基于FA ST 的大型风电机组叶根载荷反馈独立变桨距控制策略

易怀洋，梁 辉，晋永荣

（1.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001；2.国网南陵县供电公司，安徽 芜湖 242400）

引言

随着我国经济的快速发展，能源消费高速增长，能源供需矛盾问题日益凸显，建立清洁低碳安全可靠的能源体系是实现可持续发展的必然选择。根据《2030 年前碳达峰行动方案》，我国在2030 年前要实现碳达峰目标，在实现我国碳排放峰值、碳中和目标和能源结构调整转型的过程中，我国风电产业迎来了新的发展机遇。另外，我国产业结构转型升级，推动高端装备制造业发展，也有力推动了我国风电大规模开发和高质量发展。

截至2021 年，我国风电装机容量突破3 亿千瓦，预计2025 年有望达到5 亿千瓦。在我国风电装机容量不断攀升的同时，风电机组单机容量也在不断增加。为了捕获高空优质风能，降低风电的发电成本，提高竞争力，风电机组趋向于朝着大型化、轻量化、低噪声、低故障率的方向发展[1]。随着风电机组尺寸的增大和柔度的增加，湍流、风剪切、塔影效应等因素对风电机组零部件产生的不平衡载荷引起的风机零部件振动加剧、疲劳损伤的问题更加突出[2]。为了有效抑制风电机组不平衡载荷引起疲劳振动问题，研究基于叶根载荷反馈的独立变桨距控制策略，通过FAST 和MATLAB/Simulink 的联合仿真分析，表明基于叶根载荷反馈的独立变桨距控制策略可有效降低风轮叶片的不平衡载荷。

1 基于FAST 搭建5 MW 风机模型

在FAST 三叶片风机模型中，风电机组包含8 个刚性体和5 个柔性体共具有24 个自由度可供选择，FAST 软件中有多种型号的风机模型可选择参考，用户可根据需要灵活地进行参数设置和自定义模式设置。以NREL 5MW 风机为基础，进行参数设置搭建5MW 风机模型，参数设置见表1。

表1 NREL 5MW 风力机参数

风数据文件由NREL 开发的Turbsim 软件生成，选择IEC Kaimal 谱模型的三维湍流风，风剪切效应选用指数模型，在输入文件Kaimal.inp 中设置参数：平均风速16 m/s；风向角度参数VFlowAng 为设为5°、HFlowAng 设为15°；参数IECturbc（湍流强度）设为符合IEC 61400-1 标准的湍流特性类别的“C”类、风剪切系数设为0.2，地面粗糙长度设置为0.03，风机轮毂处风速大小见图1。

图1 风机轮毂处风速大小

2 基于叶根载荷反馈的独立变桨距控制策略

叶根载荷是风电机组轮毂、传动链和塔架等风机零部件气动载荷的来源。叶根弯矩作用于轮毂，会在轮毂产生俯仰弯矩Mtilt与偏航弯矩Myaw，可以利用俯仰弯矩和偏航弯矩对多变量耦合系统进行解耦控制[3-4]。

由于叶根弯矩是在随风轮旋转的叶根坐标系中定义的，而轮毂的俯仰弯矩与偏航弯矩是在轮毂固定坐标系中定义的，于是需通过Coleman 坐标变换，将基于旋转坐标系的3 个桨叶的叶根弯矩M1、M2、M3变换到轮毂固定坐标系下的轮毂俯仰弯矩Mtilt与偏航弯矩Myaw，变换式为

风轮旋转于某一位置时，叶根载荷对于风速和桨距角的线性化模型可表示为

k、h 分别为叶根弯矩对桨距角和风速的导数；δM1、δm2、δm3分别为3 个桨叶的叶根弯矩变化量，xfa表示轮毂中心轴向位移。

将式（2）代入式（1）得到风轮俯仰弯矩Mtilt与偏航弯矩Myaw表示式

由于式（3）和式（4）给出的是俯仰弯矩与偏航弯矩的线性时变表达式，给风机载荷的控制分析带来困难，需要通过坐标变换转化为俯仰弯矩与偏航弯矩的时不变模型。于是以第1 个叶片为准定义方位角θ，当桨叶处于风轮旋转平面的右侧水平位置时θ=0°，则第i 个桨叶的方位角为

设有坐标变换如式（6），式中：q1，q2，q3为原坐标系中的坐标为新坐标系中的坐标，因与正交，于是就把原空间坐标系中的坐标变换成d-q 正交坐标系中的坐标，达到线性解耦的目的。

经过上述坐标变换，可分别得到叶片桨距角和风轮弯矩的坐标变换表达式

于是，可以得到轮毂的俯仰弯矩与偏航弯矩的时不变模型

根据上文推导，设计基于叶根载荷反馈方式的独立变桨距控制策略[5-6]：每个桨叶的控制信号βi由统一桨距角信号βc与独立变桨控制信号Δβi（i=1，2，3）组成。由统一变桨距给出3 个叶片统一的桨距角信号βc，确保功率稳定于额定功率附近；由3 个叶片的叶根弯矩信号Mi（i=1，2，3），经过Park 坐标变换后得到d-q 坐标系轴向的2 个弯矩与与经PID控制器输出得到d-q 坐标系2 个轴向的桨距角信号与，然后再经Park 坐标逆变换求出每个叶片的独立的桨距角信号Δβi（i=1，2，3），最后将统一桨距角信号与独立桨距角信号叠加形成每个桨叶的变桨距信号，即每个桨叶的桨距角信号可表示为βi=βc+Δβi，控制原理框图见图2。

图2 叶根载荷反馈控制框图

3 FAST 和MATLAB/Simulink 的联合仿真分析

FAST 可与Simulink 连接，FAST 软件中的风机模型数据以一个FAST_SFunc 文件的形式被Simulink 中的S 函数模块所调用，借助FAST 与Simulink 接口，在Simulink 中调用FAST 中搭建的5 MW 风机模型，然后在Simulink 中搭建控制器，用Turbsim 生成的平均风速16 m/s、风剪切系数0.2、地面粗糙长度0.03、轮毂处风速大小如图1 的三维湍流风进行仿真，变桨范围设置为0～90°，变桨速率±8°/s。统一变桨距和叶根载荷反馈独立变桨距两种方式下，叶根挥舞弯矩对比见图3，可以看出叶根载荷反馈方式的独立变桨方法可以有效降低风轮叶根处的挥舞弯矩。

图3 叶根挥舞弯矩

图4 和图5 是风机轮毂处的俯仰弯矩和偏航弯矩的对比图。可以看出，叶根载荷反馈方式的独立变桨距控制方法较于统一变桨距控制方法，能较显著地降低风机轮毂中心的俯仰弯矩和偏航弯矩。

图4 轮毂俯仰弯矩

图5 轮毂偏航弯矩

4 结论

通过FAST 和MATLAB/Simulink 仿真结果分析，可以看出叶根载荷反馈独立变桨距控制策略能有效降低叶根挥舞载荷，减小风机轮毂的俯仰弯矩和偏航弯矩，这也说明该方法在风湍流、风剪切和塔影效应等复杂风况下能有效减小风机轮毂等关键部件的不平衡载荷，有效降低风机关键零部件的疲劳振动，验证了该控制策略的有效性。