激光測風系統(tǒng)輔助變槳控制

吳賽男

(中國電能成套設備有限公司，北京 100011)

激光測風系統(tǒng)是風力發(fā)電機發(fā)展過程中的一項新技術。安裝于機艙頂部的激光雷達測風系統(tǒng)可以測量風機正前方一定距離內不斷變化的風向與風速，如果使用這些信息來控制風機的變槳動作，葉片槳距角就會在風速升高 (或降低)前增大 (或減小)。這不但可以降低葉片、輪轂及塔架等主要部件的載荷，使機組安全性得以提高，還可以在陣風來臨前變槳，避免機組出現(xiàn)過速停機的故障，從而增加發(fā)電量。本文就激光測風系統(tǒng)輔助變槳控制的原理及實現(xiàn)進行了分析，并在CH Bladed軟件仿真平臺上對激光測風系統(tǒng)輔助變槳控制器的效果進行仿真，從而驗證了該控制方法的有效性。

圖1 測風激光雷達光路示意圖

1 激光測風系統(tǒng)輔助變槳控制器設計

目前一般采用的變槳控制系統(tǒng)是通過測量葉輪轉速來改變槳距角以保持風機轉速為額定轉速的反饋控制系統(tǒng)。但由于該系統(tǒng)的滯后性，當風速變大時，葉輪系統(tǒng)首先受到大風影響后變槳系統(tǒng)才起作用，這就導致了載荷的增加。而使用激光測風系統(tǒng)后，變槳系統(tǒng)提前動作可以減小機組的載荷。

1.1 激光測風系統(tǒng)原理

激光測風系統(tǒng)基于激光所具有的高度相干性、單色性、方向性和探測器的平方律特性，通過激光外差探測風速。激光雷達測風速原理如圖1所示。

從激光器發(fā)出的頻率為f0的激光，經(jīng)過分光器被分成2束，一束直接送到光電探測器，另一束射向運動粒子 (風)，經(jīng)粒子反射后形成頻率為f的回波，也被送到光電探測器。2束光經(jīng)過中頻放大器后送往鑒頻器。鑒頻器根據(jù)收到的f0和f，并按多普勒原理計算出風的運動速度［1］。

1.2 變槳控制器設計

激光測風系統(tǒng)輔助變槳控制在目前采用的反饋控制系統(tǒng)基礎上添加前饋控制，見圖2［2］。

圖2 反饋及前饋變槳控制系統(tǒng)框圖

圖3 靜態(tài)風速—槳距角曲線

圖2中，ΣFB是當風速大于額定風速時，用來調節(jié)槳距角θ以使發(fā)電機轉速Ω保持在額定轉速的反饋控制器;ΣFF是前饋控制器。在理論上，如果能精確描述風速對轉速的影響ΣΩv及槳距角對轉速的影響ΣΩθ，前饋控制器ΣFF就可由式 (1)得:

由于系統(tǒng)的復雜性，無法精確描述ΣΩv及ΣΩθ，因而無法得到精確的前饋控制器ΣFF。但風場內的風模型可以簡化為一風速變量v［3］，并通過Bladed軟件分析可得到靜態(tài)的槳距角θ與風速v的關系曲線，如圖3所示。通過非線性函數(shù)擬合，可得到θ與v近似函數(shù)關系:θ=θss(v)。在前饋控制器中，該函數(shù)關系為通過風速計算槳距角的基本依據(jù)。

為實現(xiàn)激光測風系統(tǒng)輔助變槳控制，變槳指令采用前饋控制與反饋控制加權求和的方法。其具體形式為

其中，θdemand為變槳指令;θ1為激光測風儀變槳控制給出的變槳位置;θ2為反饋控制器的變槳位置;α為加權系數(shù)。

對于不同配置機組，可通過調節(jié)擬合函數(shù)θ=θss(v)及加權系數(shù)α來得到最優(yōu)變槳控制器。

2 仿真結果

本文使用的某風機模型的風速—槳距角擬合函數(shù)如式 (3)所示。

為實現(xiàn)激光測風儀的前饋控制，達到提前變槳的目的，需要在式 (3)中加入時間提前量τ，即

一般取τ=0.5 s，以確保覆蓋變槳執(zhí)行機構的響應時間［4］。

根據(jù)IEC規(guī)范［5］，分別采用傳統(tǒng)的反饋變槳控制器與激光測風系統(tǒng)輔助變槳控制器，通過在GH Bladed軟件仿真平臺上仿真計算后，得到的機組主要部件疲勞載荷結果如表1～表4所示，極限載荷結果如表5～表8所示。式中，α為式 (2)中的加權系數(shù)，Mx、My、Mz、Mxy、Myz分別為各主要部件在x、y、z、xy、yz方向上受到的力矩;Fx、Fy、Fz、Fxy、Fyz分別為各主要部件在 x、y、z、xy、yz方向上的受力。載荷降低值為正表示載荷降低的比例，反之則表示載荷上升的比例。

從上述表格可知，采用本文的激光測風輔助變槳控制方法 (α=0.5)與傳統(tǒng)的反饋變槳控制方法 (α=0)比較，機組的極限載荷顯著降低，尤其是在風機設計時需要重點關注的葉根My、輪轂Myz、塔底Mxy及偏航軸承Mxy極限載荷降低較大。而當α=0.5時，機組疲勞載荷也有一定的降低，只是其降低值相對較小。

表1 葉根疲勞載荷 (1.2 m)

表2 輪轂疲勞載荷 (靜態(tài))

表3 塔底疲勞載荷 (0.65 m)

表4 偏航軸承疲勞載荷

表5 葉根極限載荷 (1.2 m)

表6 輪轂極限載荷 (靜態(tài))

表7 塔底極限載荷 (0.65 m)

表8 偏航軸承極限載荷

3 結束語

對比傳統(tǒng)的反饋變槳控制器與激光測風系統(tǒng)輔助變槳控制器的仿真結果，可發(fā)現(xiàn)變槳控制方法可有效降低機組主要部件的疲勞載荷及極限載荷，提高機組的安全性能。目前應用激光測風系統(tǒng)的主要障礙在于該系統(tǒng)的成本過高。但隨著風機技術的發(fā)展、機組額定功率的提高及激光測風系統(tǒng)自身成本的降低，將體現(xiàn)出該系統(tǒng)經(jīng)濟價值。

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