大型風力機變槳距加載系統多余力抑制方法研究

甄 亮 方占萍

(酒泉職業技術學院新能源工程系1，甘肅 酒泉 735000 ;甘肅省太陽能發電系統工程重點實驗室2，甘肅 酒泉 735000)

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大型風力機變槳距加載系統多余力抑制方法研究

甄 亮1,2方占萍1,2

(酒泉職業技術學院新能源工程系1，甘肅 酒泉 735000 ;甘肅省太陽能發電系統工程重點實驗室2，甘肅 酒泉 735000)

對大型風力機變槳距加載系統產生的多余力抑制方法進行了研究，提出了一個將變槳距位置系統等效為倒立單擺負載的方法以減小多余力。考慮到單擺負載的位置系統與加載系統之間的耦合關系，采用了雙微分結構解耦補償控制策略。Matlab仿真結果證明，采用雙微分結構解耦補償控制策略后，當加載頻率達到10 Hz時，多余力從±22 N左右減小到±4 N左右，滿足加載系統的性能指標。仿真結果表明了采用雙微分結構解耦補償控制策略抑制多余力的有效性。

大型風力機 電液伺服系統 變槳距 傳感器 PID控制 單擺負載 雙微分結構 解耦補償

0 引言

風能作為一種清潔能源，近幾年在國內外得到了迅猛發展。2012年，中國陸上風電新增裝機容量1 590 萬kW，占全球新增容量的三分之一以上，連續四年保持行業第一[1]。變槳距控制是提高風力發電效率和電能質量的最有效手段之一，也是當今大型風力機控制的關鍵技術。由于現代大型風力機功率普遍達到了MW級以上，所以微小的效率提高就能帶來可觀的年發電量。大型風力機變槳距控制策略的最佳方法是建立高效的大型風力機變槳距負載模擬系統，在試驗室條件下模擬風力機在運行過程中作用在變槳距軸上的各種阻力矩，即動態加載系統[2]，以研究風力機葉片在受到各種載荷的情況下對變槳距控制系統性能的影響。本文采用理論分析和數值仿真相結合的研究方法，對大型風力機變槳距動態加載系統產生多余力的過程、機理以及抑制方法作了深入的研究和討論，提出了采用雙微分結構解耦補償控制來減小多余力的方法。在整個系統中設計了兩個微分補償環節，從而最大限度地消除多余力。

1 建立物理模型

為了研究大型風力機電液伺服變槳距系統的控制器參數、性能與可靠性，以及對整個閉環控制系統的性能指標評價[3]，搭建了風力機電液伺服變槳距系統動態加載半物理仿真試驗平臺。對于大型風力機這樣的運動負載，一般情況下，都將其等效為一個由左右兩部分組成的倒立的單擺負載。左邊是模擬風力機變槳距的電液伺服變槳距系統，通過位移傳感器反饋構成一個位置閉環，按照給定的指令信號驅動單擺負載精確擺動。這里的加載對象單擺負載是一個運動的物體，就好似風力發電機組中運動的葉片。右邊是電液伺服動態加載系統，它由一個電液伺服閥控制液壓缸輸出力，對單擺負載進行力加載。由于單擺負載的主動運動，造成加載系統在位置上有變化，所以這就是典型的動態加載。由于受載對象的自主運動和加載裝置的運動相互耦合，產生的位置擾動會引起多余力，所以電液負載模擬器屬于被動式加載系統，其關鍵問題就是如何抑制和消除多余力。

大型風力機變槳距電液伺服動態加載系統由加載裝置和被加載對象單擺負載組成。風力機變槳過程中，如槳距角的大小變化不大，則仿真模型中的單擺負載擺動角度不大。研究單擺負載水平方向的運動對加載系統產生的多余力是可行的，所以電流負載模擬器屬于被動式加載系統，其關鍵問題就是如何抑制和消除多余力。

在單擺負載電液伺服動態加載過程中，由于位置擾動產生的多余力全部疊加在加載系統的輸出力上，如果不加以消除，所設計的加載系統將難以對單擺負載精確加載，有時甚至將加載力完全淹沒，不能實現各種載荷譜的點點跟蹤，甚至會造成整個加載系統不能正常工作[3]。

2 建立數學模型

在整個單擺負載電液伺服動態加載系統的建立過程中，先分別建立各個環節的數學模型。電液伺服加載系統用來模擬大型風力機變槳過程中葉片所受到的各種動力載荷，包括空氣動力等其他阻力[4]。

2.1 加載系統滑閥流量方程

加載系統滑閥流量方程為：

QLF=KqFXvF-KcFPLF

(1)

式中：QLF為單擺負載加載系統伺服閥的負載流量，m3/s；KqF為單擺負載加載系統伺服閥的流量增益，m2/s；XvF為單擺負載加載系統伺服閥的閥芯開口量，m；KcF為單擺負載加載系統伺服閥的流量-壓力系數，m5/(N·s)；PLF為單擺負載加載系統液壓缸的負載壓力，N/m2。

2.2 加載液壓缸連續性方程

單擺負載加載系統液壓缸的流量連續性方程為：

(2)

2.3 加載液壓缸和負載力平衡方程

同樣，根據牛頓第二定律，可得到力平衡方程：

(3)

式中：mF為單擺負載加載液壓缸活塞質量，kg；BcF為單擺負載加載液壓缸活塞和負載等效的黏性阻尼系數，N/(m/s)。

2.4 力傳感器輸出方程

力傳感器輸出方程為：

Fg=Ke(yF-yL)

(4)

式中：Ke為力傳感器的彈性剛度，N/m；yF為單擺負載加載缸的活塞位移，m。

經過簡化，在頻域內，可得到力傳感器上輸出力Fg的表達式為：

(5)

通過傳感器輸出力Fg的計算，可以得到由于單擺負載的位置擾動產生的多余力表達式:

(6)

2.5 拉壓力傳感器數學模型

電液伺服動態加載系統使用的拉壓力傳感器為電壓輸出型拉壓力傳感器，其線性度好、可重復性好、靈敏度高，可視其為比例環節[5]。拉壓力傳感器的數學模型就可表示如下：

(7)

式中：KFf為力傳感器系數，V/N；UFf為力傳感器輸出電壓，V；Fg為傳感器所受力，N。

2.6 加載系統伺服放大器數學模型

伺服放大器的主要功能是將數據采集卡輸出的電壓信號轉化為電流信號，并且加以放大，然后輸入到電液伺服閥，來驅動電液伺服閥閥芯[6-7]。其傳遞函數為：

(8)

式中：KaF為加載系統伺服放大器增益，A/V；um為加載系統輸出電壓，V；i為加載系統伺服閥輸入電流，A。

2.7 加載系統電液伺服閥數學模型

同樣地，可將加載系統電液伺服閥的傳遞函數等效為[8-10]：

(9)

式中：GsvF(s)為位置系統電液伺服閥的傳遞函數；KsvF為位置系統電液伺服閥的流量增益，m2/s。

3 雙微分結構解耦補償控制器設計

因單擺負載的位置系統和加載系統是相互耦合的，如只設計消除驅動系統對加載系統的干擾，不考慮加載系統對驅動系統的影響，顯然是有缺陷的。本文不但設計了微分補償環節來減小多余力，還設計了補償環節，以消除加載系統對驅動系統的干擾。整個系統的兩個微分補償環節，構成了雙微分結構解耦補償控制器。通過仿真，驗證了其優越性。

3.1 消除多余力結構補償器設計

采用結構補償環節，補償單擺負載位置系統對加載系統的干擾。設計補償環節E1(s)的目的是消除單擺負載位置系統的輸出位移對加載系統的干擾。

E1g=YDKDfE1(S)KaFGsvF(s)KqF

(10)

(11)

為了全部補償多余力，需要得到：

E1g-E1D=0

(12)

在設計補償環節時，可以忽略干擾環節C(s)中C3和C2兩個高階項及E1D中的二階項，即得到：

繼而得到補償環節E1(s)的表達式：

(13)

3.2 消除擾動的結構補償器的設計

同樣，采用E1(s)補償環節來消除加載系統對驅動系統的干擾。設:

E2g=FgKFfE2(s)KaDGsvDKqD

(14)

(15)

得到：

E2g+E2D=0

(16)

忽略分母中的高階項，則：

(17)

忽略常數項，則：

(18)

3.3 雙微分結構解耦補償控制器仿真分析

在Matlab的Simulink中搭建仿真模型。一般情況下，當仿真參數給定單擺負載位置系統輸入信號頻率為5 Hz、幅值為±5 mm時，分別得到系統中控制器增益為1的比例環節和加PID控制器，以及PID加雙微分結構解耦補償補償控制器時的多余力。當系統中控制器處于增益為1的比例環節時，測得的純多余力峰值為±22 N左右，使用PID控制可以減小到±10 N左右，但使用本文設計的雙微分結構解耦補償控制時，多余力基本得到抑制，峰值為±4 N左右，所以設計的控制器對多余力的抑制效果明顯。在單擺負載啟動、換向、加速和減速時，產生的多余力也明顯減小，充分驗證了本文設計控制器的思想。解除位置系統與加載系統之間的耦合關系，對消除多余力起到了很大作用。同時，位置系統穩定性和快速性都得到了很大的提升，從而提高了加載系統的性能指標。

本文設計的雙微分結構解耦補償控制策略在實際工程應用中更加可靠，而且從加載信號跟蹤仿真結果可以看出，在滿足雙十指標的要求下，跟蹤性能很好。

跟蹤響應曲線如圖1所示。

以上的仿真結果表明，本文設計的雙微分結構解耦補償控制器對多余力的抑制效果明顯，而且設計簡單可靠，對控制計算機的硬件要求也不高。本文設計的控制器只考慮了線性因素對加載系統造成的多余力，而實際中，電液伺服動態加載系統中有很多非線性因素，包括單擺負載支撐處的游隙非線性、液壓系統中油液的溫度變化以及壓縮性，這些因素都會對加載系統造成影響。因此要想提高加載系統的性能，就應該從這些方面入手，選取更合理的硬件設備、設計更先進的控制方法。

圖1 跟蹤響應曲線

4 結束語

本文分析了大型風力機電液伺服變槳距系統動態加載半物理仿真試驗平臺中，位置系統與加載系統之間的耦合關系，提出了采用雙微分結構解耦補償控制策略，有效消除了加載系統的多余力和加載系統對位置系統的干擾。Matlab仿真結果表明，提出的雙微分結構解耦補償控制策略，隨著加載頻率不斷增大，即當加載頻率從5 Hz增大到10 Hz時，多余力從原來的±22 N左右減小到±4 N左右，滿足加載系統的性能指標，雙微分結構解耦補償控制策略對于多余力抑制以及動態加載系統具有明顯的優勢。

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[10]張彪.電液負載模擬器多余力抑制及其反步自適應控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2009.

Research on the Suppression Method of Excess Force Generated in Variable Pitch Loading System of Large Wind Turbine

The suppression methods of excess force generated in variable pitch loading system of large wind turbine are researched,and to reduce the excess force,the method with which the variable pitch position system is equivalent to the inverted simple pendulum load is proposed.Considering about the coupling relationship between the position system of simple pendulum load and the loading system,the decoupling compensation control strategy with double differential structure is adopted. The results of Matlab simulation prove that after adopting the decoupling compensation control strategy with double differential structure,when the loading frequency reaches 10Hz,the excess force reduces from ±22 N to ±4 N around,this meets the performance index of loading system.The simulation result shows the effectiveness of such control strategy for suppressing excess force.

Large wind turbine Electro-hydraulic servo system Variable pitch Sensor PID control Simple pendulum load Double differential structure Decoupling compensation

國家自然科學基金資助項目(編號：51365028)。

甄亮(1984—)，男，2013年畢業于蘭州理工大學機械電子工程專業，獲碩士學位，助教；主要從事電液伺服控制技術、現代控制策略、風力發電控制技術方向的研究和教學工作。

TH-3;TP273+.3

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611009

修改稿收到日期：2016-04-14。