基于雙控制器平滑切換的變槳控制算法開發(fā)

李鳳格，盧曉光

（1.許昌智能繼電器股份有限公司，許昌 461000；2.許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，許昌 461000）

目前，風(fēng)電機(jī)組大型化、控制方案智能化發(fā)展趨勢明顯[1-3]。機(jī)組各主要部件質(zhì)量持續(xù)加大、柔性程度增加，機(jī)組承受載荷情況復(fù)雜[4-5]，因此需要優(yōu)化控制機(jī)組載荷，保證機(jī)組運(yùn)行安全。同時(shí)，因優(yōu)質(zhì)風(fēng)場開發(fā)殆盡，陸上山地風(fēng)電場開發(fā)市場火爆，山地風(fēng)場特征是湍流強(qiáng)度大，局部上升陣風(fēng)頻繁，目前控制策略在遭遇上升的陣風(fēng)風(fēng)況時(shí)，參數(shù)變化規(guī)律造成風(fēng)機(jī)超速故障頻發(fā)，導(dǎo)致槳葉和塔架出現(xiàn)尖峰載荷，機(jī)組振動(dòng)故障居高不下[6-8]，機(jī)組安全問題成為技術(shù)攻關(guān)的緊迫任務(wù)。

陣風(fēng)風(fēng)況，槳距角短時(shí)間內(nèi)跟不上實(shí)際風(fēng)速變化速度，此時(shí)，PI 的增益值出現(xiàn)短暫匹配不佳現(xiàn)象，造成控制混亂，機(jī)組超速振動(dòng)現(xiàn)象明顯。基于此，本文嘗試設(shè)計(jì)一種應(yīng)對陣風(fēng)風(fēng)況的模糊變槳增益調(diào)節(jié)器，利用專家經(jīng)驗(yàn)應(yīng)對陣風(fēng)風(fēng)況。但大部分常規(guī)風(fēng)況，變增益PI 控制對減小機(jī)組疲勞載荷，實(shí)現(xiàn)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行方面是優(yōu)于模糊變槳控制的。故此，進(jìn)一步嘗試設(shè)計(jì)雙變槳控制器的方案，該方案重點(diǎn)在于2 套控制器的無拐點(diǎn)切換控制，根據(jù)風(fēng)況特征發(fā)揮2 套控制器各自優(yōu)勢，以求多數(shù)時(shí)間段平穩(wěn)發(fā)電，陣風(fēng)風(fēng)況避免超速及振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組減載目的。

1 變槳雙控制器框架設(shè)計(jì)

變增益PI 變槳控制結(jié)構(gòu)簡單，對于消除穩(wěn)態(tài)誤差性能優(yōu)越。但對陣風(fēng)風(fēng)況控制欠佳，高湍流風(fēng)場機(jī)組超速、振動(dòng)故障頻繁，機(jī)組可利用小時(shí)數(shù)下降、載荷增加，安全隱患增加。

模糊PI 變槳控制對陣風(fēng)風(fēng)況具有很好的快速跟隨性和魯棒性，但控制精確度不足，控制點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)和死區(qū)，難以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。不能一直作為風(fēng)電機(jī)組變槳主控制算法使用。

根據(jù)以上控制器特征及存在問題分析，雙控制器的框架結(jié)構(gòu)如下設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)變增益PI 控制器和模糊PI 控制器同時(shí)運(yùn)行在一個(gè)PLC 中，根據(jù)外界條件的差異性判斷，切換算法得出變槳控制的最終槳距控制指令，必要時(shí)，使用2 個(gè)控制器輸出的加權(quán)值進(jìn)行變槳系統(tǒng)控制。

變槳雙控制器整體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，其中變增益PI 控制器輸入為轉(zhuǎn)速偏差和槳距角實(shí)時(shí)值，槳距角實(shí)時(shí)值通過增益變換得到當(dāng)前PI 控制kp、ki，整體PI 控制輸入變槳目標(biāo)值β1。變槳模糊控制器輸入為轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速加速度值，經(jīng)模糊控制器輸出模糊控制器槳距角參考值β2。切換算法輸入為轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速加速度值的乘積，乘積大意味著外部有效風(fēng)速變化大，以此選擇哪個(gè)控制器作為變槳控制的最終輸出值，并對控制器切換過程做平滑處理，根據(jù)需要在部分區(qū)域做2 個(gè)控制器輸出的加權(quán)計(jì)算，形成最終的變槳控制目標(biāo)值。

圖1 變槳雙控制器整體規(guī)劃Fig.1 Overall planning of pitch dual controller

2 變增益PI 變槳控制器設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組變槳控制器的任務(wù)為當(dāng)風(fēng)電機(jī)組功率達(dá)到額定功率后，進(jìn)行變槳卸載風(fēng)能吸收率，通過槳距角的調(diào)整，保持功率及轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。風(fēng)機(jī)變槳控制通常采用變增益PI 控制器。

對于PI 控制器有：

式中：ω 為電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差值；β1為PI 控制器輸出變槳角度給定值；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)。令Ti=Kp/Ki得：

式中：Ki為控制器積分系數(shù)。實(shí)際PLC 控制器運(yùn)行的算法，需對傳遞函數(shù)進(jìn)行離散性變換，現(xiàn)選用雙線性變換進(jìn)行Z 變換得：

式（3）即PLC 控制器內(nèi)應(yīng)用的變槳PI 控制函數(shù)關(guān)系式。

考慮到葉片的氣動(dòng)特性與變槳角度間存在強(qiáng)非線性關(guān)系，額定風(fēng)速時(shí)，槳距角變化率對氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的敏感度相對很低，而在切出風(fēng)速附近，槳距角變化率對氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的敏感度很高。如果不同風(fēng)速應(yīng)用同一PI 控制參數(shù)，則必然造成機(jī)組調(diào)節(jié)波動(dòng)。

現(xiàn)根據(jù)風(fēng)輪氣動(dòng)特性的非線性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)PI 控制增益參數(shù)的變化過程。氣動(dòng)特性變化源于輸入風(fēng)速的變化，但風(fēng)電機(jī)組采集的風(fēng)速只代表采集點(diǎn)風(fēng)速，不能代替整個(gè)風(fēng)輪平面內(nèi)的有效風(fēng)速，故此，機(jī)組功率控制不會(huì)以采集風(fēng)速作為輸入量。穩(wěn)定狀態(tài)的槳距角與風(fēng)輪平面等效風(fēng)速有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，故此選擇槳距角為變增益表的控制輸入量。現(xiàn)做不同槳距角下槳距角變化與氣動(dòng)載荷的變化率數(shù)據(jù)，依據(jù)此數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化出不同槳距角輸入量下的PI 控制增益變化值。樣例機(jī)組的槳距角變化與氣動(dòng)載荷的變化率如圖2 所示。

圖2 槳距角與氣動(dòng)載荷的變化率關(guān)系Fig.2 Relationship between the change rate of pitch angle and aerodynamic load

3 變槳模糊控制器設(shè)計(jì)

變槳系統(tǒng)模糊控制器用于突變陣風(fēng)風(fēng)況下的控制。風(fēng)電機(jī)組的變槳模糊控制設(shè)計(jì)如下：

模糊控制器的輸出為模糊增益參數(shù)K，用以和變增益PI 控制器的比例參數(shù)基準(zhǔn)值相乘。其基本形式為

式中：kp為比例參數(shù)的初始設(shè)計(jì)值。

選擇電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速變化率作為模糊控制器輸入?yún)?shù)，根據(jù)樣例風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)特征。其基本論域設(shè)置為［-13.6 rad/s，13.6 rad/s］，［-1.57 rad/s2，15 rad/s2］。

輸入論域定義：輸入量基本論域均對應(yīng)與模糊論域｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝，模糊子集為｛NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL｝。兩輸入量對應(yīng)于49 條模糊規(guī)則。隸屬函數(shù)采用三角隸屬函數(shù)。

其中：NL 為負(fù)大，NM 為負(fù)中，NS 為 負(fù)小，ZO為零，PS 為正小，PM 為正中，PL 為正大。模糊規(guī)則制定主要依據(jù)風(fēng)電機(jī)組速度、加速度與陣風(fēng)變化趨勢的多年數(shù)據(jù)積累結(jié)果制定，規(guī)則的定義，并非均分的線性對應(yīng)關(guān)系。模糊規(guī)則的統(tǒng)一邏輯關(guān)系為

式中：R 為n 條規(guī)則構(gòu)成的模糊關(guān)系集；?為合成算子；（Ai×Bi）為2 條模糊集合的直積；Ai、Bi為輸入變量在其論域上的變量值；Ci為輸出變量在其論域上的模糊變量值。

對于連續(xù)控制器的模糊推理，表示為

式中：μAi、μBi、μCi、μC′分別為模糊集合Ai、Bi、Ci及連續(xù)論域μC′的隸屬函數(shù)；αi為第i 條規(guī)則的激活程度。

控制器的輸出論域定義：根據(jù)樣例機(jī)組對陣風(fēng)風(fēng)況的響應(yīng)特征和變槳增益不能為負(fù)值的要求，輸出量K 的基本論域?yàn)椋?，3］，控制器輸出量的論域?yàn)椋?，1，2，3｝，模糊子集為｛ZO，PS，PM，PL｝。

現(xiàn)在已經(jīng)得到了模糊輸出的激活程度，用重心法求取清晰化輸出，計(jì)算公式如下：

式中：z0為清晰化輸出結(jié)果；z 為模糊輸出在其論域內(nèi)的語言變量值。

模糊控制規(guī)則表的搭建遵循總體原則和具體機(jī)型及具體機(jī)位風(fēng)況匹配原則兩個(gè)基本原則。總體原則建立的規(guī)則表變化趨勢趨同，反映機(jī)組常規(guī)變化特性；如轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速加速度同向變化且變化率處于正大位置時(shí)，陣風(fēng)處于增大時(shí)段，PI 控制調(diào)節(jié)要以快為主，確保機(jī)組不超速。反之，輸出以減小PI 控制系數(shù)，防止機(jī)組功率不因變槳卸載能量超調(diào)導(dǎo)致功率大幅波動(dòng)。

機(jī)組超速故障和振動(dòng)故障與變槳速度強(qiáng)相關(guān)，陣風(fēng)工況下，快速的調(diào)槳可以規(guī)避機(jī)組超速，但會(huì)引起氣動(dòng)載荷巨變導(dǎo)致振動(dòng)，緩慢調(diào)槳可抑制振動(dòng)，但又易造成機(jī)組超速。模糊控制規(guī)則表要合理平衡機(jī)組超速與振動(dòng)這對變槳強(qiáng)相關(guān)故障之間的矛盾，而具體機(jī)型及機(jī)位風(fēng)況匹配原則，是兼顧特定機(jī)型響應(yīng)曲線需求的精細(xì)化設(shè)計(jì)。樣例機(jī)型高湍流控制規(guī)則如表1 所示。

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rule

4 雙控制器切換控制

PLC 內(nèi)運(yùn)行變增益PI 控制器和模糊PI 控制器，同一時(shí)刻會(huì)輸出2 個(gè)變槳控制指令值，現(xiàn)根據(jù)風(fēng)況合理切換控制器的輸出值，切換過程要求具有平滑性，避免系統(tǒng)在切換點(diǎn)附近發(fā)生控制失穩(wěn)現(xiàn)象。現(xiàn)利用兩點(diǎn)三次Hermite 插值函數(shù)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)造形式如下：

式中：β0為當(dāng)前槳距角控制指令值；β1為變增益PI控制器指令值；β2為模糊PI 控制器指令值；p1、p2為雙控制器的切換點(diǎn)，且p2＞p1＞0；p 為切換控制器輸入值，并定義p 等于電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差與電機(jī)加速度的乘積的絕對值。切換函數(shù)的圖形如圖3 所示。

圖3 切換函數(shù)趨勢圖Fig.3 Switch function trend chart

由切換函數(shù)可知，當(dāng)p＜p1時(shí)雙控制器轉(zhuǎn)換為常規(guī)變增益PI 控器；當(dāng)p＞p2時(shí)雙控制器為模糊控制過程；當(dāng)p1≤p≤p2時(shí)，雙控制器以一定的權(quán)重比共同控制變槳系統(tǒng)。切換控制的關(guān)鍵參數(shù)為p1、p2的選取，不同的葉片翼型，以及不同的風(fēng)況表現(xiàn)形式，只需在p1、p2的選取進(jìn)行優(yōu)化，即可得到不同的控制效果。實(shí)際參數(shù)確定過程，是專家能力和經(jīng)驗(yàn)的體現(xiàn)。本案例機(jī)組，p1選取2.2，p2選取3.1。

5 控制算法效果分析

現(xiàn)以4MW172 機(jī)組為樣例機(jī)組，用Bladed 軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，分析算法控制效果。同時(shí)對樣例機(jī)組在現(xiàn)場運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析雙控制器算法使能與不使能機(jī)組運(yùn)行特性的差異。

5.1 仿真分析情況

為驗(yàn)證控制效果，并考慮到驗(yàn)證過程能清晰比較控制，現(xiàn)利用相同的風(fēng)機(jī)模型和相同的風(fēng)速輸入條件，如圖4 所示，對開啟和關(guān)閉雙控制平滑切換變槳控制進(jìn)行仿真對比，輸出結(jié)果的關(guān)鍵數(shù)據(jù)如圖5～圖8 所示。

圖4 仿真風(fēng)速Fig.4 Simulated wind speed

圖5 轉(zhuǎn)速變化趨勢Fig.5 Speed variation trend

圖6 葉根扭矩變化趨勢Fig.6 Trend of blade root torque variation

圖7 塔底扭矩變化趨勢Fig.7 Trend chart of torque change at tower bottom

由圖5 可知，電機(jī)轉(zhuǎn)控制效果明顯，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為1700 r/min，變增益IP 控制已超出限制值1780 r/min，導(dǎo)致機(jī)組超速告警，而雙控制器控制成功避免了此告警。

由圖6～圖8 可知，機(jī)組主要部件葉根、塔架、輪轂載荷均得到了較好抑制。其中葉根載荷降14%，塔架載荷降18%，輪轂載荷降15%。

圖8 輪轂載荷變化趨勢Fig.8 Hub load change trend diagram

5.2 現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本次算法對比選擇三門峽某風(fēng)場，在TW17# 機(jī)組和TW18#機(jī)組上進(jìn)行。兩臺(tái)機(jī)組位置相鄰，地形相同，機(jī)型相同，其中TW17#機(jī)組為更新算法機(jī)組。經(jīng)3 個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，獲得大風(fēng)大湍流天數(shù)12天。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.2 Field experiment statistics

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，算法對超速和振動(dòng)都有較好地抑制，其中完全杜絕了超速故障，振動(dòng)故障減少70%以上。

6 結(jié)語

本文提出了變槳在正常風(fēng)況下和大陣風(fēng)風(fēng)況下應(yīng)用不同變槳控制策略的風(fēng)電機(jī)組變槳控制設(shè)計(jì)思路。根據(jù)陣風(fēng)風(fēng)況特征完成了變槳模糊控制器開發(fā)，并設(shè)計(jì)了與變增益PI 控制器之間的平滑無拐點(diǎn)切換控制，實(shí)現(xiàn)雙控制器自適應(yīng)平滑切換變槳控制策略的開發(fā)。針對新開發(fā)的控制器，進(jìn)行了仿真分析及現(xiàn)場檢驗(yàn)評(píng)價(jià)，仿真結(jié)果證明算法對超速抑制的有效性，同時(shí)對風(fēng)電機(jī)組主要部件的陣風(fēng)降載效果明顯，塔架、葉根和輪轂在陣風(fēng)沖擊下載荷降低比率均達(dá)到10%以上。現(xiàn)場驗(yàn)證評(píng)價(jià)證明了算法對超速和振動(dòng)故障發(fā)生率的降低效果，算法可增強(qiáng)機(jī)組在山地風(fēng)場的適應(yīng)能力，提升機(jī)組安全性。