《独立变桨距控制》word版

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1、基于模型设计和降低载荷的独立变桨距控制摘要：从集中变桨距控制（CPC）与独立变桨距控制（IPC）的三桨叶水平轴风力发电机组中衍生出一种模型。以3MW变速变桨风机为模型设计出控制环，并做气动仿真进行结果分析。独立变桨距可以减小风机的旋转不平衡载荷，这些载荷是由于扰动、塔影效应和风切效应引起的。此种桨距控制活动主要集中在旋转频率（IPC-1P）和高次谐波控制（IPC-2PIPC-3P）。在全载荷情况下，各个桨叶的疲劳损伤载荷能得到显著的减小，2P3P的减载效果能到达三分之一或者更高。机舱的疲劳损伤载荷

2、能在2P中得到有效的抑制。当在多桨叶坐标系转换中配合以调制和解调时，非常简单的反馈方法就能满足要求。关键字：独立变桨距控制；控制设计模型；高次谐波控制；旋转模型1简介作用在水平轴风力发电机塔架、驱动轴和风轮桨叶上的载荷主要是由于塔影效应和风切效应引起的旋转采样湍流导致的。这些载荷可以通过独立变桨距控制得以减小。早期的一些著作[1][2]介绍了这种控制方法的概念，主要集中在一次旋转频率（IPC-1P）。这类控制方法对于如何建立反馈控制环在文献[2]有较为详细的说明。然而，对于反馈环结构的选择以及基于

3、模型的参数化方法，没有一个模型设计控制或基于模型的确定方法。此外，一次旋转频率的独立变桨距控制（IPC-1P）也存在缺点。即存在载荷补偿的问题，在多倍转速的情况下（2P3P）。未来三桨叶风机会是主流机型。所以，载荷补偿问题显得尤为重要。本文将提出一个适合单个桨叶运行简单的控制模型，结构框图（图2）。这个模型就是为了设计Ip的模型（图3）。这种模型也可以作为在2P3P附近独立变桨距控制的反馈环的设计。带有该控制模型的时域仿真结将逐一给出IPC-kP在桨叶和机舱的静态载荷的控制效果（图4）。该控制设计

4、模型不包括桨叶弯曲和不稳定气动因素。因此可以认识是高次独立变桨距控制设计的第一步。该IPC-kp的控制环同时也是主动的，会与其他因素产生一定得联系。稳定性分析需要一个集成的动态模型，该模型还有一些周期系数。这个可以通过Floquet理论[13]来解决。2控制设计模型该控制模型所涉及的是三桨叶风机（B=3）。该模型的主要特征如下：1）独立桨距角控制的刚性叶片；2）旋转与一阶驱动扭矩模式；3）塔架的一阶前后和侧向弯曲模型；4）可控的发电机转矩风力发电机组模型的结构框图如图1所示。该模型中包含三个所谓的

5、叶片有效风输入信号（u1,u2u3）这个输入可以认为是作用在风轮三个桨叶上的统一风速信号，在旋转风轮中，这些风信号就会在叶片根部产生载荷（力矩）。较为详细的介绍将在文献[3]。接下来的两个小节将会介绍独立变桨距中的空气动力模型的线性化以及这个转化模型的公式。2.1空气动力模型的线性化气动转换将利用BEM线性化理论；这里不考虑桨叶的气动尾流效应和不稳定空气动力因素。基于BEM的气动转换理论的特点就是将挥舞相对风速vfli的变化量与桨叶叶根部挥舞与轴向的力矩或力成乘数关系。气动增益也可以通过桨距

6、角的变化的影响得到。桨距角的变化θi与相对风速的变化vfli代表是第i个桨叶的值。因此在第I个桨叶根部产生力矩（载荷）。如图1所示。图1风机的结构框图δMzi=hMzυfli+kMzθi(neg.flapwisemoment)δFxi=hFxυfli+kFxθi(pos.flapwiseforce)δMxi=hMxυfli+kMxθi(pos.leadwisemoment)δFxi=hFzυfli+kFzθi(pos.leadwiseforce)（1）Ta为驱动力矩，δTa为驱动力矩的变化量，δF

7、a为轴向的力，δMt为倾斜力矩，Ts为侧方向的受力。表达式如下：BTa=δMxii=1BδFa=δFxii=1BδMt=sin(ψi)δMzii=1BδFs=−sin(ψi)δFzii=1（2）第I个桨叶的挥舞方向上的相对风速的变化量vfli是桨叶有效风速ui与上风向风轮桨叶的位移的矢量和。假如叶片是刚性的，后则就是由于塔架的前后弯曲引起的。上风向结构的位移涉及到塔顶的前后变化变化xfa和倾斜回旋ϕfa两个方面。后者ϕfa对随风轮半径变化而变化的相对风速存在一个方位角依赖效应。桨叶

8、半径3/4处的位置被认为是在单点模式方法中求桨叶载荷时必须考虑ϕfa。挥舞方向相对风速vfli可由下面的公式得到：33Rbυfli=ui−xfa+sin(ψi)xfa(3)2H43其中被定义为位移与旋转的比率，如果棱柱的长度H认为是弯曲力载荷。2Ht当方位角ψ（ψ=−∞ΩΓτdτ）等于零是，第一个桨叶位于水平位置且旋转方向是向下。故此，三个桨叶的方位角分别是2π4πψ1=ψ；ψ2=ψ+；ψ3=ψ+；（4）33增益hMZkFz是由选定工作点上的功率系数和推力系数得到的，表示