5MW風(fēng)電機(jī)組控制策略研究與仿真

文 | 劉紅文 阮向艷 萬宇賓 劉春秀 符偉杰 杜佳佳 蔣韜

5MW風(fēng)電機(jī)組控制策略研究與仿真

文 | 劉紅文 阮向艷 萬宇賓 劉春秀 符偉杰 杜佳佳 蔣韜

隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，變速變槳風(fēng)電機(jī)組已得到廣泛的應(yīng)用，單機(jī)容量正朝大功率等級(jí)發(fā)展，據(jù)中國風(fēng)能協(xié)會(huì)（CWEA）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前已出現(xiàn)了3MW－5MW商業(yè)化風(fēng)電機(jī)組。然而，風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，如何使風(fēng)電機(jī)組能盡可能多的從風(fēng)中捕獲風(fēng)能、提高其并網(wǎng)后的電能質(zhì)量以及減小載荷，控制策略的選取和控制器的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。如何開發(fā)出適應(yīng)于大功率等級(jí)風(fēng)電機(jī)組的控制策略和控制器，成為熱點(diǎn)研究問題。本文以NREL實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory）的5MW風(fēng)電機(jī)組模型為研究對(duì)象，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的基本控制策略和改進(jìn)控制策略進(jìn)行分析和研究，利用Matlab對(duì)控制器進(jìn)行時(shí)域、頻域的仿真，在此基礎(chǔ)上，以FAST（Fatigue, Aerodynamics，Structres，Turbulence）為整機(jī)仿真軟件，分別以定常風(fēng)和IEC標(biāo)準(zhǔn)定義的湍流風(fēng)對(duì)控制器的性能進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：（1）額定風(fēng)速以下時(shí)，轉(zhuǎn)矩控制器能很好的調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速，使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在最優(yōu)Cp點(diǎn)，捕獲更多風(fēng)能；（2）額定風(fēng)速以上時(shí)，風(fēng)電機(jī)組槳距控制通過槳距角的調(diào)節(jié)，使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在額定功率點(diǎn)；（3）在風(fēng)電機(jī)組控制策略中添加低通濾波器、陷波濾波器、扭振控制和塔架前后振動(dòng)反饋控制，可以減小塔架振動(dòng)，進(jìn)而減小載荷。

變速變槳風(fēng)電機(jī)組基本控制策略

對(duì)于變速變槳運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組，運(yùn)行原理圖如圖1所示，其基本的控制目標(biāo)為：（1）額定風(fēng)速以下時(shí)，采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，跟蹤最優(yōu)葉尖速比，使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)的最大Cp處，從而捕獲更多的風(fēng)能；（2）額定風(fēng)速以上時(shí)，采用變槳控制，維持發(fā)電機(jī)組的恒功率運(yùn)行。

一、額定風(fēng)速以下的轉(zhuǎn)矩控制

由葉片的空氣動(dòng)力學(xué)特性，風(fēng)電機(jī)組從風(fēng)中捕獲的能量為：

式（1）－（2）中：ρ為空氣密度；A為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積；λ為葉尖速比；為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；R為風(fēng)輪半徑；β為槳距角；V為風(fēng)速；為功率系數(shù)，表征風(fēng)輪從風(fēng)中捕獲風(fēng)能大小的能力，是λ和β函數(shù)。

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在額定風(fēng)速以下時(shí)，風(fēng)電機(jī)組最優(yōu)Cp運(yùn)行，此階段的槳距角β為恒定值（為最優(yōu)槳距角）。因此，將式（2）帶入式（1）得：

忽略傳動(dòng)鏈等功率損耗，則發(fā)電機(jī)功率即為風(fēng)輪捕獲功率，因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為：

定義齒輪箱增速比：

故式（4）可改寫成：

圖1 5MW風(fēng)電機(jī)組功率曲線

定義最優(yōu)增益：

因此，

由以上公式可知：額定風(fēng)速以下時(shí)，為了盡可能的捕獲風(fēng)能，則必須保證Cp處于最優(yōu)值，為了保證風(fēng)電機(jī)組的葉尖速比，必須隨著風(fēng)速的波動(dòng)，動(dòng)態(tài)改變發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的控制通過給定發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)。

二、額定風(fēng)速以上的變槳控制

額定風(fēng)速以上時(shí)，風(fēng)電機(jī)組受機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、發(fā)電機(jī)、設(shè)計(jì)要求等條件限制，必須通過變槳，減小風(fēng)能捕獲，減小載荷，使風(fēng)電機(jī)組維持在額定功率運(yùn)行。在此階段，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定為額定值，因此可通過增加控制器，使風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速維持在額定轉(zhuǎn)速，其控制框圖如圖2所示。

若采用PI控制，PI控制器的傳遞函數(shù)形式為：

改進(jìn)的控制策略

基本的控制策略沒有考慮風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)力學(xué)特性，因此無法考慮風(fēng)電機(jī)組的共振、扭振等問題。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生共振或者扭振時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的載荷急劇增大，影響關(guān)鍵零部件的安全性和使用壽命。因此，有必要在控制策略開發(fā)時(shí)，解決風(fēng)電機(jī)組共振和扭振等問題，尤其是大型風(fēng)電機(jī)組。

一、加入低通和陷波濾波器

當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，1個(gè)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)一周，對(duì)靜止的機(jī)艙－塔架系統(tǒng)產(chǎn)生1P的激振力，對(duì)于3葉片風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，會(huì)產(chǎn)生3P、6P為主的激振力，當(dāng)然還有9P、12P等高頻分量。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的某一部件的固有頻率與激振頻率相同時(shí)，會(huì)引起共振，風(fēng)電機(jī)組載荷急劇增大。因此，在進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的坎貝爾圖，設(shè)計(jì)陷波濾波器，將3P、6P頻率濾掉。陷波濾波器的傳遞函數(shù)形式為：

另外，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速為傳感器測量信號(hào)，為了減小高頻信號(hào)對(duì)控制器的影響，提高控制系統(tǒng)抗高頻干擾能力，可在控制器設(shè)計(jì)時(shí)增加低通濾波器, 其傳遞函數(shù)形式為：

ω為無阻尼自然頻率，ξ為阻尼，低通濾波器的Bode圖如圖4所示。

二、傳動(dòng)鏈阻尼扭振控制

對(duì)于變速恒頻運(yùn)行的雙饋異步風(fēng)電機(jī)組，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定為恒定值，阻尼很小。低阻尼的情況下，會(huì)引起傳動(dòng)鏈較大的扭振，進(jìn)而引起齒輪箱的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，增加齒輪箱的疲勞載荷，加劇齒輪箱的損壞。因此，為了減小齒輪箱的載荷，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組變槳控制時(shí)，在轉(zhuǎn)矩給定值上增加一個(gè)很小的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，增加有效阻尼。風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)振動(dòng)與葉片面內(nèi)一階模態(tài)、塔架左右二階模態(tài)直接相關(guān)，通過帶通濾波器在轉(zhuǎn)速測量值上將該特征頻率取出，經(jīng)增益、移相處理后，加入轉(zhuǎn)矩指令，從而抵消扭振的諧振，有效增加阻尼效果，控制傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)，增加一個(gè)帶通濾波器，達(dá)到傳動(dòng)鏈扭振控制的目的，帶通濾波器的傳遞函數(shù)為：

圖2 變槳控制框圖

圖3 陷波濾波器的Bode圖

其中，G為增益，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的輔助波動(dòng)；ω應(yīng)選取在阻尼振蕩頻率附近，即葉片面內(nèi)一階模態(tài)、塔架左右二階模態(tài)附件，但必須避開3P，6P 頻率；τ為為時(shí)間常數(shù)，用于補(bǔ)償系統(tǒng)的時(shí)間滯后。

三、塔架前后振動(dòng)控制

由于外部激振力的存在，塔架會(huì)在前后方向和左右方向振動(dòng)。塔架前后方向阻尼很小，其對(duì)激振力的響應(yīng)情況與葉輪有效機(jī)械阻尼相關(guān)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速以上，風(fēng)電機(jī)組開始變槳?jiǎng)幼?，軸向推力在變槳過程中發(fā)生變化，作為塔架的外部激振力，如果不增加阻尼，塔架振動(dòng)會(huì)很大,且以塔架前后一階模態(tài)為主。而振動(dòng)增大會(huì)增加載荷，因此在控制器設(shè)計(jì)時(shí)，需要調(diào)節(jié)變槳?jiǎng)幼鲿r(shí)的有效阻尼，對(duì)塔架前后一階振動(dòng)進(jìn)行控制。塔架前后振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性可振動(dòng)微分方程描述，如式（13）所示：

式（13）中，M為質(zhì)量，D為阻尼系數(shù)，S為剛度系數(shù)。假設(shè)由于變槳引起激振力的變化為Δ，則塔架的振動(dòng)微分方程可改寫為：

附加阻尼Dp的計(jì)算為：

仿真與分析

以NREL－5MW風(fēng)電機(jī)組為仿真模型，采用Matlab對(duì)控制器進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，并用Simulink搭建控制系統(tǒng)，結(jié)合整機(jī)仿真軟件FAST，建立風(fēng)電機(jī)組的非線性模型和控制模型，對(duì)5MW整機(jī)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真分析，5MW風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)見表1。

一、控制系統(tǒng)時(shí)域和頻域分析

圖6和圖7分別為轉(zhuǎn)矩控制設(shè)計(jì)和變槳控制設(shè)計(jì)時(shí)的Bode圖，圖8和圖9分別為額定風(fēng)速以下和額定風(fēng)速以上時(shí)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組線性化后的模型的階躍響應(yīng)。圖6和圖7表明，在一定頻率進(jìn)行陷波濾波，避免共振。同時(shí)，從幅頻特性可看出，控制器具有抗高頻干擾的能力。圖8和圖9的階躍響應(yīng)表明，轉(zhuǎn)矩控制器和變槳控制在相應(yīng)的作用風(fēng)速段是穩(wěn)定的，調(diào)節(jié)時(shí)間均在10s左右，滿足控制器設(shè)計(jì)要求。

圖4 低通濾波器的Bode圖

圖5 塔架前后振動(dòng)控制框圖

表1 5MW風(fēng)電機(jī)組基本參數(shù)

圖6 轉(zhuǎn)矩控制設(shè)計(jì)時(shí)的Bode圖

圖7 變槳控制設(shè)計(jì)時(shí)的Bode圖

圖8 風(fēng)速為4 m/s-11 m/s時(shí)風(fēng)電機(jī)組的階躍響應(yīng)

二、FAST整機(jī)性能仿真與分析

（1）仿真情形1：V=6m/s 的定常風(fēng)

以6m/s的定常風(fēng)為檢驗(yàn)工況，測試轉(zhuǎn)矩控制器的性能。FAST整機(jī)仿真結(jié)果如圖10－圖12所示。發(fā)電機(jī)功率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線表明，轉(zhuǎn)矩控制性穩(wěn)定。圖12表明，轉(zhuǎn)矩控制器能較好的跟蹤最優(yōu)Cp，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。

（2）仿真情形2：V=18m/s 的定常風(fēng)

以V=18m/s的定常風(fēng)為例，檢驗(yàn)變槳控制器的性能。圖13－圖15表明，變槳控制器性能穩(wěn)定，維持發(fā)電機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)變槳控制。

（3）仿真情形3：V=18m/s的IEC湍流風(fēng)

以V=18m/s的IEC湍流風(fēng)作為復(fù)雜工況，進(jìn)一步檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的性能，其結(jié)果如圖16－圖20所示。

圖17和圖19表明，盡管風(fēng)速頻繁波動(dòng)，但風(fēng)電機(jī)組在控制器的作用下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和槳距角能跟隨風(fēng)速的變化而變化，與控制策略吻合。圖18表明，當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以上波動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率在額定附近有輕微波動(dòng)，一方面由于風(fēng)輪是一個(gè)大慣性系統(tǒng)，響應(yīng)較慢；另一方面原因是變槳控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差，PI控制后得到槳距角，槳距角執(zhí)行器會(huì)有一個(gè)執(zhí)行時(shí)間，因此會(huì)出現(xiàn)延時(shí)，導(dǎo)致上述波動(dòng)情況。圖20表明，加入塔架前后振動(dòng)控制，塔頂?shù)恼駝?dòng)幅值明顯減小，進(jìn)而減小載荷。

結(jié)語

圖9 風(fēng)速為12m/s-25m/s時(shí)風(fēng)電機(jī)組的階躍響應(yīng)

圖10 發(fā)電機(jī)功率變化曲線

圖11 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖12 Cp變化曲線

圖13 發(fā)電機(jī)功率變化曲線

圖14 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖15 槳距角變化曲線

圖16 風(fēng)速變化曲線

圖17 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖18 發(fā)電機(jī)功率變化曲線

本文對(duì)風(fēng)電機(jī)組基本控制策略進(jìn)行了描述，并結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)力學(xué)性能，對(duì)減小共振、扭振以及塔架前后振動(dòng)的控制策略進(jìn)行了研究，以5MW風(fēng)電機(jī)組為例，對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用matlab對(duì)控制系統(tǒng)的時(shí)域和頻域進(jìn)行分析，并采用FAST整機(jī)仿真軟件對(duì)控制器的性能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：（1）額定風(fēng)速以下時(shí)，改進(jìn)后的控制策略能保證風(fēng)電機(jī)組最大風(fēng)能捕獲運(yùn)行；（2）額定風(fēng)速以上時(shí)，改進(jìn)后的控制策略能保證風(fēng)電機(jī)組恒功率運(yùn)行；（3）改進(jìn)后的控制策略能避免風(fēng)電機(jī)組共振和扭振，減小塔架前后振動(dòng)。

圖19 槳距角變化曲線

圖20 塔架前后振動(dòng)

（作者單位：劉紅文 萬宇賓 劉春秀 符偉杰 杜佳佳 蔣韜：南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司；阮向艷：中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院）