范定成，秦斌，姜學想（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，株洲 412007）

基于前饋補償加速度權系數的獨立變槳距控制研究

范定成，秦斌，姜學想
（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，株洲 412007）

摘要：風能發(fā)電系統(tǒng)具有自然風速的隨機性、時變性和系統(tǒng)的非線性等特點，所以論文提出了基于前饋補償加速度權系數的獨立變槳距控制方法。采用加速度權系數分配對各個槳葉單獨進行控制，使每個槳葉跟隨風速的變化而變化，實現獨立變槳距控制，然后根據前饋補償理論的知識對整個控制過程進行補償。論文構建了直驅永磁同步發(fā)電系統(tǒng)獨立變槳距的數學模型，并在MATLAB/Simulink上進行建模仿真，仿真結果表明論文提出的控制算法不僅具有強抗干擾、強魯棒性以及響應速度快的優(yōu)點，而且還可以在穩(wěn)定系統(tǒng)輸出功率的同時，實現各槳葉的平穩(wěn)變化，減輕風力發(fā)電機組疲勞載荷和摩擦。

關鍵詞：風力發(fā)電系統(tǒng)；變槳距控制；前饋補償；加速度權系數

本文引用格式：范定成，秦斌，姜學想.基于前饋補償加速度權系數的獨立變槳距控制研究[J].新型工業(yè)化，2015，5（8）：26-32

Citation: FAN Ding-cheng, QIN Bin, JIANG Xue-xiang. A Control Method For Invidual Pitch Based on Feedforward Compensator Accelerated Speed Weight Number Assignment[J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5（8）: 26-32.

0 引言

由于風能是可再生能源，所以風能發(fā)電必成為可持續(xù)發(fā)展道路。變槳控制已經逐漸成為風力發(fā)電技術的主流技術，負責空氣動力系統(tǒng)的槳距自動調節(jié)，實現高風速段發(fā)電機的穩(wěn)定輸出。目前，誕生了兩種控制方法，分別是統(tǒng)一變槳距控制和獨立變槳距控制。事實上，統(tǒng)一變槳距控制很難達到上述設計要求，因為三個槳葉由同一個執(zhí)行機構統(tǒng)一控制，步調同一變化，而在獨立變槳距控制中，三個槳葉分別由不同的執(zhí)行機構控制，彼此之間獨立，互不聯系。當其中一個執(zhí)行結構發(fā)生故障，導致其所控制的槳葉不能實現變槳時，另外兩個槳葉卻能在自己的執(zhí)行機構控制下實現單獨變槳，也就是說整個風力發(fā)電機組可以繼續(xù)帶傷工作，彼此之間相互獨立，互不影響。當風力機轉到不同位置時，盡管風速也隨著時間不同而變化，但是獨立變槳距控制技術可根據不同葉片受力不同，對每個槳葉進行獨立控制，使槳距角跟隨風速而增大或減小，從而減小槳葉的拍打振動，最終使發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近，延長風力機的壽命。所以獨立變槳距控制技術值得我們去研究。

論文研究的目地是使發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定在額定功率的條件下，使系統(tǒng)能更快的響應輸入的變化，同時使輸出的功率的變化頻率和幅值更小。為了達到上述要求，提出了基于前饋補償加速度權系數獨立變槳距控制方法，最后通過對一臺額定輸出功率為2MW的永磁同步發(fā)電進行建模仿真，結果表明論文提出的控制方法是正確的，而且是有效的，因為不僅保證了發(fā)電機輸出功率的穩(wěn)定性，還從另一方面減小了槳葉的振蕩和機組的載荷，故此方法是可行的。

1 風力發(fā)電系統(tǒng)建模

由于機械時間常數遠遠大于電磁時間常數，所以在論文的研究過程中，忽略了電磁時間常數，即不考慮發(fā)電機的電磁動態(tài)響應過程。圖1是永磁同步發(fā)電機發(fā)電和并網運行的結構框圖，其中發(fā)電機的轉速通過機側控制單元利用電磁轉矩進行控制，在額定風速以下時，使發(fā)電機運行在最佳葉尖速比位置，充分吸收風能，當風速大于額定風速小于切出風速時，發(fā)電機的轉速由變槳距執(zhí)行機構單元控制槳葉槳距角進行間接控制，從而保持輸出功率的恒定。就這樣通過變槳距控制單元和機側控制單元的共同作用，即使風速不斷變化時，機組系統(tǒng)也能穩(wěn)定工作。

1.1 風速特性分析

自然界的風是立體的，而且無論是在時間上還是空間上，它都是不斷變化的，這種變化隨著高度的更加變化更明顯，因此當風能吹向風輪平面時，各槳葉受到的風速風力是不相同的。隨著風能發(fā)電技術的發(fā)展，風力機變得越來越大型化，槳葉從最初的數米增加到如今的數十米，高度成為眾多因素中影響風速的決定因素，而其它一些隨機干擾可能隨著高度的增加而互相相互抵消減弱。風切效應和塔影效應是影響風速在豎直高度方向上變化主要原因。

當風速穩(wěn)定時，隨著高度增加風速發(fā)生變化，這就是風切效應。設地面風速為零風速，則有風切經驗公式為[2]：

圖1 風力機驅動的PMSG框圖Fig.1 The PMSG diagram of wind turbine drive

式中，VH為距水平地面高H處的風速；VH0為距水平地面高H0處的風速；n為風切系數，取決于地表的凹凸程度和空氣穩(wěn)定度。

當風能吹過塔架時，塔架對流過它的氣流具有一定的阻礙作用，使沿風速方向上游和下游風速大小發(fā)生變化，這就是塔影效應。風力機在塔影坐標系下垂直于風輪旋轉面的某點的風速可以用下式表示：

1.2 空氣動力學分析

變槳距控制都是針對不斷旋轉的風輪葉片進行控制的，而且當風速在額定風速以上時，整個風輪的旋轉速度基本是保持不變的，所以在這里只分析當風輪起動后以某恒定速度穩(wěn)定運行時葉片的受力狀況，槳葉受力如圖2所示。

由葉素理論可得，當風輪旋轉以角速度ω旋轉時，在距離風輪中心r處取一長度為dr的葉素，設其槳距角為β，則作用在此葉素上的力dF可分解為沿風輪旋轉切線方向的力dFa和沿風輪軸向的力dFt，則葉素上的切向力和軸向力分別為：

圖2 葉片坐標系Fig.2 Blade coordinate system

式中，ρ為空氣的密度；V為相對風速；dS為葉素元的槳葉面積；φ為來流角，是風輪平面與相對風速V間的夾角，等于葉素攻角與槳距角之和；CL和CD分別為槳葉阻力系數和槳葉升力系數，它們只與槳葉的形狀有關。

1.3 永磁同步電機模型

在轉子旋轉坐標系下，永磁同步電機的數學模型經過坐標變換后，d軸、q軸之間的電流就不存在耦合關系了，進而可以對id和iq進行獨立控制。根據坐標變換理論與旋轉的dq軸坐標系知識，可得永磁同步電機的數學模型如下：

假設直驅永磁同步電機dq軸電感是相等的，則由電磁轉矩表達式可得：

在風力發(fā)電系統(tǒng)中，永磁同步電發(fā)電機與風力機不經過增速箱而直接連接。與所有電動機相類似，永磁同步發(fā)電機的機械機構，即傳動部分動態(tài)模型可以用一個一階微分方程表示：

設計與研究

式中，Tw是氣動轉矩；Te是電磁轉矩；B是發(fā)電機的摩擦系數；ωg是發(fā)電機轉子轉速；J是風輪發(fā)電機整體轉動慣量。

2 基于前饋補償加速度權系數獨立變槳距控制

2.1 基于加速度權系數分配變槳距控制策略

目前風力發(fā)電獨立變槳距技術主要有兩種：①基于槳葉加速度獨立變槳；②基于槳葉方位角獨立變槳。利用加速度傳感器最具明顯優(yōu)勢的就是直接檢測風機葉片的受力狀況，而基于此所建立起來的獨立變槳距控制策略分為兩個部分，第一部分是功率控制器，采用模糊控制器對系統(tǒng)進行控制，可以得到系統(tǒng)的統(tǒng)一槳距角給定值。第二部分是加速度權系數獨立變槳距控制器，由權系數分配單元、前饋補償和權系數調整運算單元組成。權系數分配單元得到優(yōu)化設計的權系數，權系數是依據槳葉受力情況進行分配的，受力越大，槳距角的變化量就越大，權系也就越大，反之受力越小，槳距角的變化量就越小，權系也就越小。整個控制思路是：當風速在額定風速以下時，由于風速比較小，槳葉槳距角都保持在3°左右，最大吸收風能；當風速高于額定風速時，首先要保證功率控制的要求，通過模糊算法得出三個槳葉統(tǒng)一的槳葉節(jié)距角，而后將槳葉加速度信號作為權系數重新調整各槳葉的槳距角。權系數分配獨立變槳控制如框圖3所示。

圖3 基于前饋補償加速度權系數分配變槳距控制Fig. 3 Based on the feedforward compensation acceleration weight coefficient assigned variable pitch control

2.2 權系數分配運算單元

先通過模糊算法得到三個槳葉共同的槳葉節(jié)距角βref，滿足功率控制的要求，再加上權系數給出的槳距β

式中，maxVβ為當風速穩(wěn)定在最大平均風速時對應的槳葉槳距角；minVβ為當風速穩(wěn)定在最小平均風速時對應的槳葉槳距角。

設統(tǒng)一變化的槳葉槳距角為Δβ，各槳葉對應的槳距角權系數分別是k1、k2、k3，則可以通過數學表達式計算出各個槳葉單獨變化時的槳距角變化量Δβ1、Δβ2、Δβ3。

各槳葉獨立變化的槳距角為：

式中，βi為各槳葉單獨變化時的槳距角；βref為統(tǒng)一給定的槳距角；ki為各槳葉對應的權系數，這里即為加速度權系數；Δβi為各槳葉單獨變化時槳距角的變化量。

為了保證獨立變槳控制輸出與統(tǒng)一變槳控制輸出一樣，最終穩(wěn)定在額定功率附近，必須時刻使槳距角變化量滿足，權系數滿足。

2.3 前饋補償控制

前饋補償控制的基本原理：當已知或者通過測量知道外部作用的條件下，施加一個與外部作用相反的控制量，目地是為了不讓被控量受到變化，也就是說在外部作用和控制量的共同作用下，使偏差減小。采用前饋補償控制，可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下使穩(wěn)態(tài)誤差減小，加強系統(tǒng)的跟隨性能。

設按輸入補償的控制系統(tǒng)如圖4。

圖4 引入輸入補償的系統(tǒng)框圖Fig.4 The introduction of input offset system block diagram

在上系統(tǒng)中，若E(s)=R(s)－C(s)=0，則完全跟隨，即完全補償，可得：

獨立變槳距的電動執(zhí)行機構是一種伺服跟隨系統(tǒng)，通過液壓裝置或電機驅動系統(tǒng)實現，可以等效為一個一階慣性環(huán)節(jié)：

式中：βτ為槳距角響應時間常數；β為實際槳距角；uβ為槳距角控制給定值。

在獨立變槳距執(zhí)行機構中加入按給定的前饋補償如圖5所示。

圖5 輸入給定的前饋補償控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Given input feedforward compensation control system block diagram

3 仿真結果及分析

為了驗證論文提出的控制策略的正確性和有效性，在Matlab／Simulink仿真系統(tǒng)中進行建模仿真，系統(tǒng)采用的是一臺額定輸出功率為2Mw的永磁同步發(fā)電機參數，主要技術參數如表l。

表1 永磁同步發(fā)電機模型參數表Tab.1 Model parameter table of permanent magnet synchronous generator

風電系統(tǒng)的運行狀態(tài)主要由風速決定，所以仿真中風速的建立是比較重要且必不可少的。論文研究中，風速模型采用的是基于丹麥Ris? 國家實驗室建立的凱馬（Kaimal） 頻譜隨機風速模型，如圖6所示，隨機風平均風速為14m/s，變化幅度為15%。結果如下：

圖6 平均風速為14 m/s的隨機風曲線Fig.6 Average wind curve with mean speed is14 m/s

圖7 風力機的機械轉矩輸出曲線Fig.7 Wind turbine output mechanical torque

圖7是基于前饋補償加速度權系數獨立變槳距控制下，風力發(fā)電機輸出的機械轉矩，隨著風速的不斷變化，各槳葉通過權系數分配調整自己的位置，最終使輸出到發(fā)電機的機械轉矩基本穩(wěn)定在恒定值附近，使風電機組能夠正常安全穩(wěn)定地運行，保證對電能質量的要求。

圖8 輸出功率曲線Fig.8 Curve of the out power

由圖8可看出，基于前饋補償加速度權系數獨立變槳距控制下的功率輸出相對加速度權系數獨立變槳距同樣都能穩(wěn)定在額定功率附近，但是前者波動幅度和頻率更小，對功率波動抑制的效果更好。隨著時間的增加，控制器精度不斷增強，表現出更好的穩(wěn)定性。

圖9 槳葉跟隨風速變化曲線Fig.9 Blade with wind speed change curve

圖9是風力機槳葉跟隨風速的變化情況，由仿真圖可知，隨著風速的變化，控制器通過各槳葉軸向氣動力的變化幅度分配各槳葉加速度權系數，從而使槳葉調節(jié)槳距角的大小跟隨風速的變化而變化，實現獨立變槳距控制。

4 結論

論文采用永磁同步電機作為發(fā)電機，連接著風力機和電網側，在加速度權系數分配控制算法上進行前饋補償，通過比較得知，論文提出的該控制算法是正確的，具有可行性。在穩(wěn)定發(fā)電機輸出功率以及減小葉片載荷方面起到了很好的效果，同時各槳葉也能很好的跟隨風速的變化而不斷變化，槳葉拍打振蕩減小，具有很好的工程實用價值。但是，該控制方法也有它的一些缺點，因為加速度傳感器必須安裝在槳葉上，這對大型風力發(fā)電機來說是一個很大的技術難題。

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.08.005

*基金項目：國家自然科學基金（61074067）

作者簡介：范定成（1989-），男，湖南邵陽人，碩士研究生，主要研究方向：風力發(fā)電技術；秦斌（1963-），男，博士，研究方向：復雜系統(tǒng)建模與優(yōu)化控制；姜學想，男，碩士研究生，主要研究方向：風力發(fā)電

A Control Method For Invidual Pitch Based on Feedforward Compensator Accelerated Speed Weight Number Assignment

FAN Ding-cheng, QIN Bin, JIANG Xue-xiang
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou , 412007)

ABSTRACT:Wind power generation system has a natural wind speed of randomness, degeneration and the system nonlinear characteristics, so a control method for invidual pitch was proposed based on feedforward compensator accelerated speed weight number assignment. In order to realize the independent variable pitch control and each blade with wind speed varies, the acceleration weight coefficient assigned to control each blade individually. Then, according to the theory of feedforward compensation of knowledge to compensate the whole controlling process. The pitch control mode of permanent magnet direct-drive wind power system is built and simulated by MATLAB/Simulink simulation system. The simulation results show that not only the proposed strategy has such advantages as strong ability of rejecting chattering, well robust to the variation of parameter and fast response, but also in the stable system output power , at the same time, to realize the smooth change of each blade and to reduce wind turbine fatigue load and friction.

KEYWORDS:Wind turbine system; Variable pitch control; Feedforward compensator; Accelerated speed weight number