减小塔影和风切变效应的变桨距控制方法研究_邢作霞

{
1 － Δcos2
πx WDT
2
[1 + ( D 2)
x2 － z2 （ 0． 5 － cos） + （ x2 + z2 ） 2 其他区域 （ 6）
]
（ 0 ． 5 + cos）
— —叶片方位角的位置； Δ — — —在尾迹中心 式中， — — —某高度 处最大速度损失和当地风速的比值； W— 其 塔架直径处的塔影宽度和塔架直径 D T 的比值， 变化与局部塔架直径 D T 呈比例关系。 其中， 区域 1 定义同上所述， 此范围之外为其他 区域。 2． 2． 3 组合模型 组合模型定义为： 在塔架的前部和侧边应用势 流模型描述塔影效果； 在下风向中的任一质点， 取势 流模型和经验模型计算中的最大偏差者； 在中间个 为达到平稳过渡， 若势流模型是 别交叉过渡区域内， 加速效应， 经验模型是减速效应， 则取其乘积为修正 因子 A。
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太
阳
能
学
报
34 卷
着风力机风轮直径的增加， 风力机的俯仰弯矩和偏 航弯矩都会增大。这将对风力机的使用寿命和运行 安全产生影响。 风切变可采用指数模型或对数模型描述， 指数 （ 1 ） 、 （ 2 ） 。 模型和对数模型分别如式 式 所示 V（ h ） = V（ h0 ）ห้องสมุดไป่ตู้
— —叶片方位角的位置。 式中， — 各区域定义为： 区域 1 为风轮底部正中心相对 于轮毂中心 ± 60° 方位角范围内； 区域 2 为风轮顶部 正中心 ± 60° 之间方位角范围内； 其他区域为其他方 位角范围内。如图 1 所示。
（ 3）
( )
[ ( )
]
（ 0 ． 5 + cos）
其他区域 （ 4）
6期
邢作霞等： 减小塔影和风切变效应的变桨距控制方法研究
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3
3． 1
独立变桨距控制
独立变桨距控制线性时变模型
h Fx — — —分别为叶片挥舞力 转矩对风速的导数； k F x 、 h Mz — — —分 对桨距角、 叶片挥舞力对风速的导数； k M z 、 叶片挥舞弯矩对风速 别为叶片挥舞弯矩对桨距角、 h Fz — — —分别为气动力对桨距角、 的导数； k F z 、 气动力 对风速的导数。 2， 式（ 10 ） ～ 式（ 15 ） 中的输入变量 ｛ θ i ∣ i = 1 ， 3 ｝ 和｛ ui ∣ i = 1 ， 2， 3 ｝ 分别为 3 支叶片给定桨距角 变化量和各叶片上的有效风速变化量， 这里取每个 叶片上距离轮毂中心 3 Ｒ b /4 处的风速作为整个叶片 2， 3 ｝ 是风轮叶片的 的等效风速。变量 ｛ ψ i ∣ i = 1 ， 方位角， 由式（ 16 ） 给出： ψ1 （ t ） = Ω（ τ ） d τ －∞ 2 ψ2 （ t ） = ψ1 （ t ） + 3 π ψ3 （ t ） = ψ2 （ t ） + 2 π 3
M·
{
Mtilt =
（ 9） M z1 = － h M z ·v fa + k M z ·θ1 + h M z ·u1 M z2 = － h M z ·v fa + k M z ·θ2 + h M z ·u2 M z3 = － h M z ·v fa + k M z ·θ3 + h M z ·u3 （ 10 ）
2
2． 1
风切变与塔影效应
风切变
在大气边界层中， 平均风速随高度的增加而增 加， 其变化规律称为风切变。由于风切变的存在， 导 致风轮在整个扫掠面上受到的载荷不均衡 ， 并且随
0523 收稿日期： 2011238100 ） 基金项目： 国家自然科学基金 （ 51075281 ） ； 辽宁省高等学校创新团队项目教育厅（ LT2010081 ） ； 沈阳市科技计划项目（ F11通讯作者： 邢作霞（ 1976 —） ，女，博士、副教授，主要从事风力发电控制方面的研究。xingzuox@ 163． com
( zh )
( )
h0 z0
0
（ 2）
塔影效应是指风遇到塔架阻塞改变大小和方向 的变化。塔影效应对叶片的影响可等效为叶片经过 塔架时风速的降低。 根据定义， 塔影效应对下风向 只有叶片在 风力机有显著影响。 在上风向条件下， 塔架来流前方上游的很远处时， 塔影效应才可忽略， 实际中上风向风力机塔影效应依然存在， 只是较下 风向机组的影响稍弱。 塔影效应主要有 3 种不同模型， 分别为上风向 的势流模型、 下风向的经验塔架尾迹模型 （ 经验模 型） 和组合模型。 2． 2． 1 势流模型 对于运行在塔架上风向的风轮， 可利用势流模型 来描述其特性。塔架上风向的纵向风速分量 V0 可用 一个假设来修正， 该假设认为在一个直径为 D = F·DT 的圆柱附近层流是不可压缩的， 这里 DT 是要计算塔 影高度处的塔架直径， 而 F 是塔架直径修正因子。对 于塔架中心线前方距离为 z， 且距离穿过该中心线的 风向量为 x 的一点来说， 风速 V 由式（ 3） 给出： V（ x ， z） = AV0 其中：
（ 沈阳工业大学新能源工程学院，沈阳 110023 ）
摘
要： 针对风切变和塔影效应对风电机组载荷波动性的影响问题 ， 为改善风电机组的工作性能 ， 提出采用独立
变桨距控制策略来削弱风切变和塔影效应的影响 。首先建立独立变桨距控制线性时变模型 ， 通过 Coleman 变换将 其变换成线性时不变模型 ， 完成独立变桨距控制系统的设计 。 在 Bladed 软件中， 建立独立变桨距控制模型 ， 并对 3MW 三叶片风电机组独立变桨距和统一变桨距两种控制策略进行仿真对比分析 。 仿真结果表明： 采用独立变桨 削弱了风切变和塔影效应的影响 ， 延长了机组的使用寿命 。 距控制策略的风电机组相比于统一变桨距控制 ， 关键词： 独立变桨距； Coleman 变换； 风切变； 塔影效应； 雨流计数 中图分类号： TM614 文献标识码： A
Mrotor = kMx ·（ θ1 + θ2 + θ3 ） + hMx ·（ u1 + u2 + u3 ） － ds nod 3 h Mx · dt ds nod dt
z
（ 11 ）
Fax = kFx ·（ θ1 + θ2 + θ3 ） + hFx ·（ u1 + u2 + u3 ） － 3 h Fx ·
0
引
言
立独立变桨距控制系统， 并将其与统一变桨距控制系 统策略的俯仰和偏航载荷进行仿真对比。
随着风力发电机组向大型化、 轻量化方向发展， 风轮直径不断增大， 湍流、 风切变和塔影效应引起的俯 偏航弯矩等附加载荷也随之增大。这些附加 仰弯矩、 载荷会加快风力发电机组的疲劳， 影响机组的使用寿 命。降低这些附加载荷较有效且可行的办法就是采用 独立变桨距控制技术， 给每个叶片叠加一个独立桨距 信号， 使 3 支叶片具有不同的空气动力学特性， 以补偿 ［ 1 ～3 ］ 。 风的不均匀性引起的俯仰载荷和偏航载荷 4］ 文献［ 实现了对传统控制系统 PID 参数的在 但由于遗传算法自身特点， 实时控制效 线实时调节， 5］采用多模变桨距控制， 果较差。文献［ 具有很好 6 ～ 8］ 的响应特性和抗扰能力， 但较复杂。 文献［ 在 额定风速以上的工况采用二维模糊变桨控制 ， 使功 率稳定在额定工作点附近， 在一定程度上解决了数 学模型复杂， 受参数变化和外部干扰严重， 系统本身 、 、 ， 的非线性 时变 强耦合等困难 但消除系统稳态误差 9， 10］ 的性能较差， 控制精度较小。文献［ 将神经网络 运用到风电系统， 通过自学习可实现良好的控制效 果， 但算法计算量较大， 不能保证系统的实时性。 本文引入坐标变换卡尔曼（ Coleman） 变换， 通过 其将独立变桨距控制线性时变系统模型变换为线性 时不变模型， 将系统部分解耦。同时， 加入控制器， 建
1
载荷来源及其分类
作用在风力发电机组上的力和力矩称为载荷。 载荷可分为静态载荷、 稳态载荷、 周期载荷、 动态载 荷、 脉动载荷、 随机载荷、 谐振诱导载荷 7 种类型。 风力发电机组的外界载荷主要作用在叶片上 ， 而作 用在塔架上的载荷（ 包括扭矩、 轴向和侧向的弯矩 ） 也主要是由叶片承受的载荷引起 。 作用在叶片上的载荷主要来源于空气动力载荷、 重力载荷和惯性载荷（ 包括离心力和回转效应） 以及 偏 由于控制系统动作而引起的运行载荷（ 例如刹车、 航、 变桨距控制和发电机脱网等） 。作用在叶片上的 重力载荷对叶片产生摆振方向的弯矩， 它随叶片方位 是叶片的主要疲劳载荷。作用 角的变化呈周期变化， 在风轮上的空气动力是风电机组最主要的动力来源， 也是造成各零部件的主要载荷来源。
3
（ 12 ） dsnod － hMx ·ui + hMx · dt
∑ [ sinψi ·( － kM ·θi i =1 ∑ [ cosψi ·( － kM ·θi i =1
3
z
)] )]
（ 13 ） dsnod － hMx ·ui + hMx · dt
( hh )
0
α
（ 1）
h0 — — —参考高度； α — — —风切变指数， 式中， 当α = 0 时， 表示风速随高度不发生变化。 log V（ h ） = V（ h0 ） log z0 — — —地面的粗糙度。 式中， 2． 2 塔影效应
Fig． 1 图1 风电机组简图 Group diagram of wind turbine
2 x2 － z2 1 + D 区域 1 2 （ x2 + z2 ） 2 A = 1 区域 2 2 2 2 x －z 1+ D （ 0． 5 － cos） + 2 （ x2 + z2 ） 2
2． 2． 2
经验模型
对于运行在塔架下风向的风轮， 提供了经验式 且风尾迹遵循余弦变化。 对于塔架中心线前 模型， 方距离为 z， 且距离穿过该中心线的风向量为 x 的一 点来说， 风速 V 由式（ 5 ） 给出： V（ x ， z） = A'V0 其中： A' = （ 5） 区域 1
独立变桨距控制的控制对象是风轮， 而风力机 的运动在风轮的驱动下带有强耦合性 、 非线性特征。 为便于控制器的设计， 本文抽取包含风轮空气动力 学特性的线性化模型作为被控对象 。 对于三叶片风力机而言， 风轮转动惯量为 J， 风 轮角速度为 Ω， 主轴转矩为 M rotor ， 塔架上顶部质量为 M， 塔架前后位移为 s nod ， 塔架左右位移为 s nay ， 轴向力 轮毂高度为 H， 塔架刚度为 S， 塔架阻尼系数为 为 F ax ， D， 俯仰弯矩为 Mtilt ， 侧向力为 F sd ， 偏航弯矩为 Myaw 。 风轮旋转和机舱的运动方程为： dΩ J· = M rotor dt M· （ 7）
∫
t
（ 16 ）
d2 s nod ds nod 3 + D· + S·s nod = F ax － ·M tilt 2 2H dt dt （ 8） d2 s nay ds nay 3 + S·s nay = F sd + + D· ·M rotor 2 dt 2H dt
风力机气动载荷系数与风力机的风能利用系数 C P 和推力系数 C F 有关， C F 与风速、 且 CP 、 桨距角、 风轮转速有关， 从而风速、 桨距角和风轮转速都会对 气动载荷系数产生影响。 式（ 10 ） ～ （ 16 ） 得出了风轮的运动方程以及俯 仰弯矩和侧向力的表达式， 但俯仰弯矩和侧向力受 多个变量的影响， 且相互之间有强耦合， 控制器的设 计会更复杂。为了简化计算， 这里将风轮的运动方 程转换成标准的状态空间形式表述 。 3． 2 状态空间形式 风轮 运 动 方 程 的 状 态 空 间 描 述 标 准 形 式 如 式（ 17 ） 、 式（ 18 ） 所示。 = Ax + Bu x （ 17 ） y = Cx + Du （ 18 ）
第 34 卷
第6 期
太
阳
能
学
报
Vol. 34 ，No． 6
June， 2013
2013 年 6 月
ACTA ENEＲGIAE SOLAＲIS SINICA
0096 （ 2013 ） 06 0915 09 文章编号： 0254 -
减小塔影和风切变效应的变桨距控制方法研究
邢作霞 ， 陈 雷 ， 厉 伟 ， 孙宏利