大型風力機槳距角補償控制策略研究

盧奭瑄 張忠財 鄭金雨

摘 要：由于風切變效應及氣動載荷的循環(huán)變化對風力機的影響，本文于重復控制的基礎上設計了一種槳距角控制器。該種控制器由并聯濾波器和重復控制器兩部分組成，濾波器可減弱風速變化帶來的擾動影響，重復控制器可使傳動鏈具有較好的穩(wěn)定性。實驗結果顯示，在外部風速變化擾動時，此控制器能有效保證風力機的功率穩(wěn)定輸出。同時，還對輸入擾動和參數變化具有較好的動態(tài)能力。

關鍵詞：風力機 濾波器 重復控制 槳距角控制

中圖分類號：TM31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0094-02

Abstract：Due to the wind shear effect and the cyclic change of pneumatic load for the wind turbine，this paper designs a pitch angle controller on the basis of repetitive control.This kind of controller is composed of parallel filter and repetitive controller， The filter can reduce the effects of disturbance for the changing of wind speed， repeatitive controller can make the transmission chain a good stability. Experiment result shows that when the external wind speed changing， this controller can effectively insure the stable output of the wind turbine.At the same time， it also has a good dynamic capability for inputting disturbance and parameter changing.

Key Words： Wind turbine； Filter； Repeat control； Pitch angle control

風力機槳葉上循環(huán)的載荷波動以及槳葉與槳葉之間的不對稱轉矩，是造成風力機風輪損壞的主要原因。針對此種因素，可以實時控制槳葉槳距角的角度變化，以此來降低疲勞載荷，起到保護風輪的作用[1-2]。該種理念對于風力發(fā)電來說意義重大。若想對每片槳葉起到合理控制，須有效測量出每片槳葉的實時載荷變化以及相應位置變化[3]。

文獻[4]指出塔影效應相較于風剪切效應對不均勻風速場的貢獻更大。該模型簡捷有效，適合電力系統(tǒng)的時域風力機仿真實驗，為風力機控制、風力機的載荷、風力機扭矩等相關系列研究打下了基礎[4]。

文獻[5]改進了傳統(tǒng)的動量-葉素理論，更新提出了基于動態(tài)入流動量-葉素理論，用于風力機偏航的載荷和動態(tài)變槳計算中[5]。

文獻[6]指出當風電發(fā)電機組過載運行時，變更常規(guī)的變槳距控制策略，調節(jié)槳距角變化，優(yōu)化變槳速率，以減小風電機組的輸出功率為代價，減小風電機組載荷，保證風電機組的穩(wěn)定安全運行[6]。

本文在模擬實際風場情況下，設計出了該種槳距角控制器。分析和實驗結果表明，該控制器對于外界擾動有良好的抑制作用[7]。當風速變化帶來擾動時，該控制器可自行調節(jié)自身槳葉的槳距角變化以維持平衡，最終達到對外輸出功率穩(wěn)定的效果。

1 系統(tǒng)描述

風電機的傳動模型如圖1所示，基本構成包括風輪、低速轉動軸、齒輪變比箱、高速轉動軸、發(fā)電機等[8]。

風輪從風中獲取能量的功率表達式為：

式中，CP為風能利用系數，是風力發(fā)電機葉尖速比λ與槳距角β的函數。

風電機轉矩公式如下：

式中，ω為風輪旋轉角速度；R為風輪半徑；ρ為空氣密度，取值為1.29×103kg/m3。

基于風電系統(tǒng)的空氣動力學特性的風輪轉矩數學模型，可表達如下：

2 基于重復控制理論的槳距角補償控制

2.1 重復控制理論

重復控制理論是一種新的伺服控制策略，Francis和Wonham提出了內膜原理，這在伺服系統(tǒng)控制中起著重要作用。Inoue等人根據內膜原理提的重復控制，是根據周期性的參考信號的特點和內部模型原理，在穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)內設置一個可以產生與參考信號同周期的內部模型，從而使系統(tǒng)實現對外部參考信號的漸進跟蹤并消除負載的擾動[9]。

2.2 低通濾波器

濾波器Q（s）的表達式為：

（1）

式中，ζq為該低通濾波器阻尼比，ωq為截止頻率。在滿足系統(tǒng)性能指標的基礎上，應了解此補償器的相應具體參數，并獲得此低通濾波器的相應參數，用以達到系統(tǒng)輸出的要求。

3 重復變槳控制器仿真研究

此重復槳距角補償控制器控制風力機中數學模型的主要參數為：塔高H=75m；槳葉半徑R=35m；空氣密度=1.225kg/m3；切入風速Va=3.5m/s；切出風速Vb=2.5m/s；額定風VN=12.5m/s；風機轉動Jr=3.86106kg/m2；風機額定轉速ω0=17.2r/min；發(fā)電機轉動慣量Jg=80kg/m2；齒輪箱變比N=100；發(fā)電機額定轉矩Te=8700Nm；發(fā)電機額定功率Te為1500kW。輸入風速V（θ，t）公式為：

（2）

式中，V0（t）為風輪中心處風速；a為風剪切影響指數，本文中取值為a=0.14。仿真結果如圖2所示，顯示結果為在兩種變槳控制策略作用下風輪轉速響應曲線。

由圖2可知，在重復槳距角控制器的效果作用下，此風力發(fā)電機的風輪轉速周期性相應變動較為平緩。在此算例中風輪轉速波動最大幅值接近0.13r/min，而在風力發(fā)電機的傳動系統(tǒng)變速箱變比影響下，該種周期性波動將在發(fā)電機端口被放大近100倍，這對風電系統(tǒng)整體平穩(wěn)輸出影響較大。

4 結語

上述驗證結果顯示，本設計的控制器在外部擾動的情況下，自身風輪轉速和槳葉的轉矩波動都相應變小，控制器的性能品質相對更佳。與此同時，該控制器會削弱自身調節(jié)機構的槳距角變動，以此來降低自身的機械疲勞。綜上所述，采用此種重復補償控制器不但能降低氣動效應所產生的周期性影響還可以確保風電機的魯棒性能。

參考文獻

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