（金風(fēng)科技股份有限公司，烏魯木齊 830026）

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本文介紹了一種將直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組fore-aft方向（葉輪軸方向）機(jī)艙加速度傳感器信號引入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)控制回路的控制系統(tǒng)，來提升風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)控制回路的動態(tài)響應(yīng)特性，提升風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)資源各異的風(fēng)電場適應(yīng)性，提高機(jī)組可利用率。同時(shí)，在無需任何硬件投資的前提下，降低風(fēng)電機(jī)組塔筒底部以及基礎(chǔ)極限載荷15%以上，降低風(fēng)電機(jī)組整機(jī)成本。

fore-aft方向； 動態(tài)特性 ；基礎(chǔ)載荷； 整機(jī)成本

0 引言

直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組一般會在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率的閉環(huán)控制回路中串聯(lián)帶阻濾波器的方式，來抑制機(jī)組在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)，由于葉輪軸方向即fore-aft方向氣動阻尼小以及變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)被動響應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速中的fore-aft方向一階固有頻率信號，所導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組塔筒fore-aft方向的一階固有頻率振動。但帶阻濾波器引入到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)控制回路中，卻可以引起直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)控制回路系統(tǒng)超調(diào)量增大，響應(yīng)速度緩慢，塔筒fore-aft方向一階固有頻率振動較大，對風(fēng)速特性各異的風(fēng)電場適應(yīng)差。同時(shí)，對應(yīng)于風(fēng)電機(jī)組塔筒和基礎(chǔ)極限載荷設(shè)計(jì)起決定作用的GL規(guī)范DLC1.5工況，即發(fā)電機(jī)側(cè)空氣開關(guān)跳閘的情況下，風(fēng)電機(jī)組塔筒和基礎(chǔ)極限載荷比較大，導(dǎo)致直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組整機(jī)成本比較高。

1 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組fore-aft方向振動抑制

1.1 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組fore-aft方向振動抑制工作原理

直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組fore-aft方向振動抑制系統(tǒng)，風(fēng)電機(jī)組變槳速率控制輸入由兩部分疊加構(gòu)成：

其一，轉(zhuǎn)速測量模塊輸出的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過一個(gè)低通濾波器1濾波之后，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行比較，比較結(jié)果作為比例微分PD控制器的輸入，比例微分PD控制器的輸出再經(jīng)過一個(gè)低通濾波器2處理之后，得到直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組變槳速率控制輸入構(gòu)成之一；

其二，風(fēng)電機(jī)組安裝在機(jī)艙內(nèi)的加速度測量模塊，其輸出的fore-aft方向加速度信號，依次經(jīng)過一個(gè)帶通濾波器、二階濾波器處理之后，作為一個(gè)比例增益模塊的輸入，比例增益模塊的輸出，作為直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組變槳速率控制輸入構(gòu)成之二。

風(fēng)電機(jī)組塔筒的fore-aft方向運(yùn)動可以簡化為一個(gè)二階系統(tǒng)（質(zhì)量M，阻尼D，剛度K），直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組fore-aft方向振動抑制系統(tǒng)，就是從軟件的方面入手，人為增加一個(gè)與塔筒fore-aft方向機(jī)艙速度 一階固有頻率信號相反的變槳控制動作 ，產(chǎn)生一個(gè)附加的外力 ，相當(dāng)于等效增加了塔架fore-aft方向一階固有頻率運(yùn)動的阻尼項(xiàng) ，從而起到抑制直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組fore-aft方向一階固有頻率振動的目的[1]。

1.2 二階濾波器與比例模塊的功能

圖1中的二階濾波器的引入是為了增加變槳速率—fore-aft方向速度開環(huán)控制，以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)控制中，在塔筒fore-aft方向一階固有頻率附近fore-aft方向振動和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號的衰減幅度，改善各自控制的性能。

圖2中，虛點(diǎn)線、黑色實(shí)線、點(diǎn)線分別表示未引入fore-aft方向振動抑制功能、引入fore-aft方向振動抑制功能但只增加帶通濾波器以及引入fore-aft方向振動抑制功能同時(shí)增加帶通濾波器、二階濾波器的系統(tǒng)，其變槳速率—機(jī)艙速度開環(huán)控制bode圖。從圖2可以看出，同時(shí)引入帶通濾波器和二階濾波器的方案，既可以實(shí)現(xiàn)fore-aft方向一階固有頻率振動的大幅衰減，而且在一階固有頻率附近頻率引起的負(fù)作用也較小。

圖3和圖4分別表示只引入帶通濾波器和同時(shí)引入帶通濾波器和二階濾波器的fore-aft方向振動抑制系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)bode圖，在fore-aft方向一階固有頻率附近，圖4比圖3中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號有更大的衰減。

由圖5可見，比例增益模塊的增益值是一個(gè)隨著風(fēng)電機(jī)組葉片角度變化而變化的數(shù)值，而非一個(gè)定值。目的在于保證額定風(fēng)速以上所有風(fēng)速范圍內(nèi)，變槳速率—機(jī)艙速度信號能在fore-aft方向一階固有頻率上有幅度相近的信號衰減。在葉片角度小于角度1或者大于角度2時(shí)，比例增益值各自保持在某個(gè)恒定的數(shù)值，當(dāng)葉片角度介于角度1和角度2之間時(shí)，隨著風(fēng)電機(jī)組葉片角度增大，比例增益值線性減小。

1.3 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組fore-aft方向振動抑制系統(tǒng)的動態(tài)特性

為了簡化說明，本文將在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率控制回路中引入帶阻濾波器的技術(shù)方案簡稱為方案一，fore-aft方向振動抑制技術(shù)方案簡稱為方案二。在方案一與方案二的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比中，方案一用虛線表示，方案二用實(shí)線表示。

圖1 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組fore-aft方向振動抑制系統(tǒng)原

圖2 變槳速率—機(jī)艙速度開環(huán)bode圖

圖3 引入帶通濾波器的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)bode圖

圖4 同時(shí)引入帶通濾波器和二階濾波器發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)bode圖

圖5 比例增益與葉片角度關(guān)系

圖6顯示了風(fēng)速—機(jī)艙速度的開環(huán)階躍響應(yīng)，相比于方案一，方案二可以大幅度降低由風(fēng)速階躍變化引起的塔筒fore-aft方向一階固有頻率振動幅度。

圖7顯示了發(fā)電機(jī)電磁扭矩—機(jī)艙速度的開環(huán)階躍響應(yīng)，方案二可以比方案一大幅度降低由發(fā)電機(jī)電磁扭矩階躍變化引起的塔架fore-aft方向一階固有頻率振動幅度。

圖8和圖9分別顯示了在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)控制回路的階躍響應(yīng)，顯然方案二的超調(diào)量更低，調(diào)節(jié)時(shí)間更短。

圖10和11分別顯示了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)控制回路bode圖，顯然方案二的帶寬更大，響應(yīng)速度更快[2]。

圖6 風(fēng)速—機(jī)艙速度的開環(huán)階躍響應(yīng)

圖7 發(fā)電機(jī)電磁扭矩—機(jī)艙速度的開環(huán)階

圖8 采用帶阻濾波器技術(shù)方案轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)階躍響應(yīng)

圖9 fore-aft方向振動抑制技術(shù)方案轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)階躍響應(yīng)

圖10 采用帶阻濾波器技術(shù)方案轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)bode圖

2.4 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組fore-aft方向振動抑制系統(tǒng)的bladed軟件仿真與試驗(yàn)結(jié)果

圖12顯示了發(fā)電機(jī)側(cè)空氣開關(guān)跳閘的情況下，發(fā)電機(jī)電磁扭矩運(yùn)行仿真結(jié)果；

圖11 fore-aft方向振動抑制技術(shù)方案轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)bode圖

圖12 GL規(guī)范DLC1.5工況下發(fā)電機(jī)電磁扭矩仿真結(jié)果

圖13 GL規(guī)范DLC1.5工況下fore-aft加速度仿真結(jié)果

圖14 GL規(guī)范DLC1.5工況下塔筒底部Mxy仿真結(jié)果

圖15 切出風(fēng)速附近風(fēng)電機(jī)組啟動過程葉片角度仿真結(jié)果

圖16 切出風(fēng)速附近風(fēng)電機(jī)組啟動過程fore-aft加速度仿真結(jié)果

圖17 切出風(fēng)速附近風(fēng)電機(jī)組啟動過程塔筒底部My仿真結(jié)果

圖13和圖14分別顯示了在發(fā)電機(jī)側(cè)空氣開關(guān)跳閘的情況下，仿真風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中fore-aft方向加速度、塔筒底部彎矩載荷Mxy變化趨勢，顯然方案二比方案一在fore-aft方向一階固有頻率加速度和彎矩Mxy的幅值有大幅度降低，塔筒底部Mxy峰值降低幅度在30%以上。由于GL規(guī)范DLC1.5工況下的載荷是確定塔筒底部Mxy和基礎(chǔ)極限載荷的最主要工況[3]，因此降低DLC1.5工況下的極限載荷，將有利于大幅降低塔筒底部Mxy和基礎(chǔ)極限載荷。

圖15、圖16和圖17分別顯示了仿真切出風(fēng)速附近風(fēng)電機(jī)組啟動過程中葉片角度、fore-aft方向加速度、塔筒底部彎矩載荷My變化趨勢。顯然方案二在fore-aft方向一階固有頻率加速度和彎矩My的振動幅值更小[4]。

圖18顯示了1.5MW機(jī)組在16m/s平均風(fēng)速的湍流風(fēng)下，2分鐘運(yùn)行時(shí)間內(nèi)fore-aft方向測試加速度數(shù)據(jù)功率譜密度對比[5]，方案二比方案一在fore-aft方向一階固有頻率（0.45Hz）加速度有更大的衰減。

2 結(jié)論

本文從動態(tài)響應(yīng)特性、bladed軟件仿真結(jié)果以及實(shí)際測試數(shù)據(jù)三個(gè)方面，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率控制回路中引入帶阻濾波器的技術(shù)方案和fore-aft方向振動抑制技術(shù)方案進(jìn)行了對比，通過對比發(fā)現(xiàn)：

（1）fore-aft方向振動抑制技術(shù)方案設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有更好的動態(tài)響應(yīng)特性，對fore-aft方向一階固有頻率振動具有更好的抑制效果，這將大大提升直驅(qū)兆瓦風(fēng)的適應(yīng)性和機(jī)組可利用率。

（2）由于通過軟件控制的方式，大幅度降低GL規(guī)范DLC1.5工況下的極限載荷，實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組針對GL規(guī)范所有工況下的塔筒底部Mxy和基礎(chǔ)極限載荷均可以降低15%以上，對降低風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)成本非常有利。

圖18 16m/s湍流風(fēng)下fore-aft加速度實(shí)際測試數(shù)據(jù)功率譜密度

[1] E. A. Bossanyi .Wind Turbine Control for Load Reduction[J]. Wind Energy,2003(6):229-244.

[2] 胡壽松.自動控制原理[M].北京: 科學(xué)出版社,2001.

[3] Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2003[S]. GL Wind Energy Company, 2003.

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直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組fore-aft方向振動抑制系統(tǒng)

王明江

Vibration Suppression System of Direct-drive MW Wind Turbines fore-aft Direction

Wang Mingjiang
(Goldwind Science & Technology Co., Ltd., Urumchi 830026, China)

This paper introduces a control system which feedbacks fore-aft acceleration signal (rotor axis) to closed control loop between generator speed and collective pitch rate for PMDD wind turbine , in order to improve dynamic response characteristic of closed control loop between generator speed and collective pitch rate , and to adapt all kinds of wind sites with different wind resources and to enhance wind turbine availability . At the same time , this method can also reduce ultimate load for tower base and foundation up to fifteen percent without any hardware investment ,therefore wind turbine cost will be reduced.

fore-aft direction; dynamic characteristic ; foundation load ; wind turbine cost

TM614

A

1674-9219(2013)06-0076-06

2013-04-25。

王明江（1973-），男，碩士，工程師，主要從事風(fēng)電機(jī)組控制策略研究工作。