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)動機(jī)行業(yè)中對大型風(fēng)動機(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)通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)對風(fēng)力機(jī)的三個槳葉實同步調(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。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)然這在實際中是不可能的,當(dāng)兆瓦級的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在額定風(fēng)速時,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)一變槳距沒有優(yōu)勢。其次由于各個槳葉上承受的風(fēng)速不同,使得槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中,槳葉所承受的載荷也不相同,而統(tǒng)一變槳距顯然不能對上述問題進(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)展起來的,且它的每個槳葉都有一套獨(dú)立的變距伺服驅(qū)動系統(tǒng)。顯然,獨(dú)立變槳距控制能夠解決上述缺點(diǎn)所引起的問題。1風(fēng)機(jī)節(jié)距角的影響風(fēng)機(jī)實現(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)對任意葉尖速比λ,當(dāng)槳葉的節(jié)距角β=0時,風(fēng)能利用系數(shù)Cp相對最大;當(dāng)節(jié)距角β增大時,風(fēng)能利用系數(shù)Cp相對減小。當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時,發(fā)電機(jī)的輸出功率也會相應(yīng)增大,如果不對系統(tǒng)進(jìn)行控制,這對于系統(tǒng)來說是不利的。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,可以通過調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角來減小發(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)速在各個槳葉上分布的不同,對各槳葉的節(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,減小槳葉拍打振動,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)動態(tài)載荷等目標(biāo)提供了更先進(jìn)的解決方案。目前國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;國內(nèi)主要側(cè)重智能控制理論應(yīng)用在對風(fēng)電系統(tǒng)的研究控制方面。下面對目前兩類獨(dú)立變槳距控制策略進(jìn)行概述。2.1槳葉控制方案設(shè)計通常情況下,獨(dú)立變槳距控制基于兩個分離的SISO環(huán),以實現(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Coleman變換,建模到轉(zhuǎn)子的傾斜力矩和偏航力矩中,從而實現(xiàn)采用SISO的PI控制環(huán)來降低轉(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,從而實現(xiàn)常規(guī)SISO的PI控制環(huán)來降低轉(zhuǎn)子力矩的低頻成分,經(jīng)過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,即實現(xiàn)了對獨(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、測量角速度,β0為統(tǒng)一變獎角。該控制策略在實現(xiàn)對槳葉載荷的降低有顯著的成果,且操作簡單,具有一定的魯棒性,且本控制策略對于載荷的測量要求較高。文獻(xiàn)采用了LQG優(yōu)化控制方法對此進(jìn)行了改進(jìn),但是這些對于風(fēng)電系統(tǒng)的非旋轉(zhuǎn)部分的疲勞載荷的降低確實微乎其微。文獻(xiàn)采用修改Coleman變換,對基本的獨(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域的多變量優(yōu)化控制及風(fēng)速信號信號估計方法,在此模型上做出了改進(jìn),其思想是通過統(tǒng)計學(xué)的隨機(jī)游走模型對槳葉有效風(fēng)速信號在軸向、偏航、傾斜三個方向上的分量進(jìn)行建模,并與風(fēng)機(jī)的狀態(tài)擴(kuò)展在一起,通過擴(kuò)展的卡爾曼濾波器進(jìn)行狀態(tài)估計,然后將估計的風(fēng)速信號應(yīng)用到動態(tài)擾動前饋控制器中;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)速的不同對三個槳葉節(jié)距角進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,以實現(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與實際測得的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)的期望功率及實際測量功率;β0為槳葉的統(tǒng)一變槳角。根據(jù)各個槳葉所承受風(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;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為時間常數(shù);βr為參考節(jié)距角;β為對應(yīng)各個槳葉分別為β1、β2、β3。該控制策略實現(xiàn)電機(jī)輸出功率的穩(wěn)定,減小槳葉拍打振動。但是對于極端風(fēng)況給風(fēng)機(jī)造成的過載荷的問題缺乏研究,且模糊控制的方法依賴于知識規(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)問題,這些問題的解決對于提高風(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。其主要問題體現(xiàn)在以下三方面:(1)具有結(jié)構(gòu)相對簡單、物理意義明確,又能最大程度地體現(xiàn)風(fēng)機(jī)動力學(xué)特性、載荷特性的風(fēng)機(jī)非線性模型建立問題。目前采用的風(fēng)機(jī)模型主要有兩類,一是線性化模型,該模型或者忽略了風(fēng)機(jī)的動態(tài)特性,或者對動力學(xué)特性進(jìn)行了簡化;二是由空氣動力學(xué)非線性模型與專用軟件生產(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)的動態(tài)載荷的分析計算,從而影響極端風(fēng)況下降荷控制策略的有效進(jìn)行。(2)同時實現(xiàn)風(fēng)速與風(fēng)向?qū)崟r觀測的觀測器設(shè)計。目前,風(fēng)況觀察主要有兩大類,第一是依賴于轉(zhuǎn)子有效風(fēng)速的觀測,并根據(jù)該信號作出判別,顯然轉(zhuǎn)子有效風(fēng)速不能全面反映風(fēng)機(jī)各槳葉所承受的實際風(fēng)況;第二類,盡管考慮了風(fēng)速、風(fēng)向問題,但其采用的觀測器主要依賴于線性化模型或者復(fù)雜的非線性化模型,在觀測精度、速度及計算的復(fù)雜度方面都有待進(jìn)一步提升。所以同時實現(xiàn)風(fēng)速與風(fēng)向?qū)崟r觀測的觀測器設(shè)計是一項艱巨任務(wù)。(3)實現(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,實現(xiàn)轉(zhuǎn)子過速保護(hù)等,但是對于降低處于多維風(fēng)場中的風(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,較難實現(xiàn)變化風(fēng)速對風(fēng)機(jī)動態(tài)載荷造成的影響進(jìn)行全面有效的控