崔雙喜， 王維慶， 周順平

(1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.中國石油天然氣股份有限公司 烏魯木齊石化分公司煉油廠，新疆 烏魯木齊 830019)

0 引 言

風(fēng)電是當(dāng)前開發(fā)速度最快的清潔可再生能源，為適應(yīng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的需求，許多高校都相繼開設(shè)了風(fēng)能與動(dòng)力工程專業(yè)。為適應(yīng)市場對學(xué)生高質(zhì)量的要求，短期內(nèi)提高學(xué)生在校實(shí)踐能力，培養(yǎng)理論與應(yīng)用復(fù)合性人才，到實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電場將理論知識與實(shí)踐短期內(nèi)結(jié)合顯然是不現(xiàn)實(shí)的，也是不切合實(shí)際的，學(xué)生在校期間需要有一個(gè)風(fēng)電實(shí)踐場所[1-3]。為此，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組資源，在施加仿真模擬風(fēng)速后，驗(yàn)證獨(dú)立變槳距控制[4-6]時(shí)，風(fēng)力機(jī)槳距角和功率及載荷的規(guī)律。設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)與風(fēng)力機(jī)組I/O接口電路，搭建了半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺。通過仿真實(shí)驗(yàn)平臺，開發(fā)了兩個(gè)變槳距控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：①變槳距時(shí)，風(fēng)力機(jī)功率、槳葉所受推力及槳葉軸扭矩和槳距角的關(guān)系實(shí)驗(yàn)；②無模型變槳距功率控制器設(shè)計(jì)及有效性和正確性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過對開發(fā)的兩個(gè)變槳距實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論完全吻合，這也驗(yàn)證了搭建的變槳距半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺是合理和可行的，為風(fēng)力機(jī)進(jìn)一步開發(fā)實(shí)驗(yàn)奠定了半實(shí)物平臺基礎(chǔ)。

1 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

計(jì)算機(jī)輸入接口電路采集風(fēng)力機(jī)槳葉的槳距角、風(fēng)力機(jī)功率輸出、風(fēng)力機(jī)3個(gè)槳葉所受氣動(dòng)推力、風(fēng)力機(jī)3個(gè)槳葉根部軸扭矩，共8組數(shù)據(jù)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳距角檢測是在變槳距電機(jī)的輸出軸上安裝增量型編碼器，并且在變槳回轉(zhuǎn)軸承旁安裝最大槳距角位置校正開關(guān)、最小槳距角位置校正開關(guān)、最大槳距角位置極限開關(guān)、最小槳距角位置極限開關(guān)。風(fēng)力機(jī)組輸出功率檢測采用發(fā)電機(jī)功率傳感器。風(fēng)力機(jī)槳葉所受氣動(dòng)推力檢測采用貼在槳葉上主應(yīng)力最大點(diǎn)處的應(yīng)變片傳感器。風(fēng)力機(jī)槳葉根部軸扭矩檢測采用安裝在槳葉軸根部的非接觸式扭矩傳感器。

計(jì)算機(jī)輸出接口電路用以實(shí)驗(yàn)時(shí)計(jì)算機(jī)直接輸出槳葉槳距角；或輸出變槳距控制后產(chǎn)生的槳葉槳距角期望值，其作用于風(fēng)力機(jī)槳距角執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以測試槳矩角變化時(shí)風(fēng)力機(jī)功率及槳葉氣動(dòng)載荷的變化規(guī)律；或完成變槳距控制目的。

設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)與風(fēng)力機(jī)組輸入輸出(I/O)接口及搭建的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺框圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)力機(jī)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺框圖

2 無模型變槳距功率控制器

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸入控制變量u(k)取為期望參考槳距角，也是無模型變槳距控制器的輸出β(k)，維數(shù)為1，即

u(k)=[u(k)]=[β(k)]

(1)

式中，k為離散時(shí)間。

風(fēng)力機(jī)組輸出變量y(k)取為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率P(k)，維數(shù)也為1，即

y(k)=[y(k)]=[P(k)]

(2)

無模型變槳距功率控制時(shí)，將風(fēng)力機(jī)視為單輸入單輸出系統(tǒng)。在設(shè)定了控制器的輸入輸出變量以后，就可以得到風(fēng)力機(jī)組的泛模型[7-16]，如下式所示：

y(k)-y(k-1)=φ(k-1)[u(k-1)-u(k-2)]

(3)

式中:y(k)是系統(tǒng)在k時(shí)刻實(shí)際輸出;y(k-1)是系統(tǒng)在k-1時(shí)刻實(shí)際輸出;u(k-1)是k-1時(shí)刻的槳距角;u(k-2)是k-2時(shí)刻的槳距角;φ(k-1)是k-1時(shí)刻由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定的待估參數(shù)。

泛模型的一步預(yù)測模型為

改革開放40年，也是中國磷復(fù)肥工業(yè)不斷超越自我、華麗蝶變的40年。未來，行業(yè)將繼續(xù)深入改革，推動(dòng)我國從磷復(fù)肥大國向磷復(fù)肥強(qiáng)國闊步前行。

(4)

式中:

設(shè)計(jì)如下的參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則函數(shù):

(5)

式中，r是權(quán)重因子。

(6)

式中，l是步長序列，是在控制過程中可調(diào)的參數(shù)。

無模型控制的目的是在k時(shí)刻對系統(tǒng)施加控制作用u(k)，使系統(tǒng)輸出為期望值y*(k+1)，可以考慮下式所示的控制輸入準(zhǔn)則函數(shù):

(7)

式中:y*(k+1)是系統(tǒng)在k+1時(shí)刻的期望輸出值;y(k+1)是系統(tǒng)在k+1時(shí)刻的實(shí)際輸出;a是一個(gè)可調(diào)的權(quán)重系數(shù)，引入該系數(shù)可以避免式(8)控制律算法分母可能為零的奇異情況。

將式(4)代入準(zhǔn)則函數(shù)式(7)中，并將式(7)對u(k)求導(dǎo)，令其等于零，得無模型控制律算法為

(8)

式中，m是可調(diào)節(jié)步長序列。

從控制律算法可看出，無模型控制律與風(fēng)力機(jī)組數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)、階次無關(guān)，僅用系統(tǒng)I/O數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)。

綜上可知，無模型控制器包括兩個(gè)重要的算法，①未知待估參數(shù)φ(k)的辨識;②控制律的計(jì)算。因此，完整無模型控制器為由式(6)、(8)組成的方程。

無模型控制器算法完全由計(jì)算機(jī)采集的輸入輸出數(shù)據(jù)通過編程實(shí)現(xiàn)，其算法流程圖如圖2所示。

圖2 無模型控制算法流程

3 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室風(fēng)力機(jī)(在室外)額定功率500 kW，額定風(fēng)速12 m/s，計(jì)算機(jī)采用工控機(jī)。在實(shí)驗(yàn)室搭建的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺上，開發(fā)了兩個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：①風(fēng)力機(jī)功率、槳葉所受推力及槳葉軸扭矩和槳距角的關(guān)系實(shí)驗(yàn)；②無模型變槳距功率控制器的設(shè)計(jì)及有效性和正確性的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

3.1 風(fēng)力機(jī)功率、槳葉所受推力及槳葉軸扭矩和槳距角的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)時(shí)模擬風(fēng)速的平均值為12 m/s，這是輪轂離地高度處的平均風(fēng)速，槳距角的期望輸出值設(shè)定為以3°/s的速率線性增大，作用于槳距角執(zhí)行機(jī)構(gòu)，風(fēng)力機(jī)輸出功率仿真實(shí)驗(yàn)曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，平均風(fēng)速一定時(shí)，隨著風(fēng)力機(jī)槳距角增大，風(fēng)力機(jī)輸出功率將減小，但兩者并非呈線性的關(guān)系，這也正與風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)不是和槳距角成正比這一基本理論相一致。

3槳葉所受推力仿真實(shí)驗(yàn)曲線如圖4所示。由圖可以看出，槳距角增大時(shí)，3個(gè)槳葉所受氣動(dòng)推力隨槳距角增大均呈周期性變化且非線性的減小。氣動(dòng)推力呈周期性變化的根本原因在于風(fēng)剪切，所謂風(fēng)剪切是指，風(fēng)速在垂直方向上隨高度的增加而增大。當(dāng)槳葉周期性的轉(zhuǎn)過輪轂上空的高風(fēng)速區(qū)及下部的低風(fēng)速區(qū)時(shí)，槳葉所受氣動(dòng)推力呈現(xiàn)周期性變化，并且隨槳距角增大而減小。

圖3 風(fēng)力機(jī)輸出功率與槳距角的變化曲線

圖4 風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)推力與槳距角的變化曲線

3槳葉根部軸扭矩仿真實(shí)驗(yàn)曲線如圖5所示。由曲線可以看出，槳距角增大時(shí)，3個(gè)槳葉根部軸扭矩也在風(fēng)剪切的影響下呈周期性變化，并且隨槳距角增大而減小，也非線性的關(guān)系。

圖5 風(fēng)力機(jī)軸扭矩與槳距角的變化曲線

3.2 無模型變槳距功率控制器的設(shè)計(jì)

對風(fēng)力機(jī)施加圖6所示實(shí)驗(yàn)?zāi)M風(fēng)速，風(fēng)速高于額定風(fēng)速12 m/s。采用設(shè)計(jì)的無模型變槳距功率控制器，槳葉槳距角的調(diào)節(jié)曲線如圖7所示。從圖7曲線可看出，為保證在高于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率保持為額定功率，變槳距控制能夠使槳葉隨風(fēng)速變化而調(diào)節(jié)槳距角，并且槳距角大時(shí)對應(yīng)高風(fēng)速，這與實(shí)際是相符的。

無模型控制功率仿真實(shí)驗(yàn)曲線如圖8所示。從曲線可以看出，風(fēng)力機(jī)施加額定以上風(fēng)速時(shí)，為保證輸出功率恒定在額定功率，采用設(shè)計(jì)的變槳距功率控制器，調(diào)節(jié)槳葉槳距角，能夠使輸出功率控制在500 kW的額定值附近，這也驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的無模型變槳距功率控制器的正確性。

圖6 實(shí)驗(yàn)?zāi)M風(fēng)速

圖7 無模型控制槳距角調(diào)節(jié)曲線

圖8 無模型控制輸出功率

4 結(jié) 語

為此，搭建實(shí)驗(yàn)室半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺，自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)是很有必要的，通過搭建的仿真實(shí)驗(yàn)平臺以及開發(fā)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)果與理論相符，設(shè)計(jì)的無模型變槳距功率控制器是正確和有效的，這也反過來驗(yàn)證了半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺的合理性和可行性。通過搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺，為風(fēng)力機(jī)進(jìn)一步開發(fā)實(shí)驗(yàn)提供了可能，也為風(fēng)能與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合提供了很好的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)場所。

[1] 解 大,顧羽潔,徐 濤,等. 微電網(wǎng)仿真與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Ⅰ.總體設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(9):74-78.

XIE Da, GU Yu-jie, XU Tao,etal. A Micro Grid Simulation and Testing System 1. General Design[J].Research and Exploration in Laboratory, 2011,30(9):74-78.

[2] 解 大,張延遲,盧婧婧,等. 大型風(fēng)電機(jī)組仿真及試驗(yàn)系統(tǒng) Ⅱ.建模和仿真[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(6):22-26.

XIE Da, ZHANG Yan-chi, LU Jing-jing,etal. A Large scale Wind Power Generation Simulation and Testing System Ⅱ Modeling and Simulation[J].Research and Exploration in Laboratory, 2009,28(6):22-26.

[3] 郭 華, 段 斌, 楊先有. 數(shù)字物理混合的變槳距控制器綜合實(shí)驗(yàn)平臺[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(1):53-57.

GUO Hua, DUAN Bin, YANG Xian-you. An Integrated Digital and Physical Experimental Platform of Pitch Controller[J].Research and Exploration in Laboratory, 2012,31(1):53-57.

[4] 邢 剛, 郭 威. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距控制方法研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2008,24(5):181-186.

XING Gang, GUO Wei. Method for collective pitch control of wind turbine generator system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2008, 24(5): 181-186.

[5] 韋 徵, 陳 冉, 陳家偉,等. 基于功率變化和模糊控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速變槳距控制[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011，31(17):121-126.

WEI Zheng, CHEN Ran, CHEN Jia-wei,etal. Wind Turbine-generator Unit Variable-speed Pitch Control Based on Judgment of Power Changes and Fuzzy Control[J]. Proceedings of the CSEE, 2011，31(17):121-126.

[6] 姚興佳, 張雅楠, 郭慶鼎. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的多模變槳距控制[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 31(2):149-152.

YAO Xing-jia, ZHANG Ya-nan, GUO Qin-ding. Multimode variable pitch control design for wind turbine system[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2009, 31(2):149-152.

[7] 李秀英,韓志剛.非線性系統(tǒng)的無模型控制方法[J].控制工程, 2010, 17(1): 38-41.

LI Xiu-ying, HAN Zhi-gang. Model Free Control Method for Nonlinear Systems [J]. Control Engineering of China, 2010,17(1) :38-41.

[8] 韓志剛,蔣愛平,汪國強(qiáng). 無模型控制方法對多變量耦合系統(tǒng)控制的應(yīng)用研究[J].控制與決策,2004, 19(10): 1155-1162.

HAN Zhi-gang, JIANG Ai-ping, WANG Guo-qiang. Study on control of multivariable coupling systems with model free control method [J]. Control and Decision, 2004,19(10):1155-1162.

[9] 韓志剛.一類復(fù)雜系統(tǒng)非建?？刂品椒ǖ难芯縖J].控制與決策, 2003, 18(4): 398-402.

HAN Zhi-gang. Study on non-modelling control method for a class of complex systems [J]. Control and Decision, 2003,18(4):398-402.

[10] 于志剛,趙杰.無模型控制律的基本形式收斂性分析[J]. 控制工程, 2009, 16(2): 130-132.

YU Zhi-gang, ZHAO Jie. Convergence analysis of model free control Law with prmiary Pattern [J]. Control Engineering of China, 2009,16(2):130-132.

[11] Wang H P, Pintea A, Christov N,etal. Recursive model free control of variable speed wind turbine systems[C]//2012 IEEE International Conference on Control Applications (CCA). Dubrovnik, Croatia: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 2012:1541-1546.

[12] Ge braad, Pieter M O, van Dam,etal. A model-free distributed approach for wind plant control[C]//American Control Conference (ACC).Washington, DC: Control Systems Society-CS, IEEE, 2013:628-633.

[13] Marden J R, Ruben S D, Pao L Y. A Model-Free Approach to Wind Farm Control Using Game Theoretic Methods[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2013,21(4):1207-1214.

[14] Yunqian Zhang, Zhe Chen, Ming Cheng,etal. Pitch control of wind turbines using model free adaptivecontrol based on wind turbine code[C]//2011 International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). Beijing: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2011:1-6.

[15] 魯效平, 李 偉, 林勇剛. 基于無模型自適應(yīng)控制器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)載荷控制[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011, 42(2):109-114.

LU Xiao-ping, LI Wei, LIN Yong-gang. Load Control of Wind Turbine Based on Model free Adaptive Controller[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(2):109-114.

[16] 王曉東, 姚興佳. 基于泛模型的風(fēng)輪不平衡載荷控制[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2012, 33(2):215-220.

Wang Xiao-dong, YAO Xing-jia. Totor Unbalance Load Control of Wind Turbine Based on Universal Model[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2012, 33(2):215-220.