風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距功率控制研究

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距功率控制研究

0搭建半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺電力是目前開發(fā)速度最快的清潔可支配能源。為了滿足電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展需求，許多大學(xué)都設(shè)立了風(fēng)能和動力工程專業(yè)。為適應(yīng)市場對學(xué)生高質(zhì)量的要求,短期內(nèi)提高學(xué)生在校實(shí)踐能力,培養(yǎng)理論與應(yīng)用復(fù)合性人才,到實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電場將理論知識與實(shí)踐短期內(nèi)結(jié)合顯然是不現(xiàn)實(shí)的,也是不切合實(shí)際的,學(xué)生在校期間需要有一個(gè)風(fēng)電實(shí)踐場所。為此,利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組資源,在施加仿真模擬風(fēng)速后,驗(yàn)證獨(dú)立變槳距控制時(shí),風(fēng)力機(jī)槳距角和功率及載荷的規(guī)律。設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)與風(fēng)力機(jī)組I/O接口電路,搭建了半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺。通過仿真實(shí)驗(yàn)平臺,開發(fā)了兩個(gè)變槳距控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目:(1)變槳距時(shí),風(fēng)力機(jī)功率、槳葉所受推力及槳葉軸扭矩和槳距角的關(guān)系實(shí)驗(yàn);(2)無模型變槳距功率控制器設(shè)計(jì)及有效性和正確性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過對開發(fā)的兩個(gè)變槳距實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析,表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論完全吻合,這也驗(yàn)證了搭建的變槳距半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺是合理和可行的,為風(fēng)力機(jī)進(jìn)一步開發(fā)實(shí)驗(yàn)奠定了半實(shí)物平臺基礎(chǔ)。1槳葉槳距控制計(jì)算機(jī)輸入接口電路采集風(fēng)力機(jī)槳葉的槳距角、風(fēng)力機(jī)功率輸出、風(fēng)力機(jī)3個(gè)槳葉所受氣動推力、風(fēng)力機(jī)3個(gè)槳葉根部軸扭矩,共8組數(shù)據(jù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳距角檢測是在變槳距電機(jī)的輸出軸上安裝增量型編碼器,并且在變槳回轉(zhuǎn)軸承旁安裝最大槳距角位置校正開關(guān)、最小槳距角位置校正開關(guān)、最大槳距角位置極限開關(guān)、最小槳距角位置極限開關(guān)。風(fēng)力機(jī)組輸出功率檢測采用發(fā)電機(jī)功率傳感器。風(fēng)力機(jī)槳葉所受氣動推力檢測采用貼在槳葉上主應(yīng)力最大點(diǎn)處的應(yīng)變片傳感器。風(fēng)力機(jī)槳葉根部軸扭矩檢測采用安裝在槳葉軸根部的非接觸式扭矩傳感器。計(jì)算機(jī)輸出接口電路用以實(shí)驗(yàn)時(shí)計(jì)算機(jī)直接輸出槳葉槳距角;或輸出變槳距控制后產(chǎn)生的槳葉槳距角期望值,其作用于風(fēng)力機(jī)槳距角執(zhí)行機(jī)構(gòu),以測試槳矩角變化時(shí)風(fēng)力機(jī)功率及槳葉氣動載荷的變化規(guī)律;或完成變槳距控制目的。設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)與風(fēng)力機(jī)組輸入輸出(I/O)接口及搭建的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺框圖如圖1所示。2無模型控制器設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸入控制變量u(k)取為期望參考槳距角,也是無模型變槳距控制器的輸出β(k),維數(shù)為1,即式中,k為離散時(shí)間。風(fēng)力機(jī)組輸出變量y(k)取為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率P(k),維數(shù)也為1,即無模型變槳距功率控制時(shí),將風(fēng)力機(jī)視為單輸入單輸出系統(tǒng)。在設(shè)定了控制器的輸入輸出變量以后,就可以得到風(fēng)力機(jī)組的泛模型[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16],如下式所示:式中:y(k)是系統(tǒng)在k時(shí)刻實(shí)際輸出;y(k-1)是系統(tǒng)在k-1時(shí)刻實(shí)際輸出;u(k-1)是k-1時(shí)刻的槳距角;u(k-2)是k-2時(shí)刻的槳距角;φ(k-1)是k-1時(shí)刻由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定的待估參數(shù)。泛模型的一步預(yù)測模型為式中:y*(k+1)是系統(tǒng)在k+1時(shí)刻的期望輸出值;y(k)是系統(tǒng)在k時(shí)刻實(shí)際輸出;u(k)是k時(shí)刻期望參考槳距角的估值;u(k-1)是k-1時(shí)刻的槳距角;)是待估參數(shù)φ(k)的估值,設(shè)計(jì)如下的參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則函數(shù):式中,r是權(quán)重因子。由于式(5)中僅考慮了第k個(gè)采樣時(shí)刻,故由此準(zhǔn)則函數(shù)推導(dǎo)出來的參數(shù)估計(jì)算法具有對時(shí)變參數(shù)的跟蹤能力。將式(4)代入準(zhǔn)則函數(shù)式(5)中,并將式(5)對求導(dǎo),令其等于零,可以得到下式所示的參數(shù)估計(jì)算法:式中,l是步長序列,是在控制過程中可調(diào)的參數(shù)。無模型控制的目的是在k時(shí)刻對系統(tǒng)施加控制作用u(k),使系統(tǒng)輸出為期望值y*(k+1),可以考慮下式所示的控制輸入準(zhǔn)則函數(shù):式中:y*(k+1)是系統(tǒng)在k+1時(shí)刻的期望輸出值;y(k+1)是系統(tǒng)在k+1時(shí)刻的實(shí)際輸出;a是一個(gè)可調(diào)的權(quán)重系數(shù),引入該系數(shù)可以避免式(8)控制律算法分母可能為零的奇異情況。將式(4)代入準(zhǔn)則函數(shù)式(7)中,并將式(7)對u(k)求導(dǎo),令其等于零,得無模型控制律算法為式中,m是可調(diào)節(jié)步長序列。從控制律算法可看出,無模型控制律與風(fēng)力機(jī)組數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)、階次無關(guān),僅用系統(tǒng)I/O數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)。綜上可知,無模型控制器包括兩個(gè)重要的算法,(1)未知待估參數(shù)φ(k)的辨識;(2)控制律的計(jì)算。因此,完整無模型控制器為由式(6)、(8)組成的方程。無模型控制器算法完全由計(jì)算機(jī)采集的輸入輸出數(shù)據(jù)通過編程實(shí)現(xiàn),其算法流程圖如圖2所示。3仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室風(fēng)力機(jī)(在室外)額定功率500kW,額定風(fēng)速12m/s,計(jì)算機(jī)采用工控機(jī)。在實(shí)驗(yàn)室搭建的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺上,開發(fā)了兩個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目:(1)風(fēng)力機(jī)功率、槳葉所受推力及槳葉軸扭矩和槳距角的關(guān)系實(shí)驗(yàn);(2)無模型變槳距功率控制器的設(shè)計(jì)及有效性和正確性的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。3.1槳葉受力的仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)模擬風(fēng)速的平均值為12m/s,這是輪轂離地高度處的平均風(fēng)速,槳距角的期望輸出值設(shè)定為以3°/s的速率線性增大,作用于槳距角執(zhí)行機(jī)構(gòu),風(fēng)力機(jī)輸出功率仿真實(shí)驗(yàn)曲線如圖3所示。由圖3可以看出,平均風(fēng)速一定時(shí),隨著風(fēng)力機(jī)槳距角增大,風(fēng)力機(jī)輸出功率將減小,但兩者并非呈線性的關(guān)系,這也正與風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)不是和槳距角成正比這一基本理論相一致。3槳葉所受推力仿真實(shí)驗(yàn)曲線如圖4所示。由圖可以看出,槳距角增大時(shí),3個(gè)槳葉所受氣動推力隨槳距角增大均呈周期性變化且非線性的減小。氣動推力呈周期性變化的根本原因在于風(fēng)剪切,所謂風(fēng)剪切是指,風(fēng)速在垂直方向上隨高度的增加而增大。當(dāng)槳葉周期性的轉(zhuǎn)過輪轂上空的高風(fēng)速區(qū)及下部的低風(fēng)速區(qū)時(shí),槳葉所受氣動推力呈現(xiàn)周期性變化,并且隨槳距角增大而減小。3槳葉根部軸扭矩仿真實(shí)驗(yàn)曲線如圖5所示。由曲線可以看出,槳距角增大時(shí),3個(gè)槳葉根部軸扭矩也在風(fēng)剪切的影響下呈周期性變化,并且隨槳距角增大而減小,也非線性的關(guān)系。3.2控制槳葉控制對風(fēng)力機(jī)施加圖6所示實(shí)驗(yàn)?zāi)M風(fēng)速,風(fēng)速高于額定風(fēng)速12m/s。采用設(shè)計(jì)的無模型變槳距功率控制器,槳葉槳距角的調(diào)節(jié)曲線如圖7所示。從圖7曲線可看出,為保證在高于額定風(fēng)速時(shí),風(fēng)力機(jī)輸出功率保持為額定功率,變槳距控制能夠使槳葉隨風(fēng)速變化而調(diào)節(jié)槳距角,并且槳距角大時(shí)對應(yīng)高風(fēng)速,這與實(shí)際是相符的。無模型控制功率仿真實(shí)驗(yàn)曲線如圖8所示。從曲線可以看出,風(fēng)力機(jī)施加額定以上風(fēng)速時(shí),為保證輸出功率恒定在額定功率,采用設(shè)計(jì)的變槳距功率控制器,調(diào)節(jié)槳葉槳距角,能夠使輸出功率控制在500kW的額定值附近,這也驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的無模型變槳距功率控制器的正確性。4仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為此,搭建實(shí)驗(yàn)室半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺,自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)是很有必要的,通過搭建的仿真