甄 亮 方占萍

(酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院新能源工程系1，甘肅 酒泉 735000 ;甘肅省太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，甘肅 酒泉 735000)

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大型風(fēng)力機(jī)變槳距加載系統(tǒng)多余力抑制方法研究

甄 亮1,2方占萍1,2

(酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院新能源工程系1，甘肅 酒泉 735000 ;甘肅省太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，甘肅 酒泉 735000)

對(duì)大型風(fēng)力機(jī)變槳距加載系統(tǒng)產(chǎn)生的多余力抑制方法進(jìn)行了研究，提出了一個(gè)將變槳距位置系統(tǒng)等效為倒立單擺負(fù)載的方法以減小多余力?？紤]到單擺負(fù)載的位置系統(tǒng)與加載系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，采用了雙微分結(jié)構(gòu)解耦補(bǔ)償控制策略。Matlab仿真結(jié)果證明，采用雙微分結(jié)構(gòu)解耦補(bǔ)償控制策略后，當(dāng)加載頻率達(dá)到10 Hz時(shí)，多余力從±22 N左右減小到±4 N左右，滿(mǎn)足加載系統(tǒng)的性能指標(biāo)。仿真結(jié)果表明了采用雙微分結(jié)構(gòu)解耦補(bǔ)償控制策略抑制多余力的有效性。

大型風(fēng)力機(jī) 電液伺服系統(tǒng) 變槳距 傳感器 PID控制 單擺負(fù)載 雙微分結(jié)構(gòu) 解耦補(bǔ)償

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔能源，近幾年在國(guó)內(nèi)外得到了迅猛發(fā)展。2012年，中國(guó)陸上風(fēng)電新增裝機(jī)容量1 590 萬(wàn)kW，占全球新增容量的三分之一以上，連續(xù)四年保持行業(yè)第一[1]。變槳距控制是提高風(fēng)力發(fā)電效率和電能質(zhì)量的最有效手段之一，也是當(dāng)今大型風(fēng)力機(jī)控制的關(guān)鍵技術(shù)。由于現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)功率普遍達(dá)到了MW級(jí)以上，所以微小的效率提高就能帶來(lái)可觀(guān)的年發(fā)電量。大型風(fēng)力機(jī)變槳距控制策略的最佳方法是建立高效的大型風(fēng)力機(jī)變槳距負(fù)載模擬系統(tǒng)，在試驗(yàn)室條件下模擬風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中作用在變槳距軸上的各種阻力矩，即動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)[2]，以研究風(fēng)力機(jī)葉片在受到各種載荷的情況下對(duì)變槳距控制系統(tǒng)性能的影響。本文采用理論分析和數(shù)值仿真相結(jié)合的研究方法，對(duì)大型風(fēng)力機(jī)變槳距動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)產(chǎn)生多余力的過(guò)程、機(jī)理以及抑制方法作了深入的研究和討論，提出了采用雙微分結(jié)構(gòu)解耦補(bǔ)償控制來(lái)減小多余力的方法。在整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩個(gè)微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)，從而最大限度地消除多余力。

1 建立物理模型

為了研究大型風(fēng)力機(jī)電液伺服變槳距系統(tǒng)的控制器參數(shù)、性能與可靠性，以及對(duì)整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)評(píng)價(jià)[3]，搭建了風(fēng)力機(jī)電液伺服變槳距系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)這樣的運(yùn)動(dòng)負(fù)載，一般情況下，都將其等效為一個(gè)由左右兩部分組成的倒立的單擺負(fù)載。左邊是模擬風(fēng)力機(jī)變槳距的電液伺服變槳距系統(tǒng)，通過(guò)位移傳感器反饋構(gòu)成一個(gè)位置閉環(huán)，按照給定的指令信號(hào)驅(qū)動(dòng)單擺負(fù)載精確擺動(dòng)。這里的加載對(duì)象單擺負(fù)載是一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體，就好似風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中運(yùn)動(dòng)的葉片。右邊是電液伺服動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)，它由一個(gè)電液伺服閥控制液壓缸輸出力，對(duì)單擺負(fù)載進(jìn)行力加載。由于單擺負(fù)載的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，造成加載系統(tǒng)在位置上有變化，所以這就是典型的動(dòng)態(tài)加載。由于受載對(duì)象的自主運(yùn)動(dòng)和加載裝置的運(yùn)動(dòng)相互耦合，產(chǎn)生的位置擾動(dòng)會(huì)引起多余力，所以電液負(fù)載模擬器屬于被動(dòng)式加載系統(tǒng)，其關(guān)鍵問(wèn)題就是如何抑制和消除多余力。

大型風(fēng)力機(jī)變槳距電液伺服動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)由加載裝置和被加載對(duì)象單擺負(fù)載組成。風(fēng)力機(jī)變槳過(guò)程中，如槳距角的大小變化不大，則仿真模型中的單擺負(fù)載擺動(dòng)角度不大。研究單擺負(fù)載水平方向的運(yùn)動(dòng)對(duì)加載系統(tǒng)產(chǎn)生的多余力是可行的，所以電流負(fù)載模擬器屬于被動(dòng)式加載系統(tǒng)，其關(guān)鍵問(wèn)題就是如何抑制和消除多余力。

在單擺負(fù)載電液伺服動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中，由于位置擾動(dòng)產(chǎn)生的多余力全部疊加在加載系統(tǒng)的輸出力上，如果不加以消除，所設(shè)計(jì)的加載系統(tǒng)將難以對(duì)單擺負(fù)載精確加載，有時(shí)甚至將加載力完全淹沒(méi)，不能實(shí)現(xiàn)各種載荷譜的點(diǎn)點(diǎn)跟蹤，甚至?xí)斐烧麄€(gè)加載系統(tǒng)不能正常工作[3]。

2 建立數(shù)學(xué)模型

在整個(gè)單擺負(fù)載電液伺服動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)的建立過(guò)程中，先分別建立各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型。電液伺服加載系統(tǒng)用來(lái)模擬大型風(fēng)力機(jī)變槳過(guò)程中葉片所受到的各種動(dòng)力載荷，包括空氣動(dòng)力等其他阻力[4]。

2.1 加載系統(tǒng)滑閥流量方程

加載系統(tǒng)滑閥流量方程為：

QLF=KqFXvF-KcFPLF

(1)

式中：QLF為單擺負(fù)載加載系統(tǒng)伺服閥的負(fù)載流量，m3/s；KqF為單擺負(fù)載加載系統(tǒng)伺服閥的流量增益，m2/s；XvF為單擺負(fù)載加載系統(tǒng)伺服閥的閥芯開(kāi)口量，m；KcF為單擺負(fù)載加載系統(tǒng)伺服閥的流量-壓力系數(shù)，m5/(N·s)；PLF為單擺負(fù)載加載系統(tǒng)液壓缸的負(fù)載壓力，N/m2。

2.2 加載液壓缸連續(xù)性方程

單擺負(fù)載加載系統(tǒng)液壓缸的流量連續(xù)性方程為：

(2)

2.3 加載液壓缸和負(fù)載力平衡方程

同樣，根據(jù)牛頓第二定律，可得到力平衡方程：

(3)

式中：mF為單擺負(fù)載加載液壓缸活塞質(zhì)量，kg；BcF為單擺負(fù)載加載液壓缸活塞和負(fù)載等效的黏性阻尼系數(shù)，N/(m/s)。

2.4 力傳感器輸出方程

力傳感器輸出方程為：

Fg=Ke(yF-yL)

(4)

式中：Ke為力傳感器的彈性剛度，N/m；yF為單擺負(fù)載加載缸的活塞位移，m。

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，在頻域內(nèi)，可得到力傳感器上輸出力Fg的表達(dá)式為：

(5)

通過(guò)傳感器輸出力Fg的計(jì)算，可以得到由于單擺負(fù)載的位置擾動(dòng)產(chǎn)生的多余力表達(dá)式:

(6)

2.5 拉壓力傳感器數(shù)學(xué)模型

電液伺服動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)使用的拉壓力傳感器為電壓輸出型拉壓力傳感器，其線(xiàn)性度好、可重復(fù)性好、靈敏度高，可視其為比例環(huán)節(jié)[5]。拉壓力傳感器的數(shù)學(xué)模型就可表示如下：

(7)

式中：KFf為力傳感器系數(shù)，V/N；UFf為力傳感器輸出電壓，V；Fg為傳感器所受力，N。

2.6 加載系統(tǒng)伺服放大器數(shù)學(xué)模型

伺服放大器的主要功能是將數(shù)據(jù)采集卡輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，并且加以放大，然后輸入到電液伺服閥，來(lái)驅(qū)動(dòng)電液伺服閥閥芯[6-7]。其傳遞函數(shù)為：

(8)

式中：KaF為加載系統(tǒng)伺服放大器增益，A/V；um為加載系統(tǒng)輸出電壓，V；i為加載系統(tǒng)伺服閥輸入電流，A。

2.7 加載系統(tǒng)電液伺服閥數(shù)學(xué)模型

同樣地，可將加載系統(tǒng)電液伺服閥的傳遞函數(shù)等效為[8-10]：

(9)

式中：GsvF(s)為位置系統(tǒng)電液伺服閥的傳遞函數(shù)；KsvF為位置系統(tǒng)電液伺服閥的流量增益，m2/s。

3 雙微分結(jié)構(gòu)解耦補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)

因單擺負(fù)載的位置系統(tǒng)和加載系統(tǒng)是相互耦合的，如只設(shè)計(jì)消除驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)加載系統(tǒng)的干擾，不考慮加載系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響，顯然是有缺陷的。本文不但設(shè)計(jì)了微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)來(lái)減小多余力，還設(shè)計(jì)了補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以消除加載系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的干擾。整個(gè)系統(tǒng)的兩個(gè)微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)，構(gòu)成了雙微分結(jié)構(gòu)解耦補(bǔ)償控制器。通過(guò)仿真，驗(yàn)證了其優(yōu)越性。

3.1 消除多余力結(jié)構(gòu)補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

采用結(jié)構(gòu)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，補(bǔ)償單擺負(fù)載位置系統(tǒng)對(duì)加載系統(tǒng)的干擾。設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)E1(s)的目的是消除單擺負(fù)載位置系統(tǒng)的輸出位移對(duì)加載系統(tǒng)的干擾。

E1g=YDKDfE1(S)KaFGsvF(s)KqF

(10)

(11)

為了全部補(bǔ)償多余力，需要得到：

E1g-E1D=0

(12)

在設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)時(shí)，可以忽略干擾環(huán)節(jié)C(s)中C3和C2兩個(gè)高階項(xiàng)及E1D中的二階項(xiàng)，即得到：

繼而得到補(bǔ)償環(huán)節(jié)E1(s)的表達(dá)式：

(13)

3.2 消除擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)

同樣，采用E1(s)補(bǔ)償環(huán)節(jié)來(lái)消除加載系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的干擾。設(shè):

E2g=FgKFfE2(s)KaDGsvDKqD

(14)

(15)

得到：

E2g+E2D=0

(16)

忽略分母中的高階項(xiàng)，則：

(17)

忽略常數(shù)項(xiàng)，則：

(18)

3.3 雙微分結(jié)構(gòu)解耦補(bǔ)償控制器仿真分析

在Matlab的Simulink中搭建仿真模型。一般情況下，當(dāng)仿真參數(shù)給定單擺負(fù)載位置系統(tǒng)輸入信號(hào)頻率為5 Hz、幅值為±5 mm時(shí)，分別得到系統(tǒng)中控制器增益為1的比例環(huán)節(jié)和加PID控制器，以及PID加雙微分結(jié)構(gòu)解耦補(bǔ)償補(bǔ)償控制器時(shí)的多余力。當(dāng)系統(tǒng)中控制器處于增益為1的比例環(huán)節(jié)時(shí)，測(cè)得的純多余力峰值為±22 N左右，使用PID控制可以減小到±10 N左右，但使用本文設(shè)計(jì)的雙微分結(jié)構(gòu)解耦補(bǔ)償控制時(shí)，多余力基本得到抑制，峰值為±4 N左右，所以設(shè)計(jì)的控制器對(duì)多余力的抑制效果明顯。在單擺負(fù)載啟動(dòng)、換向、加速和減速時(shí)，產(chǎn)生的多余力也明顯減小，充分驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)控制器的思想。解除位置系統(tǒng)與加載系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，對(duì)消除多余力起到了很大作用。同時(shí)，位置系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性都得到了很大的提升，從而提高了加載系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

本文設(shè)計(jì)的雙微分結(jié)構(gòu)解耦補(bǔ)償控制策略在實(shí)際工程應(yīng)用中更加可靠，而且從加載信號(hào)跟蹤仿真結(jié)果可以看出，在滿(mǎn)足雙十指標(biāo)的要求下，跟蹤性能很好。

跟蹤響應(yīng)曲線(xiàn)如圖1所示。

以上的仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的雙微分結(jié)構(gòu)解耦補(bǔ)償控制器對(duì)多余力的抑制效果明顯，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，對(duì)控制計(jì)算機(jī)的硬件要求也不高。本文設(shè)計(jì)的控制器只考慮了線(xiàn)性因素對(duì)加載系統(tǒng)造成的多余力，而實(shí)際中，電液伺服動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)中有很多非線(xiàn)性因素，包括單擺負(fù)載支撐處的游隙非線(xiàn)性、液壓系統(tǒng)中油液的溫度變化以及壓縮性，這些因素都會(huì)對(duì)加載系統(tǒng)造成影響。因此要想提高加載系統(tǒng)的性能，就應(yīng)該從這些方面入手，選取更合理的硬件設(shè)備、設(shè)計(jì)更先進(jìn)的控制方法。

圖1 跟蹤響應(yīng)曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了大型風(fēng)力機(jī)電液伺服變槳距系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載半物理仿真試驗(yàn)平臺(tái)中，位置系統(tǒng)與加載系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，提出了采用雙微分結(jié)構(gòu)解耦補(bǔ)償控制策略，有效消除了加載系統(tǒng)的多余力和加載系統(tǒng)對(duì)位置系統(tǒng)的干擾。Matlab仿真結(jié)果表明，提出的雙微分結(jié)構(gòu)解耦補(bǔ)償控制策略，隨著加載頻率不斷增大，即當(dāng)加載頻率從5 Hz增大到10 Hz時(shí)，多余力從原來(lái)的±22 N左右減小到±4 N左右，滿(mǎn)足加載系統(tǒng)的性能指標(biāo)，雙微分結(jié)構(gòu)解耦補(bǔ)償控制策略對(duì)于多余力抑制以及動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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[3] 焦宗夏,華清.負(fù)載模擬器的DRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2003,39(1):15-19.

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[10]張彪.電液負(fù)載模擬器多余力抑制及其反步自適應(yīng)控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

Research on the Suppression Method of Excess Force Generated in Variable Pitch Loading System of Large Wind Turbine

The suppression methods of excess force generated in variable pitch loading system of large wind turbine are researched,and to reduce the excess force,the method with which the variable pitch position system is equivalent to the inverted simple pendulum load is proposed.Considering about the coupling relationship between the position system of simple pendulum load and the loading system,the decoupling compensation control strategy with double differential structure is adopted. The results of Matlab simulation prove that after adopting the decoupling compensation control strategy with double differential structure,when the loading frequency reaches 10Hz,the excess force reduces from ±22 N to ±4 N around,this meets the performance index of loading system.The simulation result shows the effectiveness of such control strategy for suppressing excess force.

Large wind turbine Electro-hydraulic servo system Variable pitch Sensor PID control Simple pendulum load Double differential structure Decoupling compensation

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：51365028)。

甄亮(1984—)，男，2013年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，助教；主要從事電液伺服控制技術(shù)、現(xiàn)代控制策略、風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)方向的研究和教學(xué)工作。

TH-3;TP273+.3

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611009

修改稿收到日期：2016-04-14。