatitive controller can make the transmission chain a good stability. Experiment result shows that when the external wind speed changing， this controller can effectively insure the stable output of the wind turbine.At the same time， it also has a good dynamic capability for inputting disturbance and parameter changing.

Key Words： Wind turbine； Filter； Repeat control； Pitch angle control

風(fēng)力機(jī)槳葉上循環(huán)的載荷波動(dòng)以及槳葉與槳葉之間的不對(duì)稱轉(zhuǎn)矩，是造成風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪損壞的主要原因。針對(duì)此種因素，可以實(shí)時(shí)控制槳葉槳距角的角度變化，以此來降低疲勞載荷，起到保護(hù)風(fēng)輪的作用[1-2]。該種理念對(duì)于風(fēng)力發(fā)電來說意義重大。若想對(duì)每片槳葉起到合理控制，須有效測(cè)量出每片槳葉的實(shí)時(shí)載荷變化以及相應(yīng)位置變化[3]。

文獻(xiàn)[4]指出塔影效應(yīng)相較于風(fēng)剪切效應(yīng)對(duì)不均勻風(fēng)速場(chǎng)的貢獻(xiàn)更大。該模型簡(jiǎn)捷有效，適合電力系統(tǒng)的時(shí)域風(fēng)力機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，為風(fēng)力機(jī)控制、風(fēng)力機(jī)的載荷、風(fēng)力機(jī)扭矩等相關(guān)系列研究打下了基礎(chǔ)[4]。

文獻(xiàn)[5]改進(jìn)了傳統(tǒng)的動(dòng)量-葉素理論，更新提出了基于動(dòng)態(tài)入流動(dòng)量-葉素理論，用于風(fēng)力機(jī)偏航的載荷和動(dòng)態(tài)變槳計(jì)算中[5]。

文獻(xiàn)[6]指出當(dāng)風(fēng)電發(fā)電機(jī)組過載運(yùn)行時(shí)，變更常規(guī)的變槳距控制策略，調(diào)節(jié)槳距角變化，優(yōu)化變槳速率，以減小風(fēng)電機(jī)組的輸出功率為代價(jià)，減小風(fēng)電機(jī)組載荷，保證風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定安全運(yùn)行[6]。

本文在模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)情況下，設(shè)計(jì)出了該種槳距角控制器。分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器對(duì)于外界擾動(dòng)有良好的抑制作用[7]。當(dāng)風(fēng)速變化帶來擾動(dòng)時(shí)，該控制器可自行調(diào)節(jié)自身槳葉的槳距角變化以維持平衡，最終達(dá)到對(duì)外輸出功率穩(wěn)定的效果。

1 系統(tǒng)描述

風(fēng)電機(jī)的傳動(dòng)模型如圖1所示，基本構(gòu)成包括風(fēng)輪、低速轉(zhuǎn)動(dòng)軸、齒輪變比箱、高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸、發(fā)電機(jī)等[8]。

風(fēng)輪從風(fēng)中獲取能量的功率表達(dá)式為：

式中，CP為風(fēng)能利用系數(shù)，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖速比λ與槳距角β的函數(shù)。

風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式如下：

式中，ω為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度；R為風(fēng)輪半徑；ρ為空氣密度，取值為1.29×103kg/m3。

基于風(fēng)電系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)特性的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型，可表達(dá)如下：

2 基于重復(fù)控制理論的槳距角補(bǔ)償控制

2.1 重復(fù)控制理論

重復(fù)控制理論是一種新的伺服控制策略，F(xiàn)rancis和Wonham提出了內(nèi)膜原理，這在伺服系統(tǒng)控制中起著重要作用。Inoue等人根據(jù)內(nèi)膜原理提的重復(fù)控制，是根據(jù)周期性的參考信號(hào)的特點(diǎn)和內(nèi)部模型原理，在穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一個(gè)可以產(chǎn)生與參考信號(hào)同周期的內(nèi)部模型，從而使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部參考信號(hào)的漸進(jìn)跟蹤并消除負(fù)載的擾動(dòng)[9]。

2.2 低通濾波器

濾波器Q（s）的表達(dá)式為：

（1）

式中，ζq為該低通濾波器阻尼比，ωq為截止頻率。在滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，應(yīng)了解此補(bǔ)償器的相應(yīng)具體參數(shù)，并獲得此低通濾波器的相應(yīng)參數(shù)，用以達(dá)到系統(tǒng)輸出的要求。

3 重復(fù)變槳控制器仿真研究

此重復(fù)槳距角補(bǔ)償控制器控制風(fēng)力機(jī)中數(shù)學(xué)模型的主要參數(shù)為：塔高H=75m；槳葉半徑R=35m；空氣密度=1.225kg/m3；切入風(fēng)速Va=3.5m/s；切出風(fēng)速Vb=2.5m/s；額定風(fēng)VN=12.5m/s；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)Jr=3.86106kg/m2；風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速ω0=17.2r/min；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg=80kg/m2；齒輪箱變比N=100；發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Te=8700Nm；發(fā)電機(jī)額定功率Te為1500kW。輸入風(fēng)速V（θ，t）公式為：

（2）

式中，V0（t）為風(fēng)輪中心處風(fēng)速；a為風(fēng)剪切影響指數(shù)，本文中取值為a=0.14。仿真結(jié)果如圖2所示，顯示結(jié)果為在兩種變槳控制策略作用下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。

由圖2可知，在重復(fù)槳距角控制器的效果作用下，此風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速周期性相應(yīng)變動(dòng)較為平緩。在此算例中風(fēng)輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)最大幅值接近0.13r/min，而在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)變速箱變比影響下，該種周期性波動(dòng)將在發(fā)電機(jī)端口被放大近100倍，這對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)整體平穩(wěn)輸出影響較大。

4 結(jié)語(yǔ)

上述驗(yàn)證結(jié)果顯示，本設(shè)計(jì)的控制器在外部擾動(dòng)的情況下，自身風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和槳葉的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)都相應(yīng)變小，控制器的性能品質(zhì)相對(duì)更佳。與此同時(shí)，該控制器會(huì)削弱自身調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的槳距角變動(dòng)，以此來降低自身的機(jī)械疲勞。綜上所述，采用此種重復(fù)補(bǔ)償控制器不但能降低氣動(dòng)效應(yīng)所產(chǎn)生的周期性影響還可以確保風(fēng)電機(jī)的魯棒性能。

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