離岸式風力機的變槳LQR控制

謝雙義,金 鑫,陳 佳

(1.重慶公共運輸職業學院,重慶 402247; 2.重慶大學機械傳動國家重點實驗室,重慶 400030;

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●能源與動力工程●

離岸式風力機的變槳LQR控制

謝雙義1,金 鑫2,陳 佳3

(1.重慶公共運輸職業學院,重慶 402247; 2.重慶大學機械傳動國家重點實驗室,重慶 400030;

3.重慶市水文水資源勘測局,重慶 401147)

研究了離岸式風力發電機在額定風速以上時的變槳情況,建立了基于變槳控制系統的狀態空間模型,并針對傳動鏈主動阻尼過小的問題,采用線性二次型調節技術對模型的閉環極點進行了合理配置。借助美國可再生能源實驗室研發的FAST軟件和MATLAB/Simulink仿真軟件進行了聯合仿真,結果表明,當風力機運行于額定風速以上區域時,設計的變槳控制器能很好地穩定電功率輸出,同時也降低了風力機傳動鏈的扭轉載荷。

LQR;風力發電機;變槳

陸上風力發電已超過十年的歷史,技術相對成熟[1],而離岸式風力機則是近年剛剛興起,研究相對較少。當風力機運行在額定風速以上,為了不使風輪超速造成對風力機的損害,此時就需要對葉片進行變槳控制,使風輪捕獲的風能變小。傳統的方法是使用經典控制理論,即對應單輸入單輸出的情況,由于葉輪的一階擺振模態與傳動鏈的一階扭轉模態是耦合的[2],因此當葉輪轉速保持穩定時傳動鏈的扭矩則變得不太理想。而現代控制理論則可以解決這種情形,因為它對應多輸入多輸出,即同時考慮葉片的變槳和傳動鏈的扭轉載荷,控制效果比較理想。所以本文研究了美國可再生能源實驗室提供的張力腿式離岸風力發電機的變槳控制,構建了離岸式風力機變槳控制系統的狀態空間模型,并結合線性二次型調節技術(Linear Quadratic Regulator, LQR)對變槳控制器進行設計[3-4]。最后,在MATLAB/SIMULINK軟件中搭建仿真模型并與FAST軟件進行聯合仿真,結果表明,在額定風速以上時,變槳控制器不僅能穩定電功率的輸出,而且可使風力機的傳動鏈扭轉載荷在一定程度上得到降低。

1 離岸式風力機基礎結構圖

與采用固定式基礎結構的陸上風力機不同,離岸式風力機采用漂浮式基礎結構[5-6],主要包括三種[7]:駁船式、張力腿式和單柱式。本文以張力腿基礎結構作為研究點,其結構如圖1所示。

圖1 張力腿式漂浮風力機

2 離岸式支撐結構的動力學模型

2.1 離岸式支撐結構力學模型

2.1.1 輻射波

輻射波浪對離岸式基礎結構產生的作用力為

2.1.2 繞射波

Pierson-Moskowitz振幅譜和Jonswap振幅譜[8-9]可用來描述波浪的隨機運動。本文采用Jonswap振幅譜的單邊功率譜密度:

式中:Hs為有效浪高;ω為波浪的頻率;λ為波長;Tp為頻譜峰值周期;γ為峰形參數;σ為比例因子。

根據IEC 61400—3[10]的設計標準,比例因子以及峰形參數的取值如下:

W(ω)=

2.1.3 水動力學

波浪作用基礎結構時,其浮力表達式為:

3 基于線性二次型調節器(LQR)的變槳控制器設計

二次型調節器(LQR)理論是以二次型函數的形式給出的一種線性系統,為使此二次型函數取到最小值,矩陣Q和R的選擇尤為重要,同時該控制方法在設計時能很容易得到最優的閉環控制結構。但是美中不足的是LQR得到的反饋增益矩陣是基于全狀態反饋,而在實際工程操作中這是不現實或者是不必要的,為解決此問題,特引入狀態估計觀測器[11-13],其數學表達式為:

4 仿真分析

借助仿真軟件MATLAB/Simulink,搭建的模型如圖2所示。

圖2 風力機的整體Simulink模型

采用在35 s時的14 m/s每隔4 s階躍變化到80 s時的24 m/s的階躍風作為激勵,如圖3所示,葉輪轉速的仿真結果如圖4所示。

圖3 階躍風

圖4 葉輪轉速仿真結果

由圖4可知,葉輪轉速的標準差為0.16,葉輪轉速在12.1 r/min額定轉速附近趨于穩定,設計的控制器滿足實際要求。

為降低風力機傳動鏈的扭轉載荷,保護結構不至于損壞,可通過該控制器給傳動鏈增加適當的主動阻尼,仿真激勵如圖5和圖6所示。

圖5 18 m/s的湍流風

圖6 波浪高度隨時間變化的情形

風力機的傳動鏈在較低阻尼和較高阻尼下,其軸扭矩和電功率的對比如圖7和圖8所示。

圖7 高速軸扭矩

圖8 電功率

由圖7可知,沒有施加主動阻尼時,其高速軸扭矩最大值為51 400 N;當施加主動阻尼時其最大值為50 050 N,相比前者降低2.63%。

由圖8可知,當施加主動阻尼時,電功率輸出的標準差為128,而沒有施加主動阻尼時,其電功率輸出標準差為145。

由此可知當增加傳動鏈的主動阻尼時,不僅風力機電功率輸出更加穩定,而且風力機傳動鏈的扭轉載荷也有所降低。

5 結 語

為了在一定程度上降低離岸式風力機傳動鏈的扭轉載荷,采用LQR技術,借助MATLAB/Simulink軟件搭建和設計了風力機的變槳控制器并與FAST軟件進行聯合仿真,結果表明,所設計搭建的LQR變槳控制器,可以使階躍風激勵下的葉輪轉速很好地穩定在額定轉速附近(標準差為0.16),也可以使湍流風激勵下的電功率輸出標準差由改進之前的145降低為128,從而使電功率的輸出更加穩定,而且還能讓風力機傳動鏈的扭轉載荷在一定程度上得到降低,相比改進之前降低了約為2.63%。

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(責任編輯 郭金光,王瑩瑩)

Pitch control for offshore wind turbine based on LQR

XIE Shuangyi1, JIN Xin2, CHEN Jia3

(1.Chongqing Vocational College of Public Transportation, Chongqing 402247, China; 2.State Key Laboratory of Mechanical Transmission,Chongqing University,Chongqing 400030, China; 3.Chongqing Hydrology and Water Resources Investigation Bureau, Chongqing 401147, China)

This paper studied the pitch condition of the offshore wind turbine running with the rated wind speed, established the state space model based on pitch control system, and configurated the closed-loop poles of the state space model by LQR so as to overcome small active damping. A co-simulation was made through MATLAB/SIMULINK software with FAST software developed by National Renewable Energy Laboratory (NREL). The simulation results show that the designed pitch controller could not only make a more stable electrical power output with rated speed, but could reduce the drive train torsion load as well.

LQR; wind turbine; pitch

2015-09-06。

重慶市基礎與前沿研究計劃一般項目CQCSTC(cstc2013jcyja900118)

謝雙義(1986—),男,講師,主要從事風力發電機控制系統建模與仿真。

TM614

A

2095-6843(2016)02-0174-04