不同獨立變槳控制策略對風電機組部件載荷及變槳軸承壽命的影響研究

摘 要：獨立變槳控制（IPC）策略能夠有效降低風輪的不平衡載荷，不同的IPC策略會直接影響風電機組的載荷及變槳軸承壽命。以降低風電機組運行過程中的不平衡載荷和成本，提升其競爭力為目的，基于葉根載荷測量方法設計了IPC策略控制器，以某兆瓦級風電機組為例，設計了不同開啟條件的IPC策略，對不同IPC策略在風電機組運行過程中的降載效果進行了分析，研究了其對風電機組整機部件載荷及變槳軸承壽命的影響，并與統一變槳控制（CPC）策略進行對比，驗證了IPC策略的可行性及實用性。研究結果表明：1） IPC策略對極端湍流風工況、極端風剪切工況下的葉根合彎矩、輪轂合彎矩有明顯的降載效果。2） IPC策略對風電機組疲勞載荷有明顯的降載效果，尤其對旋轉輪轂坐標系下輪轂沿y軸力矩（My）的等效疲勞載荷的降載效果最為顯著。3） IPC策略對變槳軸承壽命有非常明顯的影響，影響程度與IPC動作的開啟條件有關，越早開啟IPC策略，對風電機組疲勞載荷的降載效果越明顯，但越不利于變槳軸承壽命。

關鍵詞：獨立變槳控制；葉根載荷測量；風電機組；不平衡載荷；極限載荷；疲勞載荷；變槳軸承壽命

中圖分類號：TK83 文獻標志碼：A

收稿日期：2023-09-25

通信作者：張曉磊（1991—），男，碩士，主要從事風電機組載荷計算分析方面的研究。cakencepu@163.com

0" 引言

近幾年，風電行業發展迅猛，競爭日益激烈，風電機組設計更新迭代的速度加快，整機層面的降本成為行業重點關注對象之一，而在降本策略中，降低設計載荷是風電機組研發的重要課題。由于獨立變槳控制（independent pitch control，IPC）策略能夠有效降低風輪的不平衡載荷，從而降低風電機組載荷，因此該技術的應用成為風電機組降本的重要方法之一。

國內外學者針對IPC策略及其應用開展了大量研究工作。田猛等[1]針對風剪切、風切變及塔影效應在葉片上產生的不平衡載荷，提出了一種基于徑向基函數（RBF）神經網絡的滑膜變結構IPC策略，利用RBF神經網絡的在線學習能力來提高IPC系統的動態性能，并搭建模型進行了仿真實驗。研究結果表明：該IPC策略能夠有效降低葉根的不平衡載荷。魯效平等[2]對基于IPC策略的風電機組的載荷控制進行了研究，利用d軸/q軸坐標變換設計模糊控制器，采用模糊比例-積分-微分（PID）控制分別對d軸、q軸的載荷分量進行控制，并進行了相應的仿真實驗。研究結果表明：與統一變槳控制（collective pitch control，CPC）技術相比，IPC策略可有效降低風電機組的不平衡載荷，風輪俯仰力矩最大峰值減少了約68.1%，且對功率的輸出基本無影響。韓兵等[3]為降低風電機組因風速擾動所造成的疲勞載荷，提出了一種基于RBF神經網絡的滑模IPC策略，通過實時微調葉片的槳距角來達到緩解風電機組疲勞載荷的目的。研究結果表明：該策略具有良好的控制效果，可使風電機組在大風速下實現功率穩定輸出。竇真蘭等[4]采用單神經元自適應PID控制策略設計了一種異步變槳策略控制器，并通過仿真驗證了其能夠減少風電機組轉矩的波動，提高風電機組的輸出功率及穩定性。蘇永清等[5]為降低風力機對塔身造成的疲勞載荷，提出了一種基于振動速度補償反饋的采用PID控制策略的IPC方法，并通過仿真驗證了該方法能有效減小葉片的振動速度及振動位移差，從而大幅降低了風力機對塔身造成的疲勞載荷。金鑫等[6]采用線性二次型調節器（linear quadratic regulator，LQR）方法設計了風電機組的獨立變槳策略控制器，用于降低風電機組關鍵部件的疲勞載荷，并進行了仿真驗證。研究結果表明：帶增益調度的IPC策略在保證額定轉速的情況下能夠保持風電機組功率的穩定輸出，并有效降低風電機組零部件的疲勞載荷。Deng等[7]針對風電機組疲勞載荷特性建立了多輸入、多輸出線性化矩陣模型，該模型引入了基于范數理論的單獨槳距控制算法，其得到的風電機組偏轉率結果表明，單獨槳距控制算法可以顯著降低風電機組的疲勞載荷。唐春林等[8]設計了神經元PID控制器以實現風電機組的獨立變槳控制。該控制策略是通過神經元PID控制計算出槳距角，然后與反向Park變換得到的槳距角附加值相加得到獨立槳距角的設定值。仿真驗證結果表明：該控制策略能夠有效降低風電機組零部件的疲勞載荷。付冬梅[9]基于葉片攻角權系數建立了獨立變槳風電機組的數學模型，并設計了獨立變槳自適應模糊PID控制系統，仿真分析結果表明：其可以改善葉片受力不均勻的情況，使風電機組的輸出功率更加穩定。

上述研究從多方面研究了IPC策略對不平衡載荷的影響，但均未從風電機組整機的角度探究IPC策略對整機部件載荷的影響，也未對IPC策略造成變槳軸承壽命降低的原因進行分析。基于此，本文設計不同開啟條件的IPC策略，研究不同IPC策略對風電機組整機部件載荷及變槳軸承壽命的影響。本文所研究風電機組均為上風向式風電機組。

1" 風輪不平衡載荷的產生原因

風電機組在設計之初會考慮風輪的傾角和錐角；另外，風剪切、偏航誤差、湍流、塔影效應等因素會導致風輪旋轉平面內的風速分布不均，造成風輪承受的載荷不均衡[10-11]，即風輪產生不平衡載荷，導致風電機組疲勞載荷增大。從滿足風電機組設計要求的角度來看，若不能很好地解決風輪的不平衡載荷問題，將導致風電機組的成本增加。在載荷計算過程中，偏航誤差為一個標準設定值，其他因素會根據具體場址產生變化。

1.1" 風剪切

產生風剪切的主要原因是風經過的地方存在各種粗糙單元的阻礙，導致風速減小。一般情況下隨著高度的增加，風受到粗糙單元的阻力會隨之降低，因此隨著高度不同，風速減小的程度也不同，這種風速變化程度隨高度變化的現象即為風切變。

風速隨著高度變化的規律可通過風廓線模型表示，該模型的公式為：

（1）

式中：u為h高度處的風速；u1為h1高度處的風速；α為風切變指數，其取值與地面粗糙度有關。

受風切變的影響，高度不同時，風輪旋轉平面內會受到不同程度的推力，導致風輪旋轉平面內的受力不平衡。若風電機組在運行過程中持續受到不平衡載荷的影響，最終會影響風電機組的疲勞壽命。

1.2" 湍流

大氣在短時間內做無規則運動產生的風速波動稱為湍流。湍流的形成與地形差異、垂直高度方向的溫度分布等因素有關，地表粗糙度、溫度、空氣密度等會導致湍流差異的產生。

常用的湍流風模型為正常湍流風模型，在IEC 61400-1： 2019《Wind energy generation systems—Part 1： Design requirements》中，湍流強度Ti的表達式為：

Ti=" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式中：v為輪轂高度處的風速；?為風電機組輪轂高度處風速的湍流標準偏差。

1.3" 塔影效應

當氣流經過風電機組塔筒時，塔筒阻礙了一定區域內的氣流，導致風速減小，這種現象被稱為塔影效應。目前，常見的風電機組塔架形式為鋼塔、混凝土和鋼混合塔架，在外形上均為筒形塔筒（即圓形），而筒形塔筒對風速的影響更大。

考慮塔影效應后，風電機組不同高度處風輪旋轉平面內的風速V（xt， yt）可表示為：

（3）

式中：xt、yt分別為風輪旋轉平面內某一點的x軸方向和y軸方向相對于塔架中心的坐標；ht為風輪旋轉平面內某一點距離地面的高度；V為來流風速；Y為塔架修正因子，一般為特定常數0.8[12]。

2" 變槳控制邏輯

風電機組控制主要分為轉矩控制與變槳控制兩個部分，其中：轉矩控制的主要目的是獲得最大風能，通常采用比例-積分（PI）控制來實現；變槳控制主要用于額定風速以上的功率控制。目前風電機組普遍應用的變槳控制邏輯為CPC策略。隨著風電機組的發展，風輪越來越大，風電機組開發不僅需要考慮性能提升，還要兼顧經濟性。因此，為了有效降低風輪的不平衡載荷，以及風電機組的疲勞載荷和成本，IPC的研究及應用越來越被重視。

2.1" CPC策略

CPC策略指在風電機組運行過程中給定相同的變槳速率及變槳角度，對3個葉片進行統一變槳控制。該策略主要是通過來流風速變化調整葉片的槳距角，目的是保證葉片可獲得最大風能且風電機組運行穩定，調節發電機的輸出功率使風電機組在特定功率下穩定運行。CPC策略的控制流程圖如圖1所示。

2.2" IPC策略

IPC策略是指分別單獨控制風電機組3個葉片的槳距角，由于運行過程中3個葉片的槳距角不同，相應葉片所承受的揮舞載荷也會隨之變化；對風電機組而言，風輪彎矩會隨葉片載荷的變化而變化。IPC策略通過每個葉片的單獨變槳來減小風輪的不平衡載荷，從而降低風輪的俯仰力矩Mtil、偏航力矩Myaw，以及風電機組的疲勞載荷。本文風輪的俯仰力矩及偏航力矩均基于固定輪轂坐標系定義。

固定輪轂坐標系及旋轉輪轂坐標系示意圖如圖2所示。圖中：下角標N代表固定輪轂坐標系；下角標R代表旋轉輪轂坐標系；x、y、z分別代表主軸方向、水平方向、垂直于主軸方向；Fx、Mx分別為x軸的力和力矩；Fy、My分別為y軸的力和力矩；Fz、Mz分別為z軸的力和力矩。

目前，IPC策略控制器的設計可通過葉根載荷測量、主軸載荷測量、輪轂載荷測量、塔頂載荷測量等方法來實現。為方便測量，本文選用葉根載荷測量方法進行IPC策略控制器的設計，而3個葉片的葉根My1、My2、My3載荷是基于旋轉輪轂坐標系定義的，因此IPC策略的控制算法需要進行坐標系轉化。

固定輪轂坐標系與旋轉輪轂坐標系之間的轉化關系為：

（4）

式中：φ為風輪的方位角。

通過風輪俯仰力矩和偏航力矩的坐標系轉化，可得到IPC策略對各葉片槳距角的變化量為：

（5）

式中：β1、β2、β3分別為3個葉片的槳距角；β2T、β3T分別為轉化到固定輪轂坐標系上對應葉片的槳距角。

將各葉片的槳距角、等效風速及葉根載荷變換到固定輪轂坐標系上，固定輪轂坐標系上葉根載荷與輪轂俯仰力矩和偏航力矩的關系為：

（6）

式中：My2T、My3T均為固定輪轂坐標系上的葉根載荷。

IPC策略與CPC策略的控制目標相同，即都是使風電機組可以平穩運行，并在運行中保持穩定的輸出功率；而IPC策略的不同之處在于其可以單獨控制每個葉片，根據每個葉片的受載情況賦予其不同的槳距角，最終達到降低風輪不平衡載荷的目的。

3" IPC策略的控制算法

IPC策略控制算法設計以3個葉片的葉根載荷和風輪的方位角作為輸入參數，然后根據坐標系轉化、控制邏輯計算，最終確定單個葉片的槳距角附加值。

風電機組控制系統通過葉根傳感器實時監測葉根My載荷，并通過IPC策略控制算法對得到的實時葉根My載荷進行計算處理，然后得到各葉片的槳距角附加值，在原始槳距角的基礎上根據槳距角附加值調整各葉片的槳距角。

風電機組的IPC策略主要有兩個部分，分別為CPC部分和槳距角附加值控制部分。CPC部分是根據輪轂處的風速槳距角附加值變化來調整并確定葉片的槳距角（即CPC策略）；槳距角附加值控制部分需要對3個葉片的葉根載荷進行d軸/q軸坐標變換，得到3個葉片的槳距角，再通過反d軸/q軸坐標變換得到IPC策略下3個葉片的槳距角附加值；最終將CPC信號與槳距角附加值控制信號疊加到每個葉片，形成IPC策略下各葉片完整的槳距角信號。

為使IPC策略控制器適合多場合應用，IPC策略控制算法設置了IPC動作的開啟條件，即當基于葉根載荷測量轉化后得到的風輪不平衡載荷大于IPC動作的開啟閾值時，開啟IPC動作。風輪不平衡載荷Mb的計算式為：

（7）

式中：Mtil，t為風輪的俯仰力矩目標值；Myaw，t為風輪的偏航力矩目標值。

IPC策略控制算法的流程圖如圖3所示。

4" 不同IPC策略載荷仿真計算的數據分析

以某兆瓦級風電機組為例進行IPC策略的載荷仿真計算，在IPC策略的迭代過程中分析該風電機組各部件的載荷變化情況，并對變槳軸承的壽命進行評估。

4.1" 載荷仿真計算的工況設置

基于GH-BLADED軟件，采用結構動力學模型的動態仿真計算風電機組的載荷，對各工況下仿真輸出的正交載荷時間序列（下文簡稱為“載荷時序”）的最大值進行后處理，從而確定極限載荷，且需考慮對應的安全系數以保證具有安全的設計值（即風電機組能夠承受的最大載荷值）。

分別對不同IPC策略下風電機組的極限載荷及疲勞載荷進行仿真計算，并對不同工況下風電機組各部件的載荷進行統計。載荷仿真計算的部分工況類型及采用的風模型如表1所示。

4.2" 不同IPC策略對風電機組極限載荷的影響

根據IPC動作的開啟條件計算對應的風輪不平衡載荷，然后設定IPC動作的開啟閾值。共設置3組不同的IPC策略仿真參數，分別為IPC策略全開（下文稱為“IPC_K1策略”）、d軸0.3倍額定扭矩以上開啟IPC策略（下文稱為“IPC_K2策略”）、d軸0.7倍額定扭矩以上開啟IPC策略（下文稱為“IPC_K3策略”），然后通過對不同工況條件下采用不同IPC策略與CPC策略時風電機組各部件的載荷進行對比分析，查看采用不同IPC策略后風電機組的降載效果。

不同IPC策略下IPC動作的開啟條件不同，其他參數均相同。不同極限工況下IPC策略對風電機組的降載效果不同，計算采用CPC策略及不同IPC策略時風電機組各部件的極限載荷（以合彎矩表征），結果如表2所示，并對其進行對比分析。表中：Mxy為在x軸和y軸之間的力矩；Myz為在y軸和z軸之間的力矩。

從表2可知：與采用CPC策略相比，采用IPC策略可降低風電機組各部件的極限載荷，采用IPC_K1策略可分別使輪轂合彎矩、葉根合彎矩、偏航合彎矩降低18%、10%、21%。另外，不同IPC策略之間風電機組各部件極限載荷的差距很小。

基于葉根合彎矩進行不同極限工況下的葉根極限載荷統計，對比CPC策略與IPC_K1策略之間的載荷差異。不同極限工況下IPC_K1策略與CPC策略的葉根Mxy合彎矩比值如圖4所示。

從圖4可知：在dlc13工況、dlc15工況這類與湍流相關工況下，IPC_K1策略對風電機組的降載效果比較明顯。這是因為在湍流相關工況下，由于湍流強度的影響，風速波動會造成風輪的不平衡載荷，而IPC策略可通過控制各葉片的槳距角來降低風輪的不平衡載荷。在dlc14工況、dlc23工況這類穩態風工況下，IPC_K1策略對風電機組的降載基本無效，這也符合IPC策略的降載邏輯。

輪轂載荷主要由風輪受力不平衡引起，因此統計IPC策略對輪轂載荷的降載效果具有重要意義。不同極限工況下IPC_K1策略與CPC策略的輪轂Myz合彎矩比值如圖5所示。

從圖5可知：在dlc14工況下，IPC_K1策略可使輪轂合彎矩降低約41%，說明IPC_K1策略能夠大幅降低風輪的不平衡載荷。另外，在dlc13工況、dlc15工況下，IPC_K1策略可使輪轂合彎矩降低約18%，說明IPC_K1策略也能夠有效降低由湍流及風切變造成的風輪不平衡載荷。

偏航Mxy極限載荷的減小比例可直接反映IPC策略對風輪不平衡載荷的降載作用。不同極限工況下IPC_K1策略與CPC策略的偏航Mxy合彎矩比值如圖6所示。

從圖6可知：在dlc13工況、dlc15工況下，IPC_K1策略可使偏航Mxy合彎矩降低約15%；在dlc14工況下，IPC_K1策略可使偏航Mxy合彎矩降低約52%。

4.3" 不同IPC策略對風電機組疲勞載荷的影響

由于IPC策略對湍流風且正常發電工況（即dlc12工況）下風輪的不平衡載荷具有明顯的降載效果，因此該策略能夠有效降低風電機組的疲勞載荷。針對風電機組疲勞荷載的分析僅在旋轉輪轂坐標系下進行。

dlc12工況下IPC_K3策略與CPC策略的輪轂My載荷時序對比如圖7所示。

從圖7可以看出：dlc12工況下，與CPC策略相比，IPC_K3策略能夠降低輪轂My載荷時序的幅值及均值。

采用雨流計數法處理疲勞工況（本文以dlc12工況進行分析）載荷時序，將載荷時序簡化為若干個滿足雨流計數的應力循環，并記錄動應力，然后對動應力進行分倉，從而求得等效疲勞載荷。等效疲勞載荷σe的計算式為：

（8）

式中：σi為材料的動應力；ni為動應力對應某級別的頻次；m為材料的wohler指數。

計算不同IPC策略下風電機組各部件的疲勞載荷，并與CPC策略進行對比分析，查看IPC策略對風電機組各部件疲勞載荷的降載效果。采用CPC策略與不同IPC策略時風電機組各部件的等效疲勞載荷如表3所示。

從表3可知：IPC策略可以降低風電機組各部件的疲勞載荷，尤其對輪轂My等效疲勞載荷的降載效果顯著。與CPC策略相比，采用IPC_K1策略時輪轂My等效疲勞載荷可降低約24%，葉根My等效疲勞載荷可降低約9%。由于葉根Mx等效疲勞載荷主要由葉片重力載荷引起，因此IPC策略對葉根Mx的等效疲勞載荷基本無影響。

不同IPC策略與CPC策略下風電機組各部件的等效疲勞載荷的比值如圖8所示。

風電機組的等效疲勞載荷主要通過dlc12工況進行分析，該工況采用正常湍流風模型進行載荷仿真。從前文分析可知，IPC策略可有效降低由湍流引起的風輪不平衡載荷，而從圖8可知：IPC策略可有效降低輪轂My的等效疲勞載荷。

4.4" 不同IPC策略對變槳軸承壽命的影響

IPC策略的特點是對單個葉片進行單獨的變槳控制，且變槳動作根據IPC動作開啟條件的不同而不同，最終通過實時變槳動作降低風輪的不平衡載荷，因此，IPC策略會大幅增加葉片的變槳動作頻率。而變槳動作頻率的增加會加大變槳軸承的疲勞損傷，從而降低其壽命。通過對疲勞工況載荷時序進行后處理，將變槳速率絕對值對變槳發生時間進行積分得到變槳圈數；變槳圈數統計體現了某一策略下不同扭矩值時的變槳圈數總和。對不同IPC動作開啟條件下和CPC策略下的變槳圈數進行統計，分析不同IPC策略對變槳軸承壽命的影響，其變槳圈數分布及統計分別如圖9、表4所示。

結合前文的分析結果，從圖9和表4可知：雖然IPC_K1策略（全開）對輪轂My的等效疲勞載荷的降載最多，但與CPC策略相比，該策略的變槳圈數也增加了約7.28倍，對變槳軸承壽命的影響最大。因此IPC策略的應用需要綜合考

慮風電機組的降載需求與變槳軸承壽命，需要根據具體情況選擇IPC策略的開啟閾值。若在風電機組設計時標配IPC策略，變槳軸承可選用3排柱變槳軸承，其承載能力強，可解決IPC策略對變槳軸承壽命造成的影響，充分發揮IPC策略的降載能力。

5" 結論

本文以降低風電機組運行過程中的不平衡載荷和成本，提升其競爭力為目的，對IPC策略在風電機組運行過程中的降載效果進行了研究。基于葉根載荷測量方法設計了IPC策略控制器，以某兆瓦級風電機組為例，設計了不同開啟條件的IPC策略，對IPC策略對風電機組整機部件載荷及變槳軸承壽命的影響進行了研究，并與CPC策略進行對比，驗證了IPC策略的可行性及實用性，得到以下結論：

1）與CPC策略相比，采用IPC_K1策略可使風電機組的輪轂合彎矩、葉根合彎矩、偏航合彎矩分別降低約18%、10%、21%。IPC策略對極端湍流風工況、極端風剪切工況的葉根合彎矩、輪轂合彎矩有明顯的降載效果。

2） IPC策略對風電機組疲勞載荷有明顯的降載效果，尤其對旋轉輪轂坐標系下輪轂My等效疲勞載荷的降載效果顯著。與CPC策略相比，IPC_K1策略下葉根My等效疲勞載荷可降低約9%，旋轉輪轂坐標系下輪轂My等效疲勞載荷可降低約24%。

3）由于IPC策略通過實時變槳動作減小由湍流、風切變等引起的風輪不平衡載荷，這對變槳軸承的要求更高，其對變槳軸承壽命有非常明顯的影響，影響程度與IPC動作的開啟條件有關，越早開啟IPC策略，越不利于變槳軸承壽命。因此在實際應用中需要根據實際載荷需求設計IPC策略；若在風電機組設計時標配IPC策略，可選擇3排柱變槳軸承，以充分發揮IPC策略的降載能力。

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STUDY ON INFLUENCE OF DIFFERENT IPC STRATEGIES ON

LOAD OF WIND TURBINE COMPONENTS AND LIFE OF

PITCH BEARINGS

Zhang Xiaolei，Xue Yanhua，Guo Junkai，Jing Hongjing，Qu Mulin，Wang Wei

（Ming Yang Smart Energy Group Limited，Zhongshan 528437，China）

Abstract：The independent pitch control （IPC） strategy can effectively reduce the unbalanced load of wind wheels，and different IPC strategies will directly affect the load and pitch bearing life of wind turbines. With the aim of reducing the unbalanced load and cost during the operation of wind turbines and enhancing their competitiveness，this paper designs an IPC strategy controller based on the blade root load measurement method. Taking a certain megawatt level wind turbine as an example，IPC strategies with different opening conditions are designed to analyze the load reduction effect of different IPC strategies during the operation of wind turbines. The impact of different IPC strategies on the load of wind turbine components and the life of pitch bearings is studied，and compared with the collective pitch control （CPC） strategy to verify the feasibility and practicality of the IPC strategy. The research results show that： 1） The IPC strategy has a significant load reduction effect on the root resultant bending moment and hub resultant bending moment under extreme turbulent wind operating conditions and extreme wind shear operating conditions. 2） The IPC strategy has a significant reduction effect on the fatigue load of wind turbines，especially on the equivalent fatigue load of the hub along the y-axis moment （My） in the rotating hub coordinate system. 3） The IPC strategy has a very significant impact on the life of pitch bearings，and the degree of impact is related to the opening conditions of the IPC action. The earlier the IPC strategy is opened，the more obvious the load reduction effect on the fatigue load of wind turbines，but the less conducive it is to the life of pitch bearings.

Keywords：IPC；blade root load measurement；wind turbines；unbalanced load；ultimate load；fatigue load；life of pitch bearing