王湘明， 楊景帥， 李 南(沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110870)

風(fēng)電機(jī)組氣動載荷控制策略*

王湘明， 楊景帥， 李 南
(沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110870)

針對風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)切效應(yīng)影響下，較大尺寸的槳葉會加劇風(fēng)輪所承受的不平衡氣動載荷問題，提出了基于改進(jìn)離散模糊控制的同步變槳距和基于槳葉方位角權(quán)系數(shù)分配的獨(dú)立變槳距聯(lián)合控制策略.通過主動變槳距控制來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的穩(wěn)定，同時降低風(fēng)輪所承受的軸向氣動載荷.仿真結(jié)果表明，此聯(lián)合控制策略在風(fēng)電機(jī)組的額定工作區(qū)間，不僅可以使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近，而且還可以有效地抑制其軸向氣動載荷，也直接證明了所提出的控制策略的有效性.

風(fēng)電機(jī)組； 槳葉； 風(fēng)切效應(yīng)； 改進(jìn)模糊控制； 同步變槳距控制； 權(quán)系數(shù)； 獨(dú)立變槳距控制； 軸向氣動載荷

能源是推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)步的源動力，而化石燃料的大量使用導(dǎo)致了環(huán)境的嚴(yán)重污染，因此優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)已刻不容緩，而風(fēng)能作為可再生的清潔資源是解決問題的有效方案之一.隨著國家的大力提倡，我國的風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)在近年來得到了高速發(fā)展，但是伴隨而來的是越來越多的技術(shù)難題亟需解決，對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究迫在眉睫.

目前應(yīng)用較為廣泛的是水平軸風(fēng)電機(jī)組，由于風(fēng)切效應(yīng)因素的影響，承受了嚴(yán)重的不平衡氣動載荷.風(fēng)機(jī)容量越大，風(fēng)輪直徑也越大，風(fēng)電機(jī)組所承受的不平衡氣動載荷也越嚴(yán)重，而這些不平衡載荷會直接影響到機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，給風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)轉(zhuǎn)帶來了隱患.

從同步變槳距發(fā)展而來的獨(dú)立變槳距控制技術(shù)，在穩(wěn)定風(fēng)機(jī)輸出功率和減小風(fēng)機(jī)載荷方面具備明顯的優(yōu)勢.文獻(xiàn)[1]著眼于緩解風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于風(fēng)速擾動所造成的疲勞載荷，確立了一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滑模獨(dú)立變槳距策略；文獻(xiàn)[2]對基于線性二次型調(diào)節(jié)與干擾自適應(yīng)控制技術(shù)的獨(dú)立變槳距進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[3]在穩(wěn)定額定風(fēng)速的基礎(chǔ)上，提出了一種基于槳葉方位角信號的獨(dú)立變槳距控制策略.

本文以減小風(fēng)電機(jī)組的軸向氣動載荷為目標(biāo)，建立風(fēng)電機(jī)組模型，設(shè)計(jì)載荷計(jì)算程序，針對風(fēng)電機(jī)組在額定風(fēng)速以上工作的特點(diǎn)，提出了一種基于改進(jìn)(變槳距角參考值)離散模糊控制的同步變槳距和基于槳葉方位角權(quán)系數(shù)分配的獨(dú)立變槳距聯(lián)合控制方法.

1 風(fēng)電機(jī)組的建模與槳葉載荷分析

1.1 風(fēng)輪系統(tǒng)模型

當(dāng)風(fēng)以速度v沿風(fēng)輪軸向通過時，風(fēng)輪獲取的機(jī)械功率和氣動轉(zhuǎn)矩[4-5]分別為

Pr=0.5CP(λ，β)ρπR2v3

(1)

(2)

式中：ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪半徑；CP(λ，β)為風(fēng)能利用系數(shù)，是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)[4]，計(jì)算公式為

0.001 84(λ-3)β

(3)

1.2 傳動系統(tǒng)模型

根據(jù)動力學(xué)原理，非直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組靠近風(fēng)輪側(cè)低速軸的動力方程[6]為

(4)

式中：Jr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量；ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；Tm為高速軸轉(zhuǎn)矩；n為齒輪箱增速比.

忽略自身機(jī)械阻力，發(fā)電機(jī)側(cè)高速軸力矩Tm[6]滿足

(5)

式中：Jg、Te分別為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量和電磁轉(zhuǎn)矩；ωg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，且ωg=nω.

聯(lián)合式(4)、(5)，機(jī)組傳動系統(tǒng)方程為

(6)

1.3 槳葉載荷分析

空氣動力載荷的計(jì)算主要是依托葉素動量理論，通過把槳葉沿徑向劃分為無限個葉素來進(jìn)行逐個計(jì)算，然后通過數(shù)學(xué)公式將其積分得到整個槳葉的氣動載荷[7].葉素的受力分析如圖1所示.

圖1 葉素受力分析Fig.1 Force analysis for blade element

圖1中，風(fēng)輪是依靠氣動力dF來帶動槳葉繞中心軸轉(zhuǎn)動.氣動力dF按垂直和平行于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面可以分解為軸向力dFu和切向力dFn，軸向力dFu主要導(dǎo)致槳葉的拍打，切向力dFn產(chǎn)生風(fēng)輪對旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩.風(fēng)機(jī)槳葉的葉素微元所受到的軸向力和切向力分別為

dFu= dLcosφ+dDsinφ=

0.5ρcW2(Clcosφ+Cdsinφ)dR

(7)

dFn= dLsinφ-dDcosφ=

0.5ρcW2(Clsinφ-Cdcosφ)dR

(8)

式中：Cl、Cd分別為升力系數(shù)和阻力系數(shù)；L、D分別為升力和阻力；φ為入流角；c為弦長；W為合成風(fēng)速.

2 風(fēng)電機(jī)組聯(lián)合控制策略

獨(dú)立變槳距技術(shù)是對各個槳葉進(jìn)行獨(dú)立控制，使其在不同的位置對應(yīng)不同的槳距角，實(shí)現(xiàn)槳葉氣動載荷的不平衡性抑制，同時也可以保證風(fēng)電機(jī)組的輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近.

2.1 改進(jìn)離散模糊控制器設(shè)計(jì)

改進(jìn)離散模糊控制器是在離散模糊控制的基礎(chǔ)上增加槳距角基準(zhǔn)參考值規(guī)則表，使槳葉可以根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速快速地調(diào)整到合適的槳距角，整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示.

為了對槳距角進(jìn)行實(shí)時控制，防止其在風(fēng)速的小波動范圍內(nèi)頻繁變動，采用離散論域的模糊控制器.模糊控制器的模糊子集為NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB，控制規(guī)則如表1所示.由于輸入量化后個數(shù)有限，所以能夠通過窮舉來得到輸入輸出表，之后可以在實(shí)時控制過程中通過查詢此表來完成，并且只有很小的在線運(yùn)算量[8].

圖2基于改進(jìn)離散模糊控制的風(fēng)電機(jī)組同步變槳距設(shè)計(jì)框圖

Fig.2Designdiagramofsynchronousvariablepitchbasedonmodifieddiscretefuzzycontrolforwindturbine

表1 離散模糊控制規(guī)則Tab.1 Discrete fuzzy control rule

離散模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.其中控制器輸入為機(jī)組功率誤差e(范圍為[-300 kW，300 kW])和其微分ec(范圍為[-400 kW/s，400 kW/s])，輸出量為槳距角變化值(范圍為[-30°，30°])；K1、K2和K3是尺度變換的比例因子，設(shè)計(jì)參數(shù)分別為1/50、3/200、5.

圖3 離散模糊控制框圖Fig.3 Block diagram of discrete fuzzy control

槳距角基準(zhǔn)參考值規(guī)則如表2所示，是由處于額定風(fēng)速和切出風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)速與同步槳距角關(guān)系表組成，可以通過離散模糊控制器設(shè)計(jì)給出.

2.2 獨(dú)立變槳控制器設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，風(fēng)切效應(yīng)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組受到不平衡氣動載荷.本文引入基于槳葉方位角權(quán)系數(shù)分配的獨(dú)立變槳距控制器，根據(jù)槳葉的方位角和風(fēng)切效應(yīng)來預(yù)測當(dāng)前位置的風(fēng)速，調(diào)整各槳葉的槳距角，從而達(dá)到減小槳葉所受的軸向氣動載荷的目的.

表2 槳距角基準(zhǔn)參考值規(guī)則Tab.2 Datum reference value rule of pitch angle

風(fēng)電機(jī)組的獨(dú)立變槳距控制框圖如圖4所示.θ1、θ2和θ3分別為3個槳葉的方位角，改進(jìn)離散模糊控制器給出同步槳距角β，然后再由權(quán)系數(shù)分配器給出槳葉對應(yīng)權(quán)系數(shù)ki(i=1，2，3)，可得每個槳葉的槳距角βi(i=1，2，3)，從而完成獨(dú)立變槳距控制，槳葉槳距角分配規(guī)則[9-10]為

βi=kiβ(i=1，2，3)

(9)

圖4 風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳距控制框圖Fig.4 Control diagram of individual variablepitch for wind turbine

選擇槳葉與塔架垂直且向右時方位角為0°，逆時針為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)正方向，設(shè)基準(zhǔn)槳葉方位角為θ，則沿正方向槳葉方位角依次為θ+120°和θ+240°.

由于風(fēng)切效應(yīng)的影響，設(shè)定槳葉處的平均風(fēng)速為其中心處的風(fēng)速，則有

(10)

式中：H0為輪轂中心高度；v0為H0處的風(fēng)速；m為風(fēng)切變指數(shù).

由于葉素所受的軸向氣動力Fu與合成風(fēng)速W的平方成正比，所以槳葉的權(quán)系數(shù)為

(11)

3 仿真分析

本文選擇國內(nèi)某1.5 MW風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)輪直徑為70.5 m，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量為6 208 971 kg·m2，傳動系統(tǒng)變速比為90.11，發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量為60 kg·m2，機(jī)組額定風(fēng)速為12.5 m/s，切出風(fēng)速為25 m/s.

工況是額定風(fēng)速以上，切出風(fēng)速以下，前20 s風(fēng)速在15 m/s附近波動，后20 s風(fēng)速在23 m/s左右波動，風(fēng)速仿真曲線如圖5所示.

同步變槳距和獨(dú)立變槳距控制下的各槳葉槳距角的變化曲線如圖6所示.由圖6可以看出，同步變槳距控制下機(jī)組的槳距角隨著風(fēng)速的波動而變化，獨(dú)立變槳距控制下機(jī)組槳葉槳距角在同步槳距角附近變動.

圖5 風(fēng)速仿真Fig.5 Wind speed simulation

圖6 同步變槳距和獨(dú)立變槳距控制下的槳距角變化曲線Fig.6 Pitch angle variable curves of synchronous pitch and individual variable pitch

風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳距控制下的輸出功率曲線如圖7所示，可以看出機(jī)組的輸出功率穩(wěn)定在風(fēng)電機(jī)組的額定功率1.5 MW附近.

圖7 風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳距控制下的輸出功率Fig.7 Output power of wind turbine under controlof individual variable pitch

同步變槳距和獨(dú)立變槳距控制下的風(fēng)電機(jī)組軸向氣動載荷對比曲線如圖8所示.20 s后獨(dú)立變槳距控制比同步變槳距控制下載荷波動更穩(wěn)定.

相對于文獻(xiàn)[1-3]提及的算法，此聯(lián)合控制策略側(cè)重于穩(wěn)定風(fēng)電機(jī)組的功率輸出，同時在降低額定風(fēng)速臨近段以及穩(wěn)定切出風(fēng)速臨近段軸向氣動載荷方面具有一定的優(yōu)勢.

4 結(jié) 論

通過對風(fēng)電機(jī)組工作狀況的分析，針對額定風(fēng)速以上運(yùn)行工況，穩(wěn)定輸出功率的問題，提出了基于改進(jìn)離散模糊控制的同步變槳距控制策略.針對風(fēng)切效應(yīng)導(dǎo)致的風(fēng)輪承受不平衡氣動載荷的問題，提出了基于槳葉方位角權(quán)系數(shù)分配的獨(dú)立變槳距控制策略.仿真結(jié)果表明，此聯(lián)合控制策略可以保證風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，同時能夠有效降低風(fēng)電機(jī)組的軸向氣動載荷.但本文在針對風(fēng)電機(jī)組的載荷控制中，只考慮了機(jī)組軸向氣動載荷，而沒有考慮其他類型載荷，在后續(xù)研究中需要加以探索.

圖8 風(fēng)電機(jī)組槳葉的軸向氣動載荷對比曲線Fig.8 Comparison curves in axial aerodynamic load for blade of wind turbine

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Controlstrategyofaerodynamicloadforwindturbine

WANG Xiang-ming, YANG Jing-shuai, LI Nan
(School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Aiming at the problem that under the influence of wind shear effect, the blade with a large size will aggravate the imbalanced aerodynamic load suffered by the wind rotor, a combined control strategy of both synchronous variable pitch based on modified discrete fuzzy control and individual variable pitch based on blade azimuth angle weight coefficient assignment was proposed. The stability of wind turbine output power was realized with the active variable pitch control, and meanwhile the axial aerodynamic load suffered by the wind rotor reduced. The simulation results show that when the wind turbine runs at the rated working range, the combined control strategy can not only stabilize the fluctuation of output power near the rated power of wind turbine, but also effectively suppress its axial aerodynamic load. Therefore, the effectiveness of the proposed control strategy is directly proved.

wind turbine; blade; wind shear effect; modified fuzzy control; synchronous variable pitch control; weight coefficient; individual variable pitch control; axial aerodynamic load

2016-12-23.

科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(13C26212101002).

王湘明(1963-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，副教授，碩士，主要從事風(fēng)力發(fā)電、自控技術(shù)等方面的研究.

* 本文已于2017-10-25 21∶13在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20171025.2113.058.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.06.04

TM 614

A

1000-1646(2017)06-0617-05

(責(zé)任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)