程申+高桂革+曾憲文

摘 要：由于風(fēng)速的隨機(jī)性、時變性和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的非線性等特點，根據(jù)對風(fēng)速特性、槳葉空氣動力學(xué)理論的分析，提出了基于前饋補償?shù)莫毩⒆儤嗫刂撇呗?，分別采用方位角和加速度權(quán)系數(shù)分配對各個槳葉單獨進(jìn)行控制，然后根據(jù)前饋補償理論分別對2種控制方法進(jìn)行補償。通過建模仿真和比較2種方法，結(jié)果表明：2種控制策略都能在穩(wěn)定輸出功率的同時降低槳葉的拍打振蕩和不平衡載荷，減輕風(fēng)機(jī)的疲勞載荷。前者簡單易行、成本低，具有很好的工程應(yīng)用價值；后者對風(fēng)速應(yīng)對能力更強(qiáng)，響應(yīng)速度更快。

關(guān)鍵詞：獨立變槳距控制；前饋補償；方位角權(quán)系數(shù)；加速度權(quán)系數(shù)

中圖分類號：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.014

隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，變槳距控制技術(shù)已成為風(fēng)力發(fā)電的一項關(guān)鍵技術(shù)。變槳距控制通常又分為統(tǒng)一變槳距控制和獨立變槳距控制2種方法。獨立變槳距根據(jù)槳葉所受風(fēng)速或受力的不同來調(diào)節(jié)每個槳葉的槳距角，不僅能夠穩(wěn)定風(fēng)機(jī)的輸出功率，還能夠降低槳葉的拍打振蕩，改善風(fēng)輪載荷不均勻情況，降低機(jī)組的疲勞應(yīng)力，延長風(fēng)機(jī)的壽命。

本文分析了風(fēng)速特性、空氣動力學(xué)理論，提出了基于前饋補償理論的獨立變槳距控制方法，通過仿真分析，結(jié)果表明：使用此獨立變槳控制策略不但能夠使風(fēng)機(jī)的輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近，而且能夠降低機(jī)組載荷，減小槳葉振蕩。

1 獨立變槳距控制基本原理

1.1 風(fēng)速特性

風(fēng)切變效應(yīng)是指當(dāng)風(fēng)速穩(wěn)定時，隨著高度的增加風(fēng)速會不斷增大。風(fēng)切變效應(yīng)公式為：

此外，槳葉的軸向氣動力是槳葉產(chǎn)生拍打振蕩的主要原因。

2 基于前饋補償?shù)莫毩⒆儤嗫刂撇呗?/p>

基于槳葉方位角信號和基于槳葉加速度信號是2種基礎(chǔ)的獨立變槳距控制方法。

2.1 基于方位角權(quán)系數(shù)分配的控制策略

基于方位角權(quán)系數(shù)分配的獨立變槳距控制策略是通過方位角傳感器來測量信號的控制方法。在正常工作時，槳葉的所處位置可以根據(jù)方位角θ來確定。權(quán)系數(shù)根據(jù)各槳葉受風(fēng)的大小來分配。原則為：在穩(wěn)定風(fēng)機(jī)輸出功率的前提下得出統(tǒng)一變槳距相對應(yīng)的值，再通過權(quán)系數(shù)對各個槳葉槳距角的變化量進(jìn)行調(diào)整。受風(fēng)越大，所對應(yīng)的權(quán)系數(shù)就越大，而槳距角變化值也越大；反之，則越小。

獨立變槳距槳距角變化量調(diào)整的最大范圍為：

2.2 基于加速度權(quán)系數(shù)分配的控制策略

基于加速度權(quán)系數(shù)分配的獨立變槳距控制策略是利用加速度傳感器測量信號的控制方法，可以直接檢測風(fēng)機(jī)槳葉受力狀況。根據(jù)各槳葉的受力情況分配相應(yīng)的權(quán)系數(shù)，受力越大，分配的權(quán)系數(shù)就越大，槳距角的變化量也就越大；反之，則越小。權(quán)系數(shù)的分配方法和控制思路與基于方位角加速度權(quán)系數(shù)分配的獨立變槳控制策略類似，Ki為各槳葉對應(yīng)的權(quán)系數(shù)，為加速度信號。

2.3 前饋補償控制

前饋補償?shù)睦碚摬坏軌蛞种茢_動所引起的靜態(tài)偏差和動態(tài)偏差，而且能夠被用于隨動系統(tǒng)給定信號之中，前饋補償?shù)哪繕?biāo)是加強(qiáng)系統(tǒng)的跟隨性能。其原理為：在已知外部作用的前提條件下，施加相反于外部作用的控制量，目的是不讓被控制量受到變化，即在控制量與外部作用的共同作用下降低偏差。

按照輸入補償?shù)目刂葡到y(tǒng)如圖1所示。

3 仿真結(jié)果分析

風(fēng)機(jī)模型的參數(shù)使用2 MW風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)來仿真。主要參數(shù)如表1所示。3.1 仿真曲線分析

3.1.1 方位角權(quán)系數(shù)獨立變槳距控制仿真

圖3為在隨機(jī)風(fēng)速下槳距角的變化曲線。由此可知，隨著風(fēng)速的變化，獨立變槳距控制策略根據(jù)所測量槳葉方位角的變化來分配權(quán)系數(shù)，使得槳距角隨著風(fēng)速的不斷變化而變化。

圖4為輸出功率的仿真。相對于統(tǒng)一變槳距控制，獨立變槳距控制輸出功率的幅值變化頻率與幅度更低，曲線更平滑，對于維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率有更好的穩(wěn)定性。

3.1.2 加速度權(quán)系數(shù)獨立變槳距控制仿真

圖5為在隨機(jī)風(fēng)速下槳距角的變化曲線。由圖5可以看出，隨著風(fēng)速的變化，獨立變槳距控制策略根據(jù)所測量各槳葉加速度（受力）的變化來分配權(quán)系數(shù)，使得槳距角隨著風(fēng)速的不斷變化而變化。

圖6為輸出功率曲線。由圖6可知，使用獨立變槳距控制的頻率和幅度更低，響應(yīng)速度也更快，隨著時間的增加，控制器精度不斷提升，表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。

3.2 兩種控制策略比較

通過仿真得出結(jié)果，即2種獨立變槳距控制策略都具有良好的控制性能，在滿足輸出功率穩(wěn)定性的同時實現(xiàn)各槳葉的平穩(wěn)變化，能進(jìn)一步減小槳葉的拍打振蕩，減輕風(fēng)力發(fā)電機(jī)組疲勞載荷。但是，基于前饋補償?shù)募铀俣葯?quán)系數(shù)控制策略對于不斷變化的風(fēng)速應(yīng)對能力更強(qiáng)，相應(yīng)速度更快。

作為權(quán)系數(shù)反饋量的方位角和加速度，其測量都需要用傳感器來實現(xiàn)。通常，風(fēng)機(jī)上都會有測量槳葉方位角的轉(zhuǎn)速傳感器，易于裝配且成本不高；而加速度傳感器要在各個葉片多處安裝來保證其精確測量，致使其成本增大并且安裝較困難。從難度和成本上看，前者更為簡單實用。

從變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)來看，基于方位角的控制策略更加依賴轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，有其固定的調(diào)槳幅度；基于加速度的控制策略由于還會受到湍流效應(yīng)等因素的影響，使其變槳變化范圍與頻率更大，對其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求會更高。

總之，基于前饋補償?shù)募铀俣葯?quán)系數(shù)控制策略的控制性能比基于前饋補償?shù)姆轿唤菣?quán)系數(shù)控制策略會更好一些，對風(fēng)速的應(yīng)對能力相對更強(qiáng)，不過其要求更多、更精確的傳感器來保證精度，對變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求也更高。這樣成本就會很高。所以，在實際工程中2種控制策略的應(yīng)用需要視情況具體分析。

4 結(jié)論

為了實現(xiàn)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的獨立變槳距控制，使用方位角和加速度權(quán)系數(shù)兩種基礎(chǔ)的獨立變槳距控制方法對每個槳葉

槳距角進(jìn)行控制。再根據(jù)前饋補償?shù)目刂圃恚岢龌谇梆佈a償?shù)莫毩⒆儤嗫刂品椒ā?種策略策略都具有更好的控制性能，在滿足輸出功率穩(wěn)定性的同時實現(xiàn)各槳葉的平穩(wěn)變化，能進(jìn)一步減小槳葉的拍打振蕩，減輕風(fēng)力發(fā)電機(jī)組疲勞載荷?；谇梆佈a償?shù)募铀俣葯?quán)系數(shù)控制策略對于不斷變化的風(fēng)速應(yīng)對能力更強(qiáng)，響應(yīng)速度更快；基于前饋補償?shù)姆轿唤菣?quán)系數(shù)控制策略控制方法簡單易行成本低，具有很好的工程應(yīng)用價值。

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〔編輯：劉曉芳〕