基于风力发电机组叶根载荷变换桨距角反馈线性化的独立变桨控制策略研究
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作者:任小勇
摘要：风机在运行过程中，会受到多种不确定因素的影响，其中包括风切变、塔影效应，空气的湿度等都对风力发电机组产生不平衡的载荷，文章提出了基于叶根载荷变换桨距角反馈线性化的独立变桨控制策略研究，该控制方式是通过叶片根部的压力传感器，对叶片的叶根载荷进行全程检测，利用Coleman坐标变换原理将检测到的数据进行变换，把叶根载荷变换为给定输入信号，从而更好地对桨距角进行控制。
关键词：叶根载荷;反馈线性化;变桨距;控制策略
1基于叶片根部载荷变换桨距角反馈线性化变桨距控制原理
1.1控制思想
叶轮在旋转过程中，会受到各种力的影响，受力非常复杂，所受到的各种载荷通过叶根作用到了轮毂，一般情况下，风机受到的载荷有两种，分别是动态载荷和静态载荷。静态特性的载荷变化比较缓慢或者不变化，对风力发电机组的影响较小，可以忽略不计，在风机设计和制造的过程中，可以通过对风机结构的优化等方式来消除静态载荷。运行中的风力发电机，叶片受到自然风、风切变、突变的风等会产生动态载荷，动态特性的载荷随时间变化，如果不能及时处理，就会影响风力发电机的稳定性和使用寿命，因此在风力发电机组变桨距控制中，考虑载荷对风机的影响时，只需考虑风机的动态载荷[1]。
只要叶片转动，就会受到气流的作用产生动态载荷，传递到轮毂上，对轮毂产生影响。在设计变桨距控制策略的时候，一定要考虑动态载荷。风机在运行的过程中受到的载荷分为两类，一类是风机转动时的气动转矩。气动转矩主要就是带动发电机转动，气动转矩会受到风剪切、塔影效应、尾流的影响，叶轮波动，发电机电磁转矩作用等，会对风力发电机组的传动系统产生扭曲和震动，影响风力发电机的功率输出。风机的动态载荷分为两部分，一是在气流作用下产生的气动转矩，二是因气流影响产生的不平衡载荷[2]。
叶片的动态载荷主要表现形式是叶片的拍打和叶片的挥舞，叶片的拍打主要是在旋转过程中的振动，与风剪切和旋转湍流有关，叶片的挥舞主要是在旋转过程中的振动，主要与气动力矩和风剪切有关。风机在运行过程中受到的各种载荷之间是有相互耦合关系的，叶片的拍打与传动系统有耦合关系，塔架的振动与叶片的挥舞有耦合关系，因此在设计风机的过程中，要充分考虑风机的动态载荷，确保机组的运行稳定和使用寿命[3-4]。
针对上述问题，提出基于叶根载荷变换桨距角的控制策略，通过在叶片根部装置压力传感器，对叶根产生的载荷实时监测，以此来反映叶片的受力情况，反映整个机组不平衡载荷的影响，将叶根受到的动态载荷换算为叶轮所弯曲的力矩，将弯曲力矩变换为桨距的反馈量，从而能够对风机进行变桨距控制[5]。
1.2叶片根部载荷变换桨距角反馈给定计算
风轮在旋转过程中，会受到水平方向和垂直方向的力的作用，因此叶轮的不平衡载荷主要就是水平方向和垂直方向力的弯矩，也就是通常所说的俯仰弯矩Mtilt和偏航弯矩Myaw，轮毂弯矩受力分析如图1所示。
实际运行过程中，轮毂受到弯矩力的作用，引起轮毂的变形和塔架的弯曲，在风场中，经常发生塔筒、叶片折断的情况，发生类似情况的原因是轮毂不平衡载荷引起的，因此通过控制策略来减少论轮毂的俯仰弯矩和偏航弯矩。但是轮毂的结构是一个球形状的，在实际中，只能利用间接的方法来测量轮毂中心的不平衡载荷，之后再进行换算。本文是通过叶根载荷变化对轮毂的中心弯矩进行测量的[6-7]。
实际计算中，叶片在叶片坐标系下定义，轮毂在轮毂固定坐标系下定义，为了换算方便，应用了Coleman坐标变换理论进行坐标变换。
把叶片受到的弯矩根据Coleman坐标变换理论，变换成轮毂中心俯仰弯矩MYN和偏航弯矩MZN，其坐标变换公式如式（1）所示。
在因为轮毂中心的俯仰弯矩和偏航弯矩互相垂直，没办法只设计一个控制器对其控制，只能设计两个控制器进行控制，把控制器的输出再进行坐标反变换，就可以得到3个叶片桨距角调节地给定量并对风机进行控制。其坐标反变换公式如式（2）所示。
叶片根部气动载荷产生的叶根弯矩线性化模型可表示如下：
δM=kβ+ω
δM=kβ+ω
δM=kβ+ω（3）
风机叶片转动时的相对风速ω是绝对风速和轮毂前后振动时产生的速度之和，可以由下式（4）所示：
ω=v-x（4）
式中：x是轮毂振动产生的位移，i为叶片数。
只考虑叶轮前后移动，可以把式（3）和（4）写成：
δM=hv+kβ-hX
δM=hv+kβ-hX
δM=hv+kβ-hX（5）
在实际变桨距风机控制时，每个叶片的变桨控制是由统一变桨信号控制的，是根据轮毂中心高度测量的风速大小给人风机控制系统的，系统原理框图如图2所示。
1.3叶片根部载荷变换桨距角独立变桨运行分析
（1）在低风速下，叶片受到的各种力的作用较小，产生的载荷也小，一般叶根载荷不作为控制目死唇行控制，但是在兆瓦级风电场中，风机的叶片和塔筒的高度都在几十米以上，叶片的最高点和最低点落差在几十米到一百米之间，在低风速下按照轮毂中心的风速计算最佳叶尖速比是可行的，但是在实际应用中，因为塔筒和叶片长度较大，还应考虑叶片产生的不平衡载荷。
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