大型海上風(fēng)電機(jī)組變槳距PID控制策略研究

李永明，宋聚眾，尹景勛，王其君，林志明

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

大型海上風(fēng)電機(jī)組變槳距PID控制策略研究

李永明，宋聚眾，尹景勛，王其君，林志明

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

文章針對大型海上風(fēng)機(jī)的葉片具有較大慣性的問題，分析了傳統(tǒng)變槳距PI控制器的不足，從而設(shè)計出帶有超前環(huán)節(jié)的變槳距PID控制器，其能改善因慣性較大而導(dǎo)致的不良控制效果，并通過典型工況的仿真計算及性能分析，表明PID控制器的整體性能優(yōu)于PI控制器，不僅具有穩(wěn)定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、減輕風(fēng)機(jī)振動的優(yōu)點(diǎn)，還降低了風(fēng)機(jī)的極限載荷水平，從而在保證安全性的基礎(chǔ)上降低了機(jī)組成本。

變槳距，PID，海上風(fēng)電機(jī)組

0 引言

隨著新能源在全球的興起，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也在日益進(jìn)步，從常見的1.5 MW、2 MW陸地風(fēng)機(jī)到5 MW、6MW大型海上風(fēng)機(jī)的研發(fā)設(shè)計，新的技術(shù)難題也相繼出現(xiàn)。其中，變槳距控制的優(yōu)化設(shè)計既是現(xiàn)階段大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究的一項(xiàng)重點(diǎn)，也是研究的難點(diǎn)[1]。

變速變槳風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速時通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪按照最佳葉尖速比運(yùn)行，追蹤最佳風(fēng)能利用系數(shù)，高風(fēng)速時通過變槳限制氣動力矩，穩(wěn)定功率輸出[2]。因此，大型尤其是兆瓦級以上的風(fēng)力機(jī)大都采用了變槳距控制技術(shù)。目前，變槳距控制技術(shù)在工程上一般采用PI控制器[3]，但隨著機(jī)組容量的不斷增大，各部件 （葉片、塔筒和輪轂等）的質(zhì)量和所承受的載荷也逐漸增大，因葉片慣性或滯后性而導(dǎo)致載荷較大是其重要原因之一，從而設(shè)計出可以補(bǔ)償滯后性的PID控制器，其相對于PI控制器，一定程度上穩(wěn)定了風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，降低了風(fēng)機(jī)極限載荷水平。

1 變槳距PID控制簡介

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，如兆瓦級風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是典型的非線性、多變量、強(qiáng)耦合、時變的復(fù)雜系統(tǒng)，很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，最適合用PID控制技術(shù)[4]。PID控制中，根據(jù)實(shí)際情況可以分為P、PI、PD和PID等控制組合。

1.1 比例（P）控制

比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時，系統(tǒng)輸出必須存在誤差 （但不是穩(wěn)態(tài)誤差）才能輸出相應(yīng)的控制量，存在控制量死區(qū)、精度較差等缺點(diǎn)。因此，對于穩(wěn)定性、精確度和快速性要求較高的變槳距控制不適合P控制。

1.2 積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分 （PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差，也是現(xiàn)階段變槳距控制普遍采用的控制策略，但對于具有較大慣性或滯后性部件的系統(tǒng)，在控制的快速性方面表現(xiàn)略有不足，特別是若I參數(shù)調(diào)節(jié)不好，很容易產(chǎn)生超調(diào)、振蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

1.3 微分（D）控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分 （即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是存在有較大慣性組件或有滯后性組件，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是引入有抑制誤差作用的 “超前”環(huán)節(jié)，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是誤差的幅值比例關(guān)系，而需要增加的是 “微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢。這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)，達(dá)到了改善大型海上風(fēng)電機(jī)組的動態(tài)性能。

2 變槳距PID控制器設(shè)計

本文以公司大型海上5.5 MW風(fēng)機(jī)FD140為研究對象，風(fēng)機(jī)輪轂中心高度90 m，掃風(fēng)直徑140 m，單支葉片質(zhì)量約為28 t，葉片慣性較大，再考慮到惡劣風(fēng)況 （氣動載荷）的干擾，葉片動作的滯后性對于控制性能的影響顯得極為重要。但葉片的慣性是本身的固有屬性，若減輕質(zhì)量則降低安全性，若更換材料則增加成本，所以若能在控制策略中改善或解決此問題，是比較經(jīng)濟(jì)可行的辦法。這就使得控制過程中引入 “超前”環(huán)節(jié) （微分項(xiàng)D）成為了必要，因此設(shè)計出變槳距PID控制器，來改善葉片本身的慣性對于控制效果的影響，從而優(yōu)化了控制器性能，達(dá)到了降低風(fēng)機(jī)極限載荷和穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的目的。

變槳距PID控制器設(shè)計原理如圖1所示，PID控制參數(shù)采用查表插值法，即參考不同槳距角來插值得到相應(yīng)的PID各參數(shù)，為了具有較好的對比性，這里的PID控制器和PI控制器的主要區(qū)別在于加入了KDPS參數(shù)，其他控制參數(shù)如濾波器等完全相同。

圖1 變槳距PID控制

其中：

式中，KPPS、KIPS、KDPS分別是比例、積分和微分增益系數(shù)；PitchStep是變槳距控制器周期；Td是微分控制項(xiàng)的一階低通常數(shù)。

3 關(guān)鍵工況對比分析

根據(jù)GL 2005海上風(fēng)機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計載荷工況，使用業(yè)內(nèi)著名軟件GH Bladed仿真計算。主要針對3種典型工況進(jìn)行控制器性能的分析，分別是EOG、ECG和NTM工況。

3.1 EOG風(fēng)模型分析

此工況是模擬風(fēng)機(jī)遭遇50年一遇的極端工作陣風(fēng) （EOG）的極限載荷情況，其風(fēng)速變化極端惡劣，一般會導(dǎo)致快速停機(jī)或安全鏈停機(jī)，風(fēng)機(jī)各部件承受的載荷較大，本次仿真的具體工況說明詳見表1。

表1 EOG工況信息說明

從圖2可見，風(fēng)速幅值的變化情況是先減小后急速增大的一個對稱變化過程，因而會使葉片在短時間內(nèi)完成開槳和收槳的動作，但因風(fēng)速提升時速度極快且葉片存在較大的慣性或滯后性，葉片不能及時地從開槳狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭諛獱顟B(tài)，最終導(dǎo)致嚴(yán)重超速及風(fēng)機(jī)的極限載荷較大。

圖2 輪轂中心高度水平風(fēng)速

圖3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖4 槳距角

從圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，變槳距PI控制策略，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速回升到1 074 r/min時 （額定轉(zhuǎn)速為1 100 r/min），槳距角才停止開槳、準(zhǔn)備收槳，但此時風(fēng)速急速上升，因此造成發(fā)電機(jī)超速嚴(yán)重而停機(jī)，并且導(dǎo)致葉片和塔筒等關(guān)鍵部位出現(xiàn)較大的極限載荷。而變槳距PID控制策略，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速回升到1 036 r/min時，槳距角停止開槳、準(zhǔn)備收槳，從而與PI控制策略相比提前收槳，減輕了超速情況和降低了風(fēng)機(jī)的極限載荷水平，如圖5～圖7所示。

圖5 葉根揮舞方向扭矩

圖6 葉根擺振方向扭矩

圖7 塔筒頂部Myz扭矩

3.2 ECG風(fēng)模型分析

此工況是模擬風(fēng)機(jī)遭遇極端相干陣風(fēng) （ECG）的極限載荷情況，因風(fēng)速變化極端惡劣，一般會導(dǎo)致快速停機(jī)或安全鏈停機(jī)，風(fēng)機(jī)的極限載荷較大，本次仿真的具體工況說明詳見表2。

表2 ECG工況信息說明

圖8 輪轂中心高度水平風(fēng)速

圖9 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖10 槳距角

從圖8可見，風(fēng)速幅值是一個急劇上升的過程，但葉片存在較大的慣性而導(dǎo)致收槳滯后，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的超速現(xiàn)象且風(fēng)機(jī)的極限載荷較大。若加入超前環(huán)節(jié)微分項(xiàng) （D），相比PI控制器可以一定程度地補(bǔ)償變槳滯后性，盡快收槳減小超速值，如圖9和圖10所示，從而減小了風(fēng)機(jī)的極限載荷，如葉根揮舞方向、塔筒頂部Myz等，如圖11～圖13所示。

圖11 葉根揮舞方向扭矩

圖12 葉根擺振方向扭矩

圖13 塔筒頂部Myz扭矩

3.3 NTM風(fēng)模型分析

此工況是模擬風(fēng)電機(jī)組正常發(fā)電運(yùn)行的一般工況，其風(fēng)速變化屬于正常情況 （如圖14所示），風(fēng)電機(jī)組實(shí)際現(xiàn)場運(yùn)行多處于此工況。因此，此工況一般不允許發(fā)生故障而停機(jī)，盡量保持轉(zhuǎn)速、功率以及機(jī)組振動情況穩(wěn)定，本次仿真的具體工況說明詳見表3。

圖14 輪轂中心高度水平風(fēng)速

從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和齒輪箱扭矩的功率譜密度來看，兩者的控制效果基本一致，如圖15和圖16所示。但從塔筒振動情況上看，特別是塔筒一階頻率附近的振動情況得到了改善。塔筒前后方向加速度功率譜密度中 （如圖17所示），塔筒一階的幅值從0.1448降到0.08508。塔筒左右方向加速度功率譜密度分析中 （如圖18所示），塔筒一階的幅值從0.1716降到0.1005。說明PID控制器相比PI控制器，不僅保持了風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和齒輪箱扭矩的穩(wěn)定，還減輕了塔筒的振動情況。FD140的理論模態(tài)頻率見表4。

表3 NTM工況信息說明

表4 FD140理論模態(tài)頻率說明

圖15 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速功率譜密度

圖16 齒輪箱扭矩功率譜密度

圖17 塔筒前后方向加速度功率譜密度

圖18 塔筒左右方向加速度功率譜密度

4 極限載荷對比分析

為了全面檢驗(yàn)PID控制器的性能，依據(jù)GL 2005海上風(fēng)機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計極限載荷工況，運(yùn)用兩種控制器進(jìn)行了完整的極限載荷計算及后處理，對關(guān)鍵部位的主要載荷指標(biāo)進(jìn)行了對比，其中比較的數(shù)值是該項(xiàng)的最大絕對值，如表5所示。極限載荷的對比表明，PID控制器優(yōu)于PI控制器，前者降低了機(jī)組的極限載荷水平，即在保證安全性的基礎(chǔ)上降低了機(jī)組成本。

5 結(jié)論

本文針對大型海上風(fēng)機(jī)的葉片慣性或滯后性較大的問題，分析了傳統(tǒng)變槳距PI控制器的不足，主要表現(xiàn)為受到大型葉片的滯后性的影響，而導(dǎo)致超速嚴(yán)重及風(fēng)機(jī)極限載荷偏大等問題，因此設(shè)計了帶有超前環(huán)節(jié)的PID控制器，并對兩種控制器分別進(jìn)行了典型工況和完整極限載荷工況的分析計算，其結(jié)果表明PID控制器相比PI控制器，不僅具有穩(wěn)定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、減輕風(fēng)機(jī)振動的優(yōu)點(diǎn)，還降低了風(fēng)機(jī)的極限載荷，從而在保證安全性的基礎(chǔ)上降低了機(jī)組成本。

表5 控制器極限載荷對比結(jié)果

[1]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011

[2]T.Burton,D.Sharpe,N.Jenkins,E.Bossanyi.W ind Energy Handbook[M].John W iley,2008

[3]邢鋼,郭威.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距控制方法研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報.2008,24(5):181-186

[4]Abdulhamed Hw as,Reza Katebi.W ind Turbine Control Using PIPitch Angle Controller[C].IFAC Conference on Advances in PID Control,March 28-30,2012,Brescia, Romania Italy:407-412

Design of Variable Pitch PID Control for Large Scale Offshore W ind Turbine

Li Yongming,Song Juzhong,Yin Jingxun,Wang Qijun,Lin Zhiming
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Aiming at the blade with greater inertia of largescale offshore wind turbine,the paper analysed disadvantages of PI controller,the variable pitch PID logical controlmethod applied in the largescale offshore wind turbine was proposed.In comparison with PI controller,PID controller with the lead link had advantages for compensating the lag of pitch system.The simulation result proved that PID controller had better performances than that of PI controller,such as the better stability of rotor speed,vibration mitigation and extreme load reduction,so the costwas reduced.

variable pitch,PID,offshorewind turbine

TP273

：A

：1674-9987（2014）03-0048-07

國家國際科技合作專項(xiàng)資助：5MW海上風(fēng)機(jī)聯(lián)合研發(fā) （項(xiàng)目編號：2010DFB70710）。

李永明（1984-），男，碩士研究生，助理工程師，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，主要從事風(fēng)電機(jī)組控制算法的設(shè)計開發(fā)工作。