论文部分内容阅读
摘 要：由于风切变效应及气动载荷的循环变化对风力机的影响，本文于重复控制的基础上设计了一种桨距角控制器。该种控制器由并联滤波器和重复控制器两部分组成，滤波器可减弱风速变化带来的扰动影响，重复控制器可使传动链具有较好的稳定性。实验结果显示，在外部风速变化扰动时，此控制器能有效保证风力机的功率稳定输出。同时，还对输入扰动和参数变化具有较好的动态能力。
关键词：风力机 滤波器 重复控制 桨距角控制
中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（c）-0094-02
Abstract：Due to the wind shear effect and the cyclic change of pneumatic load for the wind turbine，this paper designs a pitch angle controller on the basis of repetitive control.This kind of controller is composed of parallel filter and repetitive controller， The filter can reduce the effects of disturbance for the changing of wind speed， repeatitive controller can make the transmission chain a good stability. Experiment result shows that when the external wind speed changing， this controller can effectively insure the stable output of the wind turbine.At the same time， it also has a good dynamic capability for inputting disturbance and parameter changing.
Key Words： Wind turbine； Filter； Repeat control； Pitch angle control
風力机桨叶上循环的载荷波动以及桨叶与桨叶之间的不对称转矩，是造成风力机风轮损坏的主要原因。针对此种因素，可以实时控制桨叶桨距角的角度变化，以此来降低疲劳载荷，起到保护风轮的作用[1-2]。该种理念对于风力发电来说意义重大。若想对每片桨叶起到合理控制，须有效测量出每片桨叶的实时载荷变化以及相应位置变化[3]。
文献[4]指出塔影效应相较于风剪切效应对不均匀风速场的贡献更大。该模型简捷有效，适合电力系统的时域风力机仿真实验，为风力机控制、风力机的载荷、风力机扭矩等相关系列研究打下了基础[4]。
文献[5]改进了传统的动量-叶素理论，更新提出了基于动态入流动量-叶素理论，用于风力机偏航的载荷和动态变桨计算中[5]。
文献[6]指出当风电发电机组过载运行时，变更常规的变桨距控制策略，调节桨距角变化，优化变桨速率，以减小风电机组的输出功率为代价，减小风电机组载荷，保证风电机组的稳定安全运行[6]。
本文在模拟实际风场情况下，设计出了该种桨距角控制器。分析和实验结果表明，该控制器对于外界扰动有良好的抑制作用[7]。当风速变化带来扰动时，该控制器可自行调节自身桨叶的桨距角变化以维持平衡，最终达到对外输出功率稳定的效果。
1 系统描述
风电机的传动模型如图1所示，基本构成包括风轮、低速转动轴、齿轮变比箱、高速转动轴、发电机等[8]。
风轮从风中获取能量的功率表达式为：
式中，CP为风能利用系数，是风力发电机叶尖速比λ与桨距角β的函数。
风电机转矩公式如下：
式中，ω为风轮旋转角速度；R为风轮半径；ρ为空气密度，取值为1.29×103kg/m3。
基于风电系统的空气动力学特性的风轮转矩数学模型，可表达如下：
2 基于重复控制理论的桨距角补偿控制
2.1 重复控制理论
重复控制理论是一种新的伺服控制策略，Francis和Wonham提出了内膜原理，这在伺服系统控制中起着重要作用。Inoue等人根据内膜原理提的重复控制，是根据周期性的参考信号的特点和内部模型原理，在稳定的闭环系统内设置一个可以产生与参考信号同周期的内部模型，从而使系统实现对外部参考信号的渐进跟踪并消除负载的扰动[9]。
2.2 低通滤波器
滤波器Q（s）的表达式为：
（1）
式中，ζq为该低通滤波器阻尼比，ωq为截止频率。在满足系统性能指标的基础上，应了解此补偿器的相应具体参数，并获得此低通滤波器的相应参数，用以达到系统输出的要求。
3 重复变桨控制器仿真研究
此重复桨距角补偿控制器控制风力机中数学模型的主要参数为：塔高H=75m；桨叶半径R=35m；空气密度=1.225kg/m3；切入风速Va=3.5m/s；切出风速Vb=2.5m/s；额定风VN=12.5m/s；风机转动Jr=3.86106kg/m2；风机额定转速ω0=17.2r/min；发电机转动惯量Jg=80kg/m2；齿轮箱变比N=100；发电机额定转矩Te=8700Nm；发电机额定功率Te为1500kW。输入风速V（θ，t）公式为：
（2）
式中，V0（t）为风轮中心处风速；a为风剪切影响指数，本文中取值为a=0.14。仿真结果如图2所示，显示结果为在两种变桨控制策略作用下风轮转速响应曲线。
由图2可知，在重复桨距角控制器的效果作用下，此风力发电机的风轮转速周期性相应变动较为平缓。在此算例中风轮转速波动最大幅值接近0.13r/min，而在风力发电机的传动系统变速箱变比影响下，该种周期性波动将在发电机端口被放大近100倍，这对风电系统整体平稳输出影响较大。
4 结语
上述验证结果显示，本设计的控制器在外部扰动的情况下，自身风轮转速和桨叶的转矩波动都相应变小，控制器的性能品质相对更佳。与此同时，该控制器会削弱自身调节机构的桨距角变动，以此来降低自身的机械疲劳。综上所述，采用此种重复补偿控制器不但能降低气动效应所产生的周期性影响还可以确保风电机的鲁棒性能。
参考文献
[1] 周波，龚华军，甄子洋.风切变和塔影效应对风力机变桨距控制的影响分析[J].可再生能源，2012，30（1）：27-32.
[2] 肖京平，陈立.1.5MW风力机气动性能研究[J].空气动力学学报，2011，29（4）：529-534.
[3] 宋聚众，赵萍，刘平，等.水平轴风力机载荷工况设计方法研究[J].东方电气评论，2009，23（2）：60-63.
[4] 张雪，王维庆，王海云，等.考虑风切和塔影效应的风力机风速模型[J].电测与仪表，2015，52（8）：56-60.
[5] 董礼，廖明夫.风力机动态载荷的计算[J].机械科学与技术，2012，31（5）：827-841.
[6] 贺周耀，段斌，苏永新，等.基于功率和载荷协调的变桨距控制策略[J].电工电能新技术，2012，31（3）：54-63.
[7] 周丹.5MW风力发电机叶片的气动分析及动态特性研究[D].新疆：新疆大学，2015.
[8] 戴巨川，赵尚红，尹喜云，等.风力机叶片气动外形及其运行特性设计优化[J].机械工程学报，2015，51（17）：138-145.
[9] 崔红，郭庆鼎.重复控制系统的稳定性分析[J].沈阳工业大学学报，2005，27（1）：48-51.
[10]李翠艳.重复控制的一些问题研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005.
关键词：风力机 滤波器 重复控制 桨距角控制
中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（c）-0094-02
Abstract：Due to the wind shear effect and the cyclic change of pneumatic load for the wind turbine，this paper designs a pitch angle controller on the basis of repetitive control.This kind of controller is composed of parallel filter and repetitive controller， The filter can reduce the effects of disturbance for the changing of wind speed， repeatitive controller can make the transmission chain a good stability. Experiment result shows that when the external wind speed changing， this controller can effectively insure the stable output of the wind turbine.At the same time， it also has a good dynamic capability for inputting disturbance and parameter changing.
Key Words： Wind turbine； Filter； Repeat control； Pitch angle control
風力机桨叶上循环的载荷波动以及桨叶与桨叶之间的不对称转矩，是造成风力机风轮损坏的主要原因。针对此种因素，可以实时控制桨叶桨距角的角度变化，以此来降低疲劳载荷，起到保护风轮的作用[1-2]。该种理念对于风力发电来说意义重大。若想对每片桨叶起到合理控制，须有效测量出每片桨叶的实时载荷变化以及相应位置变化[3]。
文献[4]指出塔影效应相较于风剪切效应对不均匀风速场的贡献更大。该模型简捷有效，适合电力系统的时域风力机仿真实验，为风力机控制、风力机的载荷、风力机扭矩等相关系列研究打下了基础[4]。
文献[5]改进了传统的动量-叶素理论，更新提出了基于动态入流动量-叶素理论，用于风力机偏航的载荷和动态变桨计算中[5]。
文献[6]指出当风电发电机组过载运行时，变更常规的变桨距控制策略，调节桨距角变化，优化变桨速率，以减小风电机组的输出功率为代价，减小风电机组载荷，保证风电机组的稳定安全运行[6]。
本文在模拟实际风场情况下，设计出了该种桨距角控制器。分析和实验结果表明，该控制器对于外界扰动有良好的抑制作用[7]。当风速变化带来扰动时，该控制器可自行调节自身桨叶的桨距角变化以维持平衡，最终达到对外输出功率稳定的效果。
1 系统描述
风电机的传动模型如图1所示，基本构成包括风轮、低速转动轴、齿轮变比箱、高速转动轴、发电机等[8]。
风轮从风中获取能量的功率表达式为：
式中，CP为风能利用系数，是风力发电机叶尖速比λ与桨距角β的函数。
风电机转矩公式如下：
式中，ω为风轮旋转角速度；R为风轮半径；ρ为空气密度，取值为1.29×103kg/m3。
基于风电系统的空气动力学特性的风轮转矩数学模型，可表达如下：
2 基于重复控制理论的桨距角补偿控制
2.1 重复控制理论
重复控制理论是一种新的伺服控制策略，Francis和Wonham提出了内膜原理，这在伺服系统控制中起着重要作用。Inoue等人根据内膜原理提的重复控制，是根据周期性的参考信号的特点和内部模型原理，在稳定的闭环系统内设置一个可以产生与参考信号同周期的内部模型，从而使系统实现对外部参考信号的渐进跟踪并消除负载的扰动[9]。
2.2 低通滤波器
滤波器Q（s）的表达式为：
（1）
式中，ζq为该低通滤波器阻尼比，ωq为截止频率。在满足系统性能指标的基础上，应了解此补偿器的相应具体参数，并获得此低通滤波器的相应参数，用以达到系统输出的要求。
3 重复变桨控制器仿真研究
此重复桨距角补偿控制器控制风力机中数学模型的主要参数为：塔高H=75m；桨叶半径R=35m；空气密度=1.225kg/m3；切入风速Va=3.5m/s；切出风速Vb=2.5m/s；额定风VN=12.5m/s；风机转动Jr=3.86106kg/m2；风机额定转速ω0=17.2r/min；发电机转动惯量Jg=80kg/m2；齿轮箱变比N=100；发电机额定转矩Te=8700Nm；发电机额定功率Te为1500kW。输入风速V（θ，t）公式为：
（2）
式中，V0（t）为风轮中心处风速；a为风剪切影响指数，本文中取值为a=0.14。仿真结果如图2所示，显示结果为在两种变桨控制策略作用下风轮转速响应曲线。
由图2可知，在重复桨距角控制器的效果作用下，此风力发电机的风轮转速周期性相应变动较为平缓。在此算例中风轮转速波动最大幅值接近0.13r/min，而在风力发电机的传动系统变速箱变比影响下，该种周期性波动将在发电机端口被放大近100倍，这对风电系统整体平稳输出影响较大。
4 结语
上述验证结果显示，本设计的控制器在外部扰动的情况下，自身风轮转速和桨叶的转矩波动都相应变小，控制器的性能品质相对更佳。与此同时，该控制器会削弱自身调节机构的桨距角变动，以此来降低自身的机械疲劳。综上所述，采用此种重复补偿控制器不但能降低气动效应所产生的周期性影响还可以确保风电机的鲁棒性能。
参考文献
[1] 周波，龚华军，甄子洋.风切变和塔影效应对风力机变桨距控制的影响分析[J].可再生能源，2012，30（1）：27-32.
[2] 肖京平，陈立.1.5MW风力机气动性能研究[J].空气动力学学报，2011，29（4）：529-534.
[3] 宋聚众，赵萍，刘平，等.水平轴风力机载荷工况设计方法研究[J].东方电气评论，2009，23（2）：60-63.
[4] 张雪，王维庆，王海云，等.考虑风切和塔影效应的风力机风速模型[J].电测与仪表，2015，52（8）：56-60.
[5] 董礼，廖明夫.风力机动态载荷的计算[J].机械科学与技术，2012，31（5）：827-841.
[6] 贺周耀，段斌，苏永新，等.基于功率和载荷协调的变桨距控制策略[J].电工电能新技术，2012，31（3）：54-63.
[7] 周丹.5MW风力发电机叶片的气动分析及动态特性研究[D].新疆：新疆大学，2015.
[8] 戴巨川，赵尚红，尹喜云，等.风力机叶片气动外形及其运行特性设计优化[J].机械工程学报，2015，51（17）：138-145.
[9] 崔红，郭庆鼎.重复控制系统的稳定性分析[J].沈阳工业大学学报，2005，27（1）：48-51.
[10]李翠艳.重复控制的一些问题研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005.