變速變槳風(fēng)力機(jī)的自適應(yīng)變槳及轉(zhuǎn)矩控制

杜靜，文薄程，謝雙義，金鑫，倪小偉

（重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030）

變速變槳風(fēng)力機(jī)的自適應(yīng)變槳及轉(zhuǎn)矩控制

杜靜，文薄程，謝雙義，金鑫，倪小偉

（重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030）

針對(duì)風(fēng)力機(jī)特性仿真結(jié)果的不準(zhǔn)確性，風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過程中運(yùn)行參數(shù)的變化導(dǎo)致最初選定的名義槳距角可能不是最優(yōu)值，以及傳統(tǒng)變槳可能導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)過大的問題，提出自適應(yīng)變槳控制策略和線性二次型調(diào)節(jié)(linear quadratic regulator，LQR)轉(zhuǎn)矩控制策略。以5 MW變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為驗(yàn)證對(duì)象，使用Matlab/Simulink和FAST軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果表明所提出的控制策略能很好地解決槳距角最優(yōu)值的確定以及在額定風(fēng)速以上電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)過大的問題。

變速變槳；自適應(yīng)；線性二次型調(diào)節(jié)

風(fēng)能作為一種綠色和可再生能源正受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾?。早期設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)大多數(shù)是定速的，即風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速是固定的，而現(xiàn)在風(fēng)力機(jī)逐漸趨于變速運(yùn)行，這是因?yàn)樽兯亠L(fēng)力機(jī)能在更大程度上捕獲風(fēng)能，而且在大多數(shù)的變速風(fēng)力機(jī)中，葉片的槳距角是可以調(diào)節(jié)的，通過葉片的變槳?jiǎng)幼骺梢钥刂骑L(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在額定風(fēng)速以下時(shí)，傳統(tǒng)方法是將葉片的槳距角設(shè)定在一個(gè)固定值上，在風(fēng)速變化的情況下，控制系統(tǒng)可以使槳距角從這個(gè)固定值開始變化，從而控制風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率和葉輪轉(zhuǎn)速。能夠使風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)效率最優(yōu)的槳距角叫做最優(yōu)槳距角，目前有很多種確定這個(gè)值的方法和模型，但這些方法和模型往往存在一些誤差。另外，在實(shí)際制造和安裝風(fēng)力機(jī)的過程中都會(huì)或多或少存在誤差，使風(fēng)力機(jī)不能從風(fēng)中捕獲最大功率。當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在額定風(fēng)速以上時(shí)，傳統(tǒng)的控制策略是采用恒功率控制[1]，但這可能在一定程度上增大電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，使風(fēng)力機(jī)的安全性降低，還會(huì)增加風(fēng)力機(jī)的制造成本。因此控制風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩和變槳?jiǎng)幼鳎瑢?duì)風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)來說是一項(xiàng)很重要的任務(wù)。

1 風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)特性分析

當(dāng)風(fēng)穿過葉輪旋轉(zhuǎn)平面時(shí)，由于風(fēng)輪不可能吸收所有的風(fēng)能，因此會(huì)存在一個(gè)效率問題，在風(fēng)力機(jī)中叫做風(fēng)能利用系數(shù)，用p表示，它是葉尖速比和槳距角的函數(shù)[2]，可以表示為：

式中：ω為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度；為葉輪半徑。

使用WT-Perf[3]軟件可求得p曲面，如圖1所示。從圖中可以看出，當(dāng)葉尖速比和槳距角都取某個(gè)特定值時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)才可能會(huì)最大。

2 變速變槳風(fēng)力機(jī)的傳統(tǒng)控制策略

2.1 變速變槳風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行區(qū)間

變速變槳風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行區(qū)間一般可以分為3個(gè)，如圖2所示。

圖1 變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率運(yùn)行曲線

圖2 變速變槳風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行區(qū)間

區(qū)域1表示啟動(dòng)區(qū)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)并沒有啟動(dòng)；區(qū)域2表示低于額定風(fēng)速區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)的控制目標(biāo)是盡可能使風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)最大，此時(shí)的槳距角等于最優(yōu)槳距角*，為一定值；區(qū)域3表示的是高于額定風(fēng)速區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)一般采用恒功率控制策略，同時(shí)對(duì)葉片進(jìn)行變槳以防止葉輪超速運(yùn)行。

2.2 變速變槳風(fēng)力機(jī)的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和變槳控制

當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在區(qū)域3上，為了防止發(fā)電功率及葉輪轉(zhuǎn)速超過額定值，對(duì)葉片進(jìn)行變槳?jiǎng)幼鳌鹘y(tǒng)的變槳控制器采用PI控制技術(shù)和增益調(diào)度技術(shù)[4-6]來對(duì)葉片的變槳?jiǎng)幼鬟M(jìn)行控制。

3 新型變槳控制策略

3.1 自適應(yīng)變槳控制

當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在區(qū)域2上時(shí)，槳距角固定在恒值上，這個(gè)恒值一般通過仿真得到，但由于仿真過程中可能存在一些誤差，導(dǎo)致得出的槳距角可能并不是最優(yōu)的。另外，在實(shí)際安裝的風(fēng)力機(jī)中，由于安裝誤差等因素也可能對(duì)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行參數(shù)產(chǎn)生影響，此時(shí)如果槳距角的最優(yōu)設(shè)定值沒有發(fā)生相應(yīng)改變則可能會(huì)使其風(fēng)能利用系數(shù)降低，而自適應(yīng)變槳控制就可以解決這個(gè)問題。

自適應(yīng)變槳控制器使用離散的爬山法來改變槳距角的值，從而使風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)效率最大化。式(5)～(7)表示的是自適應(yīng)變槳控制的基本算法。

3.2 基于LQR的變槳控制策略

線性二次型調(diào)節(jié)(linear quadratic regulator，LQR)是現(xiàn)代控制理論中發(fā)展最早也最為成熟的一種狀態(tài)空間設(shè)計(jì)方法，它以狀態(tài)空間形式的線性系統(tǒng)為對(duì)象，以對(duì)象狀態(tài)和控制輸入的二次型函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)。通過構(gòu)造反饋增益，在較低的控制成本下實(shí)現(xiàn)原系統(tǒng)較好的性能指標(biāo)[9]。

假定有如下線性時(shí)不變系統(tǒng)：

構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)：

由最優(yōu)控制理論知，反饋增益矩陣由式(12)計(jì)算：

在此基礎(chǔ)上可構(gòu)建反饋法則：

Matlab LQR程序計(jì)算得到的閉環(huán)極點(diǎn)為－3.623±14.79，－4.3701±4.787，以及－3.897。所生成的增益矩陣為：

4 仿真分析

本文選擇美國能源實(shí)驗(yàn)室提供的5 MW風(fēng)機(jī)作為仿真模型，其葉輪半徑約63m，輪轂中心的高度是90m。借助FAST與Matlab進(jìn)行聯(lián)合仿真，所搭建的Simulink模型如圖3所示。

圖3 Simulink仿真模型

在8m/s的常風(fēng)條件下對(duì)自適應(yīng)變槳控制進(jìn)行仿真，其槳距角和葉輪功率系數(shù)的仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。可以看出，槳距角起始角度約為4.5°，當(dāng)槳距角變?yōu)?°時(shí)葉輪功率系數(shù)最大，約為0.47。

圖4 在恒風(fēng)速下槳距角的自適應(yīng)變化結(jié)果

圖5 在恒風(fēng)速下葉輪功率系數(shù)的變化結(jié)果

選用18m/s的湍流風(fēng)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)進(jìn)入變槳控制階段，自適應(yīng)變槳不再起作用。圖6表示在兩種變槳控制策略下高速軸扭矩的仿真結(jié)果對(duì)比。從圖6中可以明顯看出，在LQR變槳控制策略下，高速軸扭矩的波動(dòng)以及峰值都有明顯的減小。

圖6 在湍流風(fēng)下的高速軸扭矩對(duì)比

5 結(jié)論

分析了變速變槳風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性，針對(duì)仿真軟件的不準(zhǔn)確性，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行參數(shù)變化導(dǎo)致起始設(shè)定槳距角不能使風(fēng)機(jī)氣動(dòng)效率最優(yōu)，以及傳統(tǒng)變槳可能使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)過大的問題，提出了自適應(yīng)變槳控制和LQR變槳控制策略，仿真結(jié)果表明：自適應(yīng)變槳控制策略能夠使風(fēng)力機(jī)找到最優(yōu)槳距角值，而LQR控制策略可以在一定程度上降低高速軸轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)及峰值。

[1]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：80-90.

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[7]BOSSAYI EA.Bladed for windows usermanual[M].England: Garrad Hassan and Partners Ltd,2005:114-122.

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[9]薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000：298-299.

Adaptive pitch and torque control of wind turbines

DU Jing,WEN Bo-cheng,XIE Shuang-yi,JIN Xin,NI Xiao-wei

For the inaccuracy of the simulation，results in the characteristics of wind turbines and its changing operating parametersmay lead to the initial selected nominal pitch angle not an optimal value,and the traditional pitch control could lead to the problem of excessive generator torque fluctuation,an adaptive pitch and a LQR(linear quadratic regulator)torque control strategy were proposed.With a 5 MW variable-speed variable-pitch wind turbine as an object for study,Matlab/Simulink and FAST software co-simulation were used.The simulation results show that the proposed control strategy is a good solution to determine the optimal pitch angle and the problem of excessive torque fluctuation above rated wind speed.

variable-speed variable-pitch;adaptive;LQR

TM 315

A

1002-087 X(2014)10-1904-03

2014-03-05

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BAA22B02)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51005255)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)科研基金項(xiàng)目(20090191120005)

杜靜(1964—)，女，江西省人，博士，教授，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略。