劉 楊，王維慶，王海云，韓 璐

(新疆大學(xué)教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

基于改進(jìn)DE算法的兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)獨(dú)立變槳控制

劉 楊，王維慶，王海云，韓 璐

(新疆大學(xué)教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

針對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組在額定風(fēng)速以上的氣流擾動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的載荷不平衡現(xiàn)象，提出了基于改進(jìn)DE算法的獨(dú)立變槳距控制策略。利用DE算法能夠較快進(jìn)行全局尋優(yōu)的特點(diǎn)，縮小PID參數(shù)的搜索范圍，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。通過(guò)改進(jìn)DE算法以改善其局部搜索能力，使調(diào)節(jié)過(guò)程具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，從而得到最優(yōu)的槳距角控制結(jié)果。最后，采用Matlab和Fast軟件作為測(cè)試平臺(tái)，對(duì)2 MW的獨(dú)立變槳機(jī)組進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，所提獨(dú)立變槳控制策略能夠有效降低機(jī)組在擾動(dòng)情況下的載荷，緩解機(jī)組疲勞程度、延長(zhǎng)機(jī)組壽命，有利于穩(wěn)定輸出功率，從而提高運(yùn)行效率。

兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組；獨(dú)立變槳控制；改進(jìn)DE算法；風(fēng)機(jī)載荷

0 引 言

隨著全球能源危機(jī)的逐步加重，風(fēng)電作為可再生清潔能源開發(fā)的重點(diǎn)對(duì)象，其單機(jī)發(fā)電容量不斷提升，整機(jī)高度及葉片直徑也在不斷增加，使得槳葉在工作過(guò)程中受到湍流擾動(dòng)、塔影效應(yīng)以及風(fēng)剪切作用的影響也愈加顯著，波動(dòng)性明顯增強(qiáng)，增大了葉片的揮舞彎矩，使風(fēng)輪的不平衡載荷進(jìn)一步加重[1]。對(duì)于兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)而言，采用恰當(dāng)?shù)目刂撇呗砸詼p小疲勞載荷有助于降低機(jī)組的運(yùn)維費(fèi)用、延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命。目前，變速變槳技術(shù)是兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的主要控制方式[2]，通過(guò)改變槳距角，使葉片繞其軸心旋轉(zhuǎn)，從而使氣流對(duì)葉片的攻角發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的恒定，達(dá)到提高風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)能的捕獲能力、改善風(fēng)機(jī)氣動(dòng)特性和保證機(jī)組輸出功率穩(wěn)定的目的。因此，對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組變槳控制的進(jìn)一步探索成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者根據(jù)變槳方式的不同將控制策略分為統(tǒng)一變槳(collective pitch control,CPC)和獨(dú)立變槳(individual pitch control,IPC)兩種。文獻(xiàn)[3]采用統(tǒng)一變槳控制，根據(jù)風(fēng)速來(lái)流的變化統(tǒng)一調(diào)節(jié)所有葉片的攻角大小，使氣流對(duì)葉片產(chǎn)生的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩維持在一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)，從而保證了風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的可控性。然而，文獻(xiàn)[4]研究表明，對(duì)于大尺寸風(fēng)電機(jī)組而言，同一個(gè)風(fēng)機(jī)的各槳葉處的氣流分布情況各異，造成了風(fēng)機(jī)的不平衡載荷，對(duì)于兆瓦級(jí)大型風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)統(tǒng)一變槳已不是最佳的控制方式。文獻(xiàn)[5]通過(guò)利用獨(dú)立變槳各葉片的獨(dú)立執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別對(duì)槳葉進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠克服統(tǒng)一變槳在兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)掃風(fēng)平面氣流分布不均時(shí)出現(xiàn)的風(fēng)機(jī)功率下降現(xiàn)象。文獻(xiàn)[6]提出了將載荷和方位角聯(lián)合進(jìn)行反饋的獨(dú)立變槳策略，以緩解氣流對(duì)槳葉的拍打和振動(dòng)，有效降低機(jī)組的疲勞載荷。文獻(xiàn)[7]提出了利用Clark變換與比例諧振控制器相結(jié)合的獨(dú)立變槳控制策略，但該方案增加了系統(tǒng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)時(shí)變性。

鑒于傳統(tǒng)的PID獨(dú)立變槳應(yīng)對(duì)氣流突變的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果不夠理想，其疲勞載荷與功率輸出的穩(wěn)定性還有待于進(jìn)一步優(yōu)化，提出將微分進(jìn)化算法(differential evolution，DE)加以改進(jìn)，從而增強(qiáng)其局部搜索能力，并與其出色的全局尋優(yōu)能力相結(jié)合后用于調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，并設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究，最后結(jié)果驗(yàn)證了所提獨(dú)立變槳控制策略能夠緩解機(jī)組的疲勞載荷，有利于穩(wěn)定輸出功率，延長(zhǎng)機(jī)組壽命并提高運(yùn)行效率。

1 風(fēng)機(jī)氣動(dòng)載荷的計(jì)算與分析

1.1 氣動(dòng)載荷的計(jì)算

風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)載荷主要是根據(jù)動(dòng)量-葉素理論進(jìn)行計(jì)算的，若設(shè)風(fēng)機(jī)的擺動(dòng)載荷為Mx，揮舞載荷為My，軸向力為Fx，切向力為Fy，則計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中:ρ為氣流密度；Vw為來(lái)流風(fēng)速的相對(duì)值；l為翼型弦長(zhǎng)；Ct為切向力系數(shù)；Cn為法向力系數(shù)。

1.2 影響氣動(dòng)載荷的因素

影響氣動(dòng)載荷的因素主要有湍流效應(yīng)、塔影效應(yīng)和風(fēng)剪效應(yīng)。由于地形地貌多樣，風(fēng)場(chǎng)氣流會(huì)與其發(fā)生摩擦或垂直方向的變化，當(dāng)氣流移動(dòng)到風(fēng)機(jī)槳葉旋轉(zhuǎn)平面上時(shí)，能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較強(qiáng)波動(dòng)，形成湍流現(xiàn)象，會(huì)增加風(fēng)機(jī)槳葉的不平衡載荷，不利于輸出功率的穩(wěn)定。

塔影效應(yīng)是指塔架在風(fēng)場(chǎng)中會(huì)阻礙通過(guò)的氣流，使風(fēng)速大小和方向發(fā)生改變，這將對(duì)下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)組產(chǎn)生不利影響。一般按照潛流理論模型對(duì)受到塔影效應(yīng)影響的風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算，設(shè)輪轂中心到塔架中心的距離為d，塔架直徑修正因子為Dt，則風(fēng)速的值如式(2)所示：

(2)

在大氣的邊界層中，風(fēng)速會(huì)隨著高度的變化而變化；而兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)一般屬于大尺寸機(jī)組，因此，旋轉(zhuǎn)至頂部的槳葉比處于底部的槳葉所受風(fēng)速更大，距地面高h(yuǎn)處的風(fēng)速vh與距地面高H處的風(fēng)速vH間的關(guān)系可用式(3)表示：

(3)

式中，λ為風(fēng)剪系數(shù)。

因?yàn)檩嗇炈谖恢玫陀谌~片處于掃風(fēng)的上半平面位置，所以按此處的平均風(fēng)速計(jì)算風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)載荷要比葉輪實(shí)際所受載荷小，降低了分析風(fēng)機(jī)不平衡載荷的準(zhǔn)確度。為此，通過(guò)增加風(fēng)剪切效應(yīng)對(duì)風(fēng)速擾動(dòng)的方式來(lái)解決該問(wèn)題，用θ表示槳葉的方位角，Ws(r,θ)表示擾動(dòng)的變化量，則有關(guān)系式(4)：

(4)

1.3 風(fēng)機(jī)載荷的坐標(biāo)變換

風(fēng)機(jī)載荷主要包含靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷兩個(gè)方面，這里主要研究塔影、湍流效應(yīng)以及陣風(fēng)、風(fēng)切變對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)載荷，屬于動(dòng)態(tài)載荷研究。當(dāng)槳葉處于1P頻率的轉(zhuǎn)速時(shí)，根據(jù)頻譜分析知其功率幅值最高[8]，因此，以該頻率時(shí)風(fēng)機(jī)葉根的載荷為考察對(duì)象，將各槳葉的根部載荷利用Park變換轉(zhuǎn)換為d、q載荷以及相應(yīng)的反變換，控制框圖及公式分別如圖1和式(5)、式(6)所示：

圖1 改進(jìn)DE算法的獨(dú)立變槳控制

(5)

(6)

式中：Mz1、Mz2、Mz3分別為坐標(biāo)變換前各葉根載荷；γ1、γ2、γ3分別為反變換后各槳葉的附加槳距角；Md、Mq分別為轉(zhuǎn)換后d、q坐標(biāo)載荷；αd、αq分別為反變換前d、q坐標(biāo)的槳距角；θ為參考槳葉的方位角。

2 改進(jìn)DE算法的獨(dú)立變槳控制

2.1 DE算法原理

微分進(jìn)化算法[9](DE)是Price和Storn于1995年提出的搜索算法，主要是通過(guò)進(jìn)化過(guò)程中的變異、交叉和選擇產(chǎn)生新生代群體。如果存在如式(7)的待優(yōu)化問(wèn)題：

minf(x1,x2,…,xn),ai≤xi≤bi,i=1,2,…,n

(7)

式中:x1,x2,…,xn為n個(gè)待優(yōu)化參數(shù)；ai、bi為其取值的上、下限。則DE算法的尋優(yōu)空間為S0={(ai,bi)}。

(8)

(9)

式中:rand(j)為0～1內(nèi)服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)；CR為在0～1內(nèi)取值的交叉因子。

(10)

2.2 改進(jìn)DE算法的獨(dú)立變槳控制

風(fēng)電機(jī)組在工作過(guò)程中不僅受到風(fēng)速隨機(jī)變化的影響，還受到機(jī)組自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及系統(tǒng)非線性耦合的影響，這些因素對(duì)葉片載荷的動(dòng)態(tài)性能提出了很高的要求。傳統(tǒng)的獨(dú)立變槳技術(shù)往往采用PID控制，該方法簡(jiǎn)單、有效，但對(duì)于兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)載荷控制來(lái)說(shuō)，其響應(yīng)速度和精度還有待于進(jìn)一步提高。采用智能控制的方式是獨(dú)立變槳控制技術(shù)的發(fā)展方向。采用智能算法對(duì)傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行改良，有利于提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，并優(yōu)化控制系統(tǒng)的參數(shù)整定速度和精度。采用改進(jìn)的DE算法與傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行融合，有利于對(duì)獨(dú)立變槳系統(tǒng)中復(fù)雜的非線性狀態(tài)進(jìn)行控制。

DE算法具有較強(qiáng)的魯棒性和較少的控制參數(shù)，但局部搜索能力較弱，為此，對(duì)原算法中的變異比例因子F和交叉因子CR采用適應(yīng)度方差進(jìn)行優(yōu)選，提高其局部搜索速度和準(zhǔn)確度。適應(yīng)度方差如式(11)所示：

(11)

式中:fa為適應(yīng)度均值；fb為群體最優(yōu)適應(yīng)度；fi為個(gè)體i的適應(yīng)度；Np為種群數(shù)量。

變異比例因子F和交叉因子CR分別按式(12)、式 (13)進(jìn)行第k代更新：

(12)

(13)

式中:Fmin、Fmax和CRmin、CRmax分別為比例因子F和交叉因子CR的上、下限 。

采用改進(jìn)DE算法對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)獨(dú)立變槳控制的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，參照?qǐng)D1，以不平衡載荷為控制對(duì)象，設(shè)控制量為u(k)，則控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中：r(t)為Md、Mq；y(t)為αd、αq；e(k)為偏差值。

圖2 改進(jìn)DE-PID控制

設(shè)該控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)為偏差e(k)的二階矩積分，如式(14)所示：

(14)

具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)利用傳統(tǒng)PID參數(shù)整定方法，計(jì)算PID的初始參數(shù)Kp0、Ti0和Td0，進(jìn)而確定種群的初始規(guī)模；

2)設(shè)定初始參數(shù)，種群規(guī)模Np=50，比例因子Fmax=0.85，F(xiàn)min=0.3， 交叉因子CRmin=0.4，CRmax=0.9；

3)起始代k=1，終止代k=400，循環(huán)終結(jié)條件fa<10-4，并按式(14)評(píng)估系統(tǒng)初始性能；

4)開始進(jìn)化，不斷變異和交叉，并計(jì)算種群中個(gè)體適應(yīng)度值、當(dāng)前種群最優(yōu)解、適應(yīng)度最佳值和均值，得到適應(yīng)度方差，按式(12)、式(13)更新F和CR的第k代值；

5)判斷當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)或適應(yīng)度均值是否滿足結(jié)束迭代條件，若均不滿足，則轉(zhuǎn)入步驟4)繼續(xù)進(jìn)化，否則，終止迭代，轉(zhuǎn)入步驟6)；

6) 輸出最終優(yōu)化結(jié)果。

3 仿真分析

采用Matlab和Fast軟件作為測(cè)試平臺(tái)，以額定功率2 MW、額定轉(zhuǎn)速15 r/min、額定風(fēng)速11.4 m/s、切入風(fēng)速4 m/s、切出風(fēng)速25 m/s、風(fēng)輪半徑46.5 m的風(fēng)機(jī)作為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)環(huán)境的湍流風(fēng)速設(shè)定為16 m/s，如圖3所示。

圖3 湍流風(fēng)速變化

對(duì)傳統(tǒng)獨(dú)立變槳(IPC)、改進(jìn)DE算法的獨(dú)立變槳(DE-IPC)以及統(tǒng)一變槳距(CPC)控制策略在上述環(huán)境下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如圖4～圖7所示。由圖4可知，相較于統(tǒng)一變槳和傳統(tǒng)獨(dú)立變槳策略，采用所提獨(dú)立變槳策略的葉片揮舞彎矩分別減小32.71%和11.97%，如表1所示。

圖4 葉片揮舞彎矩

揮舞彎矩變槳策略統(tǒng)一變槳傳統(tǒng)獨(dú)立變槳改進(jìn)DE算法的獨(dú)立變槳平均值/(kN·m)1180902794標(biāo)準(zhǔn)差/(kN·m)234719931781

圖5 DE-IPC與CPC的槳距角對(duì)比

圖5為所提變槳策略與統(tǒng)一變槳策略情況下各槳葉槳距角的變化曲線，相對(duì)于統(tǒng)一變槳策略，獨(dú)立變槳的各槳葉槳距角各不相同，其波動(dòng)幅度更低。

圖6 DE-IPC與傳統(tǒng)IPC的俯仰彎矩對(duì)比

圖7 輸出功率曲線

由圖6可知，所提策略比傳統(tǒng)獨(dú)立變槳策略對(duì)塔基的俯仰彎矩更小，從而減小了對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的作用力，因而有助于緩解兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的疲勞程度。

由圖7可知，采用獨(dú)立變槳控制策略的輸出功率比統(tǒng)一變槳更穩(wěn)定，而改進(jìn)DE算法的獨(dú)立變槳控制策略能夠進(jìn)一步減小傳統(tǒng)獨(dú)立變槳輸出功率的波動(dòng)，具有穩(wěn)定性更佳的功率輸出能力。

4 結(jié) 論

針對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組工作于額定風(fēng)速以上時(shí)易受氣流擾動(dòng)，形成疲勞載荷，進(jìn)而降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能，且傳統(tǒng)PID獨(dú)立變槳控制策略動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力差的情況，提出了基于改進(jìn)DE算法的獨(dú)立變槳控制策略，并以Matlab和Fast軟件作為平臺(tái)對(duì)2 MW風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，所提策略能夠有效降低機(jī)組在擾動(dòng)情況下的載荷，緩解機(jī)組疲勞程度，并減少機(jī)組轉(zhuǎn)速變動(dòng)幅度，提高輸出功率的穩(wěn)定性。

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Aiming at the load imbalance occurred in the air flow disturbance of megawatt wind turbine generator system at the rated wind speed, an individual pitch control strategy based on the improved differential evolution (DE) algorithm is proposed. It uses the optimization of DE algorithm to narrow the search range of PID parameters and improve dynamic response capability. Through the improved DE algorithm, the local search ability is improved to make the adjustment process have a strong adaptability, thus the optimal control of pitch angle is obtained. Finally, Matlab and Fast software are adopted as the testing platform, and the simulation for 2 MW unit with individual pitch is carried out. The results show that the proposed individual pitch control strategy can effectively reduce the load of the unit under disturbance, relieve the fatigue degree of the unit and extend its life, which is good for maintaining the output power so as to improve the running efficiency.

megawatt wind turbine generator system; individual pitch control; improved DE algorithm; load of wind turbine

自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2016D03021);國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA050604);教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(IRT1285)

TM614

A

1003-6954(2017)03-0031-04

劉 楊(1987)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。

2017-03-21)