激光测风系统辅助变桨控制

2012-03-25吴赛男

东北电力技术 2012年4期

吴赛男

(中国电能成套设备有限公司，北京 100011)

激光测风系统是风力发电机发展过程中的一项新技术。安装于机舱顶部的激光雷达测风系统可以测量风机正前方一定距离内不断变化的风向与风速，如果使用这些信息来控制风机的变桨动作，叶片桨距角就会在风速升高 (或降低)前增大 (或减小)。这不但可以降低叶片、轮毂及塔架等主要部件的载荷，使机组安全性得以提高，还可以在阵风来临前变桨，避免机组出现过速停机的故障，从而增加发电量。本文就激光测风系统辅助变桨控制的原理及实现进行了分析，并在CH Bladed软件仿真平台上对激光测风系统辅助变桨控制器的效果进行仿真，从而验证了该控制方法的有效性。

图1 测风激光雷达光路示意图

1 激光测风系统辅助变桨控制器设计

目前一般采用的变桨控制系统是通过测量叶轮转速来改变桨距角以保持风机转速为额定转速的反馈控制系统。但由于该系统的滞后性，当风速变大时，叶轮系统首先受到大风影响后变桨系统才起作用，这就导致了载荷的增加。而使用激光测风系统后，变桨系统提前动作可以减小机组的载荷。

1.1 激光测风系统原理

激光测风系统基于激光所具有的高度相干性、单色性、方向性和探测器的平方律特性，通过激光外差探测风速。激光雷达测风速原理如图1所示。

从激光器发出的频率为f0的激光，经过分光器被分成2束，一束直接送到光电探测器，另一束射向运动粒子 (风)，经粒子反射后形成频率为f的回波，也被送到光电探测器。2束光经过中频放大器后送往鉴频器。鉴频器根据收到的f0和f，并按多普勒原理计算出风的运动速度［1］。

1.2 变桨控制器设计

激光测风系统辅助变桨控制在目前采用的反馈控制系统基础上添加前馈控制，见图2［2］。

图2 反馈及前馈变桨控制系统框图

图3 静态风速—桨距角曲线

图2中，ΣFB是当风速大于额定风速时，用来调节桨距角θ以使发电机转速Ω保持在额定转速的反馈控制器;ΣFF是前馈控制器。在理论上，如果能精确描述风速对转速的影响ΣΩv及桨距角对转速的影响ΣΩθ，前馈控制器ΣFF就可由式 (1)得:

由于系统的复杂性，无法精确描述ΣΩv及ΣΩθ，因而无法得到精确的前馈控制器ΣFF。但风场内的风模型可以简化为一风速变量v［3］，并通过Bladed软件分析可得到静态的桨距角θ与风速v的关系曲线，如图3所示。通过非线性函数拟合，可得到θ与v近似函数关系:θ=θss(v)。在前馈控制器中，该函数关系为通过风速计算桨距角的基本依据。

为实现激光测风系统辅助变桨控制，变桨指令采用前馈控制与反馈控制加权求和的方法。其具体形式为

其中，θdemand为变桨指令;θ1为激光测风仪变桨控制给出的变桨位置;θ2为反馈控制器的变桨位置;α为加权系数。

对于不同配置机组，可通过调节拟合函数θ=θss(v)及加权系数α来得到最优变桨控制器。

2 仿真结果

本文使用的某风机模型的风速—桨距角拟合函数如式 (3)所示。

为实现激光测风仪的前馈控制，达到提前变桨的目的，需要在式 (3)中加入时间提前量τ，即

一般取τ=0.5 s，以确保覆盖变桨执行机构的响应时间［4］。

根据IEC规范［5］，分别采用传统的反馈变桨控制器与激光测风系统辅助变桨控制器，通过在GH Bladed软件仿真平台上仿真计算后，得到的机组主要部件疲劳载荷结果如表1～表4所示，极限载荷结果如表5～表8所示。式中，α为式 (2)中的加权系数，Mx、My、Mz、Mxy、Myz分别为各主要部件在x、y、z、xy、yz方向上受到的力矩;Fx、Fy、Fz、Fxy、Fyz分别为各主要部件在 x、y、z、xy、yz方向上的受力。载荷降低值为正表示载荷降低的比例，反之则表示载荷上升的比例。

从上述表格可知，采用本文的激光测风辅助变桨控制方法 (α=0.5)与传统的反馈变桨控制方法 (α=0)比较，机组的极限载荷显著降低，尤其是在风机设计时需要重点关注的叶根My、轮毂Myz、塔底Mxy及偏航轴承Mxy极限载荷降低较大。而当α=0.5时，机组疲劳载荷也有一定的降低，只是其降低值相对较小。