變槳距風力機槳葉控制的非線性分析

變槳距風力機槳葉控制的非線性分析

0槳葉的控制原理目前，可變距離已成為主要的風動機行業(yè)中對大型風動機槳葉的控制。這種風力機可根據(jù)隨機風速的變化對槳葉節(jié)距角進行調(diào)整,使得在一定的風速范圍內(nèi)最大地利用風能。變槳距控制有統(tǒng)一變槳距和獨立變槳距兩種形式。統(tǒng)一變槳距系統(tǒng)通過執(zhí)行機構對風力機的三個槳葉實同步調(diào)節(jié)控制。隨著風電機組裝機容量、塔架高度及風輪半徑的增大,其缺點也暴露出來。首先統(tǒng)一變槳距調(diào)節(jié)的前提條件是風輪掃平面內(nèi)的風速是相同的,當然這在實際中是不可能的,當兆瓦級的發(fā)電機組運行在額定風速時,風輪掃及面的最高端與最低端風速的不同使得吸收功率相差20%,這使得統(tǒng)一變槳距沒有優(yōu)勢。其次由于各個槳葉上承受的風速不同,使得槳葉在旋轉過程中,槳葉所承受的載荷也不相同,而統(tǒng)一變槳距顯然不能對上述問題進行很好的調(diào)節(jié)。獨立變槳距控制技術是在統(tǒng)一變槳距控制的基礎上發(fā)展起來的,且它的每個槳葉都有一套獨立的變距伺服驅動系統(tǒng)。顯然,獨立變槳距控制能夠解決上述缺點所引起的問題。1風機節(jié)距角的影響風機實現(xiàn)風能到機械能的轉換。根據(jù)貝茲理論,風機捕獲的機械功率:P=0.5CpπR2ρv3(1)其中:ρ為空氣密度;Cp為風能捕獲系數(shù);R為葉片半徑;v為風速。根據(jù)式(1)可知,調(diào)節(jié)Cp可以調(diào)節(jié)捕獲的風能,Cp為葉尖速比λ與槳矩角β的函數(shù),可以用如下非線性函數(shù)模擬:Cp=(0.44?0.0167β)sinπ(λ?3)15?0.3β?0.00184(λ?3)β(2)式中:λ=ωRv?ω為風機的轉速。由式(2)得到變槳距風力機特性曲線,如圖1所示,從圖中可歸納出以下兩點。(1)對某一固定的節(jié)距角β下,最大風能利用系數(shù)Cpmax具有唯一性。(2)對任意葉尖速比λ,當槳葉的節(jié)距角β=0時,風能利用系數(shù)Cp相對最大;當節(jié)距角β增大時,風能利用系數(shù)Cp相對減小。當風速大于額定風速時,發(fā)電機的輸出功率也會相應增大,如果不對系統(tǒng)進行控制,這對于系統(tǒng)來說是不利的。根據(jù)圖1,適當增加節(jié)距角可以使風能利用系數(shù)減小,發(fā)電機的輸出功率也相應減小。因此當發(fā)電機的輸出功率大于額定值時,可以通過調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角來減小發(fā)電機的輸出功率并使之維持在額定值。獨立變槳距可以充分利用風速在各個槳葉上分布的不同,對各槳葉的節(jié)距角進行有效地調(diào)節(jié),在保證輸出功率穩(wěn)定的情況下降低了作用在槳葉上的載荷,減輕輸出力矩的波動,減小槳葉拍打振動,提高了風力機的工作效率。2風電系統(tǒng)的研究技術研究如上所述,獨立變槳距控制技術的出現(xiàn),為降低風機動態(tài)載荷等目標提供了更先進的解決方案。目前國外的研究主要集中在如何進一步減小系統(tǒng)載荷包括風電系統(tǒng)旋轉部分和非旋轉部分的載荷;國內(nèi)主要側重智能控制理論應用在對風電系統(tǒng)的研究控制方面。下面對目前兩類獨立變槳距控制策略進行概述。2.1槳葉控制方案設計通常情況下,獨立變槳距控制基于兩個分離的SISO環(huán),以實現(xiàn)降低轉子的傾斜力矩和偏航力矩的目的。文獻將槳葉載荷的周期分量通過Coleman變換,建模到轉子的傾斜力矩和偏航力矩中,從而實現(xiàn)采用SISO的PI控制環(huán)來降低轉子力矩的低頻成分。此控制策略的框圖如圖2所示。Coleman變換公式:[MtiltMyaw]=23[cos(ωt)sin(ωt)cos(ωt+2π3)sin(ωt+2π3)cos(ωt+4π3)sin(ωt+4π3)]???M1M2M3???(3)式中:M1、M2、M3為槳葉上的測得的載荷力矩;Mtilt、Myaw為變換到二相垂直的d-q軸上的傾覆力矩和偏航力矩。設定PI調(diào)節(jié)器的給定值為零,從而實現(xiàn)常規(guī)SISO的PI控制環(huán)來降低轉子力矩的低頻成分,經(jīng)過PI變換到d-q軸下的傾斜方向和偏航方向的變槳角θ2、θ3,后經(jīng)過Coleman反變換。即:???β1β2β3???=????cos(ωt)cos(ωt+2π3)cos(ωt+4π3)sin(ωt)sin(ωt+2π3)sin(ωt+4π3)????[θ2θ3](4)轉換成各槳葉的微調(diào)的變槳角β1、β2、β3,即實現(xiàn)了對獨立變槳距控制和槳葉載荷的減小。ωref、ωmeas分別為槳葉的期望角速度、測量角速度;β0為統(tǒng)一變槳角。另外,圖2中的ωref、ωmeas分別為槳葉的期望角速度、測量角速度,β0為統(tǒng)一變獎角。該控制策略在實現(xiàn)對槳葉載荷的降低有顯著的成果,且操作簡單,具有一定的魯棒性,且本控制策略對于載荷的測量要求較高。文獻采用了LQG優(yōu)化控制方法對此進行了改進,但是這些對于風電系統(tǒng)的非旋轉部分的疲勞載荷的降低確實微乎其微。文獻采用修改Coleman變換,對基本的獨立槳距控制進行擴招,大大降低了兩倍頻、三倍頻周期分量。文獻根據(jù)Coleman域的多變量優(yōu)化控制及風速信號信號估計方法,在此模型上做出了改進,其思想是通過統(tǒng)計學的隨機游走模型對槳葉有效風速信號在軸向、偏航、傾斜三個方向上的分量進行建模,并與風機的狀態(tài)擴展在一起,通過擴展的卡爾曼濾波器進行狀態(tài)估計,然后將估計的風速信號應用到動態(tài)擾動前饋控制器中;前饋控制與LQG最優(yōu)反饋控制器的輸出疊加在一起,構成前饋-反饋的控制結構。2.2風力機槳葉的差值風電系統(tǒng)的控制目標是根據(jù)各槳葉所受風速的不同對三個槳葉節(jié)距角進行調(diào)節(jié)控制,以實現(xiàn)在額定風速以上保證發(fā)電機工作在額定功率。針對風力機的非線性模型特征及風的不確定性和隨機性的特點,所以采用帶有加權系數(shù)的模糊控制。模糊控制器的輸入為獨立變槳角給定值β*i與實際測得的βi的差值ei,還有其差值的微分Δei。其原理框圖如3所示。Pref、Pmea分別為風力機的期望功率及實際測量功率;β0為槳葉的統(tǒng)一變槳角。根據(jù)各個槳葉所承受風速的不同,利用加權系數(shù)加以微調(diào),即有:β?i=ciβ0式中:ci為加權系數(shù),其值與平均風速vi有關,大小:cj=3×{1+12sin[θ+(j?1)×120°]}2∑j=13{1+12sin[θ+(j?1)×120°]}2(5)如果忽略槳葉的形狀,則各槳葉受風的平均風速為vj就在其中心位置。vj={1+12sin[θ+(i?1)×120°]}×v(6)式中:v為風速信號;θ為槳葉的方位角。變槳距電機執(zhí)行機構的模型:β˙=1Tβ(βr?β)(7)式中:Tβ為時間常數(shù);βr為參考節(jié)距角;β為對應各個槳葉分別為β1、β2、β3。該控制策略實現(xiàn)電機輸出功率的穩(wěn)定,減小槳葉拍打振動。但是對于極端風況給風機造成的過載荷的問題缺乏研究,且模糊控制的方法依賴于知識規(guī)則,系統(tǒng)的自適應能力不高,易造成精度下降。3風機葉片載荷的問題由于獨立變槳距控制研究還處于起步階段,就研究現(xiàn)狀分析而言,仍有一些亟待解決的科學問題,這些問題的解決對于提高風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等起到至關重要的作用,對完善風電系統(tǒng)的控制技術及理論具有重要促進作用。其主要問題體現(xiàn)在以下三方面:(1)具有結構相對簡單、物理意義明確,又能最大程度地體現(xiàn)風機動力學特性、載荷特性的風機非線性模型建立問題。目前采用的風機模型主要有兩類,一是線性化模型,該模型或者忽略了風機的動態(tài)特性,或者對動力學特性進行了簡化;二是由空氣動力學非線性模型與專用軟件生產(chǎn)的結構的力學線性化模型,該模型一方面輸入、輸出及狀態(tài)變量非常多,結構復雜,另一方面,模型內(nèi)部結構透明性低,不利于風機的動態(tài)載荷的分析計算,從而影響極端風況下降荷控制策略的有效進行。(2)同時實現(xiàn)風速與風向實時觀測的觀測器設計。目前,風況觀察主要有兩大類,第一是依賴于轉子有效風速的觀測,并根據(jù)該信號作出判別,顯然轉子有效風速不能全面反映風機各槳葉所承受的實際風況;第二類,盡管考慮了風速、風向問題,但其采用的觀測器主要依賴于線性化模型或者復雜的非線性化模型,在觀測精度、速度及計算的復雜度方面都有待進一步提升。所以同時實現(xiàn)風速與風向實時觀測的觀測器設計是一項艱巨任務。(3)實現(xiàn)降低槳葉及塔架載荷疲勞的風力機獨立變槳距優(yōu)化控制方法問題。新投入的大型風電機組多數(shù)運行在變槳距控制方式下,統(tǒng)一變槳距的研究相對比較成熟,雖然統(tǒng)一變槳距控制可以在穩(wěn)定輸出功率的前提下,實現(xiàn)轉子過速保護等,但是對于降低處于多維風場中的風機葉片的載荷效果不佳;獨立變槳距控制可以彌補以上缺陷。但目前獨立變槳距控制研究還處于起步階段,采用的方法大多為基于線性化模型的常規(guī)控制方法或單一智能控制方法等,較難實現(xiàn)變化風速對風機動態(tài)載荷造成的影響進行全面有效的控