基于半实物仿真的风力机变桨距控制实验

崔双喜， 王维庆， 周顺平

(1.新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.中国石油天然气股份有限公司 乌鲁木齐石化分公司炼油厂，新疆 乌鲁木齐 830019)

0 引 言

风电是当前开发速度最快的清洁可再生能源，为适应风电产业飞速发展的需求，许多高校都相继开设了风能与动力工程专业。为适应市场对学生高质量的要求，短期内提高学生在校实践能力，培养理论与应用复合性人才，到实际运行的风电场将理论知识与实践短期内结合显然是不现实的，也是不切合实际的，学生在校期间需要有一个风电实践场所[1-3]。为此，利用实验室现有风力发电机组资源，在施加仿真模拟风速后，验证独立变桨距控制[4-6]时，风力机桨距角和功率及载荷的规律。设计计算机与风力机组I/O接口电路，搭建了半实物仿真实验平台。通过仿真实验平台，开发了两个变桨距控制实验项目：①变桨距时，风力机功率、桨叶所受推力及桨叶轴扭矩和桨距角的关系实验；②无模型变桨距功率控制器设计及有效性和正确性的实验验证。通过对开发的两个变桨距实验的结果分析，表明实验结果与理论完全吻合，这也验证了搭建的变桨距半实物仿真实验平台是合理和可行的，为风力机进一步开发实验奠定了半实物平台基础。

1 半实物仿真实验平台的搭建

计算机输入接口电路采集风力机桨叶的桨距角、风力机功率输出、风力机3个桨叶所受气动推力、风力机3个桨叶根部轴扭矩，共8组数据。

风力发电机的桨距角检测是在变桨距电机的输出轴上安装增量型编码器，并且在变桨回转轴承旁安装最大桨距角位置校正开关、最小桨距角位置校正开关、最大桨距角位置极限开关、最小桨距角位置极限开关。风力机组输出功率检测采用发电机功率传感器。风力机桨叶所受气动推力检测采用贴在桨叶上主应力最大点处的应变片传感器。风力机桨叶根部轴扭矩检测采用安装在桨叶轴根部的非接触式扭矩传感器。

计算机输出接口电路用以实验时计算机直接输出桨叶桨距角；或输出变桨距控制后产生的桨叶桨距角期望值，其作用于风力机桨距角执行机构，以测试桨矩角变化时风力机功率及桨叶气动载荷的变化规律；或完成变桨距控制目的。

设计的计算机与风力机组输入输出(I/O)接口及搭建的半实物仿真实验平台框图如图1所示。

图1 风力机半实物仿真实验平台框图

2 无模型变桨距功率控制器

风力发电机组输入控制变量u(k)取为期望参考桨距角，也是无模型变桨距控制器的输出β(k)，维数为1，即

u(k)=[u(k)]=[β(k)]

(1)

式中，k为离散时间。

风力机组输出变量y(k)取为风力发电机组输出功率P(k)，维数也为1，即

y(k)=[y(k)]=[P(k)]

(2)

无模型变桨距功率控制时，将风力机视为单输入单输出系统。在设定了控制器的输入输出变量以后，就可以得到风力机组的泛模型[7-16]，如下式所示：

y(k)-y(k-1)=φ(k-1)[u(k-1)-u(k-2)]

(3)

式中:y(k)是系统在k时刻实际输出;y(k-1)是系统在k-1时刻实际输出;u(k-1)是k-1时刻的桨距角;u(k-2)是k-2时刻的桨距角;φ(k-1)是k-1时刻由系统结构和参数决定的待估参数。

泛模型的一步预测模型为

改革开放40年，也是中国磷复肥工业不断超越自我、华丽蝶变的40年。未来，行业将继续深入改革，推动我国从磷复肥大国向磷复肥强国阔步前行。

(4)

式中:

设计如下的参数估计准则函数:

(5)

式中，r是权重因子。

(6)

式中，l是步长序列，是在控制过程中可调的参数。

无模型控制的目的是在k时刻对系统施加控制作用u(k)，使系统输出为期望值y*(k+1)，可以考虑下式所示的控制输入准则函数:

(7)

式中:y*(k+1)是系统在k+1时刻的期望输出值;y(k+1)是系统在k+1时刻的实际输出;a是一个可调的权重系数，引入该系数可以避免式(8)控制律算法分母可能为零的奇异情况。

将式(4)代入准则函数式(7)中，并将式(7)对u(k)求导，令其等于零，得无模型控制律算法为

(8)

式中，m是可调节步长序列。

从控制律算法可看出，无模型控制律与风力机组数学模型结构、阶次无关，仅用系统I/O数据设计。

综上可知，无模型控制器包括两个重要的算法，①未知待估参数φ(k)的辨识;②控制律的计算。因此，完整无模型控制器为由式(6)、(8)组成的方程。

无模型控制器算法完全由计算机采集的输入输出数据通过编程实现，其算法流程图如图2所示。

图2 无模型控制算法流程

3 半实物仿真实验

实验室风力机(在室外)额定功率500 kW，额定风速12 m/s，计算机采用工控机。在实验室搭建的半实物仿真实验平台上，开发了两个仿真实验项目：①风力机功率、桨叶所受推力及桨叶轴扭矩和桨距角的关系实验；②无模型变桨距功率控制器的设计及有效性和正确性的验证实验。

3.1 风力机功率、桨叶所受推力及桨叶轴扭矩和桨距角的关系

实验时模拟风速的平均值为12 m/s，这是轮毂离地高度处的平均风速，桨距角的期望输出值设定为以3°/s的速率线性增大，作用于桨距角执行机构，风力机输出功率仿真实验曲线如图3所示。

由图3可以看出，平均风速一定时，随着风力机桨距角增大，风力机输出功率将减小，但两者并非呈线性的关系，这也正与风力机风能利用系数不是和桨距角成正比这一基本理论相一致。

3桨叶所受推力仿真实验曲线如图4所示。由图可以看出，桨距角增大时，3个桨叶所受气动推力随桨距角增大均呈周期性变化且非线性的减小。气动推力呈周期性变化的根本原因在于风剪切，所谓风剪切是指，风速在垂直方向上随高度的增加而增大。当桨叶周期性的转过轮毂上空的高风速区及下部的低风速区时，桨叶所受气动推力呈现周期性变化，并且随桨距角增大而减小。

图3 风力机输出功率与桨距角的变化曲线

图4 风力机气动推力与桨距角的变化曲线

3桨叶根部轴扭矩仿真实验曲线如图5所示。由曲线可以看出，桨距角增大时，3个桨叶根部轴扭矩也在风剪切的影响下呈周期性变化，并且随桨距角增大而减小，也非线性的关系。

图5 风力机轴扭矩与桨距角的变化曲线

3.2 无模型变桨距功率控制器的设计

对风力机施加图6所示实验模拟风速，风速高于额定风速12 m/s。采用设计的无模型变桨距功率控制器，桨叶桨距角的调节曲线如图7所示。从图7曲线可看出，为保证在高于额定风速时，风力机输出功率保持为额定功率，变桨距控制能够使桨叶随风速变化而调节桨距角，并且桨距角大时对应高风速，这与实际是相符的。

无模型控制功率仿真实验曲线如图8所示。从曲线可以看出，风力机施加额定以上风速时，为保证输出功率恒定在额定功率，采用设计的变桨距功率控制器，调节桨叶桨距角，能够使输出功率控制在500 kW的额定值附近，这也验证了所设计的无模型变桨距功率控制器的正确性。

图6 实验模拟风速

图7 无模型控制桨距角调节曲线

图8 无模型控制输出功率

4 结 语

为此，搭建实验室半实物仿真实验平台，自主开发实验是很有必要的，通过搭建的仿真实验平台以及开发的实验进行仿真实验，得出的结果与理论相符，设计的无模型变桨距功率控制器是正确和有效的，这也反过来验证了半实物仿真实验平台的合理性和可行性。通过搭建仿真实验平台，为风力机进一步开发实验提供了可能，也为风能与动力工程专业学生将理论与实践相结合提供了很好的半实物仿真实验场所。

[1] 解 大,顾羽洁,徐 涛,等. 微电网仿真与实验系统Ⅰ.总体设计[J].实验室研究与探索,2011,30(9):74-78.

XIE Da, GU Yu-jie, XU Tao,etal. A Micro Grid Simulation and Testing System 1. General Design[J].Research and Exploration in Laboratory, 2011,30(9):74-78.

[2] 解 大,张延迟,卢婧婧,等. 大型风电机组仿真及试验系统 Ⅱ.建模和仿真[J]. 实验室研究与探索,2009,28(6):22-26.

XIE Da, ZHANG Yan-chi, LU Jing-jing,etal. A Large scale Wind Power Generation Simulation and Testing System Ⅱ Modeling and Simulation[J].Research and Exploration in Laboratory, 2009,28(6):22-26.

[3] 郭 华, 段 斌, 杨先有. 数字物理混合的变桨距控制器综合实验平台[J]. 实验室研究与探索,2012,31(1):53-57.

GUO Hua, DUAN Bin, YANG Xian-you. An Integrated Digital and Physical Experimental Platform of Pitch Controller[J].Research and Exploration in Laboratory, 2012,31(1):53-57.

[4] 邢 刚, 郭 威. 风力发电机组变桨距控制方法研究[J]. 农业工程学报, 2008,24(5):181-186.

XING Gang, GUO Wei. Method for collective pitch control of wind turbine generator system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2008, 24(5): 181-186.

[5] 韦 徵, 陈 冉, 陈家伟,等. 基于功率变化和模糊控制的风力发电机组变速变桨距控制[J]. 中国电机工程学报, 2011，31(17):121-126.

WEI Zheng, CHEN Ran, CHEN Jia-wei,etal. Wind Turbine-generator Unit Variable-speed Pitch Control Based on Judgment of Power Changes and Fuzzy Control[J]. Proceedings of the CSEE, 2011，31(17):121-126.

[6] 姚兴佳, 张雅楠, 郭庆鼎. 风力发电机组的多模变桨距控制[J]. 沈阳工业大学学报, 2009, 31(2):149-152.

YAO Xing-jia, ZHANG Ya-nan, GUO Qin-ding. Multimode variable pitch control design for wind turbine system[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2009, 31(2):149-152.

[7] 李秀英,韩志刚.非线性系统的无模型控制方法[J].控制工程, 2010, 17(1): 38-41.

LI Xiu-ying, HAN Zhi-gang. Model Free Control Method for Nonlinear Systems [J]. Control Engineering of China, 2010,17(1) :38-41.

[8] 韩志刚,蒋爱平,汪国强. 无模型控制方法对多变量耦合系统控制的应用研究[J].控制与决策,2004, 19(10): 1155-1162.

HAN Zhi-gang, JIANG Ai-ping, WANG Guo-qiang. Study on control of multivariable coupling systems with model free control method [J]. Control and Decision, 2004,19(10):1155-1162.

[9] 韩志刚.一类复杂系统非建模控制方法的研究[J].控制与决策, 2003, 18(4): 398-402.

HAN Zhi-gang. Study on non-modelling control method for a class of complex systems [J]. Control and Decision, 2003,18(4):398-402.

[10] 于志刚,赵杰.无模型控制律的基本形式收敛性分析[J]. 控制工程, 2009, 16(2): 130-132.

YU Zhi-gang, ZHAO Jie. Convergence analysis of model free control Law with prmiary Pattern [J]. Control Engineering of China, 2009,16(2):130-132.

[11] Wang H P, Pintea A, Christov N,etal. Recursive model free control of variable speed wind turbine systems[C]//2012 IEEE International Conference on Control Applications (CCA). Dubrovnik, Croatia: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 2012:1541-1546.

[12] Ge braad, Pieter M O, van Dam,etal. A model-free distributed approach for wind plant control[C]//American Control Conference (ACC).Washington, DC: Control Systems Society-CS, IEEE, 2013:628-633.

[13] Marden J R, Ruben S D, Pao L Y. A Model-Free Approach to Wind Farm Control Using Game Theoretic Methods[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2013,21(4):1207-1214.

[14] Yunqian Zhang, Zhe Chen, Ming Cheng,etal. Pitch control of wind turbines using model free adaptivecontrol based on wind turbine code[C]//2011 International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). Beijing: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2011:1-6.

[15] 鲁效平, 李 伟, 林勇刚. 基于无模型自适应控制器的风力发电机载荷控制[J]. 农业机械学报,2011, 42(2):109-114.

LU Xiao-ping, LI Wei, LIN Yong-gang. Load Control of Wind Turbine Based on Model free Adaptive Controller[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(2):109-114.

[16] 王晓东, 姚兴佳. 基于泛模型的风轮不平衡载荷控制[J]. 太阳能学报, 2012, 33(2):215-220.

Wang Xiao-dong, YAO Xing-jia. Totor Unbalance Load Control of Wind Turbine Based on Universal Model[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2012, 33(2):215-220.