風(fēng)力發(fā)電機組獨立變槳控制技術(shù)仿真與試驗研究

文 | 蘭杰，莫爾兵，林淑，羊森林，王其君

為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，風(fēng)能作為一種清潔、可再生能源受到世界各國的廣泛關(guān)注，已成為重點開發(fā)的能源之一。國內(nèi)外大型的風(fēng)電機組大多采用變速變槳技術(shù)，變速變槳風(fēng)電機組的槳距角控制分為統(tǒng)一變槳和獨立變槳。統(tǒng)一變槳控制，即控制系統(tǒng)對三套變槳執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行同一槳距角指令，也是目前機組使用最多的控制方式。而隨著變速變槳風(fēng)力發(fā)電機組容量的增加，風(fēng)輪直徑越來越大，風(fēng)湍流、風(fēng)切變、塔影效應(yīng)、偏航偏差等因素使得整個風(fēng)輪面受力的不均衡度隨之增強，附加載荷也越來越大，嚴重威脅風(fēng)電機組的安全運行。獨立變槳控制技術(shù)應(yīng)運而生，通過優(yōu)化的控制，給每支葉片疊加一個獨立的槳距角信號，來降低這些附加的不平衡載荷，以提高系統(tǒng)運行可靠性和穩(wěn)定性并延長機組使用壽命。

本文的獨立變槳控制技術(shù)是將葉根應(yīng)力傳感器測量出來的各葉片根部的載荷及風(fēng)輪方位角，通過滑環(huán)傳送至所設(shè)計的獨立變槳控制器以獲得獨立變槳期望的槳距角，最后將獨立變槳期望的槳距角和統(tǒng)一變槳給定的槳距角之和作為風(fēng)力機三支槳葉槳距角的控制量，以實現(xiàn)風(fēng)電機組的獨立變槳控制器設(shè)計，通過仿真和現(xiàn)場試驗驗證所設(shè)計獨立變槳控制技術(shù)的有效性。

風(fēng)輪不平衡載荷分析

實際運行的風(fēng)力發(fā)電機組由于在不同方位，葉片所受載荷不同，如圖1所示。

其中，My1、My2、My3為每支葉片受到的Y向彎矩，也即面外彎矩，Myq和Myd為其分解到旋轉(zhuǎn)正交坐標系上的彎矩，Myaw和Mtilt為分解到靜止正交坐標系上的彎矩，φ（t）為靜止坐標系和旋轉(zhuǎn)坐標系之間的夾角。

從圖1、圖2可知，若三支葉片的Myi不同，則分解產(chǎn)生的Mtilt和Myaw彎矩不為零，從而產(chǎn)生了整個風(fēng)輪的不平衡載荷。

獨立變槳控制要控制轉(zhuǎn)速，即保證三支葉片受到的Mx總和不變，這樣風(fēng)輪的扭矩基本保持不變，不會影響機組的發(fā)電效率，同時要減小葉輪上不均衡載荷，僅在每只葉片上疊加一個周期變化的分量，該分量均值為零，近似呈正弦變化，在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，平均變化量為零，這樣就減小了旋轉(zhuǎn)坐標系下的Myd和Myq，也即靜止坐標系下的Myaw和Mtilt。

圖1 葉片受載示意圖

圖2 三支葉片My坐標變換示意圖

應(yīng)對風(fēng)力機運動工況和載荷工況進行分析。對風(fēng)力機模型進行線性簡化處理如圖3所示。

葉輪上的不均衡載荷是指輪轂中心的傾覆力矩Mtilt和偏航力矩Myaw，而傾覆力矩和偏航力矩主要是由槳葉根部（載荷）揮舞彎矩Myi造成的。根據(jù)葉素理論，槳葉根部揮舞彎矩Myi為：

式中，i＝1，2，3，表示第i片槳葉，vi、βi分別為第i槳葉的有效風(fēng)速和槳距角，hMy、kMy為線性化處理后的系數(shù)。

不考慮輪轂半徑，輪轂中心傾覆力矩Mtilt和偏航力矩Myaw為：

圖3 風(fēng)力機簡化模型

針對3槳葉風(fēng)電機組，假定第1個槳葉方位角為φ，且槳葉處于豎直方向時φ為0，則第i個槳葉方位角為：

由此可知，當風(fēng)輪轉(zhuǎn)動時，槳葉在不同方位角上的風(fēng)速以及其產(chǎn)生槳葉根部載荷變化較大。也會給葉輪造成較大的不平衡載荷。若能根據(jù)各槳葉根部載荷情況，對各槳葉的槳距角按一定的規(guī)律進行調(diào)節(jié)，是可以減小葉片根部載荷波動，進而減小葉輪上的不平衡載荷，以實現(xiàn)減小風(fēng)電機組關(guān)鍵部件疲勞載荷的目的。

數(shù)學(xué)模型的建立

在充分考慮風(fēng)、空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等共同作用對風(fēng)力機的影響后，需要一個能夠模擬機組非線性載荷和動態(tài)響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型才能準確地模擬機組的動態(tài)特性。因此，一個理想的風(fēng)力機數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

圖4所示是一個非線性、時變、強耦合模型，很難建立其精確數(shù)學(xué)模型，而若直接將該模型用于控制器設(shè)計，控制器結(jié)構(gòu)將非常復(fù)雜，且很難分析其穩(wěn)定性和魯棒性。為了滿足控制系統(tǒng)設(shè)計的需要，需要一個線性化的數(shù)學(xué)模型，在分析機組各個環(huán)節(jié)的動態(tài)特性及其相互耦合關(guān)系后，將各個復(fù)雜的環(huán)節(jié)用一階或二階系統(tǒng)進行線性描述，最終將其線性化為一個多輸入多輸出系統(tǒng)。線性化的思路可由圖5描述。

圖4 非線性數(shù)學(xué)模型示意圖

線性化數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)框圖可表述為圖6。

把上述線性化模型表式為狀態(tài)空間模型形式：

式中，X為狀態(tài)變量：塔架模態(tài)位移、模態(tài)速度，葉片模態(tài)位移、模態(tài)速度，以及變槳驅(qū)動器、發(fā)電機、傳動系統(tǒng)的狀態(tài)變量；

U為輸入變量：風(fēng)速，槳距角給定，扭矩給定；

Y為輸出變量：發(fā)電機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機功率、發(fā)電機扭矩、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、齒輪箱扭矩、槳距角。

獨立變槳控制器設(shè)計

獨立變槳控制技術(shù)目的是為減小葉輪上的不平衡載荷，即減小輪轂中心傾覆力矩和偏航力矩。把式（1）代入式（2）可得：

把風(fēng)速vi、方位角φi作為控制器的干擾量，槳距角βi作為控制量，Mtilt和Mtyaw作為輸出量（反饋量）。式（5）是一個多變量輸入輸出的系統(tǒng)，若直接基于該模型，則需要采用多輸入多輸出控制理論來設(shè)計控制器。LQG方法對魯棒性較差，若采用H∞方法設(shè)計，可以處理參數(shù)魯棒性，但是對結(jié)構(gòu)魯棒性設(shè)計較為復(fù)雜。因此考慮采用經(jīng)典的PID控制進行設(shè)計，但是首先需要對模型進行解耦。

本文借鑒電機矢量控制技術(shù)中的Park變換對式（5）進行坐標變換。選用的Park變換P和逆變換P-1為：

對葉片根部載荷Myi、槳距角βi、風(fēng)速vi，Park變換得到：

圖5 數(shù)學(xué)模型線性化示意圖

圖6 風(fēng)電機組線性化數(shù)學(xué)模型框架圖

將式（8）、（9）代入式（5），可得：

把（10）帶入（1），可以得到：

圖7 獨立變槳控制結(jié)構(gòu)框圖

由圖7知：葉根應(yīng)力傳感器測量出各葉片根部的載荷，并傳送給主控制器，主控制器按式（6）對葉片根部載荷進行park變換，得出Mtilt和Myaw，Mtilt和Myaw分別經(jīng)控制器得到park變換坐標上的槳距角，然后再經(jīng)park逆變換得出獨立變槳期望的槳距角，最后將獨立變槳期望的槳距角和統(tǒng)一變槳給定的槳距角之和作為風(fēng)力機3個槳葉槳距角的控制量，以實現(xiàn)風(fēng)電機組的控制。

表1 風(fēng)力機主要參數(shù)

仿真分析

本文基于Bladed軟件對所設(shè)計的控制系統(tǒng)進行仿真分析。風(fēng)力機的主要參數(shù)如下表1所示。

仿真統(tǒng)一變槳控制（CPC）和獨立變槳控制（IPC），結(jié)果如圖8所示。

圖8為獨立變槳和統(tǒng)一變槳的葉片槳距角變化曲線，可知葉片之間的夾角為120°，各槳葉槳距角變化的相位差也為120°，理論符合設(shè)計要求。

從圖9可知，獨立變槳控制顯著減小了葉片根部My方向的載荷波動，不僅能顯著減小輪轂傾覆力矩和偏航力矩，還能減小輪轂、主軸、偏航軸承、塔架等關(guān)鍵部件的疲勞載荷。

在風(fēng)電機組整個生命周期（20年）內(nèi)，通過雨流計數(shù)法得到的風(fēng)力機關(guān)鍵部位當量等效疲勞載荷。采用獨立變槳控制有效減小了風(fēng)力機各關(guān)鍵部位的當量等效疲勞載荷，尤其在葉片根部和輪轂中心效果最明顯。

表2可知，風(fēng)力發(fā)電機組采用獨立變槳控制后，可顯著減小葉片根部、輪轂、塔架等關(guān)鍵部件的疲勞載荷10%以上。

現(xiàn)場試驗分析

在張北試驗風(fēng)電場對機組進行獨立變槳控制技術(shù)的現(xiàn)場試驗，驗證其控制效果。獨立變槳控制需要對三個葉片的根部載荷進行監(jiān)測，并將監(jiān)測到的應(yīng)力數(shù)據(jù)通過滑環(huán)傳送至主控PLC，由PLC實時計算每個葉片所需要的槳距角指令值，將指令值發(fā)送給每個槳葉驅(qū)動器，實現(xiàn)獨立變槳控制。傳感器布局方案如圖10所示。

為減小風(fēng)載對標定結(jié)果的影響，在風(fēng)速小于6m/s時進行標定，通過將葉片置于0°和90°，使風(fēng)輪至少轉(zhuǎn)動一圈，利用葉片重力產(chǎn)生的彎矩來標定應(yīng)力。

為保證現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)一致，需要對比實際重力彎矩與模型仿真重力彎矩差別，當二者相差較小時，測量結(jié)果才能與仿真結(jié)果進行對比。

表3表明用重力進行標定，與模型之間的誤差均小于5%，可認為該方案有效。進一步通過對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進行分析，圖11為現(xiàn)場測試風(fēng)速。

圖8 穩(wěn)態(tài)風(fēng)12m/s時槳距角變化

圖9 穩(wěn)態(tài)風(fēng)12m/s時葉片面外彎矩對比

圖10 葉片應(yīng)力傳感器布局示意圖

表2 S-N slope=10 DLC1.2 工況各種控制策略疲勞損傷比較

圖11 現(xiàn)場測風(fēng)

圖12 現(xiàn)場測試槳距角

圖13 現(xiàn)場測試面內(nèi)彎矩

表3 仿真標定誤差

圖12為大風(fēng)情況下獨立變槳控制所得的葉片槳距角實測變化曲線，可知近似呈現(xiàn)三相120°正弦交變，符合設(shè)計要求。

葉片旋轉(zhuǎn)過程中，在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)受到氣動扭矩和重力彎矩的共同作用，達到額定功率以后，氣動扭矩通過變槳控制基本保持不變，而重力產(chǎn)生彎矩將隨著槳葉方位角不同而呈現(xiàn)1P周期性變化，由圖13可知，槳葉的面內(nèi)載荷符合分析的面內(nèi)載荷特征，符合設(shè)計要求。

攝影：邵明珠

圖14 機組1500kW測試結(jié)果

表4 面內(nèi)彎矩功率譜峰值（1P）對比

仿真與試驗對比分析

試驗過程中，為驗證獨立變槳控制降低機組疲勞載荷的效果，在同一臺機組上，功率均設(shè)定為1500kW，并在基本相同的外界風(fēng)況下，開啟和關(guān)閉獨立變槳策略。

表5 面外彎矩功率譜峰值（1P）對比

從圖14結(jié)果對比可知，二者平均風(fēng)速均在13m/s附近，發(fā)電機轉(zhuǎn)速和電功率基本相同，風(fēng)輪面內(nèi)功率譜基本重合，開啟了獨立變槳控制策略的槳距角在1P頻率附近有額外動作，風(fēng)輪面外彎矩功率譜在1P頻率附近有明顯減小，驗證了獨立變槳控制器設(shè)計的有效性。

圖15 機組1500kW仿真結(jié)果

為驗證現(xiàn)場試驗是否達到了表2所述仿真效果，按照圖14所示的測試工況，設(shè)置Bladed仿真條件：平均風(fēng)速13m/s，湍流強度B級，風(fēng)力發(fā)電機組功率1500kW，分別開啟和關(guān)閉獨自變槳控制策略，仿真結(jié)果如圖15所示。

由圖14和圖15面內(nèi)和面外彎矩功率譜密度對比，可得表4、表5。

由表4、表5可知現(xiàn)場測試結(jié)果與理論仿真誤差小于5%，也進一步證明了表2所述的理論計算結(jié)果的正確性，即能夠有效降低風(fēng)力發(fā)電機組關(guān)鍵部件10%以上疲勞載荷。但槳距角的動作更加頻繁，變槳系統(tǒng)的要求也必須提高。

結(jié)論

本文對風(fēng)輪不平衡載荷進行分析，建立了風(fēng)力機數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了符合風(fēng)電機組運行的獨立變槳控制器。通過仿真和試驗驗證獨立變槳功能不影響機組正常運行，發(fā)電機功率和發(fā)電機轉(zhuǎn)速幾乎沒有影響，可顯著減小葉片根部My方向的載荷波動，即顯著減小輪轂傾覆力矩和偏航力矩，從而減小風(fēng)力機各個關(guān)鍵部件上的不均衡載荷，能夠有效降低風(fēng)力發(fā)電機組關(guān)鍵部件10%以上的疲勞載荷，但是頻繁變槳也對變槳系統(tǒng)提出了更高的要求。