基于反饋控制策略的陸上與海上風(fēng)力機(jī)塔架前后振動(dòng)控制效果分析

賈文強(qiáng)1,謝雙義2, 金 鑫

(1.太原重工股份有限公司，山西 太原030024；2. 重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，重慶402247;3. 重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030)

·機(jī)電工程·

基于反饋控制策略的陸上與海上風(fēng)力機(jī)塔架前后振動(dòng)控制效果分析

賈文強(qiáng)1,謝雙義2, 金 鑫3

(1.太原重工股份有限公司，山西 太原030024；2. 重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，重慶402247;3. 重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030)

塔架在受到風(fēng)輪、機(jī)艙、自身重力以及各種風(fēng)況和海況下的載荷作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)幅度過大的情況，這可能導(dǎo)致塔筒倒塌、發(fā)電功率波動(dòng)變大等惡劣事故的發(fā)生。為得到良好的控制塔架前后振動(dòng)的效果，采用適合的控制策略是關(guān)鍵。文章分別對(duì)美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)提供的陸上和海上5 MW風(fēng)力機(jī)塔架的前后振動(dòng)采用反饋控制策略進(jìn)行仿真模擬。仿真結(jié)果表明，在相同的控制策略下，陸上風(fēng)力機(jī)的塔架前后振動(dòng)能夠得到很好的抑制，而對(duì)于海上風(fēng)力機(jī)來說這種控制策略的效果并不明顯。對(duì)于海上風(fēng)力機(jī)塔架的前后振動(dòng)問題還需要考慮其他控制策略。

塔架；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；前后振動(dòng)；反饋控制策略

風(fēng)能不僅可以為人們提供無窮無盡的能量，而且在悄悄地促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。風(fēng)能發(fā)電有著成本低、風(fēng)險(xiǎn)低、綠色環(huán)保的顯著特點(diǎn)[1-5]。

現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電分陸上和海上2種。陸上風(fēng)力發(fā)電的使用已有超過10年的歷史，且已成為世界上增長(zhǎng)最快的能源[6]。隨著風(fēng)力發(fā)電單機(jī)功率的逐漸增大，葉片、塔架以及機(jī)艙的尺寸都在增大，相應(yīng)的質(zhì)量也在增加。對(duì)于陸上風(fēng)力機(jī)塔架來說，它不僅要承受上述部件及自身的重力，也要承受復(fù)雜多變的風(fēng)載荷作用[7]。近年來由于風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)不佳或其他原因?qū)е碌乃艿顾录r(shí)有發(fā)生。海上風(fēng)力發(fā)電是近幾年才出現(xiàn)的新技術(shù)，它的技術(shù)相對(duì)于陸上風(fēng)力機(jī)來說還不夠成熟，仍有許多問題需要解決。對(duì)于海上風(fēng)力機(jī)塔架來說，它除了要承受陸上風(fēng)力機(jī)塔架所承受的外部力之外，還要承受波浪載荷以及冰載荷的作用。海上風(fēng)力機(jī)的基礎(chǔ)多采用漂浮式結(jié)構(gòu)[8-9]。隨著海上風(fēng)力機(jī)逐漸向深海過渡，塔架的前后振動(dòng)也隨之變大，進(jìn)而導(dǎo)致海上風(fēng)力機(jī)的功率輸出變得更加不平穩(wěn)。Wright等[10]對(duì)陸上風(fēng)力機(jī)塔架的前后振動(dòng)控制做了類似研究，但對(duì)海上風(fēng)力機(jī)塔架的前后振動(dòng)控制的研究還很少。本文使用陸上風(fēng)力機(jī)塔架前后振動(dòng)的反饋控制策略來控制海上風(fēng)力機(jī)塔架的前后振動(dòng)，通過使用FAST軟件和MATLAB/Simulink軟件對(duì)美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)提供的5 MW陸上和海上風(fēng)力機(jī)模型進(jìn)行仿真。其結(jié)果表明，在相同的控制策略下，對(duì)陸上風(fēng)力機(jī)塔架的前后振動(dòng)控制效果較好，而對(duì)海上風(fēng)力機(jī)塔架的前后振動(dòng)控制效果則不理想。

1 變速變槳風(fēng)力機(jī)的基本運(yùn)行控制策略

當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時(shí)，通過控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩使風(fēng)力發(fā)電機(jī)盡量獲取多的能量，其控制細(xì)節(jié)如圖1所示。通常變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均按照二次曲線圖進(jìn)行轉(zhuǎn)矩給定[11]。

圖1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線

2 風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

陸地上的風(fēng)力機(jī)塔架基礎(chǔ)通常采用的是混凝土基礎(chǔ)，混凝土直接澆筑在土層上[12-14]。對(duì)于海上風(fēng)力機(jī)的基礎(chǔ)來說，它多采用漂浮式結(jié)構(gòu)。漂浮式結(jié)構(gòu)[15-17]通常分為3種：張力腿式、駁船式和單柱式。文中研究的海上風(fēng)力機(jī)為單柱漂浮式海上風(fēng)力機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單柱漂浮式海上風(fēng)力機(jī)

3 塔架前后振動(dòng)控制

風(fēng)電機(jī)組自身阻尼非常小，在運(yùn)行過程中塔架振動(dòng)問題普遍存在，當(dāng)風(fēng)載或波載發(fā)生突變時(shí)，很可能會(huì)使塔架產(chǎn)生較大振動(dòng)。為降低塔架前后的振動(dòng)，在區(qū)域3上可通過變槳控制器來增加塔架前后模態(tài)的阻尼。為設(shè)計(jì)能增加塔架阻尼的控制器，假定柔性塔架可以用線性模型來表示，在這個(gè)模型中塔架的一階前后模態(tài)占主導(dǎo)[18]。其運(yùn)動(dòng)方程[19]可以寫為

(1)

為增加塔架前后的阻尼，現(xiàn)在假定輸入槳距角的變化量與塔架振動(dòng)速度的變化量成正比

(2)

塔架阻尼的大小可以通過選擇增益G的大小來調(diào)整。將式(2)帶入式(1)可以得到

(3)

將式(3)進(jìn)一步變換可得到

(4)

對(duì)式(4)兩邊進(jìn)行拉普拉斯變換之后得到

Δx(s)[Mts2+(Ct-FtG)s+Kt]=0，

(5)

從而可求得特征方程

Mts2+(Ct-FtG)s+Kt=0。

(6)

特征方程的一般表達(dá)式為

s2+2δωs+ω2=0。

(7)

式中：2δω=(Ct-FtG)/Mt；ω2=Kt/Mt。而解得的特征方程的根為

(8)

在FAST的主文件中激活塔架的一階前后自由度。在風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)ω0=18 m/s，Ω0=12.1r/m及θ0=15°處使用FAST軟件，經(jīng)線性化可得到表1的陸上風(fēng)力機(jī)塔架參數(shù)和表2海上風(fēng)力機(jī)塔架參數(shù)。

表1 5 MW陸上風(fēng)力機(jī)塔架參數(shù)表

表2 5 MW海上風(fēng)力機(jī)塔架參數(shù)表

陸上風(fēng)力機(jī)塔架的無阻尼固有頻率為

(9)

海上風(fēng)力機(jī)塔架的無阻尼固有頻率為

(10)

令式(4)中的G=0，即無變槳控制，可分別求得陸上和海上風(fēng)力機(jī)塔架阻尼比δland=0.059 3，δsea=0.061 89。

4 仿真結(jié)果對(duì)比

FAST軟件是美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)研發(fā)的一款用于風(fēng)機(jī)性能分析和載荷計(jì)算的綜合軟件。對(duì)于研究的5 MW陸上和海上風(fēng)電機(jī)組來說，其詳細(xì)參數(shù)[11,19]如表3所示。

表3 5 MW風(fēng)電機(jī)組參數(shù)表

借助MATLAB/Simulink仿真軟件搭建模型與FAST進(jìn)行聯(lián)合仿真，系統(tǒng)控制框圖與搭建的Simulink模型如圖3和4所示。

圖3 系統(tǒng)控制框圖

圖3中:ωref表示電機(jī)參考轉(zhuǎn)速；βm表示測(cè)量到的槳距角；V表示風(fēng)輸入；β表示槳距角需求；Te表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩；αtwrb-a表示塔架前后振動(dòng)加速度；G表示比例增益；ωg表示濾波之后的電機(jī)轉(zhuǎn)速。在實(shí)際仿真控制中通過選擇合適的增益G值可以有效增加塔架前后振動(dòng)阻尼，原理如式(1)—(8)。

圖4 帶有增益調(diào)度、抗積分飽和以及塔架反饋的Simulink模型

圖5表示選擇不同的G值(即改變塔架前后振動(dòng)阻尼)時(shí)，塔基處前后彎矩的變化情況。可以看出，隨著G值的增大(G=0.05)，塔基處前后彎矩變化幅度減小(相比G=0),當(dāng)G值繼續(xù)增大(G=0.1和0.15時(shí))，塔基處前后彎矩變化幅度則增大；因此，最終G值取為0.05。

圖5 選擇不同的G值時(shí)塔基處的前后彎矩

采用18 m/s的湍流風(fēng)作為仿真激勵(lì)，如圖6所示。圖7和圖8分別表示在湍流風(fēng)激勵(lì)下陸上和海上塔架在塔基處有無增加阻尼時(shí)前后彎矩的響應(yīng)。圖9和圖10分別表示在湍流風(fēng)激勵(lì)下陸上和海上風(fēng)力機(jī)塔架在塔頂處有無增加阻尼時(shí)的前后位移。

圖6 18 m/s的湍流風(fēng)激勵(lì)

圖7 在18 m/s湍流風(fēng)下陸上風(fēng)力機(jī)塔基處前后彎矩響應(yīng)

圖8 在18 m/s湍流風(fēng)下海上風(fēng)力機(jī)塔基處前后彎矩響應(yīng)

圖9 在18 m/s的湍流風(fēng)下陸上風(fēng)力機(jī)塔頂位移

圖10 在18 m/s的湍流風(fēng)下海上風(fēng)力機(jī)塔頂位移

由圖7和圖9可以看出，在18 m/s的湍流風(fēng)條件下，當(dāng)增加了塔架前后振動(dòng)阻尼時(shí)，其塔基處的前后彎矩和塔頂處的位移都有比較明顯的降低。從圖8和圖10可以看出，即使增加了塔架前后振動(dòng)阻尼，其塔基處的前后彎矩以及塔頂處的位移變化不明顯。造成上述現(xiàn)象的主要原因可能有3種。第1種原因是陸上風(fēng)力機(jī)的基礎(chǔ)直接固定在陸地上，其阻尼相對(duì)較小，當(dāng)增大阻尼時(shí)控制效果較明顯；而對(duì)于海上風(fēng)力機(jī)來說，其基礎(chǔ)為漂浮式結(jié)構(gòu)，由纜繩對(duì)其進(jìn)行固定，此時(shí)阻尼相對(duì)較大，故在控制器設(shè)計(jì)中即使增加了塔架前后振動(dòng)阻尼，控制效果仍不甚理想。第2種原因則是圖3和圖4中增益G值的選擇是通過反復(fù)調(diào)整、測(cè)試之后得到的，未能選到最優(yōu)值。第3種原因則可能是在設(shè)計(jì)海上風(fēng)力機(jī)控制器時(shí)沒有考慮海上波浪載荷的作用。

5 結(jié)論

由于風(fēng)電機(jī)組自身阻尼非常小，在運(yùn)行過程中的塔架振動(dòng)問題普遍存在，這降低了風(fēng)電機(jī)組的壽命。針對(duì)所要研究的5 MW陸上和海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型，使用FAST軟件對(duì)其進(jìn)行線性化分析，分別求得風(fēng)力機(jī)的塔架參數(shù)用以設(shè)計(jì)塔架的反饋控制，再使用MATLAB/Simulink軟件與FAST軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明，所使用的塔架反饋控制能有效降低陸上風(fēng)力機(jī)塔架的前后振動(dòng)，但采用相同的控制方法卻不能有效降低海上風(fēng)力機(jī)塔架的前后振動(dòng)。造成上述現(xiàn)象的原因可歸納為： 1) 海上風(fēng)力機(jī)本身阻尼相對(duì)較大； 2)G值的選擇不是最優(yōu)； 3) 沒有考慮波浪載荷的作用。為此，對(duì)海上風(fēng)力機(jī)塔架的前后振動(dòng)控制來說，有必要對(duì)其進(jìn)一步研究。

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(編校：饒莉)

TheAnalysisofTowerFore-aftVibrationControlEffectsforOnshoreandOffshoreWindTurbinesBasedontheFeedbackControlStrategy

JIA Wen-qiang1， XIE Shuang-yi2, JIN Xin3

(1.TaiyuanHeavyCo.Ltd.,Taiyuan030024China;2.ChongqingVocationalCollegeofPublicTransportation,Chongqing402247China;3.StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission，ChongqingUniversity，Chongqing400030China)

When tower is under the gravity of its own and wind turbines, engine room, and various wind conditions and sea conditions, the tower vibration amplitude always becomes great, which may lead to bad accidents, such as drum tower collapsed, power fluctuation becoming greater ,etc. To control the vibration effectively, appropriate control strategy is important. The feedback control strategy is used for the fore-aft vibration of onshore and offshore wind turbine towers provided by NREL. Simulations are carried out for these two kinds of towers, and the results show that the fore-aft vibration of onshore wind turbine tower can be well suppressed, and it is not obvious for offshore tower. Therefore, other control strategy needs to be considered for offshore wind turbine tower.

tower; wind turbine; fore-aft vibration；the feedback control strategy

2014-01-19

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BAA22B02)；國(guó)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)。

賈文強(qiáng)(1964—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電技術(shù)。E-mail：jwq-2008@126.com

TK83；TM614

：A

：1673-159X(2015)06-0032-04

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.06.007