針對風(fēng)切效應(yīng)的分區(qū)權(quán)系數(shù)分配獨立變槳控制

張晴晴,李咸善,謝 燁,楊絲琪,王錦龍

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,宜昌443002;2.廣州供電局有限公司,廣州510600;3.國網(wǎng)湖北省電力有限公司,宜昌443000)

0 引 言

隨著風(fēng)力機槳葉半徑的逐漸增大,自然風(fēng)在高度上對風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面受力不均的影響也越來越明顯,這種受力不均的現(xiàn)象被稱作風(fēng)切效應(yīng),會對風(fēng)機功率的穩(wěn)定輸出產(chǎn)生影響[1-3]。為了緩解因風(fēng)切效應(yīng)使風(fēng)輪葉片承受不均勻載荷,最終導(dǎo)致功率波動的情況,需要通過獨立變槳距控制,對每一片槳葉進行單獨控制。

獨立變槳控制(以下簡稱IPC)是一種旨在穩(wěn)定發(fā)電機的輸出功率、降低由不斷變化的風(fēng)力條件造成的風(fēng)力機負載擾動的控制方法[4]。現(xiàn)階段,得到廣泛應(yīng)用的IPC策略主要分為兩類。第一類是文獻[5-6]中提出的基于葉片受力分析的控制策略,該策略以抑制氣動載荷為最終目標(biāo),先進行載荷測量,再根據(jù)某種控制算法分別對槳葉進行獨立控制。這種方法的應(yīng)用前提是在葉片的多個位置安裝加速度傳感器,對于大型風(fēng)力機而言,過于復(fù)雜且不易實施。第二類是文獻[7-8]中,基于葉片方位角變化的控制策略,該策略對風(fēng)機載荷模型的依賴性較小,只需測量葉片方位角,再通過周期性改變各槳葉的槳距角降低載荷。由于許多大型風(fēng)力機上都自帶有測速傳感器,因此該方法更易投入實際的工程應(yīng)用中。

本文針對受到風(fēng)切效應(yīng)現(xiàn)象影響的風(fēng)力機模型,提出一種在額定風(fēng)速以上的工況下,基于方位角的分區(qū)權(quán)系數(shù)分配IPC策略,其控制系統(tǒng)由統(tǒng)一變槳控制器(即傳統(tǒng)的功率控制器)和獨立變槳控制器組成。其中,傳統(tǒng)的功率控制器給出風(fēng)機槳葉在各種風(fēng)速條件下的統(tǒng)一變槳調(diào)節(jié)值。獨立槳距角控制部分按照槳葉所受風(fēng)切效應(yīng)影響程度劃分為兩大區(qū)域,并分別采用兩種加權(quán)系數(shù)控制方式:在風(fēng)切變影響較小的區(qū)域,采用基于方位角的權(quán)系數(shù)分配控制;在風(fēng)切變影響較大的區(qū)域,本文在方位角加權(quán)系數(shù)的基礎(chǔ)上引入單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器,聯(lián)合方位角權(quán)系數(shù)分配器一同投入槳距角的動態(tài)調(diào)整運算,得到基于單神經(jīng)元的權(quán)系數(shù)分配模型。

通過仿真與分析可得,本文針對風(fēng)切效應(yīng)在額定風(fēng)速以上的工況下提出的基于方位角的分區(qū)權(quán)系數(shù)分配IPC方法,能在穩(wěn)定最大功率的同時,有效抑制葉尖拍打方向的氣動載荷,獨立變槳距信號對參數(shù)變化、風(fēng)速變化、電磁轉(zhuǎn)矩的擾動具有較強的魯棒性。

1 變槳控制相關(guān)特性分析

1.1 風(fēng)速特性分析

風(fēng)切效應(yīng)是影響風(fēng)速在豎直高度方向上變化的主要原因。設(shè)地面風(fēng)速為零風(fēng)速,則有風(fēng)切效應(yīng)公式如下:

式中:VH為離地高度H處的風(fēng)速;V0為離地高度H0處的風(fēng)速;n為風(fēng)切系數(shù),一般取1/7作為近似值[9]。

1.2 空氣動力學(xué)分析

已知風(fēng)輪在額定風(fēng)速以上時的旋轉(zhuǎn)速度基本保持不變,此處只分析風(fēng)輪在某一固定風(fēng)速下穩(wěn)定運行時葉片的受力狀況[10]。

假設(shè)風(fēng)輪以角速度ω旋轉(zhuǎn),則作用在槳葉葉元素dm處的力dF可分解為沿風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)切線方向的力dFn和沿風(fēng)輪軸向的力dFt,分別如下:

式中:ρ為空氣密度;V為風(fēng)速;dS為葉元素槳葉面積;φ為來流角;CL,CD分別為槳葉阻力系數(shù)、槳葉升力系數(shù)。

2 基于槳葉方位角的IPC系統(tǒng)建模

2.1 掃風(fēng)面內(nèi)槳葉上的有效風(fēng)速模型

首先建立以風(fēng)輪掃風(fēng)面為坐標(biāo)平面的直角坐標(biāo)軸,設(shè)槳葉中心線與x正軸間夾角為槳葉方位角θ,逆時針為槳葉旋轉(zhuǎn)正方向。通過槳葉的方位角θ便可以確定槳葉所處的位置[11]。本文以輪轂處風(fēng)速傳感器所測風(fēng)速作為風(fēng)輪中心風(fēng)速v0,并對應(yīng)式(1)中的參考風(fēng)速V0,此時H0為輪轂中心高度。

設(shè)距離風(fēng)機轉(zhuǎn)軸m處長度為dm的葉片元素的離地高度為Hm,則槳葉中心線上任一點的對地高度:

將v0、H0、Hm代入式(1),可以得到某一槳葉中心線上任一點的有效風(fēng)速vm:

本文假設(shè)每片槳葉所受平均風(fēng)速點位于槳葉的中心位置,則每片槳葉的平均有效風(fēng)速模型:

式中:i為槳葉編號,i=1,2,3;R為葉片長度;θ為槳葉i的方位角。

2.2 基于方位角的權(quán)系數(shù)分配模型

基于葉片方位角的權(quán)系數(shù)分配法是一種根據(jù)風(fēng)切效應(yīng)對風(fēng)輪各槳葉影響程度的不同,對各葉片槳距角的調(diào)整信號進行權(quán)重分配的算法[12]。

圖1為IPC框圖。圖1中,功率控制器的輸入為功率誤差,輸出為統(tǒng)一槳距角變化值;θ1,θ2,θ3分別為3個槳葉的方位角。風(fēng)機在額定風(fēng)速以上運行時,為了穩(wěn)定輸出功率,先由功率控制器給出3個槳葉的統(tǒng)一槳距變化量Δβ,再由權(quán)系數(shù)分配器重新分配每個葉片槳距角的變化量Δβi(i=1,2,3),從而完成IPC[13]。

圖1 IPC框圖

各槳葉槳距角變化量如下:

式中:Ki為基于方位角的權(quán)系數(shù)。結(jié)合式(6)和式(7),可得到權(quán)系數(shù)分配模型:

式中:k為指數(shù)系數(shù)。由式(2)、式(3)可得,當(dāng)風(fēng)機基本參數(shù)與風(fēng)密度等參數(shù)不變時,槳葉軸向氣動力Ft與V2成正比。當(dāng)k=2時,可以得到以穩(wěn)定風(fēng)機輸出功率和減小槳葉拍打振動為目標(biāo)的葉片方位角權(quán)系數(shù)。

由式(8)易知,

該等式約束條件旨在維持發(fā)電機輸出功率的穩(wěn)定,符合獨立變槳距的首要控制目標(biāo)。

2.3 基于單神經(jīng)元的權(quán)系數(shù)分配模型

風(fēng)能波動易導(dǎo)致槳距角給定值的頻繁變化,造成槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中的劇烈抖動。在原有的變槳控制系統(tǒng)中加入單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器,能夠有效緩解風(fēng)輪受到不平衡載荷的影響[14]。

單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的能力,這些功能是通過調(diào)整加權(quán)系數(shù)實現(xiàn)的,本文按照有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則對權(quán)系數(shù)進行調(diào)整[15]。控制及其學(xué)習(xí)算法可參見文獻[16]。單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器輸入端為3個葉片的軸向氣動力Ft和統(tǒng)一槳距角變化量Δβ,輸出的3個槳距角改變量同圖1中權(quán)系數(shù)分配器所得的3個變化值,一起參與槳距角的動態(tài)加權(quán)系數(shù)調(diào)整運算。最終得到基于單神經(jīng)元的槳距角動態(tài)加權(quán)系數(shù)模型:

式中:Ki為式(8)中基于方位角的權(quán)系數(shù);qi為動態(tài)加權(quán)系數(shù);q為動態(tài)加權(quán)系數(shù)指數(shù)。

3 獨立變槳分區(qū)控制策略

3.1 IPC分區(qū)依據(jù)

在MATLAB/Simulink中建立風(fēng)切變流場中的雙饋風(fēng)機仿真模型,模型相關(guān)參數(shù)如表1所示。在瞬時基本風(fēng)速為20 m/s時的風(fēng)切效應(yīng)作用下,3個槳葉在整個風(fēng)輪掃風(fēng)面上旋轉(zhuǎn)過程中,對槳葉葉尖處風(fēng)速隨不同時間和不同高度的變化情況進行仿真,得到如圖2所示的仿真結(jié)果。

由圖2可初步判斷,3個槳葉其中1個處于風(fēng)輪平面正下方時,3個槳葉上的風(fēng)速分布最不均勻,也是風(fēng)輪平面受力最不均衡的位置。在此位置附近,風(fēng)輪槳葉受到風(fēng)切效應(yīng)的影響比其他位置相對嚴重很多。

表1 3 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機參數(shù)

圖2 各槳葉上的風(fēng)速分布

為進一步精確判斷槳葉受風(fēng)切效應(yīng)影響程度,考慮計算葉片旋轉(zhuǎn)一周時,在各個方位角θ處的節(jié)距角Δβθ。節(jié)距角的計算式如下:

式中:Δβ為通過功率控制器得到的統(tǒng)一變槳距調(diào)整值;Δβ*為理想狀態(tài)下需要調(diào)整的槳距角,是來流角φ與功角α的差值。

典型相位角處節(jié)距角變化規(guī)律如表2所示。

表2 典型相位角的節(jié)距角調(diào)整值

由表2可知,節(jié)距角調(diào)整值最大處的相角為270°,此時風(fēng)輪平面載荷不均最嚴重,與圖2所得結(jié)論相同。根據(jù)不同相角處節(jié)距角的變化規(guī)律,本文將風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面分為如圖3所示的4塊區(qū)域。

圖3 獨立變槳距控制分區(qū)圖

Ⅰ區(qū)角度范圍為30°～150°,II區(qū)角度范圍為150°～210°,Ⅲ區(qū)角度范圍為 210°～330°,Ⅳ區(qū)角度范圍為330°～390°。當(dāng)葉片處于Ⅰ、Ⅲ區(qū)域時,風(fēng)機葉片與風(fēng)輪承受的軸向不平衡氣動力較大,采用考慮氣動載荷不均的基于單神經(jīng)元權(quán)系數(shù)分配的IPC;當(dāng)葉片處于Ⅱ、Ⅳ區(qū)域內(nèi),風(fēng)輪受到不平衡載荷的影響較小,采用基于方位角權(quán)系數(shù)分配的IPC。表3給出了以槳葉1所處的方位角為例的區(qū)域角度劃分以及每塊區(qū)域中各槳葉采用的IPC方法。其中,控制方式“F”代表了2.2節(jié)中基于方位角權(quán)系數(shù)分配的IPC策略;控制方式“S”代表2.3節(jié)中所描述的基于單神經(jīng)元權(quán)系數(shù)分配的IPC策略。

表3 典型相位角的節(jié)距角調(diào)整值

由表3可以看出,在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的任一區(qū)域內(nèi),都有2個槳葉處于氣動載荷分布不均的區(qū)域。通過這種在指定區(qū)域內(nèi),根據(jù)葉片受力狀態(tài)及受風(fēng)切效應(yīng)的影響程度,決定應(yīng)用何種控制算法進行IPC的方式,使槳距角偏移更合理、精確,實現(xiàn)了槳葉的分區(qū)獨立變槳控制。

3.2 基于方位角的分區(qū)權(quán)系數(shù)分配IPC流程圖

根據(jù)3.1節(jié)中對獨立變槳距分區(qū)控制策略的介紹,得到如圖4所示的控制流程圖。

圖4 控制流程圖

4 基于方位角的分區(qū)IPC仿真結(jié)果分析

為了檢驗上述控制策略的有效性與可行性,在3.1節(jié)中建立模型的基礎(chǔ)上,分區(qū)引入基于方位角的權(quán)系數(shù)分配模型,設(shè)置固定風(fēng)速為20 m/s,在一個運行周期內(nèi)對分區(qū)IPC進行仿真分析,并與全程統(tǒng)一變槳控制進行對比。

圖5為各葉片分別在全程統(tǒng)一變槳控制和分區(qū)IPC兩種情況下,槳距角調(diào)整值的變化曲線。由圖5可知,分區(qū)IPC下的葉片槳距角隨槳葉所在相位角的變化而變化。取逆時針方向為旋轉(zhuǎn)正方向,以槳葉1為例,當(dāng)槳葉1的相位角由0開始增大至180°時,葉片處于風(fēng)輪平面上方,槳距角調(diào)節(jié)值逐漸增大至90°相位角時達到最大值,再逐漸減小;當(dāng)槳葉1處于風(fēng)輪平面下方時,槳距角調(diào)節(jié)值則先減小再增大。整個變化過程十分平滑,說明本文的分區(qū)IPC方式是有效且合理的。

圖5 各槳葉槳距角變化

圖6 、圖7分別為統(tǒng)一變槳控制、分區(qū)IPC下,風(fēng)機整體的輸出功率曲線。將兩圖對比可知,與全程統(tǒng)一變槳距控制相比,采用分區(qū)權(quán)系數(shù)分配的IPC,使發(fā)電機的輸出功率變化幅度和頻率減小,即輸出功率更穩(wěn)定,且減少了不必要的功率損失,結(jié)果更接近最大輸出功率值。

圖6 統(tǒng)一變槳控制下風(fēng)輪輸出功率特性

圖7 IPC下風(fēng)輪輸出功率特性

圖8 為分別采用分區(qū)IPC和全程統(tǒng)一變槳控制方式時,葉片1葉尖部分所受軸向氣動力的比較圖。由圖8可知,采用IPC方式的槳葉,無論是從變化的幅度還是頻率上,都比采用統(tǒng)一變槳控制方式的葉片受軸向氣動力小,從而緩解了葉片的拍打振動,提高了風(fēng)輪槳葉的使用壽命。

圖8 葉片1葉尖部分軸向氣動力比較

5 結(jié) 語

針對風(fēng)切效應(yīng),本文研究了一種在額定風(fēng)速以上的工況下,基于風(fēng)力發(fā)電機方位角的分區(qū)權(quán)系數(shù)分配IPC策略,以槳葉所受風(fēng)切效應(yīng)影響程度,將槳葉旋轉(zhuǎn)平面的劃分為兩大區(qū)域,并分別采用方位角權(quán)系數(shù)和單神經(jīng)元權(quán)系數(shù)分配模型兩種加權(quán)系數(shù)控制方式對風(fēng)輪葉片進行IPC。在恒定風(fēng)速工況下,將分區(qū)IPC模型與采用全程統(tǒng)一變槳控制方式的仿真結(jié)果進行對比,得出本文模型在額定風(fēng)速以上時,對保持風(fēng)機運行的最大輸出功率穩(wěn)定性具有明顯優(yōu)勢,同時減小了葉片旋轉(zhuǎn)過程中受力不均衡的現(xiàn)象,提高了槳葉的耐用率。