风电机组独立变桨控制策略研究论文_张振莹

摘要：为应对能源危机和气候变化带来的巨大挑战，我国大力发展可再生能源。风能具有低廉的开发成本，对环境无污染，取之不尽用之不竭，正引领全社会对可再生能源进行开采利用，成为目前最具规模和应用价值的可再生新能源之一。控制技术是风力发电的关键，而独立变桨距在减小机组疲劳应力和提高电能质量上效果显著，风力机简化模型的分析，推导出风力机的运动方程和输出方程；通过坐标变换将塔架前后运动方程和载荷输出方程所代表的线性时变系统解耦为线性时不变系统，独立控制环的独立变桨控制策略；利用“GH Bladed”软件对独立变桨控制策略进行仿真试验研究，仿真试验结果表明，采用独立变桨控制技术不但能实现转速控制功能，还能有效减小叶片根部挥舞力矩、偏航力矩的波动，从而有效降低变桨轴承、偏航轴承、塔架上的疲劳载荷。

关键词：风电机组；独立变桨；控制

随着风电机组的单机容量、塔筒高度以及风轮直径的日益增大，由于存在风切变及湍流等因素的影响，机组所承受的俯仰弯矩、偏航弯矩大大增加，因此，为减小机组载荷而进行的独立变桨控制技术研究已成为风电领域的关键技术。独立变桨控制是在统一变桨控制的基础上发展起来的，独立变桨系统与统一变桨系统都在每个叶片配备一套独立的驱动系统，统一变桨系统在机组正常工作过程中每个叶片的桨距角都完全一致，而独立变桨系统可根据每个叶片不同的运行情况分别独立给予一定角度的调整，这样就可以有效地解决统一变桨中水平轴风机由于风切变及湍流等因素引起的叶片和塔筒等部件的载荷不平衡问题，大大减小机组载荷，同时增加机组的运行稳定性。

一、慨述

随着风电市场的火爆，风电机组单机容量及风轮直径不断增大，通过减小风电机组各关键部件的载荷，减轻这些关键部件的重量，提高设备可靠性和延长使用寿命，这是降低风电机组成本的有效途径。风湍流、风剪切、塔影效应、偏航偏差等因素会对大型风电机组的叶轮产生不均衡载荷，且风轮直径越大，整个风轮面受力的不均衡度就越强，叶轮上不均衡载荷也就越明显。叶轮上的不均衡载荷会给变桨轴承、轮毂、主轴、偏航轴承、塔架等风电机组关键部件造成很大疲劳载荷。通过变桨控制，控制叶轮转速，以控制发电机输出功率。但现代大型风力发电机组几乎都采用独立驱动的协同变桨控制技术，也就是三套独立的变桨执行机构得到的是同样的位置指令信号，这样的变桨控制不能减小叶轮上的不均衡载荷，独立变桨控制技术在实现控制叶轮转速的基础上还能有效减小叶轮上的不均衡载荷。通过对风力机简化模型分析设计出独立变桨控制方案，仿真试验结果表明该独立变桨控制方案是有效合理的。

二、风力机简化模型

独立变桨控制既要实现转速控制，又要实现载荷控制减小叶轮上不均衡载荷，因此需对风力机运动工况和载荷工况进行分析。模型如图所示：

1、叶轮模型线性化处理。忽略尾流效应和不稳定的空气动力学特性，假定轮毂半径为零，第i片桨叶根部上挥舞方向(flapwise)的力和力矩、摆振方向(1eadwise)的力和力矩与叶片挥舞方向的相对有效风速uni及节距角Bj的关系式为：

2、运动方程。考虑系统的柔度，将主轴、齿轮箱传动系统的各部分惯量折算到叶轮上，且将主轴、齿箱传动的柔度等效到齿箱输出轴上，因此风电机组传动链的运动方程为：

3、坐标变换。由公式可知，塔架前后运动方程和载荷输出方程是关于叶轮方位角的线性时变方程，可参照电机学矢量控制中常用的坐标变换，将塔架前后运行方程和载荷输出方程变换为关于叶轮方位角的线性时不变方程。文章选用坐标变换，其物理意义是实现叶轮旋转坐标系与轮毂固定坐标系之间的变量变换。所采用坐标变换矩阵和逆矩阵分别为：

4、独立变桨控制设计。独立变桨控制需要实现两个功能：一是控制叶轮转速，实现发电机输出功率控制，即实现传统协同变桨控制功能；二是减小叶轮的不均衡载荷，即减小轮毂上的倾翻力矩和偏航力矩。根据公式可知，本控制器实际选用输出变量为叶轮转速、叶片根部挥舞力矩Hui，实际选用输入变量为叶片节距角Bj，而Hui和Bj是叶轮旋转坐标系上的变量。因此设计载倚控制器时，需要用卡尔曼坐标变换，将叶轮旋转坐标系输出变量变换到轮毂固定坐标系上，作为控制器的输入；控制器的输出变量，经坐标变换，变换回到叶轮旋转坐标系上，作为变桨执行机构的输入。根据公式设计出独立变桨控制器的控制环，一个控制环控制叶轮转速，一个控制环用于减小轮毂上的倾翻力矩，还有一个控制环用于减小轮毂上的偏航力矩。以控制环是独立设计的，忽略了控制环之间的耦合。由公式分析可知，偏航力矩控制环已经完全被解耦，与倾翻力矩控制环和转速控制环之间没有耦合。而倾翻力距控制环与转速控制环之间存在塔架前后运动速度气的耦合，因此设计倾翻力距控制器时需要考虑对转速控制环的影响。

三、独立变桨控制

通过分析风电机组坐标系和机组叶片受力分析，叶片载荷分为摆振载荷和挥舞载荷。相对于以上的统一变桨技术而言，独立变桨技术通过独立调节叶片桨距角，相应叶片的摆振载荷和挥舞载荷也会改变，因此叶片的面内\面外弯矩发生变化，机组有效力矩主要由面内转矩形成,面外弯矩产生机组的俯仰和偏航方向力矩，通过微调桨距角，降低俯仰和偏航方向力矩中的部分频谱，最终达到消除或补偿由于叶片所受风速等因素不同带来的机组振动、疲劳、动力稳定性等影响。独立变桨距控制对每个叶片都有一套独立的变桨距伺服驱动系统，并对每个叶片的桨距角进行单独控制。可以有效解决统一变桨中水平轴风机由于风切变以及湍流等因素引起的叶片和塔架等部件的载荷在时间和空间上的不均匀问题，从而减少叶片疲劳损害的可能性，并保证机组稳定的输出功率。当机组处于高风速时，以变桨控制为主，通过调节桨距角的大小，改变叶片的气动性能和负载载荷，将发电机的输出功率稳定在额定功率上下。独立变桨的目标是为了有效减小大型风力发电机组的动态载荷，增加机组的稳定性，减小机组故障率，提高机组传动系统、塔筒和叶片等关键零部件的耐疲劳寿命。

真模型及结果。利用风机仿真软件“GH bladed”对独立变桨控制策略进行仿真试验，风机模型选用一款2MW机型，其风轮直径为80m，切人风速为4m／s，切出风速为25m／s，额定风速为12m／s，叶轮额定转速为18r／rain。根据建立湍流风模型。

仿真选用的风速曲线如图所示，其平均风速为16m／s，湍流强度为0．1771，风剪切系数为0.2。从图中可看出，独立变桨控制输出的节距角是协同变桨控制输出的节距角叠加载荷控制环输出的节距角。因此，独立变桨控制增加了变桨执行机构的动作频率。

结束语：

通过建立风轮简化模型和分析风力机的运动工况和载荷工况，通过坐标变换将塔架前后运动方程和载荷输出方程所代表的线性时变系统变换为线性时不变系统，提出了独立变桨控制策略，并用Bladed软件进行了仿真研究。仿真结果表明，采用独立变桨控制技术不仅能实现转速控制功能，还能有效降低变桨轴承、主轴、轮毂、偏航轴承、塔架的疲劳载荷，提高设备可靠性和延长设备使用寿命。

参考文献：

［1］刘晓光，钟天宇． 风电机组有功功率集散优化控制系统研究 ［J］． 发电技术，2018，39( 6) 09．

［2］王亚明、． 基于 LQG 的独立变桨控制技术对风电机组气动载荷影响研究 ［J］． 中国电机工程学报，2017，36 ( 22) ．

论文作者:张振莹

论文发表刊物:《科学与技术》2019年20期

论文发表时间:2020/4/17

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