無模型自適應控制下的風輪動態(tài)載荷控制

聶向欣，劉　姝

(沈陽工程學院a.新能源學院；b.新能源學院，遼寧 沈陽 110136)

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無模型自適應控制下的風輪動態(tài)載荷控制

聶向欣a，劉姝b

(沈陽工程學院a.新能源學院；b.新能源學院，遼寧 沈陽 110136)

摘要：隨著能源結構的不斷調整，風電機組的制造量在逐年增加，與此同時，風力機的尺寸也越來越大，對于風輪來說，這無疑會使其柔性增加，更為重要的是，風輪會受到較為復雜的動態(tài)載荷，因此必須要對其進行控制，以此來延長機組壽命，提升其運行效率。基于風電機組的線性化模型，通過坐標變換理論，將葉片根部的彎矩反饋到到兩個固定的直交坐標系，設計出了一種無模型自適應控制器對風輪的動態(tài)載荷進行控制，有效地消除了風輪的俯仰力矩和偏轉力矩。在FAST和SIMULINK的聯合仿真下，驗證了控制器的有效性。

關鍵詞：風輪；動態(tài)載荷；坐標變換；無模型自適應控制

1風電機組風輪葉片根部載荷反饋原理

對于統(tǒng)一變槳來說， 在載荷分析中要對3個葉片的載荷同時進行考慮，而獨立變槳則不然，它的主要特點就是要分別去考慮作用在每個葉片上的載荷，因此，需要將葉片和傳動系統(tǒng)進行剛性的假設。另外，因為發(fā)電機的力矩可控，葉根的彎矩可以準確測量，所以可以結合風電機組的GL坐標系對風輪的受力進行分析。

首先，計算葉片上的載荷。

1)計算葉片上的力。

葉片x方向上的受力主要是由空氣引起的推力：

(1)

式中，ρ為空氣密度；R槳葉為風輪半徑；cx為x向推力系數；U為來流風速。

葉片y向和z向的力是由氣動力、重力和慣性力的耦合作用引起的：

(2)

式中，Fy,空氣,槳葉、Fz,空氣,槳葉為空氣動力的y向和z向分量；Fy,重氣,槳葉、Fz,重力,槳葉為葉片重力y向和z向分量；Fy,慣,槳葉、Fz,慣,槳葉為慣性力y向和z向分量。

y向和z向空氣動力分量的計算與葉片上面的推力計算類似：

(3)

y向和z向重力分量在重力總是豎直向下的，可以表示為：

(4)

式中，m槳葉為槳葉質量；θ為葉片方位角。

圖1　風電機組GL坐標系

慣性力在y向和z向差距較大，這是因為Fy,慣,槳葉主要由加速度引起，Fz,慣,槳葉主要由離心力引起，則兩者可以表示為：

(5)

式中，R轂為輪轂半徑；z為葉片質心z軸坐標。

2)計算槳葉上的力矩。

x向的力矩Mx,槳葉(指的就是GL坐標系中的的MXB，但為了方便計算，所以另作表示，下文同)的主要作用是使風輪旋轉，因此可以將其排除在動態(tài)載荷之外。y向和z向力矩是由于空氣動力引起的動態(tài)載荷，可以表示為：

(6)

然后，計算輪轂上的載荷。將上面葉根坐標系下計算得到的載荷做轉換處理，使之映射到輪轂坐標系中：

式中，m槳為輪轂質量。

輪轂上的彎矩：

最后，計算機艙上的載荷。值得說明的是，機艙上的的載荷和輪轂上的載荷大致相等，唯一不同的是機艙z軸方向要承受發(fā)電機的重力和機艙自身的重力，即：(m機+m艙)g。

(9)

y軸和z軸的彎矩也被叫做傾斜力矩和偏轉力矩：

(10)

式中，h轂為輪轂的中心高度；xov為塔頂和風輪中心的距離。

為了方便控制器的設計，需要對風電機組的相關工作點進行特定的線性處理，首先就是對水平推力的線性化：

(11)

Ud和Uq是3個葉片的平均風速及其在d-q軸上分量的疊加，βd和βq是3個槳葉角在d-q軸上的分量，結合應用在交流電機控制中的Park變換，可以得到線性化的傾斜力矩和偏轉力矩：

(12)

接下來，對葉片槳距角的驅動單元進行建模，電機驅動的變槳距單元可以認為是二階系統(tǒng)：

(13)

b1Δβ槳葉(k-1)+b2Δβ槳葉(k-2)

(14)

在Park變換中，采用離散的時間t=kT，T為采樣時間。通過坐標變換，可以得到一個依靠變槳進行驅動的模型。

(15)

(16)

在伺服驅動的作用下，坐標系中的d軸和q軸會發(fā)生一定的作用，導致真實槳距角和理想槳距角之間出現一定的延遲，因此，槳距角要進行參數變換：

θ槳葉→θ槳葉+φ伺服(μ)

(17)

式中，φ伺服(μ)為由于伺服驅動引起的轉動頻率的相位延遲。

2無模型自適應控制器的設計

通常的變槳距風電機組有3個運行區(qū)間，分別是停機狀態(tài)下運行，額定風速以下運行以及額定風速以上運行，如圖2所示。當風速低于額定風速時，風力發(fā)電機組要根據風速的變化，進行變槳變速控制，從而達到最佳的葉尖速比，使風能捕獲和功率輸出最大化最佳功；當風速超過額定風速時，需要通過變槳調節(jié)槳距角來實現對風輪不平衡動態(tài)載荷的控制。

圖2　變槳距風力發(fā)電機運行區(qū)間

此控制器并非完全采用獨立變槳，而是在其基礎上，將控制器的功能一分為二，也就是既可以實施統(tǒng)一變槳又可以實施獨立變槳，通過統(tǒng)一變槳主要實現對功率的控制，通過獨立變槳主要實現對風輪動態(tài)載荷的控制。兩個控制器會在高于額定風速時同時投入工作：對于統(tǒng)一變槳距控制器而言，其主要工作就是使3個葉片同時進行變槳，以此使輸出功率維持在一個平穩(wěn)的狀態(tài)；而獨立變槳距控制器的的主要目的是檢測每個葉片不平衡載荷，然后通過控制器的算法得到每個葉片需要的槳距角，葉片槳距角的調節(jié)最終通過兩個控制器共同實現。另外，采用一般的PID控制方法實現對統(tǒng)一變槳距控制器的設計，設計圖如圖3所示。

圖3　統(tǒng)一變槳距控制器結構框圖

無模型自適應獨立變槳距控制器的原理的泛模型為

(y*(k+1)-y(k))

(18)

式中，y(k)為被控系統(tǒng)的輸出；u(k-1)為控制器的輸出；φ(k)為y(k)對u(k-1)對梯度的偏導形式向量?y(k)/?u(k-1)；ρk為學習步長；λ為懲罰因子。

控制器設計的原理圖如圖4所示，結構圖如圖5所示。

首先，測量葉跟的彎矩My1、My2、My3，由式(12)建立的關系計算得到d-q坐標系下的M斜和M偏，然后，由所設計的控制器進行特定的計算，分別得出2個軸上槳距角需要的變化量βd和βq，最后再通過該坐標系進行逆變換處理，便可計算出3個葉片的實際需要的變化量β1、β2、β3。

圖4　MFA控制器原理

圖5　MFA控制器結構

(19)

3仿真與分析

此模塊的仿真采用FAST和SIMULINK的聯合仿真，FAST軟件是一種針對于水平軸風電機組的軟件，主要用于風輪葉片性能的分析和仿真，尤其是對于功率、載荷和偏航可以達到比較好的仿真效果。

仿真以1.5 MW風電機組為對象，采用IEC標準的風速模型，在高于額定風速下進行研究。仿真框圖如圖6所示。

仿真結果表明，采用了基于獨立變槳的無模型自適應控制器后，風輪的俯仰彎矩和偏轉彎矩的無論是從峰值還是均值都顯著減小，這表明該控制器可以顯著抑制載荷波動，降低風輪的不平衡載荷，有效減小風輪的動態(tài)載荷。

圖6　Simulink仿真框圖

圖7　俯仰彎矩對比

圖8　偏轉彎矩對比

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(責任編輯佟金鍇校對張凱)

Dynamic Load Control of Wind Turbine Based on Model-free Adaptive Control

NIE Xiang-xin,LIU Shu

(School of New Energy,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：With the continuous adjustment of energy structure,the manufactured number of wind turbine is increasing year by year. At the same time,the greater size of wind turbine will undoubtedly increase the flexibility of wind turbines that will be affected by complex dynamic loads. Therefore,we must carry out the load control to extend the service life of the machine and improve its operating efficiency.Based on the linear model of wind turbine generation,a model-free adaptive controller was designed to control the dynamic load of the wind turbine in this paper by transferring the loads of blade roots into two fixed orthogonal axis. The joint simulation of FAST and SIMULINK verified the effectiveness of the controller.

Key words：Wind turbine;Dynamic load;Coordinate transformation;Model-free adaptive control

中圖分類號：TK81

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1603(2016)02-0103-05

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.02.002

通訊作者：劉姝(1973-)，女，遼寧凌源人，講師，博士，主要從事風力發(fā)電技術方面的研究。

作者簡介：聶向欣(1991-)，男(滿族)，河北承德人，碩士研究生。

收稿日期：2015-06-14