山東交通技師學(xué)院 王夢(mèng)玲

基于激光雷達(dá)的大型風(fēng)機(jī)前饋控制技術(shù)

山東交通技師學(xué)院 王夢(mèng)玲

在額定風(fēng)速以上的情況下，設(shè)計(jì)一個(gè)基于風(fēng)機(jī)逆模型的前饋控制器，將激光雷達(dá)(LIDAR)測(cè)量到的風(fēng)速信號(hào)作為前饋控制器的輸入。將前饋控制器與系統(tǒng)已有的基礎(chǔ)反饋控制器疊加，控制風(fēng)機(jī)葉片的槳距角。Supergen 5MW風(fēng)機(jī)線性模型用于測(cè)試控制性能，將增加了前饋控制環(huán)節(jié)的槳距角控制器與單獨(dú)使用反饋控制器進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果顯示，在激光雷達(dá)信號(hào)的幫助下，與單獨(dú)使用反饋控制器相比，增加了前饋控制的槳距角控制器能夠抑制風(fēng)速變化引起的擾動(dòng)并減少風(fēng)機(jī)葉片和塔架的載荷。

風(fēng)機(jī)；激光雷達(dá)；擾動(dòng)抑制；前饋控制

0 引言

先進(jìn)的控制策略能夠改良風(fēng)機(jī)性能并降低風(fēng)力發(fā)電的生產(chǎn)成本。高性能和可靠的控制器能夠提高能量轉(zhuǎn)化效率和整個(gè)系統(tǒng)的性能，并降低運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用[1,2]。近幾年，隨著人們對(duì)風(fēng)機(jī)性能的期望越來(lái)越高，先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。作為目前先進(jìn)測(cè)量技術(shù)之一的激光雷達(dá)技術(shù)（LIDAR）能夠獲得不同距離的風(fēng)速值并預(yù)測(cè)干擾信息。在過(guò)去的幾十年中，人們提出了很多風(fēng)機(jī)控制策略，在這些控制技術(shù)中，風(fēng)速信號(hào)都是直接或間接由激光雷達(dá)提供[3]。

有了預(yù)測(cè)風(fēng)速值，前饋控制策略就能用于風(fēng)機(jī)控制，從而減少結(jié)構(gòu)載荷。最近的一些研究工作是將前饋控制通道加到基本反饋控制器上，在這種情況下，前饋控制器的設(shè)計(jì)可以獨(dú)立于反饋控制器，從而不會(huì)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。在文獻(xiàn)[4]中，模擬有效風(fēng)速信號(hào)被雷達(dá)測(cè)量到的信號(hào)取代，用于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明，增加的前饋控制環(huán)節(jié)能夠在高擾動(dòng)風(fēng)速的情況下減少塔架和葉片的疲勞載荷。

大部分的研究工作在引入激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量信號(hào)的情況下測(cè)試載荷性能[5,6]，在風(fēng)速低于額定值的情況下，研究控制器的能量獲取性能。然而，大量的研究結(jié)果表明，基于激光雷達(dá)的控制環(huán)節(jié)在提高獲取能量方面的作用非常有限，在額定風(fēng)速以上的情況下，使用激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)卻能獲得更好的效果。為了進(jìn)一步探索將激光雷達(dá)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的有效方法，本文設(shè)計(jì)了基于逆模型的前饋控制器，并將其與基礎(chǔ)反饋控制器相結(jié)合，并將系統(tǒng)的輸出與單獨(dú)使用反饋控制器的情況作了比較。

1 前饋控制器設(shè)計(jì)

1.1 反饋控制器

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)機(jī)控制器包括兩個(gè)部分:用于額定風(fēng)速以下的轉(zhuǎn)矩控制器和用于額定風(fēng)速以上的槳距角控制器。在額定風(fēng)速以下的情況，輸入到風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)用于保證最大能量系數(shù)跟蹤從而能夠使風(fēng)機(jī)從風(fēng)場(chǎng)中獲取最大能量。在額定風(fēng)速以上的情況下，槳距角信號(hào)用于保證發(fā)電機(jī)功率不超過(guò)額定值[7,8]。傳統(tǒng)的槳距角反饋控制框圖如圖1所示,本文將其視為基本控制器。

圖1 反饋控制器控制框圖

1.2 前饋控制器

激光雷達(dá)能夠預(yù)測(cè)距離風(fēng)機(jī)葉片不同位置的風(fēng)速信息，這個(gè)特性可用于前饋控制，抑制風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速所造成的影響。如圖2所示，本文在反饋控制器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)前饋控制部件，用于減少風(fēng)機(jī)在額定風(fēng)速以上的情況下所承受的載荷。前饋控制器的設(shè)計(jì)是基于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的逆模型。

輸入前饋控制器的激光雷達(dá)測(cè)量風(fēng)速由Bladed軟件模擬得到。Bladed按照泰勒冰凍渦流猜想原理，假定風(fēng)速在接近風(fēng)機(jī)的時(shí)候不受風(fēng)機(jī)葉片的影響，保持統(tǒng)一平均速度[9]，由此可以得到距離風(fēng)機(jī)不同距離的風(fēng)速值。

圖2 組合了反饋和前饋的風(fēng)機(jī)控制器

在圖1和圖2的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了前饋控制，如圖3所示，整個(gè)控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)是在風(fēng)速 變化的情況下，通過(guò)調(diào)整總槳距角命令 使真實(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速 維持在額定電機(jī)轉(zhuǎn)速值 。

是風(fēng)機(jī)風(fēng)速,表示到達(dá)風(fēng)機(jī)葉片的風(fēng)速，風(fēng)速在抵達(dá)風(fēng)機(jī)的過(guò)程中從 演變?yōu)轱L(fēng)機(jī)風(fēng)速 ，這種變化對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)造成干擾，模塊表示了這個(gè)變化過(guò)程。是激光雷達(dá)傳感器測(cè)量到的風(fēng)速， 代表激光雷達(dá)系統(tǒng)從 傳遞到 的過(guò)程， 是反饋控制器， 為前饋控制器。風(fēng)機(jī)的線性模型包括子系統(tǒng) ， .和 ， 為從總?cè)~片槳距角差 到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速差 ()之間的傳遞函數(shù)。 表示從 到 的傳遞函數(shù)。前饋控制器的輸出加到總槳距反饋控制器的槳距角上。

圖3 前饋控制框圖

按照?qǐng)D3中的控制策略，可以得到：

前饋控制器變?yōu)?

式中，和 可從風(fēng)機(jī)模型中獲取，但風(fēng)速演化模型 和激光雷達(dá)系統(tǒng)模型 非常復(fù)雜，建模困難。本研究將從到 的傳遞函數(shù) 近似為式(4)：

式中， ——激光雷達(dá)測(cè)量值和風(fēng)機(jī)風(fēng)速之間的交叉譜； ——從測(cè)量點(diǎn)到風(fēng)機(jī)葉片的不同距離點(diǎn)的雷達(dá)測(cè)量信號(hào)的自功率譜。所以，前饋控制器表示為：

根據(jù)雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)速信號(hào)和式(4)可得到的近似公式[10]：

2 仿真研究

仿真基于 Supergen 5MW 風(fēng)機(jī)模型，這個(gè)模型由英國(guó)思克萊德大學(xué)( University of Strathclyde)的科研團(tuán)隊(duì)根據(jù)真實(shí)的風(fēng)機(jī)和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)開發(fā)，是一個(gè)基于Matlab/Simulink的風(fēng)機(jī)非線性模型，此模型主要包括三個(gè)部分：葉片機(jī)械系統(tǒng)模型；轉(zhuǎn)子空氣動(dòng)力系統(tǒng)模型和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型。風(fēng)機(jī)主要參數(shù)見表1，更多細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)[10]和[11]，與此模型相匹配的槳距角反饋控制器用作基本控制器。

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)[10]

電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差和槳距角命令之間的傳遞函數(shù)為：

式中：

電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差和風(fēng)機(jī)葉片風(fēng)速之間的傳遞函數(shù)為：

式中：

根據(jù)式(5)，前饋控制器為：

直接由式(9)計(jì)算得到的前饋控制器階數(shù)太高，難以調(diào)節(jié)?？墒紫仁褂梅亲钚∠辔涣泓c(diǎn)忽略技術(shù)(NPZ-Ignore)去除這個(gè)模型的非最小相位零點(diǎn)，并通過(guò)近似擬合法[12]將其進(jìn)一步降階為3階控制器，見式(10)。為了更好的調(diào)節(jié)降階后的控制器,在傳遞函數(shù)中引入調(diào)節(jié)參數(shù) ，這個(gè)調(diào)解參數(shù)能夠在一定程度上解決模型不確定性問(wèn)題，的初始值設(shè)置為 。

在風(fēng)速為16 米/秒的情況下，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測(cè)試，以檢驗(yàn)前饋控制器的性能。如圖4所示，加上前饋控制器之后，槳距角變化幅度減小，這種變化不僅能夠保存驅(qū)動(dòng)能量而且能夠延長(zhǎng)槳距驅(qū)動(dòng)器的壽命。

圖4 增加前饋控制器前后的槳距角比較

從圖5可以看到，與只有基本反饋控制器相比，帶有前饋控制環(huán)節(jié)的控制器使塔架前后擺動(dòng)加速度值減小。這種改良減小了塔架震蕩從而延長(zhǎng)了塔架的壽命，另外，從塔架傳遞到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的載荷也同樣得到了緩解。

圖5 增加前饋控制器前后的塔架加速度比較

發(fā)電機(jī)功率比較結(jié)果見圖6，增加前饋控制環(huán)節(jié)沒(méi)有給仿真結(jié)果造成明顯的變化，表明前饋控制器的引入能夠抑制風(fēng)速變化引起的擾動(dòng)，并使風(fēng)機(jī)輸出功率不受影響。

圖6 增加前饋控制器前后的電機(jī)功率比較

3 結(jié)論

本文介紹了基于激光雷達(dá)的前饋控制器設(shè)計(jì)策略，將一個(gè)逆模型槳距角前饋控制器加到Supergen 5MW風(fēng)機(jī)模型的槳距角反饋控制器上面。前饋控制的設(shè)計(jì)是基于Supergen風(fēng)機(jī)線性模型和傳遞函數(shù)。

在風(fēng)速為16米/秒的情況下檢驗(yàn)前饋控制器的性能，仿真結(jié)果顯示帶有前饋控制器的槳距角控制器同時(shí)能夠在不減少獲取能量的同時(shí)，有效減少槳距角需求量和塔架加速度的波動(dòng)。

在接下來(lái)的研究中，可以通過(guò)計(jì)算損傷等效荷載 (DEL)來(lái)進(jìn)一步將前饋和反饋控制器的效果與反饋控制器相比較。

[1]Burton T,Sharpe D,Jenkins N,et al.Wind energy handbook[M]. New York:John Wiley & Sons,2001:210-312.

[2]Bianchi F D,Battista H De,Mantz R J.Wind turbine control systems:principles,modelling and gain scheduling design[M].Springer Science & Business Media,2006:530-580.

[3]Mirzaei M,Soltani M,Poulsen N K,et al.An MPC approach to individual pitch control of wind turbines using uncertain LIDAR measurements[A].2013 European Control Conference[C].Zurich,Switzerland,2013.

[4]Schlipf D,Schlipf D J,Kühn M.Nonlinear model predictive control of wind turbines using LIDAR[J].Wind Energy,2013,16(7):1107-1129.

[5]Schlipf D,Fleming P,Haizmann F,et al.Field testing of feedforward collective pitch control on the CART2 using a nacelle-based lidar scanner[A].Proceedings of The Science of Making Torque from Wind[C].Oldenburg,Germany,2012.

[6]Pao L Y,Dunne F,Wright A D,et al.Adding feedforward blade pitch control for load mitigation in wind turbines non-causal series expansion,preview control,and optimized FIR filter methods[R].49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition[C].Orlando,Florida,USA,2011.

[7]Chatzopoulos A P.Full envelope wind turbine controller design for power regulation and tower load reduction[D].Glasgow:University of Strathclyde,2011.

[8]Wang N,Johnson K E,Wright A D.FX-RLS-based feedforward control for LIDAR-enabled wind turbine load mitigation[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2012,20(5):1212-1222.

[9]Taylor G I.The spectrum of turbulence[J].Proceedings of the Royal Society of London.Series A-Mathematical and Physical Sciences,1938,164(476):476-490.

[10]Wang M.Feedforward wind turbine controller design using LIDAR[D].Glasgow:University of Strathclyde,2015.

[11]Stock A.Augmented Control for Flexible Operation of Wind Turbines[D].Glasgow:University of Strathclyde,2015.

[12]Masayoshi T.Zero phase error tracking algorithm for digital control[J].Journal of Dynamic System,Measurement,and Control,1987,109(1):65-68.