獨立槳葉控制系統(tǒng)的空氣動力學分析與建模

獨立槳葉控制系統(tǒng)的空氣動力學分析與建模

0變槳距機構(gòu)及其控制系統(tǒng)的可靠性作為一種無法利用的清潔能源，屋頂能源越來越受到重視。風力機裝機容量出現(xiàn)了大型化的發(fā)展趨勢,而變槳距風力機以其能最大限度地捕獲風能、輸出功率平穩(wěn)等優(yōu)點,日益成為風力機的主流產(chǎn)品。在風力機研制的初期,設(shè)計人員就已經(jīng)考慮到控制槳葉節(jié)距角問題,但由于對風力機組空氣動力學特性和運行工況認識不足,設(shè)計的變距機構(gòu)可靠性遠不能滿足風力機組正常工作的要求,災(zāi)難性的飛車事故不斷發(fā)生,影響了變漿距風力機的發(fā)展。20世紀90年代以后,經(jīng)過多年的實踐研究,設(shè)計人員對風力機組的空氣動力學特性和各種運行工況已有了深刻的了解,變槳距機構(gòu)及其控制系統(tǒng)的可靠性得到提高,變漿距風力機重新受到重視,并得到廣泛應(yīng)用。目前的變槳距控制機構(gòu)通常是通過電液比例控制系統(tǒng)對風力機3個槳葉進行統(tǒng)一控制,即槳葉節(jié)距角變化一致。但由于在整個風輪掃及面上風速并不均勻,由此會產(chǎn)生槳葉扭矩的波動并影響到風力機傳動機構(gòu)的機械應(yīng)力及其疲勞壽命。顯然對3個槳葉進行單獨控制更為合理。因此近年來歐美國家不斷展開獨立槳葉控制技術(shù)的研究,美國國家風能技術(shù)中心(NationalWindtechnologycenter,簡稱NWTC)也將此研究作為當前風電技術(shù)研究的重點之一。我國風電技術(shù)相對落后,目前自行生產(chǎn)的最大風力機僅600kW,對于變槳距控制的研究才剛剛起步,有必要加強這方面的研究開發(fā)工作。1氣動特性分析在風力作用下,風輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機械能,帶動發(fā)電機輸出電能。但實際上風輪不可能捕獲通過風輪掃及面積內(nèi)的全部風能,存在風能利用系數(shù)Cp。Cp=ΡoutΡin=Ρout0.5ρAυ3(1)Cp=PoutPin=Pout0.5ρAυ3(1)式中,Pin——風輪掃及面內(nèi)的全部風能;Pout——風輪吸收的機械能;ρ——空氣密度;A——風輪掃及面積;υ——風輪上游風速。變槳距風力機的風能利用系數(shù)Cp與尖速比λ和槳葉的節(jié)距角β成非線性關(guān)系。尖速比即為槳葉尖部的線速度與風速之比:λ=2πRnυ=ωRυ(2)λ=2πRnυ=ωRυ(2)其中,n——風輪的轉(zhuǎn)速;ω——風輪轉(zhuǎn)動角速度;R——風輪直徑。對于Cp的計算,一般都假設(shè)在風輪掃及面上風速是相同的,因此槳葉節(jié)距角β變化一致。Cp可近似用以下公式表示:Cp=(0.44-0.0167β)sin[π(λ-3)15-0.3β]-0.00184(λ-3)β(3)Cp=(0.44?0.0167β)sin[π(λ?3)15?0.3β]?0.00184(λ?3)β(3)由公式3得變槳距風力機特性曲線(Cp—λ)如圖1所示,從圖中可歸納以下兩點:1)對于某一固定槳距β下,存在唯一的風能利用系數(shù)最大值Cpmax;2)對于任意的尖速比λ,槳葉節(jié)距角β=0°下的風能利用系數(shù)Cp相對最大。槳葉節(jié)距角β增大,風能利用系數(shù)Cp明顯減小。以上兩點為變速恒頻變槳距控制提供了理論依據(jù):在風速低于額定風速時,槳葉節(jié)距角β=0°,通過變速恒頻裝置,風速變化改變發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,使風能利用系數(shù)恒定在Cpmax,捕獲最大風能,而且輸出電能頻率不變;在風速高于額定風速時,調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角從而改變發(fā)電機輸出功率,使輸出功率穩(wěn)定在額定功率。以上空氣動力學分析是假定風速在空間分布上是均勻的,在時間上是變化的。但是由于風力機組的大型化,目前世界風力機單機容量已達到7MW,風輪直徑約150m。在這么大的風輪掃及面上根本沒辦法保證風速處處相等。不考慮外界其它因素,僅高度h對風速就有顯著的影響,一般可以用公式(4)表示:v=vΗ(hΗ)n(4)v=vH(hH)n(4)式中,H——風速傳感器安裝高度;vH——風速傳感器測到的風速;v——高度為h時的風速;n——高度系數(shù)。根據(jù)環(huán)境的不同,n的取值也不同。在仿真中,一般n=1。將風輪掃及面設(shè)定X-Y坐標,設(shè)定槳葉方位角θ以X正半軸逆時針轉(zhuǎn)動方向為正。風速傳感器一般安裝在機艙上,離風輪中心的距離與風輪半徑相比可以近似忽略不計,風速傳感器所測的風速vH便可認為是風輪中心風速vR,H近似等于R。則作用在槳葉上的風速v為:v=vR(R+rsinθ)R)n(5)v=vR(R+rsinθ)R)n(5)風力機槳葉受力一般可以分為升力Fu和阻力Fa。升力與風速方向垂直,阻力與風速方向平行。利用葉素特性,取距離風力機轉(zhuǎn)軸r處長度為dr的葉片微元進行分析。dFu=12ρlv2sin(β+i)Cl[1-εcot(β+i)]dr(6)dFa=12ρlv2Cdcot(β+i)[1+εtan(β+i)]dr(7)dFu=12ρlv2sin(β+i)Cl[1?εcot(β+i)]dr(6)dFa=12ρlv2Cdcot(β+i)[1+εtan(β+i)]dr(7)其中ε=Cd/Cl,升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd的值可按相應(yīng)的攻角查取所選翼型的氣動特性曲線得到;ρ——空氣密度;l——翼型的弦長;i——攻角。氣動扭矩:dΤ=rdFu=12rρlv2sin(β+i)Cl[1-εcot(β+i)]dr(8)dT=rdFu=12rρlv2sin(β+i)Cl[1?εcot(β+i)]dr(8)公式(6)～(8)中υ對應(yīng)是單位葉素dr上的風速。風輪轉(zhuǎn)動時,從公式(4)和(8)可以看出,槳葉中任意一點所受的風力及其產(chǎn)生的力矩變化很大,由此每個槳葉也將產(chǎn)生扭矩的波動并將帶來風力機機械強度以及疲勞壽命等方面的問題,特別是對風輪直徑已經(jīng)上百米的大型風力機而言,這一問題更為突出。而在槳葉節(jié)距角β可調(diào)的條件下,在滿足輸出功率控制要求的同時,通過獨立槳葉調(diào)節(jié),如槳葉在風輪的一個側(cè)面時,槳葉節(jié)距角按一定規(guī)律由大變小,而在另一面時,槳葉節(jié)距角按一定規(guī)律由小變大,可以達到平衡力矩、減小受力波動的目的。2槳葉節(jié)距角的控制圖2為獨立變槳距電機執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。圖中只畫出了一個槳葉控制系統(tǒng),其它兩個槳葉與此完全相同。每個槳葉采用一個帶位移反饋的伺服電機進行單獨調(diào)節(jié)。伺服電機通過主動齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相連,帶動槳葉進行轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)對槳葉的節(jié)距角的直接控制。非接觸式位移傳感器檢測槳葉節(jié)距角變化。電機控制電路安放在電氣板上,便于散熱。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障,控制電源斷電時,電機由UPS供電,60s內(nèi)將槳葉調(diào)節(jié)為順槳位置。在UPS電量耗盡時,繼電器斷路,原來由電磁力吸合的制動齒輪彈出,制動槳葉,保持槳葉處于順槳位置。在風力機正常工作時,繼電器得電,電磁鐵吸合制動齒輪,不起制動作用。3獨立槳葉控制流程從獨立變槳距系統(tǒng)空氣動力學分析可得,風力機并網(wǎng)后機組運行分兩個工況:①風速低于額定風速;②風速高于額定風速?？刂瓶驁D如圖3所示。3.1轉(zhuǎn)速恒頻技術(shù)在風速較低,發(fā)電機輸出功率未達到額定功率時,應(yīng)盡可能將風能轉(zhuǎn)化為輸出的電能。從圖1上看,在槳葉節(jié)距角β=0°時,Cp相對最大(由于槳葉形狀設(shè)計,一般節(jié)距角β=3°時,Cp最大)。當尖速比為λopt時,風能利用率Cp為最大Cpmax。由公式(1)、(2)可得:Ρopt=0.5ρACpmax[Rλopt]ω3=Κω3(9)Κ=0.5ρACpmax[Rλopt]3(10)其中,Popt——最優(yōu)輸出功率,也是控制的目標功率;K——最優(yōu)輸出功率常數(shù)。圖4給出了不同風速下的發(fā)電機功率和最佳功率之間的關(guān)系,其中Popt曲線由公式(11)所得。從圖上可看出A點和B點是功率控制的最佳點,而A′和B′點由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和風速的比不為最佳尖速比,因此不是最佳工作點。但利用變速恒頻技術(shù)根據(jù)風速相應(yīng)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,可以使發(fā)電機工作在最佳功率狀態(tài)。這個不斷追蹤最佳功率曲線的過程,實際上就是要求風能利用率Cp恒定為Cpmax的“恒Cpmax控制過程”。3.2變槳葉控制研究當風速增加使得發(fā)電機的輸出功率也隨之增加,超過額定功率時,由于風力發(fā)電機組的機械和電氣極限要求轉(zhuǎn)速和輸出功率維持在限定值以下(包括限定值)。從圖1可以看出,增大槳葉節(jié)距角,風能的利用率明顯減小,發(fā)電機的輸出功率也相應(yīng)減小。因此當發(fā)電機輸出功率大于額定功率時,通過調(diào)節(jié)槳葉減小發(fā)電機的輸出功率使之維持在額定功率,即獨立槳葉控制與統(tǒng)一槳葉控制的目標一樣,都是在風速高于額定風速時,調(diào)節(jié)風力機組輸出功率維持在額定功率附近。統(tǒng)一槳葉控制一般采用的是PID控制,但由于風力機本身具有很強的非線性,而且作為干擾量的風速是隨機的,因此固定系數(shù)的PID控制很難保證功率的穩(wěn)定輸出,國外很多風電研究機構(gòu)都開始將先進控制算法使用于變槳距控制中。獨立槳葉控制對象是3個獨立的槳葉,同時控制目標是發(fā)電機的輸出功率,但是由于整個運動過程,槳葉都是在空間轉(zhuǎn)動的,對于作用在槳葉上的風速信號是很難采集得到,如何實現(xiàn)對3個槳葉合理的控制,使發(fā)電機輸出穩(wěn)定,同時降低槳葉扭矩波動便成為獨立變槳葉控制研究的重點。由于風力機的3個槳葉在自身幾何結(jié)構(gòu)、重量等各方面都是完全相同,只是因為在風輪掃及面上位置不同,槳葉上所受到的風速不同,產(chǎn)生的作用力也不同,要測量整個風輪掃及面上各個位置的風速是不可能的,但槳葉是圍繞著風輪中心軸轉(zhuǎn)動,通過測量槳葉在風輪掃及面上的方位角θ,便可確定其所處的位置,由此方位角就可以作為確定區(qū)分3個槳葉節(jié)距角動作的一個因素。因此我們提出了利用模糊控制結(jié)合加權(quán)系數(shù)對獨立變槳距系統(tǒng)進行控制。如圖3所示,實際輸出功率與目標功率(額定功率)的誤差值е、誤差變化率Δе作為模糊控制系統(tǒng)的輸入量,風輪中心風速作為干擾量,控制量輸出為3個槳葉統(tǒng)一的節(jié)距角,此控制模式與統(tǒng)一控制方式相同,一方面保證了發(fā)電機輸出功率能穩(wěn)定在額定功率附近,另一方面大大簡化了模糊邏輯法則。根據(jù)模糊控制算法的節(jié)距角,再通過以方位角為主要因素的加權(quán)系數(shù)對3個槳葉的節(jié)距角進行分配,降低每個槳葉扭矩的波動。4仿真結(jié)果與分析建模和仿真的目的主要是研究節(jié)距角變化對風力機輸出功率和傳輸扭矩的影響,因此模型中忽略了齒輪箱等傳動機構(gòu)部分。在控制策略上,先按統(tǒng)一槳葉控制方式建模,然后按一定規(guī)律對每一槳葉節(jié)距角的控制量進行分配,實現(xiàn)獨立槳葉控制。風力機組的動態(tài)方程為:Jdωdt=Τ-Τe(11)式中,J——風輪的轉(zhuǎn)動慣量;ω——風輪轉(zhuǎn)動的角速度;T——風輪獲取的氣動轉(zhuǎn)矩;Te——發(fā)電機的反力矩。Τ=12ρΑRCΤv2(12)其中,CT——轉(zhuǎn)矩系數(shù),CΤ=1λCp。(13)由公式(3)和(13)可知,CT是非線性的,因此對公式(11)進行線性化。線性化的工作點選取在風力機工作的最優(yōu)位置,此時3個節(jié)距角全為3°,簡化了模型。這點是對應(yīng)額定風速時的額定功率點。并取變速發(fā)電機反力矩為恒值。Jdωdt=rΔω+αΔv+δΔβ(14)線性化系數(shù)為:γ=J?ω′?ω|op=12ρΑυ2op?CΤ?ω|op(15)α=J?ω′?v|op=12ρAvop[2CΤ|op-λop?CΤ?λ|op](16)δ=J?ω′?β|op=12ρAv2op?CΤ?β|op(17)依據(jù)以上模型進行模糊控制:將實際輸出功率與目標功率的誤差值е、誤差變化率Δе分為7檔,分別為正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(O)、負小(NS)、負中(NM)、負大(NB)。隸屬函數(shù)采用標準的正態(tài)分布公式進行表示?？紤]到系統(tǒng)控制的主要目標是減小實際輸出功率與目標功率(額定功率)的誤差值е,制定出如下模糊控制規(guī)則。表中表示的是最終控制量。最后采用最大隸屬原則法,將模糊的控制量轉(zhuǎn)化為實際的槳葉節(jié)距角需要的變化值Δβ。根據(jù)模糊控制得到的統(tǒng)一槳葉節(jié)距角變化值Δβ,加入加權(quán)系數(shù)ki(i=1…b),將統(tǒng)一變化轉(zhuǎn)化為每個槳葉獨立變化的槳葉節(jié)距角Δβi,b為槳葉數(shù),仿真中取b=3。{Δβ1=k1ΔβΔβ2=k2ΔβΔβ3=k3Δβ(18)則公式(14)可轉(zhuǎn)化為:Jdωdt=γΔω+αΔv+13δ(Δβ1+Δβ2+Δβ3)(19)由3∑i=1ki=3保證了獨立槳葉控制最終功率輸出與統(tǒng)一控制相似都能穩(wěn)定在額定功率附近。忽略不同型號風力機槳葉的形狀差別,設(shè)定每個槳葉受風的“平均風速”vi就在其中心位置。vi={1+12sin[θ+(i-1)×120°]}×v(20)由于風力機各個槳葉參數(shù)都相同,如果節(jié)距角相同,從公式(8)或(14)可知各槳葉的扭矩與風速的平方成正比,因此ki與中心風速vi有關(guān),即有:ki=3×{1+12sin[θ+(i-1)×120°]}23∑i=1{1+12sin[θ+(i-1)×120°]}2(21)變槳距電機執(zhí)行機構(gòu)建模:˙β=1Τβ(βr-β)(22)式中,Tβ——時間常數(shù);βr——參考節(jié)距角;β——對應(yīng)各個槳葉分別為β1、β2、β3。令ζ=rJ,由公式(19)進行拉氏變換可得:Δω={αJΔv(s)+δJ[Δβ1(s)+Δβ2(s)+Δβ2(s)]}×1s-ζ(23)再通過公式(8)和公式(1)便可算出此時的發(fā)電機功率輸出(忽略傳動過程中的機械損失)。模型參數(shù)采用NORDEX公司N80/2500kW風力機參數(shù)進行仿真,葉輪半徑R=40m,轉(zhuǎn)動慣量J=8×107kgm2,額定風速15m/s,切入風速4m/s,極限風速25m/s,電機額定輸出功率2500kW等等。風力機風速傳感器采集的信號如圖5所示,整個葉輪掃及面上的風速依據(jù)公式(5)分布。為比較“獨立槳葉控制”與“統(tǒng)一槳葉控制”的效果,我們按照圖3連接模型進行了帶加權(quán)系數(shù)的獨立槳葉閉環(huán)模糊控制;同時當將3個槳葉的節(jié)距角β1、β2、β3獨立變化改為β統(tǒng)一變化,也就是不通過加權(quán)系數(shù)分配,該系統(tǒng)就