針對風切效應的分區權系數分配獨立變槳控制

張晴晴,李咸善,謝 燁,楊絲琪,王錦龍

(1.三峽大學電氣與新能源學院,宜昌443002;2.廣州供電局有限公司,廣州510600;3.國網湖北省電力有限公司,宜昌443000)

0 引 言

隨著風力機槳葉半徑的逐漸增大,自然風在高度上對風輪旋轉平面受力不均的影響也越來越明顯,這種受力不均的現象被稱作風切效應,會對風機功率的穩定輸出產生影響[1-3]。為了緩解因風切效應使風輪葉片承受不均勻載荷,最終導致功率波動的情況,需要通過獨立變槳距控制,對每一片槳葉進行單獨控制。

獨立變槳控制(以下簡稱IPC)是一種旨在穩定發電機的輸出功率、降低由不斷變化的風力條件造成的風力機負載擾動的控制方法[4]。現階段,得到廣泛應用的IPC策略主要分為兩類。第一類是文獻[5-6]中提出的基于葉片受力分析的控制策略,該策略以抑制氣動載荷為最終目標,先進行載荷測量,再根據某種控制算法分別對槳葉進行獨立控制。這種方法的應用前提是在葉片的多個位置安裝加速度傳感器,對于大型風力機而言,過于復雜且不易實施。第二類是文獻[7-8]中,基于葉片方位角變化的控制策略,該策略對風機載荷模型的依賴性較小,只需測量葉片方位角,再通過周期性改變各槳葉的槳距角降低載荷。由于許多大型風力機上都自帶有測速傳感器,因此該方法更易投入實際的工程應用中。

本文針對受到風切效應現象影響的風力機模型,提出一種在額定風速以上的工況下,基于方位角的分區權系數分配IPC策略,其控制系統由統一變槳控制器(即傳統的功率控制器)和獨立變槳控制器組成。其中,傳統的功率控制器給出風機槳葉在各種風速條件下的統一變槳調節值。獨立槳距角控制部分按照槳葉所受風切效應影響程度劃分為兩大區域,并分別采用兩種加權系數控制方式:在風切變影響較小的區域,采用基于方位角的權系數分配控制;在風切變影響較大的區域,本文在方位角加權系數的基礎上引入單神經元自適應PID控制器,聯合方位角權系數分配器一同投入槳距角的動態調整運算,得到基于單神經元的權系數分配模型。

通過仿真與分析可得,本文針對風切效應在額定風速以上的工況下提出的基于方位角的分區權系數分配IPC方法,能在穩定最大功率的同時,有效抑制葉尖拍打方向的氣動載荷,獨立變槳距信號對參數變化、風速變化、電磁轉矩的擾動具有較強的魯棒性。

1 變槳控制相關特性分析

1.1 風速特性分析

風切效應是影響風速在豎直高度方向上變化的主要原因。設地面風速為零風速,則有風切效應公式如下:

式中:VH為離地高度H處的風速;V0為離地高度H0處的風速;n為風切系數,一般取1/7作為近似值[9]。

1.2 空氣動力學分析

已知風輪在額定風速以上時的旋轉速度基本保持不變,此處只分析風輪在某一固定風速下穩定運行時葉片的受力狀況[10]。

假設風輪以角速度ω旋轉,則作用在槳葉葉元素dm處的力dF可分解為沿風輪旋轉切線方向的力dFn和沿風輪軸向的力dFt,分別如下:

式中:ρ為空氣密度;V為風速;dS為葉元素槳葉面積;φ為來流角;CL,CD分別為槳葉阻力系數、槳葉升力系數。

2 基于槳葉方位角的IPC系統建模

2.1 掃風面內槳葉上的有效風速模型

首先建立以風輪掃風面為坐標平面的直角坐標軸,設槳葉中心線與x正軸間夾角為槳葉方位角θ,逆時針為槳葉旋轉正方向。通過槳葉的方位角θ便可以確定槳葉所處的位置[11]。本文以輪轂處風速傳感器所測風速作為風輪中心風速v0,并對應式(1)中的參考風速V0,此時H0為輪轂中心高度。

設距離風機轉軸m處長度為dm的葉片元素的離地高度為Hm,則槳葉中心線上任一點的對地高度:

將v0、H0、Hm代入式(1),可以得到某一槳葉中心線上任一點的有效風速vm:

本文假設每片槳葉所受平均風速點位于槳葉的中心位置,則每片槳葉的平均有效風速模型:

式中:i為槳葉編號,i=1,2,3;R為葉片長度;θ為槳葉i的方位角。

2.2 基于方位角的權系數分配模型

基于葉片方位角的權系數分配法是一種根據風切效應對風輪各槳葉影響程度的不同,對各葉片槳距角的調整信號進行權重分配的算法[12]。

圖1為IPC框圖。圖1中,功率控制器的輸入為功率誤差,輸出為統一槳距角變化值;θ1,θ2,θ3分別為3個槳葉的方位角。風機在額定風速以上運行時,為了穩定輸出功率,先由功率控制器給出3個槳葉的統一槳距變化量Δβ,再由權系數分配器重新分配每個葉片槳距角的變化量Δβi(i=1,2,3),從而完成IPC[13]。

圖1 IPC框圖

各槳葉槳距角變化量如下:

式中:Ki為基于方位角的權系數。結合式(6)和式(7),可得到權系數分配模型:

式中:k為指數系數。由式(2)、式(3)可得,當風機基本參數與風密度等參數不變時,槳葉軸向氣動力Ft與V2成正比。當k=2時,可以得到以穩定風機輸出功率和減小槳葉拍打振動為目標的葉片方位角權系數。

由式(8)易知,

該等式約束條件旨在維持發電機輸出功率的穩定,符合獨立變槳距的首要控制目標。

2.3 基于單神經元的權系數分配模型

風能波動易導致槳距角給定值的頻繁變化,造成槳葉在旋轉過程中的劇烈抖動。在原有的變槳控制系統中加入單神經元自適應PID控制器,能夠有效緩解風輪受到不平衡載荷的影響[14]。

單神經元自適應PID控制器具有自適應、自學習的能力,這些功能是通過調整加權系數實現的,本文按照有監督的Hebb學習規則對權系數進行調整[15]。控制及其學習算法可參見文獻[16]。單神經元自適應PID控制器輸入端為3個葉片的軸向氣動力Ft和統一槳距角變化量Δβ,輸出的3個槳距角改變量同圖1中權系數分配器所得的3個變化值,一起參與槳距角的動態加權系數調整運算。最終得到基于單神經元的槳距角動態加權系數模型:

式中:Ki為式(8)中基于方位角的權系數;qi為動態加權系數;q為動態加權系數指數。

3 獨立變槳分區控制策略

3.1 IPC分區依據

在MATLAB/Simulink中建立風切變流場中的雙饋風機仿真模型,模型相關參數如表1所示。在瞬時基本風速為20 m/s時的風切效應作用下,3個槳葉在整個風輪掃風面上旋轉過程中,對槳葉葉尖處風速隨不同時間和不同高度的變化情況進行仿真,得到如圖2所示的仿真結果。

由圖2可初步判斷,3個槳葉其中1個處于風輪平面正下方時,3個槳葉上的風速分布最不均勻,也是風輪平面受力最不均衡的位置。在此位置附近,風輪槳葉受到風切效應的影響比其他位置相對嚴重很多。

表1 3 MW雙饋風力發電機參數

圖2 各槳葉上的風速分布

為進一步精確判斷槳葉受風切效應影響程度,考慮計算葉片旋轉一周時,在各個方位角θ處的節距角Δβθ。節距角的計算式如下:

式中:Δβ為通過功率控制器得到的統一變槳距調整值;Δβ*為理想狀態下需要調整的槳距角,是來流角φ與功角α的差值。

典型相位角處節距角變化規律如表2所示。

表2 典型相位角的節距角調整值

由表2可知,節距角調整值最大處的相角為270°,此時風輪平面載荷不均最嚴重,與圖2所得結論相同。根據不同相角處節距角的變化規律,本文將風輪旋轉平面分為如圖3所示的4塊區域。

圖3 獨立變槳距控制分區圖

Ⅰ區角度范圍為30°～150°,II區角度范圍為150°～210°,Ⅲ區角度范圍為 210°～330°,Ⅳ區角度范圍為330°～390°。當葉片處于Ⅰ、Ⅲ區域時,風機葉片與風輪承受的軸向不平衡氣動力較大,采用考慮氣動載荷不均的基于單神經元權系數分配的IPC;當葉片處于Ⅱ、Ⅳ區域內,風輪受到不平衡載荷的影響較小,采用基于方位角權系數分配的IPC。表3給出了以槳葉1所處的方位角為例的區域角度劃分以及每塊區域中各槳葉采用的IPC方法。其中,控制方式“F”代表了2.2節中基于方位角權系數分配的IPC策略;控制方式“S”代表2.3節中所描述的基于單神經元權系數分配的IPC策略。

表3 典型相位角的節距角調整值

由表3可以看出,在風輪旋轉平面的任一區域內,都有2個槳葉處于氣動載荷分布不均的區域。通過這種在指定區域內,根據葉片受力狀態及受風切效應的影響程度,決定應用何種控制算法進行IPC的方式,使槳距角偏移更合理、精確,實現了槳葉的分區獨立變槳控制。

3.2 基于方位角的分區權系數分配IPC流程圖

根據3.1節中對獨立變槳距分區控制策略的介紹,得到如圖4所示的控制流程圖。

圖4 控制流程圖

4 基于方位角的分區IPC仿真結果分析

為了檢驗上述控制策略的有效性與可行性,在3.1節中建立模型的基礎上,分區引入基于方位角的權系數分配模型,設置固定風速為20 m/s,在一個運行周期內對分區IPC進行仿真分析,并與全程統一變槳控制進行對比。

圖5為各葉片分別在全程統一變槳控制和分區IPC兩種情況下,槳距角調整值的變化曲線。由圖5可知,分區IPC下的葉片槳距角隨槳葉所在相位角的變化而變化。取逆時針方向為旋轉正方向,以槳葉1為例,當槳葉1的相位角由0開始增大至180°時,葉片處于風輪平面上方,槳距角調節值逐漸增大至90°相位角時達到最大值,再逐漸減小;當槳葉1處于風輪平面下方時,槳距角調節值則先減小再增大。整個變化過程十分平滑,說明本文的分區IPC方式是有效且合理的。

圖5 各槳葉槳距角變化

圖6 、圖7分別為統一變槳控制、分區IPC下,風機整體的輸出功率曲線。將兩圖對比可知,與全程統一變槳距控制相比,采用分區權系數分配的IPC,使發電機的輸出功率變化幅度和頻率減小,即輸出功率更穩定,且減少了不必要的功率損失,結果更接近最大輸出功率值。

圖6 統一變槳控制下風輪輸出功率特性

圖7 IPC下風輪輸出功率特性

圖8 為分別采用分區IPC和全程統一變槳控制方式時,葉片1葉尖部分所受軸向氣動力的比較圖。由圖8可知,采用IPC方式的槳葉,無論是從變化的幅度還是頻率上,都比采用統一變槳控制方式的葉片受軸向氣動力小,從而緩解了葉片的拍打振動,提高了風輪槳葉的使用壽命。

圖8 葉片1葉尖部分軸向氣動力比較

5 結 語

針對風切效應,本文研究了一種在額定風速以上的工況下,基于風力發電機方位角的分區權系數分配IPC策略,以槳葉所受風切效應影響程度,將槳葉旋轉平面的劃分為兩大區域,并分別采用方位角權系數和單神經元權系數分配模型兩種加權系數控制方式對風輪葉片進行IPC。在恒定風速工況下,將分區IPC模型與采用全程統一變槳控制方式的仿真結果進行對比,得出本文模型在額定風速以上時,對保持風機運行的最大輸出功率穩定性具有明顯優勢,同時減小了葉片旋轉過程中受力不均衡的現象,提高了槳葉的耐用率。