吳賽男

(中國電能成套設(shè)備有限公司，北京 100011)

激光測風(fēng)系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展過程中的一項(xiàng)新技術(shù)。安裝于機(jī)艙頂部的激光雷達(dá)測風(fēng)系統(tǒng)可以測量風(fēng)機(jī)正前方一定距離內(nèi)不斷變化的風(fēng)向與風(fēng)速，如果使用這些信息來控制風(fēng)機(jī)的變槳?jiǎng)幼?，葉片槳距角就會(huì)在風(fēng)速升高 (或降低)前增大 (或減小)。這不但可以降低葉片、輪轂及塔架等主要部件的載荷，使機(jī)組安全性得以提高，還可以在陣風(fēng)來臨前變槳，避免機(jī)組出現(xiàn)過速停機(jī)的故障，從而增加發(fā)電量。本文就激光測風(fēng)系統(tǒng)輔助變槳控制的原理及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，并在CH Bladed軟件仿真平臺(tái)上對激光測風(fēng)系統(tǒng)輔助變槳控制器的效果進(jìn)行仿真，從而驗(yàn)證了該控制方法的有效性。

圖1 測風(fēng)激光雷達(dá)光路示意圖

1 激光測風(fēng)系統(tǒng)輔助變槳控制器設(shè)計(jì)

目前一般采用的變槳控制系統(tǒng)是通過測量葉輪轉(zhuǎn)速來改變槳距角以保持風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的反饋控制系統(tǒng)。但由于該系統(tǒng)的滯后性，當(dāng)風(fēng)速變大時(shí)，葉輪系統(tǒng)首先受到大風(fēng)影響后變槳系統(tǒng)才起作用，這就導(dǎo)致了載荷的增加。而使用激光測風(fēng)系統(tǒng)后，變槳系統(tǒng)提前動(dòng)作可以減小機(jī)組的載荷。

1.1 激光測風(fēng)系統(tǒng)原理

激光測風(fēng)系統(tǒng)基于激光所具有的高度相干性、單色性、方向性和探測器的平方律特性，通過激光外差探測風(fēng)速。激光雷達(dá)測風(fēng)速原理如圖1所示。

從激光器發(fā)出的頻率為f0的激光，經(jīng)過分光器被分成2束，一束直接送到光電探測器，另一束射向運(yùn)動(dòng)粒子 (風(fēng))，經(jīng)粒子反射后形成頻率為f的回波，也被送到光電探測器。2束光經(jīng)過中頻放大器后送往鑒頻器。鑒頻器根據(jù)收到的f0和f，并按多普勒原理計(jì)算出風(fēng)的運(yùn)動(dòng)速度［1］。

1.2 變槳控制器設(shè)計(jì)

激光測風(fēng)系統(tǒng)輔助變槳控制在目前采用的反饋控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上添加前饋控制，見圖2［2］。

圖2 反饋及前饋?zhàn)儤刂葡到y(tǒng)框圖

圖3 靜態(tài)風(fēng)速—槳距角曲線

圖2中，ΣFB是當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，用來調(diào)節(jié)槳距角θ以使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速Ω保持在額定轉(zhuǎn)速的反饋控制器;ΣFF是前饋控制器。在理論上，如果能精確描述風(fēng)速對轉(zhuǎn)速的影響ΣΩv及槳距角對轉(zhuǎn)速的影響ΣΩθ，前饋控制器ΣFF就可由式 (1)得:

由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，無法精確描述ΣΩv及ΣΩθ，因而無法得到精確的前饋控制器ΣFF。但風(fēng)場內(nèi)的風(fēng)模型可以簡化為一風(fēng)速變量v［3］，并通過Bladed軟件分析可得到靜態(tài)的槳距角θ與風(fēng)速v的關(guān)系曲線，如圖3所示。通過非線性函數(shù)擬合，可得到θ與v近似函數(shù)關(guān)系:θ=θss(v)。在前饋控制器中，該函數(shù)關(guān)系為通過風(fēng)速計(jì)算槳距角的基本依據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)激光測風(fēng)系統(tǒng)輔助變槳控制，變槳指令采用前饋控制與反饋控制加權(quán)求和的方法。其具體形式為

其中，θdemand為變槳指令;θ1為激光測風(fēng)儀變槳控制給出的變槳位置;θ2為反饋控制器的變槳位置;α為加權(quán)系數(shù)。

對于不同配置機(jī)組，可通過調(diào)節(jié)擬合函數(shù)θ=θss(v)及加權(quán)系數(shù)α來得到最優(yōu)變槳控制器。

2 仿真結(jié)果

本文使用的某風(fēng)機(jī)模型的風(fēng)速—槳距角擬合函數(shù)如式 (3)所示。

為實(shí)現(xiàn)激光測風(fēng)儀的前饋控制，達(dá)到提前變槳的目的，需要在式 (3)中加入時(shí)間提前量τ，即

一般取τ=0.5 s，以確保覆蓋變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間［4］。

根據(jù)IEC規(guī)范［5］，分別采用傳統(tǒng)的反饋?zhàn)儤刂破髋c激光測風(fēng)系統(tǒng)輔助變槳控制器，通過在GH Bladed軟件仿真平臺(tái)上仿真計(jì)算后，得到的機(jī)組主要部件疲勞載荷結(jié)果如表1～表4所示，極限載荷結(jié)果如表5～表8所示。式中，α為式 (2)中的加權(quán)系數(shù)，Mx、My、Mz、Mxy、Myz分別為各主要部件在x、y、z、xy、yz方向上受到的力矩;Fx、Fy、Fz、Fxy、Fyz分別為各主要部件在 x、y、z、xy、yz方向上的受力。載荷降低值為正表示載荷降低的比例，反之則表示載荷上升的比例。

從上述表格可知，采用本文的激光測風(fēng)輔助變槳控制方法 (α=0.5)與傳統(tǒng)的反饋?zhàn)儤刂品椒?(α=0)比較，機(jī)組的極限載荷顯著降低，尤其是在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的葉根My、輪轂Myz、塔底Mxy及偏航軸承Mxy極限載荷降低較大。而當(dāng)α=0.5時(shí)，機(jī)組疲勞載荷也有一定的降低，只是其降低值相對較小。

表1 葉根疲勞載荷 (1.2 m)

表2 輪轂疲勞載荷 (靜態(tài))

表3 塔底疲勞載荷 (0.65 m)

表4 偏航軸承疲勞載荷

表5 葉根極限載荷 (1.2 m)

表6 輪轂極限載荷 (靜態(tài))

表7 塔底極限載荷 (0.65 m)

表8 偏航軸承極限載荷

3 結(jié)束語

對比傳統(tǒng)的反饋?zhàn)儤刂破髋c激光測風(fēng)系統(tǒng)輔助變槳控制器的仿真結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)變槳控制方法可有效降低機(jī)組主要部件的疲勞載荷及極限載荷，提高機(jī)組的安全性能。目前應(yīng)用激光測風(fēng)系統(tǒng)的主要障礙在于該系統(tǒng)的成本過高。但隨著風(fēng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展、機(jī)組額定功率的提高及激光測風(fēng)系統(tǒng)自身成本的降低，將體現(xiàn)出該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

［1］ 王保成，張衛(wèi)華．激光雷達(dá)工作原理與氣象探測［J］．現(xiàn)代物理知識(shí)，2001，13(6):34－35．

［2］ 李建林，張 雷，鄂春良．基于歐姆龍PLC的風(fēng)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)［J］．國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)．2010，13(3):48 －51．

［3］ 胡慶波，呂征宇．全數(shù)字私服系統(tǒng)中位置前饋控制器的設(shè)計(jì) ［J］．電氣傳動(dòng)，2005，35(5):24－27．

［4］ 劉曉平，唐益明，鄭利平．復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜系統(tǒng)仿真研究綜述 ［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20(23):6 303－6 316．

［5］ 寧李譜，寧 欣，楊 輝，等．風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)載荷的分析 ［J］．河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，38(3):84－87．