杜靜，文薄程，謝雙義，金鑫，倪小偉

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶400030）

變速變槳風力機的自適應變槳及轉矩控制

杜靜，文薄程，謝雙義，金鑫，倪小偉

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶400030）

針對風力機特性仿真結果的不準確性，風力機在運行過程中運行參數(shù)的變化導致最初選定的名義槳距角可能不是最優(yōu)值，以及傳統(tǒng)變槳可能導致電機轉矩波動過大的問題，提出自適應變槳控制策略和線性二次型調節(jié)(linear quadratic regulator，LQR)轉矩控制策略。以5 MW變速變槳風力發(fā)電機組為驗證對象，使用Matlab/Simulink和FAST軟件進行聯(lián)合仿真，仿真結果表明所提出的控制策略能很好地解決槳距角最優(yōu)值的確定以及在額定風速以上電機轉矩波動過大的問題。

變速變槳；自適應；線性二次型調節(jié)

風能作為一種綠色和可再生能源正受到人們越來越多的重視。早期設計的風力機大多數(shù)是定速的，即風力機的轉速是固定的，而現(xiàn)在風力機逐漸趨于變速運行，這是因為變速風力機能在更大程度上捕獲風能，而且在大多數(shù)的變速風力機中，葉片的槳距角是可以調節(jié)的，通過葉片的變槳動作可以控制風力機的運行狀態(tài)。

當風力機運行在額定風速以下時，傳統(tǒng)方法是將葉片的槳距角設定在一個固定值上，在風速變化的情況下，控制系統(tǒng)可以使槳距角從這個固定值開始變化，從而控制風力機的發(fā)電功率和葉輪轉速。能夠使風力機的氣動效率最優(yōu)的槳距角叫做最優(yōu)槳距角，目前有很多種確定這個值的方法和模型，但這些方法和模型往往存在一些誤差。另外，在實際制造和安裝風力機的過程中都會或多或少存在誤差，使風力機不能從風中捕獲最大功率。當風力機運行在額定風速以上時，傳統(tǒng)的控制策略是采用恒功率控制[1]，但這可能在一定程度上增大電機轉矩的波動，使風力機的安全性降低，還會增加風力機的制造成本。因此控制風力機的轉矩和變槳動作，對風力機的設計來說是一項很重要的任務。

1 風力機空氣動力學特性分析

當風穿過葉輪旋轉平面時，由于風輪不可能吸收所有的風能，因此會存在一個效率問題，在風力機中叫做風能利用系數(shù)，用p表示，它是葉尖速比和槳距角的函數(shù)[2]，可以表示為：

式中：ω為葉輪旋轉角速度；為葉輪半徑。

使用WT-Perf[3]軟件可求得p曲面，如圖1所示。從圖中可以看出，當葉尖速比和槳距角都取某個特定值時風能利用系數(shù)才可能會最大。

2 變速變槳風力機的傳統(tǒng)控制策略

2.1 變速變槳風力機的運行區(qū)間

變速變槳風力機的運行區(qū)間一般可以分為3個，如圖2所示。

圖1 變速變槳風力發(fā)電機組功率運行曲線

圖2 變速變槳風力機的運行區(qū)間

區(qū)域1表示啟動區(qū)，此時風力機并沒有啟動；區(qū)域2表示低于額定風速區(qū)，在此區(qū)域內的控制目標是盡可能使風力機風能利用系數(shù)最大，此時的槳距角等于最優(yōu)槳距角*，為一定值；區(qū)域3表示的是高于額定風速區(qū)，在此區(qū)域內一般采用恒功率控制策略，同時對葉片進行變槳以防止葉輪超速運行。

2.2 變速變槳風力機的傳統(tǒng)轉矩和變槳控制

當風力機運行在區(qū)域3上，為了防止發(fā)電功率及葉輪轉速超過額定值，對葉片進行變槳動作。傳統(tǒng)的變槳控制器采用PI控制技術和增益調度技術[4-6]來對葉片的變槳動作進行控制。

3 新型變槳控制策略

3.1 自適應變槳控制

當風力機運行在區(qū)域2上時，槳距角固定在恒值上，這個恒值一般通過仿真得到，但由于仿真過程中可能存在一些誤差，導致得出的槳距角可能并不是最優(yōu)的。另外，在實際安裝的風力機中，由于安裝誤差等因素也可能對風力機的運行參數(shù)產(chǎn)生影響，此時如果槳距角的最優(yōu)設定值沒有發(fā)生相應改變則可能會使其風能利用系數(shù)降低，而自適應變槳控制就可以解決這個問題。

自適應變槳控制器使用離散的爬山法來改變槳距角的值，從而使風力機的氣動效率最大化。式(5)～(7)表示的是自適應變槳控制的基本算法。

3.2 基于LQR的變槳控制策略

線性二次型調節(jié)(linear quadratic regulator，LQR)是現(xiàn)代控制理論中發(fā)展最早也最為成熟的一種狀態(tài)空間設計方法，它以狀態(tài)空間形式的線性系統(tǒng)為對象，以對象狀態(tài)和控制輸入的二次型函數(shù)為目標函數(shù)。通過構造反饋增益，在較低的控制成本下實現(xiàn)原系統(tǒng)較好的性能指標[9]。

假定有如下線性時不變系統(tǒng)：

構建目標函數(shù)：

由最優(yōu)控制理論知，反饋增益矩陣由式(12)計算：

在此基礎上可構建反饋法則：

Matlab LQR程序計算得到的閉環(huán)極點為－3.623±14.79，－4.3701±4.787，以及－3.897。所生成的增益矩陣為：

4 仿真分析

本文選擇美國能源實驗室提供的5 MW風機作為仿真模型，其葉輪半徑約63m，輪轂中心的高度是90m。借助FAST與Matlab進行聯(lián)合仿真，所搭建的Simulink模型如圖3所示。

圖3 Simulink仿真模型

在8m/s的常風條件下對自適應變槳控制進行仿真，其槳距角和葉輪功率系數(shù)的仿真結果如圖4和圖5所示?？梢钥闯?，槳距角起始角度約為4.5°，當槳距角變?yōu)?°時葉輪功率系數(shù)最大，約為0.47。

圖4 在恒風速下槳距角的自適應變化結果

圖5 在恒風速下葉輪功率系數(shù)的變化結果

選用18m/s的湍流風，此時風力機進入變槳控制階段，自適應變槳不再起作用。圖6表示在兩種變槳控制策略下高速軸扭矩的仿真結果對比。從圖6中可以明顯看出，在LQR變槳控制策略下，高速軸扭矩的波動以及峰值都有明顯的減小。

圖6 在湍流風下的高速軸扭矩對比

5 結論

分析了變速變槳風力機的氣動特性，針對仿真軟件的不準確性，風力機運行參數(shù)變化導致起始設定槳距角不能使風機氣動效率最優(yōu)，以及傳統(tǒng)變槳可能使轉矩波動過大的問題，提出了自適應變槳控制和LQR變槳控制策略，仿真結果表明：自適應變槳控制策略能夠使風力機找到最優(yōu)槳距角值，而LQR控制策略可以在一定程度上降低高速軸轉矩的波動及峰值。

[1]葉杭冶.風力發(fā)電機組的控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002：80-90.

[2]VAN D H E L，SCHAAK P，VAN E T G.Wind turbine control algorithms(ECN-C-03-111)[R].Petten,Netherlands:Energy Research Centre of the Netherlands,2003.

[3]BUHL M L.2004 WT_PERF user′s guide[R].Golden,Colorado, USA:National Renewable Energy Laboratory,2004.

[4]LESCHER F,ZHAO J Y,BORNE P.Robust gain scheduling controller for pitch regulated variable speed wind turbine[J].Studies in Informatics and Control,2005,14(4):299-315.

[5]BOSSAYI EA.Bladed for windows usermanual[M].England：Garrad Hassan and Partners Ltd，2005.

[6]王江.帶增益調度的風力發(fā)電變槳距控制研究[J].電源技術應用，2009，12(3)：8-11.

[7]BOSSAYI EA.Bladed for windows usermanual[M].England: Garrad Hassan and Partners Ltd,2005:114-122.

[8]BURTON T,SHARPE D,JENKINS N,et al.Wind energyhandbook [M].New York:Wiley,2001.

[9]薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設計與分析[M].北京：清華大學出版社，2000：298-299.

Adaptive pitch and torque control of wind turbines

DU Jing,WEN Bo-cheng,XIE Shuang-yi,JIN Xin,NI Xiao-wei

For the inaccuracy of the simulation，results in the characteristics of wind turbines and its changing operating parametersmay lead to the initial selected nominal pitch angle not an optimal value,and the traditional pitch control could lead to the problem of excessive generator torque fluctuation,an adaptive pitch and a LQR(linear quadratic regulator)torque control strategy were proposed.With a 5 MW variable-speed variable-pitch wind turbine as an object for study,Matlab/Simulink and FAST software co-simulation were used.The simulation results show that the proposed control strategy is a good solution to determine the optimal pitch angle and the problem of excessive torque fluctuation above rated wind speed.

variable-speed variable-pitch;adaptive;LQR

TM 315

A

1002-087 X(2014)10-1904-03

2014-03-05

國家科技支撐計劃項目(2009BAA22B02)；國家自然科學基金項目(51005255)；教育部高等學校博士學科點科研基金項目(20090191120005)

杜靜(1964—)，女，江西省人，博士，教授，主要研究方向為風力發(fā)電機控制策略。