针对风切效应的分区权系数分配独立变桨控制

张晴晴,李咸善,谢 烨,杨丝琪,王锦龙

(1.三峡大学电气与新能源学院,宜昌443002;2.广州供电局有限公司,广州510600;3.国网湖北省电力有限公司,宜昌443000)

0 引 言

随着风力机桨叶半径的逐渐增大,自然风在高度上对风轮旋转平面受力不均的影响也越来越明显,这种受力不均的现象被称作风切效应,会对风机功率的稳定输出产生影响[1-3]。为了缓解因风切效应使风轮叶片承受不均匀载荷,最终导致功率波动的情况,需要通过独立变桨距控制,对每一片桨叶进行单独控制。

独立变桨控制(以下简称IPC)是一种旨在稳定发电机的输出功率、降低由不断变化的风力条件造成的风力机负载扰动的控制方法[4]。现阶段,得到广泛应用的IPC策略主要分为两类。第一类是文献[5-6]中提出的基于叶片受力分析的控制策略,该策略以抑制气动载荷为最终目标,先进行载荷测量,再根据某种控制算法分别对桨叶进行独立控制。这种方法的应用前提是在叶片的多个位置安装加速度传感器,对于大型风力机而言,过于复杂且不易实施。第二类是文献[7-8]中,基于叶片方位角变化的控制策略,该策略对风机载荷模型的依赖性较小,只需测量叶片方位角,再通过周期性改变各桨叶的桨距角降低载荷。由于许多大型风力机上都自带有测速传感器,因此该方法更易投入实际的工程应用中。

本文针对受到风切效应现象影响的风力机模型,提出一种在额定风速以上的工况下,基于方位角的分区权系数分配IPC策略,其控制系统由统一变桨控制器(即传统的功率控制器)和独立变桨控制器组成。其中,传统的功率控制器给出风机桨叶在各种风速条件下的统一变桨调节值。独立桨距角控制部分按照桨叶所受风切效应影响程度划分为两大区域,并分别采用两种加权系数控制方式:在风切变影响较小的区域,采用基于方位角的权系数分配控制;在风切变影响较大的区域,本文在方位角加权系数的基础上引入单神经元自适应PID控制器,联合方位角权系数分配器一同投入桨距角的动态调整运算,得到基于单神经元的权系数分配模型。

通过仿真与分析可得,本文针对风切效应在额定风速以上的工况下提出的基于方位角的分区权系数分配IPC方法,能在稳定最大功率的同时,有效抑制叶尖拍打方向的气动载荷,独立变桨距信号对参数变化、风速变化、电磁转矩的扰动具有较强的鲁棒性。

1 变桨控制相关特性分析

1.1 风速特性分析

风切效应是影响风速在竖直高度方向上变化的主要原因。设地面风速为零风速,则有风切效应公式如下:

式中:VH为离地高度H处的风速;V0为离地高度H0处的风速;n为风切系数,一般取1/7作为近似值[9]。

1.2 空气动力学分析

已知风轮在额定风速以上时的旋转速度基本保持不变,此处只分析风轮在某一固定风速下稳定运行时叶片的受力状况[10]。

假设风轮以角速度ω旋转,则作用在桨叶叶元素dm处的力dF可分解为沿风轮旋转切线方向的力dFn和沿风轮轴向的力dFt,分别如下:

式中:ρ为空气密度;V为风速;dS为叶元素桨叶面积;φ为来流角;CL,CD分别为桨叶阻力系数、桨叶升力系数。

2 基于桨叶方位角的IPC系统建模

2.1 扫风面内桨叶上的有效风速模型

首先建立以风轮扫风面为坐标平面的直角坐标轴,设桨叶中心线与x正轴间夹角为桨叶方位角θ,逆时针为桨叶旋转正方向。通过桨叶的方位角θ便可以确定桨叶所处的位置[11]。本文以轮毂处风速传感器所测风速作为风轮中心风速v0,并对应式(1)中的参考风速V0,此时H0为轮毂中心高度。

设距离风机转轴m处长度为dm的叶片元素的离地高度为Hm,则桨叶中心线上任一点的对地高度:

将v0、H0、Hm代入式(1),可以得到某一桨叶中心线上任一点的有效风速vm:

本文假设每片桨叶所受平均风速点位于桨叶的中心位置,则每片桨叶的平均有效风速模型:

式中:i为桨叶编号,i=1,2,3;R为叶片长度;θ为桨叶i的方位角。

2.2 基于方位角的权系数分配模型

基于叶片方位角的权系数分配法是一种根据风切效应对风轮各桨叶影响程度的不同,对各叶片桨距角的调整信号进行权重分配的算法[12]。

图1为IPC框图。图1中,功率控制器的输入为功率误差,输出为统一桨距角变化值;θ1,θ2,θ3分别为3个桨叶的方位角。风机在额定风速以上运行时,为了稳定输出功率,先由功率控制器给出3个桨叶的统一桨距变化量Δβ,再由权系数分配器重新分配每个叶片桨距角的变化量Δβi(i=1,2,3),从而完成IPC[13]。

图1 IPC框图

各桨叶桨距角变化量如下:

式中:Ki为基于方位角的权系数。结合式(6)和式(7),可得到权系数分配模型:

式中:k为指数系数。由式(2)、式(3)可得,当风机基本参数与风密度等参数不变时,桨叶轴向气动力Ft与V2成正比。当k=2时,可以得到以稳定风机输出功率和减小桨叶拍打振动为目标的叶片方位角权系数。

由式(8)易知,

该等式约束条件旨在维持发电机输出功率的稳定,符合独立变桨距的首要控制目标。

2.3 基于单神经元的权系数分配模型

风能波动易导致桨距角给定值的频繁变化,造成桨叶在旋转过程中的剧烈抖动。在原有的变桨控制系统中加入单神经元自适应PID控制器,能够有效缓解风轮受到不平衡载荷的影响[14]。

单神经元自适应PID控制器具有自适应、自学习的能力,这些功能是通过调整加权系数实现的,本文按照有监督的Hebb学习规则对权系数进行调整[15]。控制及其学习算法可参见文献[16]。单神经元自适应PID控制器输入端为3个叶片的轴向气动力Ft和统一桨距角变化量Δβ,输出的3个桨距角改变量同图1中权系数分配器所得的3个变化值,一起参与桨距角的动态加权系数调整运算。最终得到基于单神经元的桨距角动态加权系数模型:

式中:Ki为式(8)中基于方位角的权系数;qi为动态加权系数;q为动态加权系数指数。

3 独立变桨分区控制策略

3.1 IPC分区依据

在MATLAB/Simulink中建立风切变流场中的双馈风机仿真模型,模型相关参数如表1所示。在瞬时基本风速为20 m/s时的风切效应作用下,3个桨叶在整个风轮扫风面上旋转过程中,对桨叶叶尖处风速随不同时间和不同高度的变化情况进行仿真,得到如图2所示的仿真结果。

由图2可初步判断,3个桨叶其中1个处于风轮平面正下方时,3个桨叶上的风速分布最不均匀,也是风轮平面受力最不均衡的位置。在此位置附近,风轮桨叶受到风切效应的影响比其他位置相对严重很多。

表1 3 MW双馈风力发电机参数

图2 各桨叶上的风速分布

为进一步精确判断桨叶受风切效应影响程度,考虑计算叶片旋转一周时,在各个方位角θ处的节距角Δβθ。节距角的计算式如下:

式中:Δβ为通过功率控制器得到的统一变桨距调整值;Δβ*为理想状态下需要调整的桨距角,是来流角φ与功角α的差值。

典型相位角处节距角变化规律如表2所示。

表2 典型相位角的节距角调整值

由表2可知,节距角调整值最大处的相角为270°,此时风轮平面载荷不均最严重,与图2所得结论相同。根据不同相角处节距角的变化规律,本文将风轮旋转平面分为如图3所示的4块区域。

图3 独立变桨距控制分区图

Ⅰ区角度范围为30°～150°,II区角度范围为150°～210°,Ⅲ区角度范围为 210°～330°,Ⅳ区角度范围为330°～390°。当叶片处于Ⅰ、Ⅲ区域时,风机叶片与风轮承受的轴向不平衡气动力较大,采用考虑气动载荷不均的基于单神经元权系数分配的IPC;当叶片处于Ⅱ、Ⅳ区域内,风轮受到不平衡载荷的影响较小,采用基于方位角权系数分配的IPC。表3给出了以桨叶1所处的方位角为例的区域角度划分以及每块区域中各桨叶采用的IPC方法。其中,控制方式“F”代表了2.2节中基于方位角权系数分配的IPC策略;控制方式“S”代表2.3节中所描述的基于单神经元权系数分配的IPC策略。

表3 典型相位角的节距角调整值

由表3可以看出,在风轮旋转平面的任一区域内,都有2个桨叶处于气动载荷分布不均的区域。通过这种在指定区域内,根据叶片受力状态及受风切效应的影响程度,决定应用何种控制算法进行IPC的方式,使桨距角偏移更合理、精确,实现了桨叶的分区独立变桨控制。

3.2 基于方位角的分区权系数分配IPC流程图

根据3.1节中对独立变桨距分区控制策略的介绍,得到如图4所示的控制流程图。

图4 控制流程图

4 基于方位角的分区IPC仿真结果分析

为了检验上述控制策略的有效性与可行性,在3.1节中建立模型的基础上,分区引入基于方位角的权系数分配模型,设置固定风速为20 m/s,在一个运行周期内对分区IPC进行仿真分析,并与全程统一变桨控制进行对比。

图5为各叶片分别在全程统一变桨控制和分区IPC两种情况下,桨距角调整值的变化曲线。由图5可知,分区IPC下的叶片桨距角随桨叶所在相位角的变化而变化。取逆时针方向为旋转正方向,以桨叶1为例,当桨叶1的相位角由0开始增大至180°时,叶片处于风轮平面上方,桨距角调节值逐渐增大至90°相位角时达到最大值,再逐渐减小;当桨叶1处于风轮平面下方时,桨距角调节值则先减小再增大。整个变化过程十分平滑,说明本文的分区IPC方式是有效且合理的。

图5 各桨叶桨距角变化

图6 、图7分别为统一变桨控制、分区IPC下,风机整体的输出功率曲线。将两图对比可知,与全程统一变桨距控制相比,采用分区权系数分配的IPC,使发电机的输出功率变化幅度和频率减小,即输出功率更稳定,且减少了不必要的功率损失,结果更接近最大输出功率值。

图6 统一变桨控制下风轮输出功率特性

图7 IPC下风轮输出功率特性

图8 为分别采用分区IPC和全程统一变桨控制方式时,叶片1叶尖部分所受轴向气动力的比较图。由图8可知,采用IPC方式的桨叶,无论是从变化的幅度还是频率上,都比采用统一变桨控制方式的叶片受轴向气动力小,从而缓解了叶片的拍打振动,提高了风轮桨叶的使用寿命。

图8 叶片1叶尖部分轴向气动力比较

5 结 语

针对风切效应,本文研究了一种在额定风速以上的工况下,基于风力发电机方位角的分区权系数分配IPC策略,以桨叶所受风切效应影响程度,将桨叶旋转平面的划分为两大区域,并分别采用方位角权系数和单神经元权系数分配模型两种加权系数控制方式对风轮叶片进行IPC。在恒定风速工况下,将分区IPC模型与采用全程统一变桨控制方式的仿真结果进行对比,得出本文模型在额定风速以上时,对保持风机运行的最大输出功率稳定性具有明显优势,同时减小了叶片旋转过程中受力不均衡的现象,提高了桨叶的耐用率。