风电系统独立变桨距控制综述

马忠鑫，潘庭龙

(江南大学，江苏无锡214122)

0 引 言

目前，变桨距已成为市场上大中型风力机桨叶控制的主流运转形式。这种风力机可根据随机风速的变化对桨叶节距角进行调整，使得在一定的风速范围内最大地利用风能。变桨距控制有统一变桨距和独立变桨距两种形式。统一变桨距系统通过执行机构对风力机的三个桨叶实同步调节控制。随着风电机组装机容量、塔架高度及风轮半径的增大，其缺点也暴露出来［1－2］。首先统一变桨距调节的前提条件是风轮扫平面内的风速是相同的，当然这在实际中是不可能的，当兆瓦级的发电机组运行在额定风速时，风轮扫及面的最高端与最低端风速的不同使得吸收功率相差20%，这使得统一变桨距没有优势。其次由于各个桨叶上承受的风速不同，使得桨叶在旋转过程中，桨叶所承受的载荷也不相同，而统一变桨距显然不能对上述问题进行很好的调节。

独立变桨距控制技术是在统一变桨距控制的基础上发展起来的，且它的每个桨叶都有一套独立的变距伺服驱动系统。显然，独立变桨距控制能够解决上述缺点所引起的问题。

1 独立变桨距技术的控制目标

风机实现风能到机械能的转换。根据贝兹理论，风机捕获的机械功率［3－4］:

其中:ρ为空气密度;Cp为风能捕获系数;R为叶片半径;v为风速。

根据式(1)可知，调节Cp可以调节捕获的风能，Cp为叶尖速比λ与桨矩角β的函数，可以用如下非线性函数模拟［5］:

由式(2)得到变桨距风力机特性曲线，如图1所示，从图中可归纳出以下两点。

图1 变桨距风力机特性曲线(Cp－λ)

(1)对某一固定的节距角β下，最大风能利用系数Cpmax具有唯一性。

(2)对任意叶尖速比λ，当桨叶的节距角β=0时，风能利用系数Cp相对最大;当节距角β增大时，风能利用系数Cp相对减小。

当风速大于额定风速时，发电机的输出功率也会相应增大，如果不对系统进行控制，这对于系统来说是不利的。根据图1，适当增加节距角可以使风能利用系数减小，发电机的输出功率也相应减小。因此当发电机的输出功率大于额定值时，可以通过调节桨叶节距角来减小发电机的输出功率并使之维持在额定值。

独立变桨距可以充分利用风速在各个桨叶上分布的不同，对各桨叶的节距角进行有效地调节，在保证输出功率稳定的情况下降低了作用在桨叶上的载荷，减轻输出力矩的波动，减小桨叶拍打振动，提高了风力机的工作效率。

2 独立变桨距控制策略

如上所述，独立变桨距控制技术的出现，为降低风机动态载荷等目标提供了更先进的解决方案。目前国外的研究主要集中在如何进一步减小系统载荷包括风电系统旋转部分和非旋转部分的载荷;国内主要侧重智能控制理论应用在对风电系统的研究控制方面。下面对目前两类独立变桨距控制策略进行概述。

2.1 基于桨叶载荷估计的控制策略

通常情况下，独立变桨距控制基于两个分离的SISO环，以实现降低转子的倾斜力矩和偏航力矩的目的。文献［6－10］将桨叶载荷的周期分量通过Coleman变换，建模到转子的倾斜力矩和偏航力矩中，从而实现采用SISO的PI控制环来降低转子力矩的低频成分。此控制策略的框图如图2所示。

图2 基于桨叶载荷估计的独立变桨距控制

Coleman变换公式:

式中:M1、M2、M3为桨叶上的测得的载荷力矩;Mtilt、Myaw为变换到二相垂直的d－q轴上的倾覆力矩和偏航力矩。

设定PI调节器的给定值为零，从而实现常规SISO的PI控制环来降低转子力矩的低频成分，经过PI变换到d－q轴下的倾斜方向和偏航方向的变桨角 θ2、θ3，后经过 Coleman反变换。即:

转换成各桨叶的微调的变桨角 β1、β2、β3，即实现了对独立变桨距控制和桨叶载荷的减小。ωref、ωmeas分别为桨叶的期望角速度、测量角速度;β0为统一变桨角。

另外，图2中的ωref、ωmeas分别为桨叶的期望角速度、测量角速度，β0为统一变奖角。

该控制策略在实现对桨叶载荷的降低有显著的成果，且操作简单，具有一定的鲁棒性，且本控制策略对于载荷的测量要求较高。文献［11］采用了LQG优化控制方法对此进行了改进，但是这些对于风电系统的非旋转部分的疲劳载荷的降低确实微乎其微。文献［12］采用修改Coleman变换，对基本的独立桨距控制进行扩招，大大降低了两倍频、三倍频周期分量。文献［13］根据Coleman域的多变量优化控制及风速信号信号估计方法，在此模型上做出了改进，其思想是通过统计学的随机游走模型对桨叶有效风速信号在轴向、偏航、倾斜三个方向上的分量进行建模，并与风机的状态扩展在一起，通过扩展的卡尔曼滤波器进行状态估计，然后将估计的风速信号应用到动态扰动前馈控制器中;前馈控制与LQG最优反馈控制器的输出叠加在一起，构成前馈－反馈的控制结构。

2.2 基于智能控制的策略

风电系统的控制目标是根据各桨叶所受风速的不同对三个桨叶节距角进行调节控制，以实现在额定风速以上保证发电机工作在额定功率。针对风力机的非线性模型特征及风的不确定性和随机性的特点，所以采用带有加权系数的模糊控制［5，14］。模糊控制器的输入为独立变桨角给定值与实际测得的βi的差值ei，还有其差值的微分Δei。

其原理框图如3所示。Pref、Pmea分别为风力机的期望功率及实际测量功率;β0为桨叶的统一变桨角。根据各个桨叶所承受风速的不同，利用加权系数加以微调，即有:

式中:ci为加权系数，其值与平均风速vi有关，大小［5］:

如果忽略桨叶的形状，则各桨叶受风的平均风速为vj就在其中心位置。

式中:v为风速信号;θ为桨叶的方位角。

变桨距电机执行机构的模型:

式中:Tβ为时间常数;βr为参考节距角;β为对应各个桨叶分别为 β1、β2、β3。

该控制策略实现电机输出功率的稳定，减小桨叶拍打振动。但是对于极端风况给风机造成的过载荷的问题缺乏研究，且模糊控制的方法依赖于知识规则，系统的自适应能力不高，易造成精度下降。

图3 基于模糊控制的独立变桨距控制

3 展 望

由于独立变桨距控制研究还处于起步阶段，就研究现状分析而言，仍有一些亟待解决的科学问题，这些问题的解决对于提高风力发电系统的稳定性、可靠性等起到至关重要的作用，对完善风电系统的控制技术及理论具有重要促进作用。其主要问题体现在以下三方面:

(1)具有结构相对简单、物理意义明确，又能最大程度地体现风机动力学特性、载荷特性的风机非线性模型建立问题。目前采用的风机模型主要有两类，一是线性化模型，该模型或者忽略了风机的动态特性，或者对动力学特性进行了简化;二是由空气动力学非线性模型与专用软件生产的结构的力学线性化模型，该模型一方面输入、输出及状态变量非常多，结构复杂，另一方面，模型内部结构透明性低，不利于风机的动态载荷的分析计算，从而影响极端风况下降荷控制策略的有效进行。

(2)同时实现风速与风向实时观测的观测器设计。目前，风况观察主要有两大类，第一是依赖于转子有效风速的观测，并根据该信号作出判别，显然转子有效风速不能全面反映风机各桨叶所承受的实际风况;第二类，尽管考虑了风速、风向问题，但其采用的观测器主要依赖于线性化模型或者复杂的非线性化模型，在观测精度、速度及计算的复杂度方面都有待进一步提升。所以同时实现风速与风向实时观测的观测器设计是一项艰巨任务。

(3)实现降低桨叶及塔架载荷疲劳的风力机独立变桨距优化控制方法问题。新投入的大型风电机组多数运行在变桨距控制方式下，统一变桨距的研究相对比较成熟，虽然统一变桨距控制可以在稳定输出功率的前提下，实现转子过速保护等，但是对于降低处于多维风场中的风机叶片的载荷效果不佳;独立变桨距控制可以弥补以上缺陷。

但目前独立变桨距控制研究还处于起步阶段，采用的方法大多为基于线性化模型的常规控制方法或单一智能控制方法等，较难实现变化风速对风机动态载荷造成的影响进行全面有效的控制。

4 结 语

本文通过对独立变桨距控制理论及控制目标的分析来引出独立变桨距控制方法策略。从目前的参考文献来看，独立变桨距的控制理论的控制方法及成果有限，这也是值得研究的一个方向，以实现对风电系统多目标进行优化控制为目标，将会对独立变桨距起到更优的控制效果，这对于规模日益扩大的风电场来说是一个亟需解决的问题，同时对于以后的研究来说这也是一个热点。

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