風力發電機組獨立變槳控制技術仿真與試驗研究

文 | 蘭杰，莫爾兵，林淑，羊森林，王其君

為了實現可持續發展，風能作為一種清潔、可再生能源受到世界各國的廣泛關注，已成為重點開發的能源之一。國內外大型的風電機組大多采用變速變槳技術，變速變槳風電機組的槳距角控制分為統一變槳和獨立變槳。統一變槳控制，即控制系統對三套變槳執行機構執行同一槳距角指令，也是目前機組使用最多的控制方式。而隨著變速變槳風力發電機組容量的增加，風輪直徑越來越大，風湍流、風切變、塔影效應、偏航偏差等因素使得整個風輪面受力的不均衡度隨之增強，附加載荷也越來越大，嚴重威脅風電機組的安全運行。獨立變槳控制技術應運而生，通過優化的控制，給每支葉片疊加一個獨立的槳距角信號，來降低這些附加的不平衡載荷，以提高系統運行可靠性和穩定性并延長機組使用壽命。

本文的獨立變槳控制技術是將葉根應力傳感器測量出來的各葉片根部的載荷及風輪方位角，通過滑環傳送至所設計的獨立變槳控制器以獲得獨立變槳期望的槳距角，最后將獨立變槳期望的槳距角和統一變槳給定的槳距角之和作為風力機三支槳葉槳距角的控制量，以實現風電機組的獨立變槳控制器設計，通過仿真和現場試驗驗證所設計獨立變槳控制技術的有效性。

風輪不平衡載荷分析

實際運行的風力發電機組由于在不同方位，葉片所受載荷不同，如圖1所示。

其中，My1、My2、My3為每支葉片受到的Y向彎矩，也即面外彎矩，Myq和Myd為其分解到旋轉正交坐標系上的彎矩，Myaw和Mtilt為分解到靜止正交坐標系上的彎矩，φ（t）為靜止坐標系和旋轉坐標系之間的夾角。

從圖1、圖2可知，若三支葉片的Myi不同，則分解產生的Mtilt和Myaw彎矩不為零，從而產生了整個風輪的不平衡載荷。

獨立變槳控制要控制轉速，即保證三支葉片受到的Mx總和不變，這樣風輪的扭矩基本保持不變，不會影響機組的發電效率，同時要減小葉輪上不均衡載荷，僅在每只葉片上疊加一個周期變化的分量，該分量均值為零，近似呈正弦變化，在一個旋轉周期內，平均變化量為零，這樣就減小了旋轉坐標系下的Myd和Myq，也即靜止坐標系下的Myaw和Mtilt。

圖1 葉片受載示意圖

圖2 三支葉片My坐標變換示意圖

應對風力機運動工況和載荷工況進行分析。對風力機模型進行線性簡化處理如圖3所示。

葉輪上的不均衡載荷是指輪轂中心的傾覆力矩Mtilt和偏航力矩Myaw，而傾覆力矩和偏航力矩主要是由槳葉根部（載荷）揮舞彎矩Myi造成的。根據葉素理論，槳葉根部揮舞彎矩Myi為：

式中，i＝1，2，3，表示第i片槳葉，vi、βi分別為第i槳葉的有效風速和槳距角，hMy、kMy為線性化處理后的系數。

不考慮輪轂半徑，輪轂中心傾覆力矩Mtilt和偏航力矩Myaw為：

圖3 風力機簡化模型

針對3槳葉風電機組，假定第1個槳葉方位角為φ，且槳葉處于豎直方向時φ為0，則第i個槳葉方位角為：

由此可知，當風輪轉動時，槳葉在不同方位角上的風速以及其產生槳葉根部載荷變化較大。也會給葉輪造成較大的不平衡載荷。若能根據各槳葉根部載荷情況，對各槳葉的槳距角按一定的規律進行調節，是可以減小葉片根部載荷波動，進而減小葉輪上的不平衡載荷，以實現減小風電機組關鍵部件疲勞載荷的目的。

數學模型的建立

在充分考慮風、空氣動力學、結構動力學、傳動系統、控制系統等共同作用對風力機的影響后，需要一個能夠模擬機組非線性載荷和動態響應的數學模型才能準確地模擬機組的動態特性。因此，一個理想的風力機數學模型如圖4所示。

圖4所示是一個非線性、時變、強耦合模型，很難建立其精確數學模型，而若直接將該模型用于控制器設計，控制器結構將非常復雜，且很難分析其穩定性和魯棒性。為了滿足控制系統設計的需要，需要一個線性化的數學模型，在分析機組各個環節的動態特性及其相互耦合關系后，將各個復雜的環節用一階或二階系統進行線性描述，最終將其線性化為一個多輸入多輸出系統。線性化的思路可由圖5描述。

圖4 非線性數學模型示意圖

線性化數學模型的結構框圖可表述為圖6。

把上述線性化模型表式為狀態空間模型形式：

式中，X為狀態變量：塔架模態位移、模態速度，葉片模態位移、模態速度，以及變槳驅動器、發電機、傳動系統的狀態變量；

U為輸入變量：風速，槳距角給定，扭矩給定；

Y為輸出變量：發電機轉速、發電機功率、發電機扭矩、風輪轉速、齒輪箱扭矩、槳距角。

獨立變槳控制器設計

獨立變槳控制技術目的是為減小葉輪上的不平衡載荷，即減小輪轂中心傾覆力矩和偏航力矩。把式（1）代入式（2）可得：

把風速vi、方位角φi作為控制器的干擾量，槳距角βi作為控制量，Mtilt和Mtyaw作為輸出量（反饋量）。式（5）是一個多變量輸入輸出的系統，若直接基于該模型，則需要采用多輸入多輸出控制理論來設計控制器。LQG方法對魯棒性較差，若采用H∞方法設計，可以處理參數魯棒性，但是對結構魯棒性設計較為復雜。因此考慮采用經典的PID控制進行設計，但是首先需要對模型進行解耦。

本文借鑒電機矢量控制技術中的Park變換對式（5）進行坐標變換。選用的Park變換P和逆變換P-1為：

對葉片根部載荷Myi、槳距角βi、風速vi，Park變換得到：

圖5 數學模型線性化示意圖

圖6 風電機組線性化數學模型框架圖

將式（8）、（9）代入式（5），可得：

把（10）帶入（1），可以得到：

圖7 獨立變槳控制結構框圖

由圖7知：葉根應力傳感器測量出各葉片根部的載荷，并傳送給主控制器，主控制器按式（6）對葉片根部載荷進行park變換，得出Mtilt和Myaw，Mtilt和Myaw分別經控制器得到park變換坐標上的槳距角，然后再經park逆變換得出獨立變槳期望的槳距角，最后將獨立變槳期望的槳距角和統一變槳給定的槳距角之和作為風力機3個槳葉槳距角的控制量，以實現風電機組的控制。

表1 風力機主要參數

仿真分析

本文基于Bladed軟件對所設計的控制系統進行仿真分析。風力機的主要參數如下表1所示。

仿真統一變槳控制（CPC）和獨立變槳控制（IPC），結果如圖8所示。

圖8為獨立變槳和統一變槳的葉片槳距角變化曲線，可知葉片之間的夾角為120°，各槳葉槳距角變化的相位差也為120°，理論符合設計要求。

從圖9可知，獨立變槳控制顯著減小了葉片根部My方向的載荷波動，不僅能顯著減小輪轂傾覆力矩和偏航力矩，還能減小輪轂、主軸、偏航軸承、塔架等關鍵部件的疲勞載荷。

在風電機組整個生命周期（20年）內，通過雨流計數法得到的風力機關鍵部位當量等效疲勞載荷。采用獨立變槳控制有效減小了風力機各關鍵部位的當量等效疲勞載荷，尤其在葉片根部和輪轂中心效果最明顯。

表2可知，風力發電機組采用獨立變槳控制后，可顯著減小葉片根部、輪轂、塔架等關鍵部件的疲勞載荷10%以上。

現場試驗分析

在張北試驗風電場對機組進行獨立變槳控制技術的現場試驗，驗證其控制效果。獨立變槳控制需要對三個葉片的根部載荷進行監測，并將監測到的應力數據通過滑環傳送至主控PLC，由PLC實時計算每個葉片所需要的槳距角指令值，將指令值發送給每個槳葉驅動器，實現獨立變槳控制。傳感器布局方案如圖10所示。

為減小風載對標定結果的影響，在風速小于6m/s時進行標定，通過將葉片置于0°和90°，使風輪至少轉動一圈，利用葉片重力產生的彎矩來標定應力。

為保證現場實測數據與仿真數據一致，需要對比實際重力彎矩與模型仿真重力彎矩差別，當二者相差較小時，測量結果才能與仿真結果進行對比。

表3表明用重力進行標定，與模型之間的誤差均小于5%，可認為該方案有效。進一步通過對現場采集數據進行分析，圖11為現場測試風速。

圖8 穩態風12m/s時槳距角變化

圖9 穩態風12m/s時葉片面外彎矩對比

圖10 葉片應力傳感器布局示意圖

表2 S-N slope=10 DLC1.2 工況各種控制策略疲勞損傷比較

圖11 現場測風

圖12 現場測試槳距角

圖13 現場測試面內彎矩

表3 仿真標定誤差

圖12為大風情況下獨立變槳控制所得的葉片槳距角實測變化曲線，可知近似呈現三相120°正弦交變，符合設計要求。

葉片旋轉過程中，在旋轉平面內受到氣動扭矩和重力彎矩的共同作用，達到額定功率以后，氣動扭矩通過變槳控制基本保持不變，而重力產生彎矩將隨著槳葉方位角不同而呈現1P周期性變化，由圖13可知，槳葉的面內載荷符合分析的面內載荷特征，符合設計要求。

攝影：邵明珠

圖14 機組1500kW測試結果

表4 面內彎矩功率譜峰值（1P）對比

仿真與試驗對比分析

試驗過程中，為驗證獨立變槳控制降低機組疲勞載荷的效果，在同一臺機組上，功率均設定為1500kW，并在基本相同的外界風況下，開啟和關閉獨立變槳策略。

表5 面外彎矩功率譜峰值（1P）對比

從圖14結果對比可知，二者平均風速均在13m/s附近，發電機轉速和電功率基本相同，風輪面內功率譜基本重合，開啟了獨立變槳控制策略的槳距角在1P頻率附近有額外動作，風輪面外彎矩功率譜在1P頻率附近有明顯減小，驗證了獨立變槳控制器設計的有效性。

圖15 機組1500kW仿真結果

為驗證現場試驗是否達到了表2所述仿真效果，按照圖14所示的測試工況，設置Bladed仿真條件：平均風速13m/s，湍流強度B級，風力發電機組功率1500kW，分別開啟和關閉獨自變槳控制策略，仿真結果如圖15所示。

由圖14和圖15面內和面外彎矩功率譜密度對比，可得表4、表5。

由表4、表5可知現場測試結果與理論仿真誤差小于5%，也進一步證明了表2所述的理論計算結果的正確性，即能夠有效降低風力發電機組關鍵部件10%以上疲勞載荷。但槳距角的動作更加頻繁，變槳系統的要求也必須提高。

結論

本文對風輪不平衡載荷進行分析，建立了風力機數學模型，設計了符合風電機組運行的獨立變槳控制器。通過仿真和試驗驗證獨立變槳功能不影響機組正常運行，發電機功率和發電機轉速幾乎沒有影響，可顯著減小葉片根部My方向的載荷波動，即顯著減小輪轂傾覆力矩和偏航力矩，從而減小風力機各個關鍵部件上的不均衡載荷，能夠有效降低風力發電機組關鍵部件10%以上的疲勞載荷，但是頻繁變槳也對變槳系統提出了更高的要求。