變槳距風(fēng)力機(jī)槳葉控制的非線性分析

變槳距風(fēng)力機(jī)槳葉控制的非線性分析

0槳葉的控制原理目前，可變距離已成為主要的風(fēng)動(dòng)機(jī)行業(yè)中對(duì)大型風(fēng)動(dòng)機(jī)槳葉的控制。這種風(fēng)力機(jī)可根據(jù)隨機(jī)風(fēng)速的變化對(duì)槳葉節(jié)距角進(jìn)行調(diào)整,使得在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)最大地利用風(fēng)能。變槳距控制有統(tǒng)一變槳距和獨(dú)立變槳距兩種形式。統(tǒng)一變槳距系統(tǒng)通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)的三個(gè)槳葉實(shí)同步調(diào)節(jié)控制。隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量、塔架高度及風(fēng)輪半徑的增大,其缺點(diǎn)也暴露出來(lái)。首先統(tǒng)一變槳距調(diào)節(jié)的前提條件是風(fēng)輪掃平面內(nèi)的風(fēng)速是相同的,當(dāng)然這在實(shí)際中是不可能的,當(dāng)兆瓦級(jí)的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在額定風(fēng)速時(shí),風(fēng)輪掃及面的最高端與最低端風(fēng)速的不同使得吸收功率相差20%,這使得統(tǒng)一變槳距沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。其次由于各個(gè)槳葉上承受的風(fēng)速不同,使得槳葉在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,槳葉所承受的載荷也不相同,而統(tǒng)一變槳距顯然不能對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行很好的調(diào)節(jié)。獨(dú)立變槳距控制技術(shù)是在統(tǒng)一變槳距控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,且它的每個(gè)槳葉都有一套獨(dú)立的變距伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。顯然,獨(dú)立變槳距控制能夠解決上述缺點(diǎn)所引起的問(wèn)題。1風(fēng)機(jī)節(jié)距角的影響風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。根據(jù)貝茲理論,風(fēng)機(jī)捕獲的機(jī)械功率:P=0.5CpπR2ρv3(1)其中:ρ為空氣密度;Cp為風(fēng)能捕獲系數(shù);R為葉片半徑;v為風(fēng)速。根據(jù)式(1)可知,調(diào)節(jié)Cp可以調(diào)節(jié)捕獲的風(fēng)能,Cp為葉尖速比λ與槳矩角β的函數(shù),可以用如下非線性函數(shù)模擬:Cp=(0.44?0.0167β)sinπ(λ?3)15?0.3β?0.00184(λ?3)β(2)式中:λ=ωRv?ω為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由式(2)得到變槳距風(fēng)力機(jī)特性曲線,如圖1所示,從圖中可歸納出以下兩點(diǎn)。(1)對(duì)某一固定的節(jié)距角β下,最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax具有唯一性。(2)對(duì)任意葉尖速比λ,當(dāng)槳葉的節(jié)距角β=0時(shí),風(fēng)能利用系數(shù)Cp相對(duì)最大;當(dāng)節(jié)距角β增大時(shí),風(fēng)能利用系數(shù)Cp相對(duì)減小。當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí),發(fā)電機(jī)的輸出功率也會(huì)相應(yīng)增大,如果不對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,這對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不利的。根據(jù)圖1,適當(dāng)增加節(jié)距角可以使風(fēng)能利用系數(shù)減小,發(fā)電機(jī)的輸出功率也相應(yīng)減小。因此當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出功率大于額定值時(shí),可以通過(guò)調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角來(lái)減小發(fā)電機(jī)的輸出功率并使之維持在額定值。獨(dú)立變槳距可以充分利用風(fēng)速在各個(gè)槳葉上分布的不同,對(duì)各槳葉的節(jié)距角進(jìn)行有效地調(diào)節(jié),在保證輸出功率穩(wěn)定的情況下降低了作用在槳葉上的載荷,減輕輸出力矩的波動(dòng),減小槳葉拍打振動(dòng),提高了風(fēng)力機(jī)的工作效率。2風(fēng)電系統(tǒng)的研究技術(shù)研究如上所述,獨(dú)立變槳距控制技術(shù)的出現(xiàn),為降低風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)載荷等目標(biāo)提供了更先進(jìn)的解決方案。目前國(guó)外的研究主要集中在如何進(jìn)一步減小系統(tǒng)載荷包括風(fēng)電系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部分和非旋轉(zhuǎn)部分的載荷;國(guó)內(nèi)主要側(cè)重智能控制理論應(yīng)用在對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的研究控制方面。下面對(duì)目前兩類(lèi)獨(dú)立變槳距控制策略進(jìn)行概述。2.1槳葉控制方案設(shè)計(jì)通常情況下,獨(dú)立變槳距控制基于兩個(gè)分離的SISO環(huán),以實(shí)現(xiàn)降低轉(zhuǎn)子的傾斜力矩和偏航力矩的目的。文獻(xiàn)將槳葉載荷的周期分量通過(guò)Coleman變換,建模到轉(zhuǎn)子的傾斜力矩和偏航力矩中,從而實(shí)現(xiàn)采用SISO的PI控制環(huán)來(lái)降低轉(zhuǎn)子力矩的低頻成分。此控制策略的框圖如圖2所示。Coleman變換公式:[MtiltMyaw]=23[cos(ωt)sin(ωt)cos(ωt+2π3)sin(ωt+2π3)cos(ωt+4π3)sin(ωt+4π3)]???M1M2M3???(3)式中:M1、M2、M3為槳葉上的測(cè)得的載荷力矩;Mtilt、Myaw為變換到二相垂直的d-q軸上的傾覆力矩和偏航力矩。設(shè)定PI調(diào)節(jié)器的給定值為零,從而實(shí)現(xiàn)常規(guī)SISO的PI控制環(huán)來(lái)降低轉(zhuǎn)子力矩的低頻成分,經(jīng)過(guò)PI變換到d-q軸下的傾斜方向和偏航方向的變槳角θ2、θ3,后經(jīng)過(guò)Coleman反變換。即:???β1β2β3???=????cos(ωt)cos(ωt+2π3)cos(ωt+4π3)sin(ωt)sin(ωt+2π3)sin(ωt+4π3)????[θ2θ3](4)轉(zhuǎn)換成各槳葉的微調(diào)的變槳角β1、β2、β3,即實(shí)現(xiàn)了對(duì)獨(dú)立變槳距控制和槳葉載荷的減小。ωref、ωmeas分別為槳葉的期望角速度、測(cè)量角速度;β0為統(tǒng)一變槳角。另外,圖2中的ωref、ωmeas分別為槳葉的期望角速度、測(cè)量角速度,β0為統(tǒng)一變獎(jiǎng)角。該控制策略在實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉載荷的降低有顯著的成果,且操作簡(jiǎn)單,具有一定的魯棒性,且本控制策略對(duì)于載荷的測(cè)量要求較高。文獻(xiàn)采用了LQG優(yōu)化控制方法對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn),但是這些對(duì)于風(fēng)電系統(tǒng)的非旋轉(zhuǎn)部分的疲勞載荷的降低確實(shí)微乎其微。文獻(xiàn)采用修改Coleman變換,對(duì)基本的獨(dú)立槳距控制進(jìn)行擴(kuò)招,大大降低了兩倍頻、三倍頻周期分量。文獻(xiàn)根據(jù)Coleman域的多變量?jī)?yōu)化控制及風(fēng)速信號(hào)信號(hào)估計(jì)方法,在此模型上做出了改進(jìn),其思想是通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的隨機(jī)游走模型對(duì)槳葉有效風(fēng)速信號(hào)在軸向、偏航、傾斜三個(gè)方向上的分量進(jìn)行建模,并與風(fēng)機(jī)的狀態(tài)擴(kuò)展在一起,通過(guò)擴(kuò)展的卡爾曼濾波器進(jìn)行狀態(tài)估計(jì),然后將估計(jì)的風(fēng)速信號(hào)應(yīng)用到動(dòng)態(tài)擾動(dòng)前饋控制器中;前饋控制與LQG最優(yōu)反饋控制器的輸出疊加在一起,構(gòu)成前饋-反饋的控制結(jié)構(gòu)。2.2風(fēng)力機(jī)槳葉的差值風(fēng)電系統(tǒng)的控制目標(biāo)是根據(jù)各槳葉所受風(fēng)速的不同對(duì)三個(gè)槳葉節(jié)距角進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,以實(shí)現(xiàn)在額定風(fēng)速以上保證發(fā)電機(jī)工作在額定功率。針對(duì)風(fēng)力機(jī)的非線性模型特征及風(fēng)的不確定性和隨機(jī)性的特點(diǎn),所以采用帶有加權(quán)系數(shù)的模糊控制。模糊控制器的輸入為獨(dú)立變槳角給定值β*i與實(shí)際測(cè)得的βi的差值ei,還有其差值的微分Δei。其原理框圖如3所示。Pref、Pmea分別為風(fēng)力機(jī)的期望功率及實(shí)際測(cè)量功率;β0為槳葉的統(tǒng)一變槳角。根據(jù)各個(gè)槳葉所承受風(fēng)速的不同,利用加權(quán)系數(shù)加以微調(diào),即有:β?i=ciβ0式中:ci為加權(quán)系數(shù),其值與平均風(fēng)速vi有關(guān),大小:cj=3×{1+12sin[θ+(j?1)×120°]}2∑j=13{1+12sin[θ+(j?1)×120°]}2(5)如果忽略槳葉的形狀,則各槳葉受風(fēng)的平均風(fēng)速為vj就在其中心位置。vj={1+12sin[θ+(i?1)×120°]}×v(6)式中:v為風(fēng)速信號(hào);θ為槳葉的方位角。變槳距電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型:β˙=1Tβ(βr?β)(7)式中:Tβ為時(shí)間常數(shù);βr為參考節(jié)距角;β為對(duì)應(yīng)各個(gè)槳葉分別為β1、β2、β3。該控制策略實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出功率的穩(wěn)定,減小槳葉拍打振動(dòng)。但是對(duì)于極端風(fēng)況給風(fēng)機(jī)造成的過(guò)載荷的問(wèn)題缺乏研究,且模糊控制的方法依賴于知識(shí)規(guī)則,系統(tǒng)的自適應(yīng)能力不高,易造成精度下降。3風(fēng)機(jī)葉片載荷的問(wèn)題由于獨(dú)立變槳距控制研究還處于起步階段,就研究現(xiàn)狀分析而言,仍有一些亟待解決的科學(xué)問(wèn)題,這些問(wèn)題的解決對(duì)于提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等起到至關(guān)重要的作用,對(duì)完善風(fēng)電系統(tǒng)的控制技術(shù)及理論具有重要促進(jìn)作用。其主要問(wèn)題體現(xiàn)在以下三方面:(1)具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、物理意義明確,又能最大程度地體現(xiàn)風(fēng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性、載荷特性的風(fēng)機(jī)非線性模型建立問(wèn)題。目前采用的風(fēng)機(jī)模型主要有兩類(lèi),一是線性化模型,該模型或者忽略了風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性,或者對(duì)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了簡(jiǎn)化;二是由空氣動(dòng)力學(xué)非線性模型與專(zhuān)用軟件生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)的力學(xué)線性化模型,該模型一方面輸入、輸出及狀態(tài)變量非常多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,另一方面,模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)透明性低,不利于風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)載荷的分析計(jì)算,從而影響極端風(fēng)況下降荷控制策略的有效進(jìn)行。(2)同時(shí)實(shí)現(xiàn)風(fēng)速與風(fēng)向?qū)崟r(shí)觀測(cè)的觀測(cè)器設(shè)計(jì)。目前,風(fēng)況觀察主要有兩大類(lèi),第一是依賴于轉(zhuǎn)子有效風(fēng)速的觀測(cè),并根據(jù)該信號(hào)作出判別,顯然轉(zhuǎn)子有效風(fēng)速不能全面反映風(fēng)機(jī)各槳葉所承受的實(shí)際風(fēng)況;第二類(lèi),盡管考慮了風(fēng)速、風(fēng)向問(wèn)題,但其采用的觀測(cè)器主要依賴于線性化模型或者復(fù)雜的非線性化模型,在觀測(cè)精度、速度及計(jì)算的復(fù)雜度方面都有待進(jìn)一步提升。所以同時(shí)實(shí)現(xiàn)風(fēng)速與風(fēng)向?qū)崟r(shí)觀測(cè)的觀測(cè)器設(shè)計(jì)是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。(3)實(shí)現(xiàn)降低槳葉及塔架載荷疲勞的風(fēng)力機(jī)獨(dú)立變槳距優(yōu)化控制方法問(wèn)題。新投入的大型風(fēng)電機(jī)組多數(shù)運(yùn)行在變槳距控制方式下,統(tǒng)一變槳距的研究相對(duì)比較成熟,雖然統(tǒng)一變槳距控制可以在穩(wěn)定輸出功率的前提下,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子過(guò)速保護(hù)等,但是對(duì)于降低處于多維風(fēng)場(chǎng)中的風(fēng)機(jī)葉片的載荷效果不佳;獨(dú)立變槳距控制可以彌補(bǔ)以上缺陷。但目前獨(dú)立變槳距控制研究還處于起步階段,采用的方法大多為基于線性化模型的常規(guī)控制方法或單一智能控制方法等,較難實(shí)現(xiàn)變化風(fēng)速對(duì)風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)載荷造成的影響進(jìn)行全面有效的控