基于反馈控制策略的陆上与海上风力机塔架前后振动控制效果分析

贾文强1,谢双义2, 金 鑫

(1.太原重工股份有限公司，山西 太原030024；2. 重庆公共运输职业学院，重庆402247;3. 重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030)

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基于反馈控制策略的陆上与海上风力机塔架前后振动控制效果分析

贾文强1,谢双义2, 金 鑫3

(1.太原重工股份有限公司，山西 太原030024；2. 重庆公共运输职业学院，重庆402247;3. 重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030)

塔架在受到风轮、机舱、自身重力以及各种风况和海况下的载荷作用时会出现振动幅度过大的情况，这可能导致塔筒倒塌、发电功率波动变大等恶劣事故的发生。为得到良好的控制塔架前后振动的效果，采用适合的控制策略是关键。文章分别对美国可再生能源实验室(NREL)提供的陆上和海上5 MW风力机塔架的前后振动采用反馈控制策略进行仿真模拟。仿真结果表明，在相同的控制策略下，陆上风力机的塔架前后振动能够得到很好的抑制，而对于海上风力机来说这种控制策略的效果并不明显。对于海上风力机塔架的前后振动问题还需要考虑其他控制策略。

塔架；风力发电机；前后振动；反馈控制策略

风能不仅可以为人们提供无穷无尽的能量，而且在悄悄地促进经济和社会的发展。风能发电有着成本低、风险低、绿色环保的显著特点[1-5]。

现在的风力发电分陆上和海上2种。陆上风力发电的使用已有超过10年的历史，且已成为世界上增长最快的能源[6]。随着风力发电单机功率的逐渐增大，叶片、塔架以及机舱的尺寸都在增大，相应的质量也在增加。对于陆上风力机塔架来说，它不仅要承受上述部件及自身的重力，也要承受复杂多变的风载荷作用[7]。近年来由于风力机的设计不佳或其他原因导致的塔架倒塌事件时有发生。海上风力发电是近几年才出现的新技术，它的技术相对于陆上风力机来说还不够成熟，仍有许多问题需要解决。对于海上风力机塔架来说，它除了要承受陆上风力机塔架所承受的外部力之外，还要承受波浪载荷以及冰载荷的作用。海上风力机的基础多采用漂浮式结构[8-9]。随着海上风力机逐渐向深海过渡，塔架的前后振动也随之变大，进而导致海上风力机的功率输出变得更加不平稳。Wright等[10]对陆上风力机塔架的前后振动控制做了类似研究，但对海上风力机塔架的前后振动控制的研究还很少。本文使用陆上风力机塔架前后振动的反馈控制策略来控制海上风力机塔架的前后振动，通过使用FAST软件和MATLAB/Simulink软件对美国可再生能源实验室(NREL)提供的5 MW陆上和海上风力机模型进行仿真。其结果表明，在相同的控制策略下，对陆上风力机塔架的前后振动控制效果较好，而对海上风力机塔架的前后振动控制效果则不理想。

1 变速变桨风力机的基本运行控制策略

当风速在额定风速以下时，通过控制发电机的转矩使风力发电机尽量获取多的能量，其控制细节如图1所示。通常变速变桨风力发电机组均按照二次曲线图进行转矩给定[11]。

图1 发电机转速与转矩关系曲线

2 风力机基础结构

陆地上的风力机塔架基础通常采用的是混凝土基础，混凝土直接浇筑在土层上[12-14]。对于海上风力机的基础来说，它多采用漂浮式结构。漂浮式结构[15-17]通常分为3种：张力腿式、驳船式和单柱式。文中研究的海上风力机为单柱漂浮式海上风力机，其结构如图2所示。

图2 单柱漂浮式海上风力机

3 塔架前后振动控制

风电机组自身阻尼非常小，在运行过程中塔架振动问题普遍存在，当风载或波载发生突变时，很可能会使塔架产生较大振动。为降低塔架前后的振动，在区域3上可通过变桨控制器来增加塔架前后模态的阻尼。为设计能增加塔架阻尼的控制器，假定柔性塔架可以用线性模型来表示，在这个模型中塔架的一阶前后模态占主导[18]。其运动方程[19]可以写为

(1)

为增加塔架前后的阻尼，现在假定输入桨距角的变化量与塔架振动速度的变化量成正比

(2)

塔架阻尼的大小可以通过选择增益G的大小来调整。将式(2)带入式(1)可以得到

(3)

将式(3)进一步变换可得到

(4)

对式(4)两边进行拉普拉斯变换之后得到

Δx(s)[Mts2+(Ct-FtG)s+Kt]=0，

(5)

从而可求得特征方程

Mts2+(Ct-FtG)s+Kt=0。

(6)

特征方程的一般表达式为

s2+2δωs+ω2=0。

(7)

式中：2δω=(Ct-FtG)/Mt；ω2=Kt/Mt。而解得的特征方程的根为

(8)

在FAST的主文件中激活塔架的一阶前后自由度。在风力机的运行点ω0=18 m/s，Ω0=12.1r/m及θ0=15°处使用FAST软件，经线性化可得到表1的陆上风力机塔架参数和表2海上风力机塔架参数。

表1 5 MW陆上风力机塔架参数表

表2 5 MW海上风力机塔架参数表

陆上风力机塔架的无阻尼固有频率为

(9)

海上风力机塔架的无阻尼固有频率为

(10)

令式(4)中的G=0，即无变桨控制，可分别求得陆上和海上风力机塔架阻尼比δland=0.059 3，δsea=0.061 89。

4 仿真结果对比

FAST软件是美国可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)研发的一款用于风机性能分析和载荷计算的综合软件。对于研究的5 MW陆上和海上风电机组来说，其详细参数[11,19]如表3所示。

表3 5 MW风电机组参数表

借助MATLAB/Simulink仿真软件搭建模型与FAST进行联合仿真，系统控制框图与搭建的Simulink模型如图3和4所示。

图3 系统控制框图

图3中:ωref表示电机参考转速；βm表示测量到的桨距角；V表示风输入；β表示桨距角需求；Te表示电机转矩；αtwrb-a表示塔架前后振动加速度；G表示比例增益；ωg表示滤波之后的电机转速。在实际仿真控制中通过选择合适的增益G值可以有效增加塔架前后振动阻尼，原理如式(1)—(8)。

图4 带有增益调度、抗积分饱和以及塔架反馈的Simulink模型

图5表示选择不同的G值(即改变塔架前后振动阻尼)时，塔基处前后弯矩的变化情况。可以看出，随着G值的增大(G=0.05)，塔基处前后弯矩变化幅度减小(相比G=0),当G值继续增大(G=0.1和0.15时)，塔基处前后弯矩变化幅度则增大；因此，最终G值取为0.05。

图5 选择不同的G值时塔基处的前后弯矩

采用18 m/s的湍流风作为仿真激励，如图6所示。图7和图8分别表示在湍流风激励下陆上和海上塔架在塔基处有无增加阻尼时前后弯矩的响应。图9和图10分别表示在湍流风激励下陆上和海上风力机塔架在塔顶处有无增加阻尼时的前后位移。

图6 18 m/s的湍流风激励

图7 在18 m/s湍流风下陆上风力机塔基处前后弯矩响应

图8 在18 m/s湍流风下海上风力机塔基处前后弯矩响应

图9 在18 m/s的湍流风下陆上风力机塔顶位移

图10 在18 m/s的湍流风下海上风力机塔顶位移

由图7和图9可以看出，在18 m/s的湍流风条件下，当增加了塔架前后振动阻尼时，其塔基处的前后弯矩和塔顶处的位移都有比较明显的降低。从图8和图10可以看出，即使增加了塔架前后振动阻尼，其塔基处的前后弯矩以及塔顶处的位移变化不明显。造成上述现象的主要原因可能有3种。第1种原因是陆上风力机的基础直接固定在陆地上，其阻尼相对较小，当增大阻尼时控制效果较明显；而对于海上风力机来说，其基础为漂浮式结构，由缆绳对其进行固定，此时阻尼相对较大，故在控制器设计中即使增加了塔架前后振动阻尼，控制效果仍不甚理想。第2种原因则是图3和图4中增益G值的选择是通过反复调整、测试之后得到的，未能选到最优值。第3种原因则可能是在设计海上风力机控制器时没有考虑海上波浪载荷的作用。

5 结论

由于风电机组自身阻尼非常小，在运行过程中的塔架振动问题普遍存在，这降低了风电机组的寿命。针对所要研究的5 MW陆上和海上风力发电机组模型，使用FAST软件对其进行线性化分析，分别求得风力机的塔架参数用以设计塔架的反馈控制，再使用MATLAB/Simulink软件与FAST软件进行联合仿真。仿真结果表明，所使用的塔架反馈控制能有效降低陆上风力机塔架的前后振动，但采用相同的控制方法却不能有效降低海上风力机塔架的前后振动。造成上述现象的原因可归纳为： 1) 海上风力机本身阻尼相对较大； 2)G值的选择不是最优； 3) 没有考虑波浪载荷的作用。为此，对海上风力机塔架的前后振动控制来说，有必要对其进一步研究。

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(编校：饶莉)

TheAnalysisofTowerFore-aftVibrationControlEffectsforOnshoreandOffshoreWindTurbinesBasedontheFeedbackControlStrategy

JIA Wen-qiang1， XIE Shuang-yi2, JIN Xin3

(1.TaiyuanHeavyCo.Ltd.,Taiyuan030024China;2.ChongqingVocationalCollegeofPublicTransportation,Chongqing402247China;3.StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission，ChongqingUniversity，Chongqing400030China)

When tower is under the gravity of its own and wind turbines, engine room, and various wind conditions and sea conditions, the tower vibration amplitude always becomes great, which may lead to bad accidents, such as drum tower collapsed, power fluctuation becoming greater ,etc. To control the vibration effectively, appropriate control strategy is important. The feedback control strategy is used for the fore-aft vibration of onshore and offshore wind turbine towers provided by NREL. Simulations are carried out for these two kinds of towers, and the results show that the fore-aft vibration of onshore wind turbine tower can be well suppressed, and it is not obvious for offshore tower. Therefore, other control strategy needs to be considered for offshore wind turbine tower.

tower; wind turbine; fore-aft vibration；the feedback control strategy

2014-01-19

国家科技支撑计划项目(2009BAA22B02)；国家自然科学基金项目(51005255)；教育部高等学校博士学科点科研基金项目(20090191120005)。

贾文强(1964—)，男，高级工程师，主要研究方向为风力发电技术。E-mail：jwq-2008@126.com

TK83；TM614

：A

：1673-159X(2015)06-0032-04

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.06.007