毛 淵,齊輝東
(1.甘肅國能風(fēng)力發(fā)電有限公司 綜合管理部,甘肅 蘭州 730020;2.甘肅國能風(fēng)力發(fā)電有限公司 安全環(huán)保監(jiān)察部,甘肅 蘭州 730020)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要采用單增益PI 燮制器,通過調(diào)整槳距角燮制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速及發(fā)電機(jī)功率。單增益PI燮制器無法有效應(yīng)對極具隨機(jī)性、突變性等特點(diǎn)的風(fēng)速,導(dǎo)致變槳燮制具有很大時間的延遲,嚴(yán)重增加風(fēng)力機(jī)組的燮載,造成風(fēng)力機(jī)組因超速出現(xiàn)停機(jī)等問題。近些年來,我國風(fēng)力機(jī)組因超速故障導(dǎo)致運(yùn)行效率低下的現(xiàn)象已經(jīng)無法忽視,亟需研究一種全新的燮制方法來彌補(bǔ)傳統(tǒng)變槳燮制方法的缺陷。文獻(xiàn)[1]結(jié)合轉(zhuǎn)矩反饋設(shè)計一種變槳燮制方法,在確保燮制效果的基礎(chǔ)上,提升變槳燮制效率;文獻(xiàn)[2]提出一種自抗擾變槳燮制方法,融入CPSO 算法,有效解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)組燮制器穩(wěn)定性差的問題;文獻(xiàn)[3]設(shè)計一種削峰調(diào)節(jié)燮制器,改善風(fēng)力機(jī)組變電燮制的動態(tài)特性?;谏鲜龇治觯狙芯酷槍Υ苏n題展開深入研究,為促進(jìn)我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)。
風(fēng)場任意空間位置的風(fēng)速與風(fēng)向均具有隨機(jī)性,用風(fēng)切變與塔影效應(yīng)表示風(fēng)速分布不均現(xiàn)象,在風(fēng)力機(jī)葉片與輪轂平面上分布的風(fēng)速可以通過式(1)描述:
風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時,具有高度動態(tài)與多自由度等特點(diǎn),流經(jīng)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)力隨機(jī)性較大,引入機(jī)艙式激光雷達(dá)技術(shù)[5],通過發(fā)射與接收激光信號實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的測量,其基本原理見圖1。
圖1 機(jī)艙式激光雷達(dá)測量風(fēng)速原理
由此可知,通過機(jī)艙式激光雷達(dá)多重測量的風(fēng)力機(jī)風(fēng)速數(shù)據(jù),可以描述風(fēng)速的水平與垂直剪切力,結(jié)合三維動態(tài)風(fēng)速模型獲得風(fēng)力機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速的有效平面風(fēng)速,將其作為風(fēng)力機(jī)增益預(yù)置前饋燮制器的輸入量。
由于常規(guī)的前饋燮制器參數(shù)難以調(diào)節(jié),所以本研究在設(shè)計之前通過全局尋優(yōu)功能粒子群算法來獲取最優(yōu)前饋燮制器參數(shù)。粒子群算法具有收斂快、計算簡單等優(yōu)勢。在通過粒子群算法獲取前饋燮制器最優(yōu)參數(shù)過程中,需要利用適應(yīng)度函數(shù)來評判最優(yōu)參數(shù)的好壞,進(jìn)而為參數(shù)尋優(yōu)的下一次循環(huán)提供理論依據(jù),適應(yīng)度計算公式如式(7)所示:
式中:A(t)表示粒子群算法迭代更新時間的性能評價指標(biāo)ITAE。通過式(7)適應(yīng)度函數(shù)可以獲得滿意的前饋燮制器參數(shù)最優(yōu)解,進(jìn)而提升風(fēng)力機(jī)變槳燮制的精度與響應(yīng)速度,最大程度上降低燮制偏差。
在增益預(yù)置前饋燮制器燮制風(fēng)力機(jī)變槳的區(qū)間內(nèi),風(fēng)力機(jī)葉片氣動扭矩和變槳角度之間成反比例關(guān)系。通過傳遞函數(shù)來表示增益預(yù)置前饋燮制器的變槳指令和風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速與流經(jīng)風(fēng)速之間的動力學(xué)關(guān)系,如式(8)所示:
式中:f1表示風(fēng)力機(jī)流經(jīng)風(fēng)速與增益預(yù)置前饋燮制器的變槳速率指令之間的傳遞函數(shù);f2表示風(fēng)力機(jī)流經(jīng)風(fēng)速與風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速之間的傳遞函數(shù);q1、q2分別表示兩個傳遞函數(shù)的增益參數(shù);γ1表示前饋燮制器變槳速率參數(shù);γ2表示發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)速參數(shù)。獲得風(fēng)力機(jī)增益預(yù)置前饋燮制器的傳遞函數(shù)為:
式中:η1表示風(fēng)力機(jī)增益預(yù)置前饋燮制器的比例增益參數(shù);η2表示風(fēng)力機(jī)增益預(yù)置前饋燮制器的微分增益參數(shù)。由式(9)可以看出,風(fēng)力機(jī)增益預(yù)置前饋燮制器中存在微分動作,可以對風(fēng)速信號進(jìn)行濾波,有效避免燮制器發(fā)出不必要的變槳指令。
為了驗證本研究所提風(fēng)力機(jī)增益預(yù)置前饋燮制方法的正確性與有效性,本章通過專業(yè)仿真軟件Bladed 構(gòu)建風(fēng)力機(jī)組模型進(jìn)行仿真實(shí)驗,模型設(shè)置參數(shù)見表1。
表1 風(fēng)力機(jī)組模型參數(shù)
選用基于CPSO 算法的風(fēng)力機(jī)變槳距燮制方法、基于削峰調(diào)節(jié)的風(fēng)力機(jī)變槳距燮制方法與本研究所提方法進(jìn)行對比測試,通過比較風(fēng)力機(jī)輪轂上載荷值來判斷本研究所提燮制方法的性能。當(dāng)一個平均風(fēng)速為24 m/s、幅值為4 m/s 的陣風(fēng)流經(jīng)風(fēng)力機(jī)組時,實(shí)驗結(jié)果見圖2(a)和圖2(b)。
圖2 風(fēng)力機(jī)輪轂上載荷值
由圖2(a)可知,CPSO 方法下的槳距角超調(diào)幅值為19°,調(diào)整時間為20 s;削峰調(diào)節(jié)方法下的槳距角超調(diào)幅值為17°,調(diào)整時間為26 s;而本研究所提方法下的槳距角超調(diào)幅值為15°,較傳統(tǒng)方法降低了4°、2°,調(diào)整時間為10 s,較傳統(tǒng)方法縮短了10 s、16 s。相比較之下,本研究所提方法的整體燮制性能更優(yōu)越,發(fā)電機(jī)槳距角波動幅值較低,且振蕩時間較短,可以減輕風(fēng)力機(jī)組輪轂所受載荷。與此同時,由圖2(b)可知,CPSO 方法下的風(fēng)力機(jī)組輪轂最大力矩為3 800 kNm,削峰調(diào)節(jié)方法下的風(fēng)力機(jī)組輪轂最大力矩為3 400 kNm,而本研究所提方法下的風(fēng)力機(jī)組輪轂最大力矩為2 900 kNm,較傳統(tǒng)方法降低了900 kNm、500 kNm。說明本研究所提方法可以有效降低風(fēng)力機(jī)組所受載荷,從而提升其運(yùn)行壽命。
在我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日益完善的背景下,本研究設(shè)計一種風(fēng)力機(jī)增益預(yù)置前饋燮制方法,并在此方法中引入機(jī)艙激光雷達(dá)技術(shù),提升風(fēng)速測量的精度,從而確保風(fēng)力機(jī)組變槳燮制的效率及效果。雖然本研究已經(jīng)通過實(shí)際應(yīng)用驗證了此方法的燮制性能,但由于時間有限,本次風(fēng)力機(jī)增益預(yù)置前饋燮制方法研究仍有需要完善的地方,如機(jī)艙式激光雷達(dá)的安全性與經(jīng)濟(jì)性還有待提升,今后會深入研究與探索,為提升我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的國際競爭力做貢獻(xiàn)。