周　峰，　陳忠雷，　鄧　英，　田　德

(華北電力大學 可再生能源學院， 北京 102206)

?

基于不同載荷測量量的獨立變槳控制

周峰，陳忠雷，鄧英，田德

(華北電力大學 可再生能源學院， 北京 102206)

討論了依據(jù)3種不同載荷測量量的獨立變槳控制，分別為葉片面外彎矩、輪轂旋轉(zhuǎn)坐標系下的彎矩和機艙坐標系下的面外彎矩.結(jié)果表明：3種載荷測量方式的實施和維護的難度是依次遞減的；與沒有獨立變槳控制的情況相比，3種方式均能有效地降低葉片面外載荷諧波分量及傳遞給機組其他部件的載荷；載荷控制并未明顯影響機組的發(fā)電功率，但顯著增加了變槳機構(gòu)的動作量.

風電機組； 載荷控制； 獨立變槳; 載荷測量量

氣候變化和日益增長的能源需求促進了可再生能源的研究，風力發(fā)電是一種較為成熟的可再生能源發(fā)電技術，為了增強其與化石能源發(fā)電的競爭能力，需要降低風力發(fā)電的度電成本，因而風電機組均向大功率、大尺寸發(fā)展，機組的結(jié)構(gòu)載荷也相應增加.除了基本的功率控制需求，載荷控制成為機組控制中很重要的部分[1-2].

由于風切變、塔影效應和湍流等原因，風輪掃掠面上各處的風速不一致.機組運行過程中，葉片在風輪掃掠面上承受著變化的載荷，并通過傳動鏈傳導至整個機組，這會增加塔架和齒輪箱的疲勞損傷，從而降低機組的預期壽命.風電機組尺寸的增加進一步加劇了載荷波動，通過載荷控制可以有效地降低載荷波動，從而在設計制造階段降低風電機組的成本，在運營過程中減少由載荷引起的故障.

已有學者對載荷控制進行了研究[3-7]，如在傳動鏈增加阻尼以降低齒輪箱的疲勞載荷，在塔架的前后振動方向和左右振動方向增加阻尼以降低塔架的載荷，應用獨立變槳控制(IPC)降低葉片的面外載荷.與依據(jù)葉片載荷測量量的獨立變槳控制相比，筆者以輪轂部分的載荷測量量作為控制器的輸入信號，實現(xiàn)獨立變槳控制.

1　依據(jù)葉片載荷測量量的獨立變槳控制

1.1獨立變槳控制

風電機組(文中所指風電機組均為水平軸3葉片形式)的基本控制目標是功率控制.在額定風速以上階段，控制葉片槳距角以調(diào)節(jié)氣動轉(zhuǎn)矩，保持機組運行在額定功率狀態(tài).因此，載荷控制的前提是保證機組正常運行，不影響發(fā)電能力及功率控制中的槳距角調(diào)節(jié)(CPC)，即

(1)

式中：β1、β2、β3和βc分別為3個葉片的槳距角和功率控制的集中槳距角.

載荷控制的目標是降低葉片的面外彎矩，因此以葉片根部的面外彎矩作為載荷控制的輸入量.從理想化的風輪模型出發(fā)，3個葉片的氣動性能是完全一致的，唯一區(qū)別是相位上依次相差2π/3.以風輪旋轉(zhuǎn)頻率(也稱1P)作為基頻，以傅里葉級數(shù)的形式描述葉片的面外彎矩My,i(葉片坐標系見圖1)：

1,2,3

(2)

式中：Ah和φh分別為My,i的第h次諧波的幅值和初始相位；ω為風輪旋轉(zhuǎn)的頻率；i為葉片的標號.

(a)葉片坐標系(b)輪轂旋轉(zhuǎn)坐標系

(c) 機艙坐標系圖1　風電機組葉片坐標系Fig.1　Wind turbine coordinate system

借鑒交流電機中坐標變換的思想，對3個葉片的面外彎矩進行下列變換[8-9]：

(3)

式中：Pk表示變換矩陣；Md,k、Mq,k分別為My,i在第k次諧波坐標系下的d軸和q軸分量.

My,i的第h次諧波經(jīng)過第k次諧波坐標變換的結(jié)果符合式(4)的規(guī)律：

(4)

由式(4)可知，1P的坐標變換后，原葉片彎矩中的1P分量變?yōu)?P，2P和4P分量變?yōu)?P，即各分量均變?yōu)?P的倍數(shù).

通過坐標變換可明顯看出載荷控制的目標，即降低Md,k和Mq,k中的直流分量以控制葉片的面外彎矩，該調(diào)節(jié)過程可以通過2個積分控制實現(xiàn).為了不受其他頻次的影響，控制頻率帶寬較窄.控制器輸出的槳距角調(diào)節(jié)量是在第k次諧波坐標系下的，所以需要反變換到葉片坐標系下，如式(5)所示，控制流程如圖2所示.

(5)

考慮到整個控制環(huán)節(jié)的滯后性，需要在反變換矩陣中調(diào)整相位，因此

(6)

圖2　載荷控制流程圖Fig.2　Load control scheme

綜合功率控制和載荷控制的槳距角調(diào)節(jié)作用，得到最后的槳距角目標值：

(7)

1.2機組模型及仿真結(jié)果分析

以2 MW雙饋式風電機組為模型，機組參數(shù)如表1所示，應用Bladed軟件進行仿真計算.運行工況為16 m/s的恒定風，考慮風切變和塔影效應，對比有無獨立變槳控制的葉片面外彎矩.

表1　2 MW雙饋式風電機組參數(shù)

以葉片1為例，圖3為僅有功率控制和附加載荷控制時的發(fā)電功率和風輪轉(zhuǎn)速曲線，其中IPC-1P表示針對葉片面外彎矩中的1P分量的獨立變槳控制，其他依此類推.由圖3可以看出，獨立變槳控制沒有明顯影響功率控制，滿足了載荷控制的前提要求.與CPC相比，在應用1P載荷控制的IPC情況下，葉片面外彎矩中1P分量從347 kN·m減小到176 kN·m，彎矩降低了47.7%.且2P和4P分量分別降低了33.7%和31.6%.因而，應用IPC的載荷控制可以有效地降低葉片面外彎矩的波動，從而減少葉片的疲勞損傷.但是，從圖3(d)可以看出，葉片的槳距角動作量顯著增加，會增加葉片變槳機構(gòu)的損傷，繼而增加變槳機構(gòu)的維護成本.因此需在葉片載荷調(diào)節(jié)與變槳機構(gòu)的動作量之間進行一定的協(xié)調(diào)，取得一個合適的成本方案.

(a)

(c)

(d)圖3　僅有功率控制和附加載荷控制時的發(fā)電功率和風輪轉(zhuǎn)速曲線

Fig.3Curves of turbine power output and blade rotating speed respectively under collective and individual pitch control

2　依據(jù)輪轂載荷測量量的獨立變槳控制

以葉片的面外彎矩作為IPC的輸入量，需要在葉片根部安裝測量設備得到面外彎矩信號.在機組運行過程中，葉片會隨著槳距角的調(diào)節(jié)而轉(zhuǎn)動，因此需要在葉根處安裝2個方向垂直的傳感器，結(jié)合槳距角得出葉片的面外彎矩.總計需要6個傳感器得到控制器所需的信號.

2.1輪轂旋轉(zhuǎn)坐標系

為減少傳感器的數(shù)量，可以在輪轂上安裝2個方向垂直的傳感器.輪轂上的載荷是3個葉片載荷作用的集中效果，因此通過一定的轉(zhuǎn)換可達到與3個葉片面外載荷測量類似的效果.

由于輪轂也是在旋轉(zhuǎn)的，因此輪轂旋轉(zhuǎn)坐標系(見圖1)下y軸和z軸的彎矩可表示如下：

(8)

式中：Ar,h和φr,h分別為Mr,y在第h次諧波下的幅值和初始相位.

與第1節(jié)類似，同樣存在可以轉(zhuǎn)換到第k次諧波坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣Rk：

(9)

2.2非旋轉(zhuǎn)坐標系

第2.1節(jié)中所用方法減少了傳感器的數(shù)量，但是風電機組的控制器安裝在機艙，輪轂為旋轉(zhuǎn)部件，為此需要采用滑環(huán)或無線的方式在傳感器和控制器之間傳輸信號，這種方式同樣不便于應用和維護.據(jù)此考慮在機組的非旋轉(zhuǎn)部分測量載荷，并進行相應處理以得到控制器所需要的載荷信號.

風電機組的機艙坐標系如圖1所示，定坐標系下平行于風輪旋轉(zhuǎn)平面的y軸和z軸彎矩如下：

(10)

式中：Af,h和φf,h分別為彎矩的第h次諧波的幅值和初始相位.

首先需要從靜止坐標系轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標系，轉(zhuǎn)換后彎矩的表達式與旋轉(zhuǎn)坐標系下的表達方式類似，再轉(zhuǎn)換到第k次諧波坐標系，轉(zhuǎn)換矩陣Fk形式如下：

Fk=

(11)

控制器設計與前面的類似，需要注意的是，Mf,y和Mf,z并非直接測量得來.根據(jù)載荷測量的位置，需要剔除其中非葉片載荷引起的載荷分量.例如，在機艙主軸的軸承處測量載荷，因該位置距離輪轂中心處有一段距離，需要排除風輪重力作用產(chǎn)生的載荷，否則控制器輸入信號包含的非葉片載荷引起的載荷分量會降低控制效果.

2.3控制效果對比

風電機組模型參數(shù)見表1，設置平均風速為16 m/s、16%湍流度的風況，驗證獨立變槳控制下葉片面外彎矩1P分量的降低量.湍流下不同載荷測量信號下的獨立變槳控制結(jié)果如圖4所示(其中，R表示旋轉(zhuǎn)坐標系，F(xiàn)表示非旋轉(zhuǎn)坐標系).

從圖4(b)可以看出，獨立變槳并未影響功率控制的效果，功率保持在額定功率附近.

從圖4(d)可以看出，3種載荷測量方式下的載荷控制均可有效降低葉片的1P面外載荷，分別降低了47.4%、49.3%和49.3%，區(qū)別很小，也從側(cè)面印證了葉片面外載荷只是輪轂集中載荷的一部分.

由圖4(e)可知，1P載荷分量有效地降低了49.4%.觀察其中頻率分量的分布情況，在3P倍數(shù)的分量上幾乎沒有載荷.而在圖4(f)中，y方向的0P載荷降低了53.3%，此頻率不同于葉片載荷中的1P，可以推知葉片載荷傳遞到靜止坐標系時，載荷頻率發(fā)生了變化.從坐標變換也可以推導出同樣的結(jié)論.

3　結(jié)　論

(1) 獨立變槳控制可以調(diào)節(jié)單個葉片槳距角，降低由外部因素引起的葉片載荷波動，進而減少葉片的疲勞損傷，延長機組的運行壽命.

(2) 獨立變槳控制依賴于載荷測量量，筆者分析了3種載荷測量量，即葉片面外彎矩、輪轂旋轉(zhuǎn)坐標系下的彎矩及輪轂靜止坐標系下的面外彎矩.將該技術應用于實際時，需考慮布置和維護的成本，應盡量減少難度，3種載荷測量方式的應用難度依次遞減.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)圖4　湍流下不同載荷測量信號下的獨立變槳控制結(jié)果Fig.4　Results of individual pitch control with wind turbulence based on different load measurements

(3) 以2 MW雙饋式風電機組模型為例進行仿真計算，考慮湍流、風切變和塔影效應等外部因素.計算結(jié)果表明，基于3種測量的載荷控制在葉片一次面外彎矩的調(diào)節(jié)上有著近似的效果.附加載荷控制后，發(fā)電功率和風輪轉(zhuǎn)速與僅有功率控制情況下無顯著差別.但是由于獨立變槳會顯著增加槳距角調(diào)節(jié)的動作量，加劇變槳機構(gòu)的疲勞損傷，因此需在葉片載荷控制和變槳機構(gòu)維護間進行一定的協(xié)調(diào).

(4) 載荷控制在不影響機組發(fā)電運行的情況下顯著減緩了載荷波動，降低了葉片的疲勞損傷.維護量的減少可以增加風電機的成本優(yōu)勢.

[1]PAO L Y, JOHNSON K E. Control of wind turbines[J]. IEEE Control Systems, 2011, 31(2): 44-62.

[2]SONG Y D, LI P, LIU W,etal. An overview of renewable wind energy conversion system modeling and control[J]. Measurement and Control, 2010, 43(7): 203-208.

[3]van der HOOFT E L, SCHAAK P, van ENGELEN T G. Wind turbine control algorithms: DOWEC project-DOWEC-F1W1-EH 03-094/0, Task-3 report [R/OL].(2003-12-01)[2015-12-01]. https://www.ecn.nl/publications/ECN-C--03-111.

[4]SAVINI B, LUPTO R. Supervisory controller and load calculation with individual pitch controller for 5 MW reference turbine[R]. England: GL Garrad Hassan, 2011.

[5]BOSSANYI E, SAVINI B, IRIBAS M,etal. Advanced controller research for multi-MW wind turbines in the UPWIND project[J]. Wind Energy, 2012, 15(1): 119-145.

[6]STOL K A, ZHAO W X, WRIGHT A D. Individual blade pitch control for the controls advanced research turbine (CART)[J]. Journal of Solar Energy Engineering, 2006, 128(4): 498-505.

[7]SELVAM K, KANEV S, van WINGERDEN J W,etal. Feedback-feedforward individual pitch control for wind turbine load reduction[J]. International Journal of Robust and Nonlinear Control, 2009, 19(1): 72-91.

[8]van ENGELEN T G. Design model and load reduction assessment for multi-rotational mode individual pitch control (higher harmonics control)[C]//Proceedings of European Wind Energy Conference. Athens, Greece: European Wind Energy Association, 2006.

[9]葉忠明, 董伯藩, 錢照明. 諧波電流的提取方法比較[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 1997, 21(12): 21-24, 40.

YE Zhongming, DONG Bofan, QIAN Zhaoming. Comparision of two approaches for harmonic current extraction[J]. Automation of Electric Power Systems, 1997, 21(12): 21-24, 40.

Individual Pitch Control Based on Different Load Measurements

ZHOUFeng,CHENZhonglei,DENGYing,TIANDe

(School of Renewable Energy, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Individual pitch control was studied based on following 3 different load measurements, such as the blade root out-of-plane bending moment, rotating hub bending moment and fixed hub out-of-plane bending moment. Results show that the difficulty of above 3 measurement ways in implementation and maintenance is successively decreasing. Compared with controllers without load control, the controllers based on above 3 load measurements are able to cut down load fluctuations, so the load transmitted to other parts of the wind turbine would be reduced accordingly. Moreover, the load control shows no obvious influence on the power output of the wind turbine, but the pitch actuators would work more frequently.

wind turbine; load control; individual pitch control; load measurement

2015-12-01

2015-12-21

周峰(1988-)，男，江蘇鹽城人，博士研究生，研究方向為風電機組控制.電話(Tel.)：13581578176；

E-mail：xiaofeng5197@163.com.

1674-7607(2016)09-0711-05

TK83

A學科分類號：480.60