基于FA ST 的大型風電機組葉根載荷反饋獨立變槳距控制策略

易懷洋，梁 輝，晉永榮

（1.湖南鐵道職業技術學院，湖南 株洲 412001；2.國網南陵縣供電公司，安徽 蕪湖 242400）

引言

隨著我國經濟的快速發展，能源消費高速增長，能源供需矛盾問題日益凸顯，建立清潔低碳安全可靠的能源體系是實現可持續發展的必然選擇。根據《2030 年前碳達峰行動方案》，我國在2030 年前要實現碳達峰目標，在實現我國碳排放峰值、碳中和目標和能源結構調整轉型的過程中，我國風電產業迎來了新的發展機遇。另外，我國產業結構轉型升級，推動高端裝備制造業發展，也有力推動了我國風電大規模開發和高質量發展。

截至2021 年，我國風電裝機容量突破3 億千瓦，預計2025 年有望達到5 億千瓦。在我國風電裝機容量不斷攀升的同時，風電機組單機容量也在不斷增加。為了捕獲高空優質風能，降低風電的發電成本，提高競爭力，風電機組趨向于朝著大型化、輕量化、低噪聲、低故障率的方向發展[1]。隨著風電機組尺寸的增大和柔度的增加，湍流、風剪切、塔影效應等因素對風電機組零部件產生的不平衡載荷引起的風機零部件振動加劇、疲勞損傷的問題更加突出[2]。為了有效抑制風電機組不平衡載荷引起疲勞振動問題，研究基于葉根載荷反饋的獨立變槳距控制策略，通過FAST 和MATLAB/Simulink 的聯合仿真分析，表明基于葉根載荷反饋的獨立變槳距控制策略可有效降低風輪葉片的不平衡載荷。

1 基于FAST 搭建5 MW 風機模型

在FAST 三葉片風機模型中，風電機組包含8 個剛性體和5 個柔性體共具有24 個自由度可供選擇，FAST 軟件中有多種型號的風機模型可選擇參考，用戶可根據需要靈活地進行參數設置和自定義模式設置。以NREL 5MW 風機為基礎，進行參數設置搭建5MW 風機模型，參數設置見表1。

表1 NREL 5MW 風力機參數

風數據文件由NREL 開發的Turbsim 軟件生成，選擇IEC Kaimal 譜模型的三維湍流風，風剪切效應選用指數模型，在輸入文件Kaimal.inp 中設置參數：平均風速16 m/s；風向角度參數VFlowAng 為設為5°、HFlowAng 設為15°；參數IECturbc（湍流強度）設為符合IEC 61400-1 標準的湍流特性類別的“C”類、風剪切系數設為0.2，地面粗糙長度設置為0.03，風機輪轂處風速大小見圖1。

圖1 風機輪轂處風速大小

2 基于葉根載荷反饋的獨立變槳距控制策略

葉根載荷是風電機組輪轂、傳動鏈和塔架等風機零部件氣動載荷的來源。葉根彎矩作用于輪轂，會在輪轂產生俯仰彎矩Mtilt與偏航彎矩Myaw，可以利用俯仰彎矩和偏航彎矩對多變量耦合系統進行解耦控制[3-4]。

由于葉根彎矩是在隨風輪旋轉的葉根坐標系中定義的，而輪轂的俯仰彎矩與偏航彎矩是在輪轂固定坐標系中定義的，于是需通過Coleman 坐標變換，將基于旋轉坐標系的3 個槳葉的葉根彎矩M1、M2、M3變換到輪轂固定坐標系下的輪轂俯仰彎矩Mtilt與偏航彎矩Myaw，變換式為

風輪旋轉于某一位置時，葉根載荷對于風速和槳距角的線性化模型可表示為

k、h 分別為葉根彎矩對槳距角和風速的導數；δM1、δm2、δm3分別為3 個槳葉的葉根彎矩變化量，xfa表示輪轂中心軸向位移。

將式（2）代入式（1）得到風輪俯仰彎矩Mtilt與偏航彎矩Myaw表示式

由于式（3）和式（4）給出的是俯仰彎矩與偏航彎矩的線性時變表達式，給風機載荷的控制分析帶來困難，需要通過坐標變換轉化為俯仰彎矩與偏航彎矩的時不變模型。于是以第1 個葉片為準定義方位角θ，當槳葉處于風輪旋轉平面的右側水平位置時θ=0°，則第i 個槳葉的方位角為

設有坐標變換如式（6），式中：q1，q2，q3為原坐標系中的坐標為新坐標系中的坐標，因與正交，于是就把原空間坐標系中的坐標變換成d-q 正交坐標系中的坐標，達到線性解耦的目的。

經過上述坐標變換，可分別得到葉片槳距角和風輪彎矩的坐標變換表達式

于是，可以得到輪轂的俯仰彎矩與偏航彎矩的時不變模型

根據上文推導，設計基于葉根載荷反饋方式的獨立變槳距控制策略[5-6]：每個槳葉的控制信號βi由統一槳距角信號βc與獨立變槳控制信號Δβi（i=1，2，3）組成。由統一變槳距給出3 個葉片統一的槳距角信號βc，確保功率穩定于額定功率附近；由3 個葉片的葉根彎矩信號Mi（i=1，2，3），經過Park 坐標變換后得到d-q 坐標系軸向的2 個彎矩與與經PID控制器輸出得到d-q 坐標系2 個軸向的槳距角信號與，然后再經Park 坐標逆變換求出每個葉片的獨立的槳距角信號Δβi（i=1，2，3），最后將統一槳距角信號與獨立槳距角信號疊加形成每個槳葉的變槳距信號，即每個槳葉的槳距角信號可表示為βi=βc+Δβi，控制原理框圖見圖2。

圖2 葉根載荷反饋控制框圖

3 FAST 和MATLAB/Simulink 的聯合仿真分析

FAST 可與Simulink 連接，FAST 軟件中的風機模型數據以一個FAST_SFunc 文件的形式被Simulink 中的S 函數模塊所調用，借助FAST 與Simulink 接口，在Simulink 中調用FAST 中搭建的5 MW 風機模型，然后在Simulink 中搭建控制器，用Turbsim 生成的平均風速16 m/s、風剪切系數0.2、地面粗糙長度0.03、輪轂處風速大小如圖1 的三維湍流風進行仿真，變槳范圍設置為0～90°，變槳速率±8°/s。統一變槳距和葉根載荷反饋獨立變槳距兩種方式下，葉根揮舞彎矩對比見圖3，可以看出葉根載荷反饋方式的獨立變槳方法可以有效降低風輪葉根處的揮舞彎矩。

圖3 葉根揮舞彎矩

圖4 和圖5 是風機輪轂處的俯仰彎矩和偏航彎矩的對比圖。可以看出，葉根載荷反饋方式的獨立變槳距控制方法較于統一變槳距控制方法，能較顯著地降低風機輪轂中心的俯仰彎矩和偏航彎矩。

圖4 輪轂俯仰彎矩

圖5 輪轂偏航彎矩

4 結論

通過FAST 和MATLAB/Simulink 仿真結果分析，可以看出葉根載荷反饋獨立變槳距控制策略能有效降低葉根揮舞載荷，減小風機輪轂的俯仰彎矩和偏航彎矩，這也說明該方法在風湍流、風剪切和塔影效應等復雜風況下能有效減小風機輪轂等關鍵部件的不平衡載荷，有效降低風機關鍵零部件的疲勞振動，驗證了該控制策略的有效性。