唐俏俏,劉皓明,袁曉玲,許波峰

(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,江蘇 南京　211100)

基于獨(dú)立變槳距控制的風(fēng)輪減載策略

唐俏俏,劉皓明,袁曉玲,許波峰

(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,江蘇 南京211100)

摘要：為減小風(fēng)切變、塔影效應(yīng)以及湍流風(fēng)等因素引起的風(fēng)輪不平衡載荷,在分析風(fēng)切變、塔影效應(yīng)以及湍流風(fēng)模型的基礎(chǔ)上,提出了一種基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨(dú)立變槳距控制策略。結(jié)合方位角權(quán)系數(shù)分配環(huán)節(jié)和葉根揮舞載荷反饋PID控制環(huán)節(jié),分別調(diào)節(jié)每支葉片的槳距角,實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪減載控制?；贕H Bladed平臺(tái)的仿真結(jié)果表明,與統(tǒng)一變槳距控制相比,所提獨(dú)立變槳距控制策略可有效減小風(fēng)輪不平衡載荷,不僅適用于風(fēng)切變和塔影效應(yīng)引起的載荷波動(dòng),在湍流風(fēng)影響時(shí)也能起到較好的抑制作用。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立變槳距;減載策略;載荷反饋;方位角反饋;風(fēng)切變;塔影效應(yīng);湍流風(fēng);GH Bladed平臺(tái)

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展,現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)的單機(jī)容量越來(lái)越大,體積和質(zhì)量也不斷增加[1]。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過(guò)程中所受載荷情況非常復(fù)雜,除了受重力載荷、慣性載荷以及控制系統(tǒng)運(yùn)行載荷,還受到由風(fēng)切變、塔影效應(yīng)、湍流等因素引起的不平衡氣動(dòng)載荷[2]。這種不平衡載荷不僅加劇了風(fēng)輪(包括葉片和輪轂)的疲勞損傷,還會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生主軸、齒輪箱、塔架等主要零部件的額外疲勞載荷,加速關(guān)鍵部位的老化,從而影響機(jī)組的安全運(yùn)行、威脅機(jī)組的壽命[3]。

風(fēng)力機(jī)變槳技術(shù)可分為統(tǒng)一變槳距和獨(dú)立變槳距,獨(dú)立變槳距控制是在統(tǒng)一變槳距基礎(chǔ)上分別給每支葉片疊加槳距角微調(diào)量,從而改善葉片的氣動(dòng)特性、減小風(fēng)輪不平衡載荷。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者針對(duì)獨(dú)立變槳距控制展開(kāi)了研究:Zhang等[4]分析了風(fēng)力機(jī)不平衡載荷的產(chǎn)生原因,并得出大型風(fēng)力機(jī)應(yīng)采用獨(dú)立變槳距技術(shù)減小風(fēng)輪不平衡載荷的結(jié)論;在分析風(fēng)切變和塔影效應(yīng)風(fēng)速模型的基礎(chǔ)上,姚興佳等[5]、邢作霞等[6]采用基于方位角反饋的獨(dú)立變槳距控制策略,通過(guò)測(cè)量風(fēng)輪方位角、設(shè)置權(quán)系數(shù),分別調(diào)節(jié)每支葉片的槳距角,在穩(wěn)定輸出功率的同時(shí)減小葉片載荷;考慮到風(fēng)場(chǎng)中湍流風(fēng)的影響,Bossanyi[7]、魯效平等[8]采用了基于載荷反饋的獨(dú)立變槳距控制策略,利用坐標(biāo)變換將測(cè)得的葉根載荷變換為輪轂俯仰和偏航載荷,經(jīng)過(guò)PID控制器得到每支葉片槳距角微調(diào)量,對(duì)于湍流風(fēng)引起的不平衡載荷有較好的控制效果。

上述研究均針對(duì)特定風(fēng)速情況制定了相應(yīng)的獨(dú)立變槳距控制策略,但實(shí)際風(fēng)場(chǎng)受各種因素影響,風(fēng)速隨時(shí)間和空間分布的差異性很大。筆者考慮到風(fēng)速變化的周期性(如風(fēng)切變、塔影效應(yīng))和隨機(jī)性(如湍流風(fēng)),提出一種基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨(dú)立變槳距控制策略,結(jié)合方位角權(quán)系數(shù)分配環(huán)節(jié)和葉根揮舞載荷反饋PID控制環(huán)節(jié),以調(diào)節(jié)每支葉片的槳距角,從而達(dá)到減小風(fēng)輪不平衡載荷的目的。

1風(fēng) 速 模 型

1.1風(fēng)切變

風(fēng)切變是指風(fēng)速隨著高度的增加而增加,可用指數(shù)模型[9]或?qū)?shù)模型[10]來(lái)描述:

(1)

式中:V(z)——距地面高度z處平均風(fēng)速;h——輪轂中心距地面的高度;Vh——輪轂中心處風(fēng)速;α——風(fēng)切變系數(shù);z0——地表粗糙高度。

目前采用較多的是指數(shù)模型,其中α的取值與地理、環(huán)境等因素相關(guān),一般隨地表粗糙程度的增加而增加[11]。

1.2塔影效應(yīng)

塔影效應(yīng)是指由于塔架對(duì)氣流的阻塞造成的風(fēng)速變化,即塔架上游和下游處來(lái)流風(fēng)速的大小和方向均發(fā)生了改變[12]。GH Bladed軟件中描述塔影效應(yīng)共有3種模型:潛流模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒M合模型。對(duì)于上風(fēng)向風(fēng)電機(jī)組,通常采用潛流模型描述塔影效應(yīng)的影響[9]。

潛流模型假設(shè)直徑為D的圓柱體四周為不可壓無(wú)黏氣流,且

(2)

式中:F——塔架直徑修正系數(shù);DT——計(jì)算塔影效應(yīng)處的塔架直徑。

對(duì)于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)一點(diǎn),距離塔架軸線前方距離為x、側(cè)向距離為y,風(fēng)速可表示為

(3)

式中:V0——空間平均風(fēng)速。

1.3湍流風(fēng)

實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速不僅隨著空間分布變化,還具有時(shí)間上的隨機(jī)性,湍流風(fēng)即為描述隨時(shí)間和空間變化的風(fēng)速模型,可用von Karman或Kaimal模型來(lái)表示[13]。利用GH Bladed軟件可定義風(fēng)場(chǎng)的寬度和高度、風(fēng)區(qū)持續(xù)時(shí)間、頻率、平均風(fēng)速以及湍流種子,從而生成三維湍流風(fēng)。湍流風(fēng)場(chǎng)包括覆蓋葉輪掃風(fēng)面的矩形網(wǎng)格上每一點(diǎn)風(fēng)速的時(shí)間記錄,其中任意兩點(diǎn)的時(shí)間記錄都彼此相關(guān),與大氣湍流的橫向、縱向頻譜特性相一致。

對(duì)于von Karman模型,三維湍流風(fēng)模型的橫向(v)和縱向(w)分量對(duì)應(yīng)的頻譜表示為[14]

(4)

其中

2獨(dú)立變槳距控制策略

由于風(fēng)切變、塔影效應(yīng)和湍流風(fēng)的影響,風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)風(fēng)速分布不均勻,導(dǎo)致葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中載荷波動(dòng),傳遞至輪轂處形成風(fēng)輪不平衡載荷。由風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)原理可知,調(diào)節(jié)葉片槳距角的大小直接影響葉片氣動(dòng)載荷的變化[15],因此采用獨(dú)立變槳距控制技術(shù),分別調(diào)節(jié)每支葉片的槳距角,使其根據(jù)自身位置或載荷情況獨(dú)立地變化,可有效改變其氣動(dòng)特性、調(diào)整受力情況,進(jìn)而減小風(fēng)輪不平衡載荷。為減小風(fēng)切變、塔影效應(yīng)、湍流風(fēng)等因素引起的風(fēng)輪不平衡載荷,筆者提出了基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨(dú)立變槳距控制策略,結(jié)合方位角權(quán)系數(shù)分配環(huán)節(jié)和葉根揮舞載荷反饋PID控制環(huán)節(jié),以調(diào)節(jié)每支葉片的槳距角,其控制框圖如圖1所示。

圖1　基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨(dú)立變槳距控制框圖Fig. 1　Block diagram of individual pitch control based on combined feedback of azimuth angle and load

從圖1可以看出,基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨(dú)立變槳距控制策略有兩套槳距角調(diào)節(jié)信號(hào),分別來(lái)自于方位角反饋和載荷反饋。針對(duì)風(fēng)切變和塔影效應(yīng)引起的周期性載荷波動(dòng),根據(jù)方位角反饋可設(shè)置權(quán)系數(shù),動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)槳距角,形成周期性控制律;考慮到湍流風(fēng)等隨機(jī)因素的影響,當(dāng)方位角反饋不足以平緩載荷波動(dòng)時(shí),根據(jù)載荷反饋可在其基礎(chǔ)上修正槳距角變化值、提供槳距角補(bǔ)償信號(hào),以進(jìn)一步減小風(fēng)輪不平衡載荷。

(5)

式中:m——指數(shù)系數(shù),可根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證選取理想數(shù)值。

基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨(dú)立變槳距控制將方位角反饋和載荷反饋的槳距角調(diào)節(jié)信號(hào)相加,最終得到每支葉片的槳距角需求,即

(6)

3算 例 仿 真

為了驗(yàn)證所提獨(dú)立變槳距控制策略的有效性,本文基于GH Bladed平臺(tái)進(jìn)行仿真研究,對(duì)比分析不同控制策略下的風(fēng)力機(jī)槳距角和載荷變化情況。

3.1考慮風(fēng)切變和塔影效應(yīng)的影響

假設(shè)輪轂處風(fēng)速恒定為12 m/s,考慮風(fēng)切變和塔影效應(yīng)的共同影響,取風(fēng)切變指數(shù)模型系數(shù)α=0.2,塔影效應(yīng)潛流模型的塔架直徑修正因子F=0.8,GH Bladed仿真結(jié)果如圖2所示,進(jìn)一步數(shù)值分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2　風(fēng)切變和塔影效應(yīng)仿真結(jié)果Fig. 2　Simulated results in consideration of wind shear and tower shadow

表1　風(fēng)切變和塔影效應(yīng)數(shù)值分析結(jié)果

圖3　輪轂處風(fēng)速隨時(shí)間變化曲線Fig. 3　Variation of wind speed at rotor hub with time

變槳技術(shù)槳距角/rad葉根載荷/(MN·m)輪轂載荷/(kN·m)平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)一變槳距0.09090.03781.2920.1783264.1121.8獨(dú)立變槳距0.08920.03921.2990.1622196.0100.5

從仿真結(jié)果可以看出,與統(tǒng)一變槳距控制相比,獨(dú)立變槳距控制下的葉根載荷和輪轂載荷均有明顯減小。其中,葉根載荷波動(dòng)幅值降低了46.98%,輪轂載荷平均值減小了50.75%,此時(shí)3支葉片的槳距角均在0.025 rad范圍內(nèi)變化,工程上可接受。

3.2考慮湍流風(fēng)的影響

實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中存在很多隨機(jī)因素,可能會(huì)激發(fā)較大的風(fēng)輪不平衡載荷,本文在風(fēng)切變和塔影效應(yīng)的基礎(chǔ)上,假設(shè)還有湍流風(fēng)的作用,湍流風(fēng)模型中輪轂處風(fēng)速隨時(shí)間變化如圖3所示。數(shù)值分析結(jié)果見(jiàn)表2,仿真結(jié)果如圖4所示。

從仿真結(jié)果可以看出,與統(tǒng)一變槳距控制相比,獨(dú)立變槳距控制下的葉根揮舞載荷波動(dòng)幅值降低了9.03%,輪轂載荷的平均值減小了25.78%。顯然,基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨(dú)立變槳距控制策略不僅對(duì)風(fēng)切變和塔影效應(yīng)影響下的載荷波動(dòng)有著較好的抑制作用,同時(shí)還能有效減小湍流風(fēng)引起的風(fēng)輪不平衡載荷。

4結(jié)語(yǔ)

針對(duì)風(fēng)切變、塔影效應(yīng)以及湍流風(fēng)等因素引起的風(fēng)輪不平衡載荷,提出了一種基于方位角和載荷聯(lián)合反饋的獨(dú)立變槳距控制策略,仿真結(jié)果表明,該控制策略有較好的風(fēng)輪減載效果,對(duì)于葉根載荷和輪轂載荷波動(dòng)均有明顯的抑制作用,從而達(dá)到減小風(fēng)輪疲勞載荷、延長(zhǎng)機(jī)組壽命的目的。該控制策略不僅對(duì)風(fēng)切變和塔影效應(yīng)影響下的載荷波動(dòng)有著較好的抑制作用,同時(shí)還能有效減小湍流風(fēng)引起的風(fēng)輪不平衡載荷。

圖4　湍流風(fēng)仿真結(jié)果Fig. 4　Simulated results in consideration of turbulent wind

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜靜, 謝雙義, 金鑫, 等. 基于風(fēng)速估計(jì)和風(fēng)剪切的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距控制[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 40(5): 586-589. (DU Jing, XIE Shuangyi, JIN Xin, et al. Variable pitch control of wind turbines based on estimated wind speed and wind shear[J]. Journal of Hohai University(Natural Science), 2012, 40(5): 586-589. (in Chinese))

[2] 孔屹剛, 王杰, 顧浩, 等. 基于風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)的大型風(fēng)力機(jī)獨(dú)立變槳控制研究[J]. 華東電力, 2011, 39(4):640-644. (KONG Yigang, WANG Jie, GU Hao, et al. Research on individual pitch control based on wind shear and tower shadow for large wind turbine[J]. East China Electric Power, 2011, 39(4):640-644. (in Chinese))

[3] 應(yīng)有, 許國(guó)東. 基于載荷優(yōu)化的風(fēng)電機(jī)組變槳控制技術(shù)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2011, 47(16): 106-111, 109. (YING You, XU Guodong. Development of pitch control for load reduction on wind turbines[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47(16): 106-111, 109. (in Chinese))

[4] ZHANG Y Q, CHENG M, CHEN Z. Load mitigation of unbalanced wind turbines using PI-R individual pitch control. IET Renewable Power Generation, 2015, 9(3):262-271.

[5] 姚興佳, 劉玥, 郭慶鼎. 基于前饋補(bǔ)償方位角權(quán)系數(shù)的分程獨(dú)立變槳距控制研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2012, 33(4): 532-539. (YAO Xingjia, LIU Yue, GUO Qingding. A control method for spilt range individual pitch based on feed-forward azimuth angle weight number assignment[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2012, 33(4): 532-539. (in Chinese))

[6] 邢作霞, 陳雷, 厲偉, 等. 減小塔影和風(fēng)切變效應(yīng)的變槳距控制方法研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2013, 34(6): 915-923. (XING Zuoxia, CHEN Lei, LI Wei, et al. Pitch control method study on reducing the effects of tower shadow and wind shear[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2013, 34(6): 915-923. (in Chinese))

[7] BOSSANYI E A. Individual blade pitch control for load reduction [J]. Wind Energy, 2003, 6(2): 119-128.

[8] 魯效平, 顧海港, 林勇剛, 等. 基于獨(dú)立變槳距技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷控制研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2011, 32(11): 1591-1598. (LU Xiaoping, GU Haigang, LIN Yonggang, et al. Research on the load control of wind turbines based on individual pitch technology[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2011, 32(11): 1591-1598. (in Chinese))

[9] DOLAN D S L, LEHN P W. Simulation model of wind turbine 3p torque oscillations due to wind shear and tower shadow [J]. IEEE Transactions on, Energy Conversion, 2006, 21(3): 717-724.

[10] 彭懷午, 馮長(zhǎng)青, 包紫光. 風(fēng)資源評(píng)價(jià)中風(fēng)切變指數(shù)的研究[J]. 可再生能源, 2010(1): 21-23. (PENG Huaiwu, FENG Changqing, BAO Ziguang. Study on the wind shear exponent for wind resource assement[J]. Renewable Energy Resources, 2010(1): 21-23. (in Chinese))

[11] 劉磊, 石可重, 楊科, 等. 風(fēng)切變對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷的影響[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2010(10): 1667-1670. (LIU Lei, SHI Kezhong, YANG Ke, et al. Effect of wind shear on the aerodynamic load of wind turbine[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2010(10): 1667-1670. (in Chinese))

[12] S?RENSEN P, HANSEN A D, ROSAS P A C. Wind models for simulation of power fluctuations from wind farms [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2002, 90(12): 1381-1402.

[13] 吳安, 孫文磊. 基于不同風(fēng)速的湍流風(fēng)模型下葉輪載荷分析[J]. 機(jī)床與液壓, 2011,39(13):6-9. (WU An, SUN Wenlei. Analysis of rotor loads based on turbulent wind model with three different wind speeds[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2011, 39(13): 6-9. (in Chinese))

[14] 馬欣欣, 陳進(jìn), 李世六. 風(fēng)力機(jī)葉片在三維湍流下的載荷分析[J].可再生能源,2009,27(5):19-22. (MA Xinxin, CHEN Jin, LI Shiliu. Analysis on the wind turbine’s blade loads in 3D turbulence[J]. Renewable Energy Resources, 2009,27(5):19-22. (in Chinese))

[15] 胡巖, 劉玥, 姚興佳, 等. 兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多段權(quán)系數(shù)獨(dú)立變槳控制[J]. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009,31(6):633-638. (HU Yan, LIU Yue, YAO Xingjia, et al. Multi-stage weight number individual variable-pitch control of mega-watt class wind turbine system[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2009, 31(6):633-638. (in Chinese))

Rotor load reduction strategy based on individual pitch control

TANG Qiaoqiao, LIU Haoming, YUAN Xiaoling, XU Bofeng

(CollegeofEnergyandElectricalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing211100,China)

Abstract:In order to reduce the rotor unbalance load caused by wind shear, tower shadow, and turbulent wind, an individual pitch control strategy based on the combined feedback of the azimuth angle and load is proposed according to a wind model considering the wind shear, tower shadow,and turbulence. In the individual pitch control strategy,the azimuth angle weight coefficient assignment module and the module of blade root flapwise load fed back to the PID controller are used to adjust the pitch angle of each blade and achieve rotor load reduction. The simulated results of the GH Bladed software show that, compared with the collective pitch control strategy, the proposed individual pitch control strategy can significantly reduce the rotor unbalance load, and it is not only effective in alleviating the load fluctuation caused by wind shear and tower shadow, but also able to achieve good load reduction performance under turbulent conditions.

Key words:individual pitch control; load reduction strategy; load feedback; azimuth angle feedback; wind shear; tower shadow; turbulent wind; GH Bladed platform

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.03.015

收稿日期：2015-03-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2013AA050601);江蘇省“六大人才高峰”項(xiàng)目(2015-XNY-005)

作者簡(jiǎn)介：唐俏俏(1991—),女,江蘇阜寧人,碩士研究生,主要從事風(fēng)力發(fā)電及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響研究。E-mail: qqthhu@163.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TM315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-1980(2016)03-0278-05