大型风力机变桨距加载系统多余力抑制方法研究

甄 亮 方占萍

(酒泉职业技术学院新能源工程系1，甘肃 酒泉 735000 ;甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室2，甘肃 酒泉 735000)



大型风力机变桨距加载系统多余力抑制方法研究

甄 亮1,2方占萍1,2

(酒泉职业技术学院新能源工程系1，甘肃 酒泉 735000 ;甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室2，甘肃 酒泉 735000)

对大型风力机变桨距加载系统产生的多余力抑制方法进行了研究，提出了一个将变桨距位置系统等效为倒立单摆负载的方法以减小多余力。考虑到单摆负载的位置系统与加载系统之间的耦合关系，采用了双微分结构解耦补偿控制策略。Matlab仿真结果证明，采用双微分结构解耦补偿控制策略后，当加载频率达到10 Hz时，多余力从±22 N左右减小到±4 N左右，满足加载系统的性能指标。仿真结果表明了采用双微分结构解耦补偿控制策略抑制多余力的有效性。

大型风力机 电液伺服系统 变桨距 传感器 PID控制 单摆负载 双微分结构 解耦补偿

0 引言

风能作为一种清洁能源，近几年在国内外得到了迅猛发展。2012年，中国陆上风电新增装机容量1 590 万kW，占全球新增容量的三分之一以上，连续四年保持行业第一[1]。变桨距控制是提高风力发电效率和电能质量的最有效手段之一，也是当今大型风力机控制的关键技术。由于现代大型风力机功率普遍达到了MW级以上，所以微小的效率提高就能带来可观的年发电量。大型风力机变桨距控制策略的最佳方法是建立高效的大型风力机变桨距负载模拟系统，在试验室条件下模拟风力机在运行过程中作用在变桨距轴上的各种阻力矩，即动态加载系统[2]，以研究风力机叶片在受到各种载荷的情况下对变桨距控制系统性能的影响。本文采用理论分析和数值仿真相结合的研究方法，对大型风力机变桨距动态加载系统产生多余力的过程、机理以及抑制方法作了深入的研究和讨论，提出了采用双微分结构解耦补偿控制来减小多余力的方法。在整个系统中设计了两个微分补偿环节，从而最大限度地消除多余力。

1 建立物理模型

为了研究大型风力机电液伺服变桨距系统的控制器参数、性能与可靠性，以及对整个闭环控制系统的性能指标评价[3]，搭建了风力机电液伺服变桨距系统动态加载半物理仿真试验平台。对于大型风力机这样的运动负载，一般情况下，都将其等效为一个由左右两部分组成的倒立的单摆负载。左边是模拟风力机变桨距的电液伺服变桨距系统，通过位移传感器反馈构成一个位置闭环，按照给定的指令信号驱动单摆负载精确摆动。这里的加载对象单摆负载是一个运动的物体，就好似风力发电机组中运动的叶片。右边是电液伺服动态加载系统，它由一个电液伺服阀控制液压缸输出力，对单摆负载进行力加载。由于单摆负载的主动运动，造成加载系统在位置上有变化，所以这就是典型的动态加载。由于受载对象的自主运动和加载装置的运动相互耦合，产生的位置扰动会引起多余力，所以电液负载模拟器属于被动式加载系统，其关键问题就是如何抑制和消除多余力。

大型风力机变桨距电液伺服动态加载系统由加载装置和被加载对象单摆负载组成。风力机变桨过程中，如桨距角的大小变化不大，则仿真模型中的单摆负载摆动角度不大。研究单摆负载水平方向的运动对加载系统产生的多余力是可行的，所以电流负载模拟器属于被动式加载系统，其关键问题就是如何抑制和消除多余力。

在单摆负载电液伺服动态加载过程中，由于位置扰动产生的多余力全部叠加在加载系统的输出力上，如果不加以消除，所设计的加载系统将难以对单摆负载精确加载，有时甚至将加载力完全淹没，不能实现各种载荷谱的点点跟踪，甚至会造成整个加载系统不能正常工作[3]。

2 建立数学模型

在整个单摆负载电液伺服动态加载系统的建立过程中，先分别建立各个环节的数学模型。电液伺服加载系统用来模拟大型风力机变桨过程中叶片所受到的各种动力载荷，包括空气动力等其他阻力[4]。

2.1 加载系统滑阀流量方程

加载系统滑阀流量方程为：

QLF=KqFXvF-KcFPLF

(1)

式中：QLF为单摆负载加载系统伺服阀的负载流量，m3/s；KqF为单摆负载加载系统伺服阀的流量增益，m2/s；XvF为单摆负载加载系统伺服阀的阀芯开口量，m；KcF为单摆负载加载系统伺服阀的流量-压力系数，m5/(N·s)；PLF为单摆负载加载系统液压缸的负载压力，N/m2。

2.2 加载液压缸连续性方程

单摆负载加载系统液压缸的流量连续性方程为：

(2)

2.3 加载液压缸和负载力平衡方程

同样，根据牛顿第二定律，可得到力平衡方程：

(3)

式中：mF为单摆负载加载液压缸活塞质量，kg；BcF为单摆负载加载液压缸活塞和负载等效的黏性阻尼系数，N/(m/s)。

2.4 力传感器输出方程

力传感器输出方程为：

Fg=Ke(yF-yL)

(4)

式中：Ke为力传感器的弹性刚度，N/m；yF为单摆负载加载缸的活塞位移，m。

经过简化，在频域内，可得到力传感器上输出力Fg的表达式为：

(5)

通过传感器输出力Fg的计算，可以得到由于单摆负载的位置扰动产生的多余力表达式:

(6)

2.5 拉压力传感器数学模型

电液伺服动态加载系统使用的拉压力传感器为电压输出型拉压力传感器，其线性度好、可重复性好、灵敏度高，可视其为比例环节[5]。拉压力传感器的数学模型就可表示如下：

(7)

式中：KFf为力传感器系数，V/N；UFf为力传感器输出电压，V；Fg为传感器所受力，N。

2.6 加载系统伺服放大器数学模型

伺服放大器的主要功能是将数据采集卡输出的电压信号转化为电流信号，并且加以放大，然后输入到电液伺服阀，来驱动电液伺服阀阀芯[6-7]。其传递函数为：

(8)

式中：KaF为加载系统伺服放大器增益，A/V；um为加载系统输出电压，V；i为加载系统伺服阀输入电流，A。

2.7 加载系统电液伺服阀数学模型

同样地，可将加载系统电液伺服阀的传递函数等效为[8-10]：

(9)

式中：GsvF(s)为位置系统电液伺服阀的传递函数；KsvF为位置系统电液伺服阀的流量增益，m2/s。

3 双微分结构解耦补偿控制器设计

因单摆负载的位置系统和加载系统是相互耦合的，如只设计消除驱动系统对加载系统的干扰，不考虑加载系统对驱动系统的影响，显然是有缺陷的。本文不但设计了微分补偿环节来减小多余力，还设计了补偿环节，以消除加载系统对驱动系统的干扰。整个系统的两个微分补偿环节，构成了双微分结构解耦补偿控制器。通过仿真，验证了其优越性。

3.1 消除多余力结构补偿器设计

采用结构补偿环节，补偿单摆负载位置系统对加载系统的干扰。设计补偿环节E1(s)的目的是消除单摆负载位置系统的输出位移对加载系统的干扰。

E1g=YDKDfE1(S)KaFGsvF(s)KqF

(10)

(11)

为了全部补偿多余力，需要得到：

E1g-E1D=0

(12)

在设计补偿环节时，可以忽略干扰环节C(s)中C3和C2两个高阶项及E1D中的二阶项，即得到：

继而得到补偿环节E1(s)的表达式：

(13)

3.2 消除扰动的结构补偿器的设计

同样，采用E1(s)补偿环节来消除加载系统对驱动系统的干扰。设:

E2g=FgKFfE2(s)KaDGsvDKqD

(14)

(15)

得到：

E2g+E2D=0

(16)

忽略分母中的高阶项，则：

(17)

忽略常数项，则：

(18)

3.3 双微分结构解耦补偿控制器仿真分析

在Matlab的Simulink中搭建仿真模型。一般情况下，当仿真参数给定单摆负载位置系统输入信号频率为5 Hz、幅值为±5 mm时，分别得到系统中控制器增益为1的比例环节和加PID控制器，以及PID加双微分结构解耦补偿补偿控制器时的多余力。当系统中控制器处于增益为1的比例环节时，测得的纯多余力峰值为±22 N左右，使用PID控制可以减小到±10 N左右，但使用本文设计的双微分结构解耦补偿控制时，多余力基本得到抑制，峰值为±4 N左右，所以设计的控制器对多余力的抑制效果明显。在单摆负载启动、换向、加速和减速时，产生的多余力也明显减小，充分验证了本文设计控制器的思想。解除位置系统与加载系统之间的耦合关系，对消除多余力起到了很大作用。同时，位置系统稳定性和快速性都得到了很大的提升，从而提高了加载系统的性能指标。

本文设计的双微分结构解耦补偿控制策略在实际工程应用中更加可靠，而且从加载信号跟踪仿真结果可以看出，在满足双十指标的要求下，跟踪性能很好。

跟踪响应曲线如图1所示。

以上的仿真结果表明，本文设计的双微分结构解耦补偿控制器对多余力的抑制效果明显，而且设计简单可靠，对控制计算机的硬件要求也不高。本文设计的控制器只考虑了线性因素对加载系统造成的多余力，而实际中，电液伺服动态加载系统中有很多非线性因素，包括单摆负载支撑处的游隙非线性、液压系统中油液的温度变化以及压缩性，这些因素都会对加载系统造成影响。因此要想提高加载系统的性能，就应该从这些方面入手，选取更合理的硬件设备、设计更先进的控制方法。

图1 跟踪响应曲线

4 结束语

本文分析了大型风力机电液伺服变桨距系统动态加载半物理仿真试验平台中，位置系统与加载系统之间的耦合关系，提出了采用双微分结构解耦补偿控制策略，有效消除了加载系统的多余力和加载系统对位置系统的干扰。Matlab仿真结果表明，提出的双微分结构解耦补偿控制策略，随着加载频率不断增大，即当加载频率从5 Hz增大到10 Hz时，多余力从原来的±22 N左右减小到±4 N左右，满足加载系统的性能指标，双微分结构解耦补偿控制策略对于多余力抑制以及动态加载系统具有明显的优势。

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Research on the Suppression Method of Excess Force Generated in Variable Pitch Loading System of Large Wind Turbine

The suppression methods of excess force generated in variable pitch loading system of large wind turbine are researched,and to reduce the excess force,the method with which the variable pitch position system is equivalent to the inverted simple pendulum load is proposed.Considering about the coupling relationship between the position system of simple pendulum load and the loading system,the decoupling compensation control strategy with double differential structure is adopted. The results of Matlab simulation prove that after adopting the decoupling compensation control strategy with double differential structure,when the loading frequency reaches 10Hz,the excess force reduces from ±22 N to ±4 N around,this meets the performance index of loading system.The simulation result shows the effectiveness of such control strategy for suppressing excess force.

Large wind turbine Electro-hydraulic servo system Variable pitch Sensor PID control Simple pendulum load Double differential structure Decoupling compensation

国家自然科学基金资助项目(编号：51365028)。

甄亮(1984—)，男，2013年毕业于兰州理工大学机械电子工程专业，获硕士学位，助教；主要从事电液伺服控制技术、现代控制策略、风力发电控制技术方向的研究和教学工作。

TH-3;TP273+.3

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611009

修改稿收到日期：2016-04-14。