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        減小塔影效應(yīng)載荷波動(dòng)的獨(dú)立變槳距控制研究

        2012-08-18 01:20:24孫宏利邢作霞
        電氣技術(shù) 2012年1期
        關(guān)鍵詞:變槳風(fēng)輪塔架

        陳 雷 孫宏利 邢作霞

        (沈陽工業(yè)大學(xué)風(fēng)能技術(shù)研究所,沈陽 110023)

        近年來,風(fēng)能作為可再生清潔能源,得到了快水速的發(fā)展。海上風(fēng)速大且穩(wěn)定,利用小時(shí)數(shù)可達(dá)到3000h以上。同容量裝機(jī),海上雖比陸上成本增加60%,但電量卻增加50%以上。因此,海上風(fēng)電機(jī)組是未來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新領(lǐng)域、新潮流。

        平軸風(fēng)力機(jī)根據(jù)來流、葉片、塔架的相對(duì)位置,可分為上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)和下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)。海上風(fēng)速大,引起的葉片形變也大,對(duì)于上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)來說,當(dāng)葉片經(jīng)過塔架所在位置時(shí),容易與塔架發(fā)生碰撞,造成風(fēng)電機(jī)組的損壞,因此,下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)是海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)展的趨勢(shì)。下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)由于塔架在掃略面的前方,受到的塔影效應(yīng)影響更大些。

        目前,主流兆瓦級(jí)以上的三槳葉水平軸風(fēng)電機(jī)組,其直徑接近或超過百米,同時(shí)葉片空間互差120°。由于塔影效應(yīng)影響,加劇了葉片在風(fēng)輪掃略面上所受到的空氣動(dòng)力載荷的周期型變化,同時(shí)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率也會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)[1-2]。降低載荷波動(dòng)的比較有效且可行的辦法就是使用獨(dú)立變槳距調(diào)節(jié)技術(shù),給每個(gè)葉片疊加一個(gè)獨(dú)立的槳距信號(hào),使3只葉片具有不同的空氣動(dòng)力學(xué)特性,以補(bǔ)償風(fēng)的不均勻性引起的俯仰載荷和偏航載荷[3-9]。

        本文對(duì)獨(dú)立變槳距控制系統(tǒng)引入坐標(biāo)變換-Coleman變換,將風(fēng)輪線性時(shí)變模型變換為線性時(shí)不變模型,同時(shí)將系統(tǒng)部分解耦,簡(jiǎn)化控制器的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上,建立獨(dú)立變槳距控制系統(tǒng),對(duì)風(fēng)電機(jī)組的載荷情況進(jìn)行仿真研究,并與采用統(tǒng)一變槳距控制策略的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行比較分析。

        1 塔影效應(yīng)

        塔影效應(yīng)是指由于塔架的阻塞作用引起的塔架后面的風(fēng)速降低的現(xiàn)象。根據(jù)定義來看,似乎塔架只是對(duì)下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)有影響。其實(shí)在上風(fēng)向條件下,塔架-轉(zhuǎn)子的相互作用與掃略面和塔架之間的距離有密切關(guān)系。只有轉(zhuǎn)子在塔架上游的很遠(yuǎn)處時(shí),塔架-轉(zhuǎn)子的相互作用才可以忽略。而在下風(fēng)向條件下,轉(zhuǎn)子在塔架的下游。每當(dāng)轉(zhuǎn)子掃過塔架的時(shí)候,都會(huì)與塔架后面一個(gè)風(fēng)速降低區(qū)域內(nèi)的湍流產(chǎn)生相互作用,這個(gè)區(qū)域就被稱為塔架尾跡區(qū)或塔影區(qū)。因此,對(duì)下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)而言,塔影效應(yīng)問題更突出一些。

        風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí),槳葉在風(fēng)輪掃掠面中的位置呈周期性變化,在經(jīng)過塔架所在位置時(shí),由于塔影效應(yīng)的影響,會(huì)加劇葉片在風(fēng)輪掃掠面上所受到的空氣動(dòng)力載荷的周期性變化。而周期性氣動(dòng)載荷會(huì)引起葉片動(dòng)響應(yīng),響應(yīng)又反饋于外部氣動(dòng)載荷,使得本就復(fù)雜的風(fēng)力機(jī)振動(dòng)、疲勞等問題變得更加復(fù)雜且不容忽視。同時(shí)由于載荷的周期變化,對(duì)并網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組來說,其輸出功率也存在一定的波動(dòng),輸出電能質(zhì)量會(huì)受到一定影響。

        塔影效應(yīng)主要有三種不同的模型:上風(fēng)向的潛流模型、下風(fēng)向的經(jīng)驗(yàn)塔架尾跡模型和組合模型。

        1.1 潛流模型

        這個(gè)模型適合于運(yùn)行在塔架上風(fēng)向的風(fēng)輪。塔架上風(fēng)向的縱向風(fēng)速分量(V0)用一個(gè)假設(shè)來修正,該假設(shè)認(rèn)為在一個(gè)直徑為 D=FDT的圓柱狀周圍層流是不可壓縮的,這里DT是要計(jì)算塔影的高度處的塔架直徑,而F是塔架直徑修正因子。對(duì)于塔中心線前方距離為 z,穿過該中心線的風(fēng)向量的邊相距為x的一點(diǎn)來說,風(fēng)速V由下式給出

        其中

        1.2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?/h3>

        對(duì)于運(yùn)行在塔架下風(fēng)向的風(fēng)輪,提供了經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?。?duì)于塔中心線前方距離為 z,穿過該中心線的風(fēng)向量的邊相距為x的一點(diǎn)來說,風(fēng)速V由下式給出

        其中

        適合于底部正中心線±60°范圍內(nèi)的方位角。關(guān)于其它方位角,應(yīng)用潛流模型中的修正方式。這里Δ是作為局部風(fēng)速的一部分在尾跡中心處的最大速度差,而W是作為局部塔架直徑DT一部分的塔影高度。對(duì)給定的下風(fēng)向距離,這些量被定義,也可由DT表達(dá)。對(duì)于其它的距離,W增大,Δ將隨距離的平方根減小。

        1.3 組合模型

        組合模型只是在塔的前部和側(cè)邊應(yīng)用潛流模型,而在下風(fēng)點(diǎn)處無論用其它哪一個(gè)模型均有較大的不足。為了確保平穩(wěn)過渡,在任何小區(qū)域內(nèi)使用兩個(gè)模型的A因子積,在這些小區(qū)域內(nèi)由潛流模型給出加速流,而由經(jīng)驗(yàn)式模型給出速度差。

        2 風(fēng)輪模型

        2.1 風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)線性時(shí)變模型

        風(fēng)輪具有非線性的空氣動(dòng)力學(xué)特性,而非線性控制理論目前仍不成熟,應(yīng)用非常困難。因此,為了利用發(fā)展成熟的線性控制系統(tǒng)理論,以便于控制器的設(shè)計(jì),首先要得到風(fēng)輪的線性化模型[10]。

        對(duì)于三葉片風(fēng)機(jī)而言,風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J,風(fēng)輪角速度為?,主軸轉(zhuǎn)矩為Mrotor,塔架上頂部質(zhì)量為M,塔架前后位移為snod,塔架左右位移為snay,軸向力為Fax,輪轂高度為H,塔架剛度為S,塔架阻尼系數(shù)為D,俯仰彎矩為Mtilt,側(cè)向力為Fsd,偏航彎矩為Myaw。

        風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)和機(jī)艙的運(yùn)動(dòng)方程為

        式(6)和式(7)中的輸入變量{θi∣i=1,2,3}和{ui∣i=1,2,3}分別為 3個(gè)葉片給定槳距角變化量和各葉片上的有效風(fēng)速變化量。變量{ψi∣i=1,2,3}是風(fēng)輪葉片的方位角,由式(8)給出

        kMx,、hMx分別為氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)槳距角、氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)風(fēng)速的導(dǎo)數(shù);

        kFx,、hFx分別為葉片揮舞力對(duì)槳距角、葉片揮舞力對(duì)風(fēng)速的導(dǎo)數(shù);

        kMz,、hMz分別為葉片揮舞彎矩對(duì)槳距角、葉片揮舞彎矩對(duì)風(fēng)速的導(dǎo)數(shù)。

        從風(fēng)輪的運(yùn)動(dòng)方程及俯仰彎矩和側(cè)向力的表達(dá)式可看出,俯仰彎矩和側(cè)向力受到多個(gè)變量的影響,且相互之間有強(qiáng)耦合,控制器的設(shè)計(jì)將十分復(fù)雜。為簡(jiǎn)化計(jì)算,便于利用強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具,將風(fēng)輪的運(yùn)動(dòng)方程寫成狀態(tài)空間描述。由于變量之間的耦合,直接按照多變量時(shí)變系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器會(huì)遇到眾多困難,且效果很難達(dá)到要求。為了簡(jiǎn)化控制器的設(shè)計(jì),引入坐標(biāo)變換-Coleman變換,將線性時(shí)變系統(tǒng)模型變換為線性時(shí)不變模型,變換后的變量加上標(biāo)cm以示區(qū)分。令Coleman變換矩陣為P,則有

        2.2 風(fēng)輪線性時(shí)不變模型

        經(jīng)過Coleman變換后,得到的風(fēng)機(jī)線性時(shí)不變模型如式(10)和式(11)所示。

        由式(10)和式(11)可以看到,方程系數(shù)矩陣已不含有時(shí)變系數(shù),且出現(xiàn)了眾多0元素,將系統(tǒng)部分解耦,這大大簡(jiǎn)化了控制器的設(shè)計(jì)。

        3 獨(dú)立變槳距控制系統(tǒng)

        式(10)和式(11)已給出風(fēng)輪線性時(shí)不變模型,在此基礎(chǔ)上,建立獨(dú)立變槳距控制系統(tǒng),原理圖如圖1所示。

        在系統(tǒng)原理圖中,u1、u2、u3是 3 個(gè)葉片上的風(fēng)速,通過P-1(Coleman逆變換)轉(zhuǎn)換為Coleman坐標(biāo)系下葉片上的風(fēng)速、、,其作為線性時(shí)不變風(fēng)機(jī)模型的輸入。、、是Coleman坐標(biāo)系下的3個(gè)葉片的槳矩角,也是模型的輸入。?是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,輸入到PID控制器,可得到葉片1的槳矩角。、、是Coleman坐標(biāo)系下的3個(gè)葉片的葉片彎矩,其中、輸入到PID控制器,可得到其他兩個(gè)葉片的槳矩角。風(fēng)力發(fā)電機(jī)各葉片根據(jù)各自得到的槳矩角進(jìn)行變槳距操作。

        圖1 獨(dú)立變槳距控制系統(tǒng)

        系統(tǒng)中的獨(dú)立變槳距控制器和功率控制器采用的是 PID控制,具有算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域。由于風(fēng)輪模型經(jīng)過 Coleman變換變換為線性時(shí)不變,所以采用PID控制可以簡(jiǎn)化控制器設(shè)計(jì),并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

        4 仿真結(jié)果

        利用 Bladed軟件對(duì)控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真研究。以葉片有效風(fēng)為輸入信號(hào),對(duì)風(fēng)電機(jī)組在塔影效應(yīng)影響下的如下兩種情況進(jìn)行仿真對(duì)比。

        情形 1:統(tǒng)一變槳距控制(collective pitch control,CPC);

        情形 2:獨(dú)立變槳距控制(individual pitch control,IPC)。

        該模型參數(shù)取自 3.0MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱風(fēng)機(jī))。參數(shù)的測(cè)定是在湍流強(qiáng)度為 0.14,風(fēng)速為14m/s,風(fēng)輪速度為14.31r/min的情況下進(jìn)行的。當(dāng)考慮塔影效應(yīng)時(shí),塔架直徑修正系數(shù)是1。

        3MW風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)載荷系數(shù)如表1所示。

        表1 3MW風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)載荷系數(shù)

        仿真中所用的風(fēng)信號(hào)如圖2所示。

        圖2 3個(gè)葉片上的平均風(fēng)速

        圖3和圖4分別為考慮塔影效應(yīng)影響時(shí),風(fēng)輪中心的俯仰彎矩和偏航彎矩的時(shí)域仿真結(jié)果。

        圖3 考慮塔影效應(yīng)影響時(shí),統(tǒng)一變槳距與獨(dú)立變槳距風(fēng)輪中心俯仰彎矩對(duì)比曲線

        圖4 考慮塔影效應(yīng)影響時(shí),統(tǒng)一變槳距與獨(dú)立變槳距風(fēng)輪中心偏航彎矩對(duì)比曲線

        從圖3和圖4可看出,對(duì)于塔影效應(yīng)影響,統(tǒng)一變槳距控制俯仰彎矩和偏航彎矩的波動(dòng)較劇烈;獨(dú)立變槳距控制俯仰彎矩和偏航彎矩幅值較統(tǒng)一變槳距而言波動(dòng)情況得到了改善,也就是說,獨(dú)立變槳距系統(tǒng)減弱了載荷的波動(dòng)性。

        圖5是通過雨流統(tǒng)計(jì)方法得到的,統(tǒng)一和獨(dú)立變槳距控制20年的疲勞載荷對(duì)比曲線。該曲線共有128節(jié)臺(tái)階,即將整個(gè)風(fēng)機(jī)在 20年壽命當(dāng)中的疲勞載荷分成128段,判斷每次交變屬于哪一段,就給對(duì)應(yīng)的段加 1,把所有工況都統(tǒng)計(jì)完后,就得到了階梯型的曲線。曲線下方的面積越大,說明風(fēng)機(jī)所受的疲勞載荷就越大,也就是說風(fēng)機(jī)的疲勞損傷就越大。從圖5可看出,采用獨(dú)立變槳距控制策略的風(fēng)機(jī)所受的疲勞損傷遠(yuǎn)小于統(tǒng)一變槳距,得到了很大的改善。

        圖5 在風(fēng)機(jī)20年壽命當(dāng)中,統(tǒng)一變槳距控制與獨(dú)立變槳距控制疲勞載荷對(duì)比曲線

        5 結(jié)論

        對(duì)兩種變槳距控制方法進(jìn)行對(duì)比研究:即統(tǒng)一變槳距控制和獨(dú)立變槳距控制。仿真結(jié)果表明,對(duì)于塔影效應(yīng)的影響,獨(dú)立變槳距控制較統(tǒng)一變槳距而言顯著地減弱了載荷的波動(dòng)情況,并且采用獨(dú)立變槳距控制策略的風(fēng)機(jī)所受的疲勞損傷要遠(yuǎn)小于采用統(tǒng)一變槳距控制策略的風(fēng)機(jī),延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)的使用壽命。

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