1海上風(fēng)電機(jī)組的基本控制策略

變速變槳控制是目前主流風(fēng)電機(jī)組的基本控制策略，主要分為額定功率以上控制和額定功率以下控制。額定功率以上控制主要通過(guò)變槳控制來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，保證電功率的穩(wěn)定輸出;額定功率以下控制主要通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使機(jī)組輸出功率最大化。圖2為機(jī)組的基本控制框圖。通過(guò)測(cè)量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，變槳控制器計(jì)算得到機(jī)組的變槳角度給定，轉(zhuǎn)矩控制器計(jì)算得到機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定，偏航控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)組對(duì)風(fēng)。

機(jī)組運(yùn)行在變速區(qū)間時(shí)，變頻器將給定轉(zhuǎn)矩作用在發(fā)電機(jī)氣隙轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩控制器一般具有較高的帶寬，給定轉(zhuǎn)矩可以很快地改變發(fā)電機(jī)的氣隙轉(zhuǎn)矩。低風(fēng)速區(qū)，轉(zhuǎn)速被控制在一定范圍內(nèi)，通過(guò)一定算法給定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩使吸收功率最大化。中間風(fēng)速區(qū)，機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，利用增量式PI控制器來(lái)計(jì)算發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。此外，通過(guò)傳動(dòng)鏈加阻控制算法在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定上加一個(gè)較小的波動(dòng)來(lái)增加傳動(dòng)鏈的阻尼高風(fēng)速區(qū)，轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定值，利用變槳控制來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。變槳控制器一般也采用增量式PI控制器。由于變槳角度越大，機(jī)組氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的靈敏度越大，PI控制器增益通過(guò)葉片的氣動(dòng)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。額定功率以下保證最佳槳距角，同時(shí)保證轉(zhuǎn)矩控制與變槳控制的解耦。

2海上風(fēng)電機(jī)組的載荷分析及其仿真

本文討論的是海上風(fēng)電機(jī)組載荷及其控制方法，首先對(duì)海機(jī)組的載荷進(jìn)行詳細(xì)分析。由于海上風(fēng)機(jī)所處的海洋環(huán)境不同，其載荷來(lái)源和設(shè)計(jì)特征是不同的。陸上風(fēng)機(jī)的載荷來(lái)源主要包括：慣性和重力載荷、空氣動(dòng)力載荷和運(yùn)行載荷，其中空氣動(dòng)力載荷是主要載荷。除以上載荷外，海上風(fēng)機(jī)的載荷來(lái)源還包括：水流載荷、海冰載荷、船舶沖擊載荷，其中水流載荷包括：海流載荷、波浪載荷和潮汐載荷。海上風(fēng)機(jī)所處的載荷環(huán)境具有很大的不確定性。隨機(jī)的非線性風(fēng)載荷和波浪載荷等都將給海上風(fēng)機(jī)安全控制提出較大挑戰(zhàn)。本文將重點(diǎn)討論海上機(jī)組的空氣動(dòng)力載荷和海波載荷對(duì)機(jī)組的影響。

2.1空氣動(dòng)力載荷由于海面粗糙度比地面粗糙度要低，海上風(fēng)機(jī)具有更低的湍流和更低的風(fēng)剪切，這將一定程度上降低機(jī)組的載荷。但是海上風(fēng)特性具有更高的年平均風(fēng)速，又將加大機(jī)組的載荷。海上機(jī)組的空氣動(dòng)力載荷具有特殊性。塔架所受載荷是海上機(jī)組區(qū)別于陸上機(jī)組的最主要載荷。塔架總載荷主要包括塔架頂部載荷、塔架風(fēng)載載荷和海波載荷。Fr表示風(fēng)輪載荷，F(xiàn)a表示塔架的風(fēng)載載荷。

2.2海波載荷當(dāng)水流通過(guò)塔架支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，其相互作用就產(chǎn)生了流體載荷。主要的流體載荷由波浪和海流產(chǎn)生，有時(shí)也包括因潮汐帶來(lái)的海平面波動(dòng)產(chǎn)生的流體載荷。Fc表示海流載荷，F(xiàn)w表示波浪載荷。

2.3海上風(fēng)電機(jī)組載荷來(lái)源仿真及分析基于以上分析，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用Bladed軟件對(duì)平均風(fēng)速為19m/s湍流風(fēng)時(shí)某海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)電運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，如圖3和圖4。圖中，曲線“-”表示機(jī)組在只受風(fēng)載時(shí)(與陸上機(jī)組類似)發(fā)電運(yùn)行工況的模擬。曲線“•”表示機(jī)組在受風(fēng)載和海波載共同作用時(shí)(與海上機(jī)組類似)發(fā)電運(yùn)行工況的模擬。

在兩種工況下，機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速、輸出電功率、齒輪箱轉(zhuǎn)矩、葉片載荷、輪轂載荷、偏航軸承載荷等相差很小，而機(jī)組的塔架載荷則有明顯差別。主要是由于海波影響塔架和基礎(chǔ)的載荷，對(duì)其它部件載荷影響較小。陸上機(jī)組的阻尼主要有結(jié)構(gòu)阻尼和氣動(dòng)阻尼。

海上機(jī)組受到海波載荷時(shí)，由于塔架和基礎(chǔ)受到流體作用，機(jī)組的阻尼除了結(jié)構(gòu)阻尼和氣動(dòng)阻尼之外，還有流體阻尼，這將一定程度地減小機(jī)組發(fā)電運(yùn)行的疲勞載荷。下面重點(diǎn)分析海上機(jī)組塔架所受的慣性和重力載荷、空氣動(dòng)力載荷和海波載荷，如圖5所示。圖5中，曲線“-”表示機(jī)組在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過(guò)程中只受到慣性和重力載荷作用下的塔架載荷Fx;曲線“•”表示機(jī)組在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過(guò)程中慣性和重力載荷與海波載荷共同作用下的塔架載荷Fx;曲線“-”表示機(jī)組在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過(guò)程中慣性和重力載荷與風(fēng)載共同作用下的塔架載荷Fx。

從圖中可以看出，當(dāng)機(jī)組只受到慣性和重力載荷且在額轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，塔架的阻尼只有結(jié)構(gòu)阻尼，其受力均值較大。當(dāng)機(jī)組受海波或風(fēng)載運(yùn)行時(shí)，塔架的等效阻尼包括氣動(dòng)阻尼和流體阻尼，其受力均值有所減小。但由于風(fēng)湍流、風(fēng)切變等影響，風(fēng)載的波動(dòng)較大。

3海上風(fēng)電機(jī)組載荷控制的幾種方法及其仿真

風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)在高風(fēng)速時(shí)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，低風(fēng)速時(shí)進(jìn)行最優(yōu)控制。除此之外，控制系統(tǒng)的動(dòng)作會(huì)對(duì)機(jī)組載荷產(chǎn)生主要的影響。本文提出了幾種降低海上風(fēng)電機(jī)組載荷的控制方法。這些方法均是在現(xiàn)有的控制策略中增加控制環(huán)或邏輯，來(lái)減小機(jī)組的載荷。本文選取了某海上機(jī)組進(jìn)行了仿真研究。

3.1主動(dòng)空轉(zhuǎn)控制當(dāng)機(jī)組處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，通常會(huì)順槳至順槳位置(85到90度左右)，機(jī)組很慢地旋轉(zhuǎn)或不旋轉(zhuǎn)。此時(shí)機(jī)組的阻尼較小，只有結(jié)構(gòu)阻尼。為了減小海上機(jī)組受到海波載荷的影響，可以增加機(jī)組的氣動(dòng)阻尼，讓風(fēng)輪作低速旋轉(zhuǎn)。為了增加風(fēng)輪的氣動(dòng)阻尼，可以減小變槳角度，使空轉(zhuǎn)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速得到一定的提升。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的微小增加，就可以增加機(jī)組的氣動(dòng)阻尼，減小海波載荷對(duì)機(jī)組的影響。

圖6為某海上風(fēng)電機(jī)組主動(dòng)空轉(zhuǎn)控制策略的仿真曲線。曲線“-”表示海上機(jī)組的基本控制策略仿真曲線;曲線“•”表示機(jī)組在主動(dòng)空轉(zhuǎn)控制策略下的仿真曲線。從圖中可以看出，海上機(jī)組基本控制策略中空轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，變槳角度為90度左右，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速很小，幾乎為零，其塔架載荷較大;而主動(dòng)空轉(zhuǎn)控制策略下機(jī)組的變槳角度減小為30度左右，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速得到了一定提升為3rpm左右，其塔架載荷得到降低。

3.2塔架加阻控制策略氣動(dòng)阻尼是現(xiàn)代主流風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的主要阻尼。通過(guò)增加阻尼來(lái)減小氣動(dòng)載荷和水流載荷引起的塔架前后方向運(yùn)動(dòng)。可以通過(guò)變槳控制來(lái)增加氣動(dòng)阻尼，從而降低塔架和基礎(chǔ)的載荷。塔架加阻控制策略是增加機(jī)組阻尼的一種重要方法。湍流、塔影、風(fēng)切變以及海拔載荷的變化都可能使風(fēng)機(jī)塔架產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)通過(guò)變槳系統(tǒng)的放大，反過(guò)來(lái)通過(guò)外部激勵(lì)作用到風(fēng)輪上。

當(dāng)激振頻率接近機(jī)組某部件的固有頻率時(shí)，將產(chǎn)生受迫振動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定。特別是葉片作為吸收風(fēng)能的主要部件，受到的影響最大，一旦葉片和變槳控制發(fā)生耦合，在控制回路中會(huì)不斷放大塔架的微小振蕩。尤其再加上海上復(fù)雜海波載荷的作用，機(jī)組可能發(fā)生自激振蕩，甚至共振。塔架的前后振動(dòng)是很弱的阻尼振蕩，具有很強(qiáng)的諧振響應(yīng)，即使在風(fēng)速和海波很小的時(shí)候也可以保持很強(qiáng)的諧振。響應(yīng)的快慢取決于阻尼的大小，主要來(lái)自于風(fēng)輪和塔架的等效阻尼。

塔架的動(dòng)態(tài)特性可以用簡(jiǎn)單的二階諧波阻尼系統(tǒng)近似進(jìn)行描述：式中，x為塔架的位移;F為外加力，這里代表風(fēng)和海波的共同推力;為由變槳控制動(dòng)作所引起的附加應(yīng)力;M為塔架的等效模態(tài)質(zhì)量;K為模態(tài)的剛度系數(shù);則塔架頻率為。如果與-X成正比，則可以明顯增加有效阻尼振蕩。因?yàn)闇y(cè)量加速度要比測(cè)量速度容易，因此通過(guò)對(duì)塔架加速度的積分來(lái)推出x的變化。

為了得到精確的附加阻尼Dp，由應(yīng)力對(duì)槳距角的偏微分可以得到合適的增益，其中為槳距角。有時(shí)需要在反饋中串聯(lián)一個(gè)陷頻濾波器，用于限制葉片穿越頻率。通過(guò)變槳裝置中的塔架阻尼控制器可以調(diào)整機(jī)組的有效阻尼大小，有效減小機(jī)組振動(dòng)。圖7和圖8為使用塔架加阻控制和未使用塔架加阻控制的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，塔架加阻控制時(shí)，機(jī)組的變槳角度變化會(huì)稍微加大，因?yàn)樽儤刂祈憫?yīng)了機(jī)組振動(dòng)加速度反饋?lái)?xiàng)，盡管變槳機(jī)構(gòu)動(dòng)作明顯增加，但需要的變槳速率卻變化很小;機(jī)組的電功率輸出、齒輪箱轉(zhuǎn)矩、葉片載荷、輪轂載荷、偏航軸承載荷影響較小;但機(jī)組的塔架載荷得到明顯降低。這種控制策略增加了塔架的阻尼，明顯地降低了塔架的基本載荷。

3.3海上風(fēng)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)策略上面討論了在空轉(zhuǎn)狀態(tài)和發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)下海上風(fēng)電機(jī)組的載荷控制方法。因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境的特殊性，在很多海域都會(huì)有臺(tái)風(fēng)發(fā)生。除了正常海況外，海上風(fēng)電機(jī)組必須能夠經(jīng)受臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn)。本節(jié)主要分析海上風(fēng)電機(jī)組在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)的應(yīng)對(duì)策略，降低機(jī)組載荷。臺(tái)風(fēng)到來(lái)前，根據(jù)氣象部門(mén)提供的氣象信息，可以大致推測(cè)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度和抵達(dá)時(shí)間。如果臺(tái)風(fēng)得到削弱，其抵達(dá)風(fēng)速在機(jī)組允許運(yùn)行范圍內(nèi)機(jī)組可以照常發(fā)電。

如果臺(tái)風(fēng)較強(qiáng)，超出運(yùn)行風(fēng)速范圍，控制系統(tǒng)可以自動(dòng)使機(jī)組進(jìn)入大風(fēng)保護(hù)狀態(tài)，機(jī)組安全順槳停機(jī)，但此時(shí)偏航控制系統(tǒng)需要進(jìn)入抗臺(tái)風(fēng)狀態(tài)。目前針對(duì)抗臺(tái)風(fēng)的偏航策略主要有三種：偏航正對(duì)風(fēng)控制、偏航尾部對(duì)風(fēng)(相當(dāng)于偏航誤差為180度左右)和偏航垂直對(duì)風(fēng)(相當(dāng)于偏航誤差為90度左右)。圖9是在平均風(fēng)速為47.6m/s臺(tái)風(fēng)下對(duì)以上三種偏航策略的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，偏航垂直對(duì)風(fēng)時(shí)，除了塔架My較小外，葉片載荷Mxy、輪轂載荷Myz、齒輪箱轉(zhuǎn)矩、偏航軸承載荷Mxy都比較大。相反地，偏航正對(duì)風(fēng)和偏航尾部對(duì)風(fēng)時(shí)，除了塔架My較大外，其他載荷都比較小;其中，偏航尾部對(duì)風(fēng)時(shí)，葉片載荷Mxy和輪轂載荷Myz最小，偏航軸承載荷Mxy和塔架My相差不大。綜上，應(yīng)對(duì)海上臺(tái)風(fēng)的偏航控制策略中，偏航尾部對(duì)風(fēng)最好，偏航正對(duì)風(fēng)次之，偏航垂直對(duì)風(fēng)最差，其它角度偏航位于中間范圍。

4結(jié)論

本文介紹了海上風(fēng)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)和基本控制原理，分析了海上風(fēng)電機(jī)組的載荷來(lái)源及其特殊性，之后分析并仿真了海上風(fēng)電機(jī)組慣性和重力載荷、空氣動(dòng)力載荷和海波載荷的影響，最后分別在空轉(zhuǎn)狀態(tài)、發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)和大風(fēng)甚至臺(tái)風(fēng)環(huán)境下提出了一些降低海上風(fēng)電機(jī)組載荷的控制方法，并進(jìn)行了有針對(duì)性的仿真。仿真表明，這幾種控制策略對(duì)降低海上風(fēng)電機(jī)組載荷具有較好的效果。

作者：楊明明 蘇麗營(yíng) 辛理夫 李磊 何榮光     單位：華銳風(fēng)電科技(集團(tuán))股份有限公司