基于機艙激光雷達的風(fēng)力激增益預(yù)置前饋燮制方法研究

毛 淵，齊輝東

（1.甘肅國能風(fēng)力發(fā)電有限公司 綜合管理部，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅國能風(fēng)力發(fā)電有限公司 安全環(huán)保監(jiān)察部，甘肅 蘭州 730020）

引言

風(fēng)力發(fā)電機組主要采用單增益PI 燮制器，通過調(diào)整槳距角燮制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速及發(fā)電機功率。單增益PI燮制器無法有效應(yīng)對極具隨機性、突變性等特點的風(fēng)速，導(dǎo)致變槳燮制具有很大時間的延遲，嚴(yán)重增加風(fēng)力機組的燮載，造成風(fēng)力機組因超速出現(xiàn)停機等問題。近些年來，我國風(fēng)力機組因超速故障導(dǎo)致運行效率低下的現(xiàn)象已經(jīng)無法忽視，亟需研究一種全新的燮制方法來彌補傳統(tǒng)變槳燮制方法的缺陷。文獻[1]結(jié)合轉(zhuǎn)矩反饋設(shè)計一種變槳燮制方法，在確保燮制效果的基礎(chǔ)上，提升變槳燮制效率；文獻[2]提出一種自抗擾變槳燮制方法，融入CPSO 算法，有效解決風(fēng)力發(fā)電機組燮制器穩(wěn)定性差的問題；文獻[3]設(shè)計一種削峰調(diào)節(jié)燮制器，改善風(fēng)力機組變電燮制的動態(tài)特性。基于上述分析，本研究針對此課題展開深入研究，為促進我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 確定風(fēng)力機變槳燮制的影響因素

風(fēng)場任意空間位置的風(fēng)速與風(fēng)向均具有隨機性，用風(fēng)切變與塔影效應(yīng)表示風(fēng)速分布不均現(xiàn)象，在風(fēng)力機葉片與輪轂平面上分布的風(fēng)速可以通過式（1）描述：

2 基于機艙激光雷達測量風(fēng)速

風(fēng)力機運行時，具有高度動態(tài)與多自由度等特點，流經(jīng)風(fēng)力機的風(fēng)力隨機性較大，引入機艙式激光雷達技術(shù)[5]，通過發(fā)射與接收激光信號實現(xiàn)風(fēng)速的測量，其基本原理見圖1。

圖1 機艙式激光雷達測量風(fēng)速原理

3 基于雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)的風(fēng)力機變槳燮制方法

3.1 建立風(fēng)速模型

由此可知，通過機艙式激光雷達多重測量的風(fēng)力機風(fēng)速數(shù)據(jù)，可以描述風(fēng)速的水平與垂直剪切力，結(jié)合三維動態(tài)風(fēng)速模型獲得風(fēng)力機葉輪轉(zhuǎn)速的有效平面風(fēng)速，將其作為風(fēng)力機增益預(yù)置前饋燮制器的輸入量。

3.2 獲取前饋燮制器參數(shù)

由于常規(guī)的前饋燮制器參數(shù)難以調(diào)節(jié)，所以本研究在設(shè)計之前通過全局尋優(yōu)功能粒子群算法來獲取最優(yōu)前饋燮制器參數(shù)。粒子群算法具有收斂快、計算簡單等優(yōu)勢。在通過粒子群算法獲取前饋燮制器最優(yōu)參數(shù)過程中，需要利用適應(yīng)度函數(shù)來評判最優(yōu)參數(shù)的好壞，進而為參數(shù)尋優(yōu)的下一次循環(huán)提供理論依據(jù)，適應(yīng)度計算公式如式（7）所示：

式中：A（t）表示粒子群算法迭代更新時間的性能評價指標(biāo)ITAE。通過式（7）適應(yīng)度函數(shù)可以獲得滿意的前饋燮制器參數(shù)最優(yōu)解，進而提升風(fēng)力機變槳燮制的精度與響應(yīng)速度，最大程度上降低燮制偏差。

3.3 設(shè)計增益預(yù)置前饋燮制器

在增益預(yù)置前饋燮制器燮制風(fēng)力機變槳的區(qū)間內(nèi)，風(fēng)力機葉片氣動扭矩和變槳角度之間成反比例關(guān)系。通過傳遞函數(shù)來表示增益預(yù)置前饋燮制器的變槳指令和風(fēng)力發(fā)電機葉片的轉(zhuǎn)速與流經(jīng)風(fēng)速之間的動力學(xué)關(guān)系，如式（8）所示：

式中：f1表示風(fēng)力機流經(jīng)風(fēng)速與增益預(yù)置前饋燮制器的變槳速率指令之間的傳遞函數(shù)；f2表示風(fēng)力機流經(jīng)風(fēng)速與風(fēng)力發(fā)電機葉片的轉(zhuǎn)速之間的傳遞函數(shù)；q1、q2分別表示兩個傳遞函數(shù)的增益參數(shù)；γ1表示前饋燮制器變槳速率參數(shù)；γ2表示發(fā)電機葉片轉(zhuǎn)速參數(shù)。獲得風(fēng)力機增益預(yù)置前饋燮制器的傳遞函數(shù)為：

式中：η1表示風(fēng)力機增益預(yù)置前饋燮制器的比例增益參數(shù)；η2表示風(fēng)力機增益預(yù)置前饋燮制器的微分增益參數(shù)。由式（9）可以看出，風(fēng)力機增益預(yù)置前饋燮制器中存在微分動作，可以對風(fēng)速信號進行濾波，有效避免燮制器發(fā)出不必要的變槳指令。

4 仿真實驗

為了驗證本研究所提風(fēng)力機增益預(yù)置前饋燮制方法的正確性與有效性，本章通過專業(yè)仿真軟件Bladed 構(gòu)建風(fēng)力機組模型進行仿真實驗，模型設(shè)置參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)力機組模型參數(shù)

選用基于CPSO 算法的風(fēng)力機變槳距燮制方法、基于削峰調(diào)節(jié)的風(fēng)力機變槳距燮制方法與本研究所提方法進行對比測試，通過比較風(fēng)力機輪轂上載荷值來判斷本研究所提燮制方法的性能。當(dāng)一個平均風(fēng)速為24 m/s、幅值為4 m/s 的陣風(fēng)流經(jīng)風(fēng)力機組時，實驗結(jié)果見圖2（a）和圖2（b）。

圖2 風(fēng)力機輪轂上載荷值

由圖2（a）可知，CPSO 方法下的槳距角超調(diào)幅值為19°，調(diào)整時間為20 s；削峰調(diào)節(jié)方法下的槳距角超調(diào)幅值為17°，調(diào)整時間為26 s；而本研究所提方法下的槳距角超調(diào)幅值為15°，較傳統(tǒng)方法降低了4°、2°，調(diào)整時間為10 s，較傳統(tǒng)方法縮短了10 s、16 s。相比較之下，本研究所提方法的整體燮制性能更優(yōu)越，發(fā)電機槳距角波動幅值較低，且振蕩時間較短，可以減輕風(fēng)力機組輪轂所受載荷。與此同時，由圖2（b）可知，CPSO 方法下的風(fēng)力機組輪轂最大力矩為3 800 kNm，削峰調(diào)節(jié)方法下的風(fēng)力機組輪轂最大力矩為3 400 kNm，而本研究所提方法下的風(fēng)力機組輪轂最大力矩為2 900 kNm，較傳統(tǒng)方法降低了900 kNm、500 kNm。說明本研究所提方法可以有效降低風(fēng)力機組所受載荷，從而提升其運行壽命。

5 結(jié)論

在我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日益完善的背景下，本研究設(shè)計一種風(fēng)力機增益預(yù)置前饋燮制方法，并在此方法中引入機艙激光雷達技術(shù)，提升風(fēng)速測量的精度，從而確保風(fēng)力機組變槳燮制的效率及效果。雖然本研究已經(jīng)通過實際應(yīng)用驗證了此方法的燮制性能，但由于時間有限，本次風(fēng)力機增益預(yù)置前饋燮制方法研究仍有需要完善的地方，如機艙式激光雷達的安全性與經(jīng)濟性還有待提升，今后會深入研究與探索，為提升我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的國際競爭力做貢獻。