独立变桨系统控制技术

摘 要：随着兆瓦级风力发电机组单机容量不断提升，叶片长度的不断增大，风剪切效应、塔影效应和湍流等因素对机组造成的载荷不对称影响加剧，机组叶片载荷、轮毂载荷、塔筒载荷增加明显。因此，用于降低机组载荷的独立变桨控制技术不断受到重视。本文将从影响机组载荷因素、独立变桨控制算法、独立变桨控制实现几个方面对独立变桨控制技术进行研究。

关键词：风力发电机组；变桨系统；独立变桨

0 引言

随着风力发电机组大型化趋势的加快，单台机组的装机容量在不断提升，叶片长度和整机尺寸快速增大。从旋转系统的特点来看，由叶片产生的载荷将成为影响整机部件疲劳损坏的主要因素，影响风电机组的寿命。因此，优化叶片和风电机组部件的载荷就变得越来越重要，通过降低附加载荷来提高风力发电机组的使用寿命是迫在眉睫的[1]。比较有效可行的办法就是将应用于直升机叶片载荷控制的独立变桨控制技术引入到风电领域。

1 影响整机载荷因素

独立变桨控制主要是解决风电机组大型化以后，风剪切、塔影效应和湍流造成的机组载荷不对称，以及机组关键部件载荷急剧增加等问题。细致分析这些因素的特性，通过确切方法有效降低影响，具有重要的工程意义。

风剪切效应是指风速随着高度的增加而增大，从而造成转矩和叶片弯矩周期性波动。湍流是指短时间内的风速波动所形成的最高频谱峰值，通常时长少于10min。湍流产生的原因主要有两点，一是空气在流动时与风电机组所处的地形地貌引起的摩擦，另一个是由于空气密度差异和气温变化的热效应引起的气流垂直运动[2]。塔影效应是风力发电机在发电的过程中出现的负面效果，对于上风向安装的风电机组，气流在流经塔筒时路径被塔筒干扰而发生变化，导致叶片每次经过塔筒的时候都会受到干扰而产生周期性的波动，加剧作用于叶片上的气动载荷变化， 使叶片受载荷情况复杂，功率波动也随之变得明显，影响整机性能[3]。

2 统一变桨控制技术

目前，主流的变桨控制系统应用的是统一变桨控制技术。在对统一变桨控制策略分析时，根据风机不同的运行工况，将风电机组运行过程分为三个阶段，即低风速区、过渡风速区、高风速区。

低风速区，即切入风速与额定风速之间的风速区间，通常为3m/s至12m/s。由于受风速大小限制，机组在低风速区间内处于欠发状态，叶片处于完全展开状态。机组采用转速-扭矩控制策略，根据最佳尖速比不断调节轮毂转速，以实现最大风能捕获。过渡风速区，是指风电机组运行在额定风速附近，转速-扭矩控制策略和变桨控制策略的切换过程。随着风电机组单机容量的不断提升，运行状态切换过程中的载荷和功率波动越发明显，过渡风速区的运行稳定性直接影响机组安全与发电性能，所以，在设计控制程序和初始条件时，需要考虑过渡前后被控对象及控制方式的转变，实现过渡过程的平滑控制。高风速区，是指风电机组运行在额定风速以上，机组持续满发，变桨系统连续工作。在高风速区内，变桨控制能够实现功率限制的功能，通过变桨控制调节叶片桨距角，减少吸收的风能，保持机组输出额定功率。

3 独立变桨控制技术

独立变桨调节技术是在统一变桨控制技术的基础上，给每个叶片叠加一个独立的变桨信号，使三个叶片具有不同的空气动力学特性，补偿风速不均匀性引起附加载荷。独立变桨控制技术实现降低机组的疲劳载荷，测试环节是必不可少的部分，简单易用的方法是测量叶片方位角。风剪切、塔影效应、湍流等因素会导致叶片在个别旋转位置上受到不平衡力的作用，原则上只要变化是恒定的，则每个叶片的桨距角可以按照方位角函数关系进行调整，以减小不平衡力造成的载荷变化。如果机舱的风速风向仪信号也被使用，那么可以通过偏航误差对信号再校正。但在实际中，湍流导致的随机变化占主导地位，尤其是对大型叶片来说，湍流尺寸很可能比叶片要小的多，湍流只经过其中一个或两个叶片的情况经常出现，所以基于方位角反馈的控制方案不能达到最佳效果。

与测量叶片方位角相比，采用载荷传感器测量叶片的叶根弯矩来实现独立变桨控制更接近工程实际应用，对全翼展变桨控制方式而言，叶片各分段载荷都会传递到叶片根部，载荷测试传感器能够测量叶片根部的载荷数据，并通过独立变桨控制算法进行处理，确定变桨执行机构的动作信号。

独立变桨控制器设计思路是在统一变桨距控制回路中增加载荷反馈回路，分析叶根载荷与桨距角之间的近似线性关系，确定出桨距角增量值，降低载荷不对称带来的负面影响。叶片在旋转过程中，受到空间气流的作用，受力状况十分复杂，其中以挥舞方向和摆振方向的载荷最为显著，这两个载荷对叶片疲劳及机组其他结构的载荷产生重要影响[4]。为了简化叶片的载荷，可采用叶素理论和叶素动量定理分析每一叶素的受力情况，然后沿叶片翼展方向积分求解出整只叶片的受力[5]。通过对叶素的受力分析得到作用于叶素的升力、阻力、气动推力和气动转矩，对计算所得载荷进行矢量叠加，进而得到整张叶片的受力，再将受力进行坐标变换至叶根坐标系下，即可得到叶片叶根载荷[6]。通过在叶片根部埋设的光纤载荷传感器，实时检测叶根载荷的变化，实时反映风电机组的不平衡载荷影响。通过将叶根载荷进行解耦处理、控制输出和再耦合，计算出不平衡载荷下桨距角的反馈控制增量，实现独立变桨控制[7]。

4 结束语

随着风电机组不断大型化，叶片长度的不断增大，由风剪切、塔影效应和湍流风况等因素导致的风电机组的叶叶片载荷、轮毂载荷、塔筒载荷也随之增大。统一变桨距控制系统采用转速和转矩这两个参考量作为输入变量，从原理上无法降低风力机组载荷，独立变桨控制系统增加了叶片载荷反馈回路，并将载荷数据作为输入量，在实现在功率控制的同时，降低了风力发电机组的载荷。独立变桨控制系统将成为今后大型风力发电机变桨控制的主要方式。独立变桨控制技术能够实现降低机组各组成部件载荷，但增加了变桨执行机构的动作频率，引起变桨电机发热量增加，所以，除了采用合适的变桨控制策略，还需要考虑到变桨传动的热效率和疲劳情况，加强变桨距控制的稳定性和可靠性。

参考文献

[1] 王立鹏，巫发明.减小变速变桨型风电机组载荷的控制策略研究[J].西华大学学报（自然科学版），2011（02）：70-74.

[2] E.A.Bossanyi.GH Bladed Theory Mannual 3.67.2005：70-72

[3] 张纯明. 大型风力发电机组独立变桨距控制策略研究[D]. 沈阳：沈阳工业大学， 2011.

[4] Fernando D.Bianchi，Hernán De Battista，Ricardo J.Mantz.Wind Turbine Control Systems，Principles，Modelling and Gain Scheduling Design[M].New York：Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2007：64-90.

[5] Manwell J.F，McGowan J.G，Rogers A.L.Wind energy explained[M].UK.John Wiley&Sons，Ltd.2003：261-262.

[6] Karl A. Stol， Hans-Georg Moll， Gunjit Bir， Hazim Hamik， A Comparison of Multi-Blade Coordinate Transformation and Direct Periodic Techniques for Wind Turbine Control Design[C]. 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition， 5-8 January 2009，Orlando，Florida.

[7] Hongwei Liu， Yonggang Lin， Wei Li， Study on Control Strategy of Indiv idual Bladc Pitch-Controlled Wind turbine[C]. Proceedings of the 6th World Congress on Intelligent Control and Automation， June 21-23，2006， Dalian， China.

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