刘鸿智 谢建华 岳勇 马卫彬 巩怀仁
新疆农业大学机械交通学院
引言
随着经济的飞速发展，人口增长，人类所面临的能源利用、环境保护问题日益突出，一方面是能源枯竭，煤炭、石油、天然气等资源都是不可再生资源，由于人类的开发利用，这些资源的有限储量及全球经济急剧增长所产生的巨大的能源需求，致使能源危机成为制约人类进一步发展的障碍；另一方面，大量的煤炭、石油和其他化石燃料对自然环境造成了严重破坏，二氧化碳排放引起的温室效用，导致全球气候变暖，这给人类生活造成巨大的影响[1]。所以，必须考虑开发更多的可再生能源以取代有限的不可再生能源。
风能是一种可再生能源，凭借其储量丰富、可再生、无污染的优势，逐渐成为最有发展前景的能源。风力发电不仅可以为经济增长提供稳定的电力供应，还可以有效地减少空气污染和化石燃料燃烧导致的全球变暖问题。由于可利用风资源有限，风力发电机组组建大型化，为了降低机组的载荷、提高风能利用率，要求风电机组应该具有良好的桨距控制系统。风力发电机已从传统的主动失速型统一变桨风力发电 机，发展为独立变桨距风力发电机。独立变桨距控制，可以有效地解决统一变桨中水平轴风机由于外界干扰因素引起的桨叶和塔架等部件载荷的不均匀问题，降低了叶片疲劳损害的可能性，保持稳定的输出功率[2]。 1 风力发电机功率调节方式的发展
随着风力发电技术的不断发展，风电机组大型化趋势的明显，叶轮直径不断增大，导致叶轮对风剪切、湍流、塔影效应等因素的敏感性增强。为了解决上述问题，独立变桨控制技术逐渐成为风力发电机功率调节的主要方式。
1.1 桨距控制的出现
风电机组的作用是吸收风能并将其转换为可以长距离传输的电能。但是，风电机组并不能无限度的吸收风能，原因是风机吸收的风能受限于发电机容量的大小，因此，有效控制风能的吸收、保证电能质量是十分关键的。如果采用失速功率调节方式，其功率调节通过失速型叶片自身的失速特性来实现。这种方式有结构简单、故障概率低的优点。其缺点主要是风力发电机组的性能受到叶片失速性能的限制，在风速超过额定值时发电机功率反而有所下降；另一个缺点是叶片形状和结构复杂、重量大，导致风轮转动惯量大，不适合大型发电机组，若采用变桨距功率调节技术可以有效地克服上述缺点。
变桨控制是变速变桨风电机组最重要的子系统之一，它主要负责风电机组正常运行发电时的功率与载荷控制以及辅助风机实现快速切入和安全切出。当风速在风电机组设计额定风速以下时，需要风电机组能够最大限度的吸收利用风
摘 要：由于风力发电机组风轮直径的增大，风剪切、塔影效应和湍流的作用使得风力发电机组的载荷 不均匀急剧增加，严重地影响了风力发电机组的使用寿命和安全。为了减小风力发电机组的载 荷不均匀和提高风能的利用率，风力发电机组功率调节方式从定桨距控制发展到变桨距控制。 本文阐述了变桨技术的发展，对比了国内、外变桨控制技术研究现状，提出了目前变桨控制技 术所面临的问题。
关键词：风力机，功率调节，变桨距控制，独立变桨
能；当风速在风电机组设计的额定风速以上时，需要有效调节风机吸收功率和作用于风机的载荷，以实现功率最大化，载荷最优化；当风力发电机运行过程中，风速大于机组的最大切出风速或者机组出现故障时要求变桨距系统可以辅助风机实现快速稳定的停机。同时，变桨距风力机的叶片较薄，结构简单、重量小，使得风轮转动惯性量小，易于在大型的发电机组中使用。因此，变桨距调节技术现已普遍应用于大型风力发电机组中。
1.2 桨距控制的分类
根据变桨控制实现的控制方式，可以将其划分为统一变桨控制和独立变桨控制。统一变桨距控制采用相同的变桨控制信号来控制三只叶片同时执行变桨距动作，具有控制实现简单、功率控制效果明显的特点。独立变桨距控制采用不同的控制信号来控制信号对应的每只叶片，各只叶片各自执行各自的控制信号。独立变桨控制控制方式的出现，是为了优化多兆瓦风电机组在风剪切、塔影效应和湍流风况等因素作用下产生的叶轮载荷不对称、塔架和轮毂等关键部件疲劳载荷增加的问题[3.4]。
1.2.1统一变桨距调节技术
目前，变桨控制按执行机构的结构分为两类。一类是采用伺服电机传动控制，还有一类采用液压传动控制。世界上已经安装的风机，采用液压变桨方案的机组与采用电动变桨方案的机组基本上各自占到了一半左右的比例。但是，国内电动变桨系统供应链比较完善，可选择度较大，所以目前在国内电动变桨控制实现难度要低于液压变桨。
如图所示，图1为采用伺服电机传动来实现风电机组变桨距控制的示意图，图2为采用液压传动来实现风电机组变桨距控制的示意图。目前，电动变桨控制以其良好的稳定性和适应能力，成为目前国内变桨控制采用的主要技术方案。但是，随着叶片尺寸的增大，叶片惯性影响加剧，会导致变桨电机温升增大，出力能力降低。液压传动变桨距控制应用早，技术较为成熟，同时具有良好的出力能力，随着制造技术的改良、制造精度的提高，其工业应用的可靠性也随之提高，具备良好的应用前景[5]
。
图1 伺服电机传动变桨距控制图2 液压传动变桨距控制
1.2.2 独立变桨距调节技术
由于风电机组单机容量的提升，使得叶轮
直径和塔架高度增大，导致风剪切、塔影效应和
湍流风况等因素对风电机组的叶轮不对称载荷、
轮毂载荷、塔架载荷和机舱载荷等影响也随之增
大。这些附加载荷会加快风力发电机组的疲劳，
影响风力发电机组的使用寿命[6]。风电机组采用
独立变桨控制技术，需要给每只叶片都配备一套
桨距执行机构，通过控制系统给每只叶片不同的
桨距角需求信号来控制各个叶片桨距角的大小，
以降低风电机组叶轮的不对称载荷和关键部件的疲劳载荷[7]，帮助风电机组实现轻量化、大型化和更加柔性的结构设计，提高机组使用寿命或单机额定容量，降低度电生产成本，提高风能与其他能源的竞争力[8]。同时用独立变桨控制能通过控制信号驱动执行机构，如果风电机组在运行过程中有一套桨
距执行机构发生故障，风电机组可以发出紧急停机命令，此时另外的两套执行机构会迅速改变叶片桨距角，利用叶片气动阻尼特性，辅助风电机组快速、安全地停机[9,10]，有利于改善机组各部件受载情况，提高机组运行寿命，降低风电机组运维成本，具有较好的工业应用前景[11,12]。
2 变桨控制系统国内、外的研究现状
2.1 国外研究现状分析
国外风电发展迅速，并建立了许多风力发电技术研究机构，如美国国家风能研究中心（NWTC）、丹麦可再生能源实验室（RISO）、荷兰风能研究中心（ECN）等。其中NWTC在风电机组变桨控制领域进行了深入的研究，并建立了较为完善的理论体系，积累了丰富的现场测试经验。
T.Gvan Engelen在其文献[13]中，利用多叶片坐标变换独立变桨技术降低了叶轮旋转载荷、塔影效应和风剪切三个因素产生的载荷，同时也显著降低了风力发电在额定输出功率时的疲劳载荷。
E.A.Bossanyi and A Wright 在文献[14]中，对一台风力发电机组进行了独立变桨控制理论的现场测试，采用的测试方法得到的结论验证了独立变桨控制能有效的控制关键部件的载荷，也为后续的独立变桨控制系统现场测试攒下了宝贵的工程实践经验。
国外对于风力发电机变桨距控制技术的应用研究比较早，现场测试也为其理论研究提供了帮助，为其
商业化应用提供可能。目前，已经有一些国外企业将独立变桨控制技术应用于实际风机控制领域中。
2.2 国内研究现状分析
我国风电机组大型化趋势明显，叶轮直径不断增大，导致叶轮对风剪切、湍流、塔影效应等因素的敏感性增强叶轮的不对称载荷，以及发电机输出功率波动已经成为目前需要解决的主要问题[15]。20世纪90年代开始，风电行业中变桨距风电机组开始占据主导地位。应用统一变桨控制的风电机组，风速达到切入风速启动以后能够对转速进行有效控制，额定风速以上时还能够对功率进行控制，保持功率输出平稳的特性[16]。风电机组变桨系统一般采用经典闭环控制系统，控制系统稳定性也得到有力保障。
目前，风电机组控制系统能够通过自动控制方式进行调节，在运行区间内实现风能的最大捕获。如采用转速-扭矩反馈的控制方法实现风电机组线性化模型的最佳叶尖速比的跟踪及最大风能捕获；采用变桨控制方法实现输出功率限制。但在随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统中，需要关注的控制变量增多，现代控制理论开始应用于风电机组控制系统，如模糊逻辑控制[17]、神经网络智能控制[18]和自适应控制[19]，使风机控制向更加智能的方向发展。
姚兴佳在文献[20]中，针对因风的不对称性引起俯仰弯矩和偏航弯矩的问题， 建立了大型风力发电机组独立变桨距控制所需的空气动力学模型。由于风轮空气动力学模型具有多变量、强耦合、时变的特
点，首先对其施加一坐标变换，将其转换成线性时不变、非耦合的简单模型，简化了控制器的设计。最后，将风切变作为控制输入量之一，以一台1.5MW风力发电机为仿真平台，设计两个独立的PID控制器，并使用Matlab进行了运行仿真。
应有、许国栋在文献[21]中，以简化的风电机组为研究对象，进行运动方程和输出方程的推导工作，基于卡尔曼变换，将控制变量解耦，提出采用3个独立的控制回路来建立独立变桨策略。以经典控制理论为基础，运用GH Bladed软件进行控制策略的仿真，对建立的简化模型进行仿真研究。结果表明：采用独立变桨控制可以降低叶片
挥舞力、塔架倾覆力等载荷。
刑钢、郭威在文献[22]中，应用模糊PID参数自整定的变桨控制方案，在Matlab/Simulink平台中设计了独立变桨控制器。结果表明：采用模糊PID进行变桨控制，能实现风力发电机对功率控制的要求。文中同时提出，基于神经网络技术，建立一种基于来流角预测的独立变桨距控制方案，通过仿真，证明该方案能实现功率控制、减小叶片根部的疲劳载荷。通过比较独立变桨控制和统一变桨控制，证明独立变桨控制比统一变桨控制具有更好的功率输出特性。
陈雷、孙宏利等在文献[23]中，分析了多输入、多输出变量之间的耦合问题，研究基于多变量控制技术的独立变桨方案，建立了前馈-反馈形式的线性二次高斯函数最优独立变桨控制，并分别对统一变桨
、标量比例积分形式的独立变桨和多变量控制的独立变桨三种控制方式进行了仿真，对比。结果表明多变量控制方案效果相对比较好。
3 变桨控制面临的问题
目前，无论是采用伺服电机传动变桨距控制还是液压传动变桨距控制的大型风力机变桨执行机构通常采用统一变桨距的控制策略，即以轮毅离地高度处风速或平均风速作为单一的计算风速，风力机每个桨叶接受一个大小相同的变桨命令来调节桨距角。在实际中，风速值在整个风轮扫掠面上是不同的[24]。随着风力发电机组容量的增加，其塔架越来越高，叶片半径也越来越长，导致风剪切和塔影效应对风力机的影响也越来越明显[25]。现在的变桨控制主要存在着下列问题：1）一般风电机是一个包含有几十个自由度[26]的高度非线性系统，最突出的是非线性特性中翼型非线性特性。如何在不能精确建立翼型模型的前提下设计出控制方法简洁，动态特性满足控制需求的控制器，是变桨控制研究的重要问题。
2）风速的随机性、非线性和空间波动性[27]导致建立与自然风状况完全匹配的风速仿真模型是十分困难的，如何从自然风状态下抽象出关键影响因素，建立可使用于机组仿真的风速模型，保证机组在复杂风况下的功率平稳和一致的载荷波动，是变桨距控制研究的重要内容。
3）风电机组在转速-扭矩控制区间与变桨控制区间的控制对象及控制目标发生变化，导致控制策略在
切换过程中，机组会出现一定程度的功率和载荷波动，从而影响机组运行稳定性。如何实现这两个控制策略间的平滑过渡也是变桨控制面临的实际工程应用中的问题。
4）统一变桨控制能够保持额定风速以上功率输出的平稳，但是对于载荷的控制能力较差。如何在额定风速以上实现功率限制的前提下，实现叶轮及整机载荷的优化是未来变桨控制研究的重要方向之一。
5）叶片的增大使得叶片惯性明显增大，变桨执行机构在克服惯性、保持快速影响等方面将面临严峻的考验。如何确保变桨执行机构在巨大惯性作用下的动作响应能力、控制精度和机构运行可靠性，是未来变桨控制面临的核心问题[28]。
4 结语
独立变桨控制策略能够实现快速响应、降低机组各个部分载荷，也可以在过渡风速区域实现平滑控制，但还是会在一定程度上增加桨距执行机构的动作频率，引起执行机构发热量增加，现阶段除了采用合适的变桨距控制策略，还需要兼顾执行机构热效率和疲劳情况，进一步加强变桨距控制的稳定性和可靠性，从而延长风力机叶片的使用寿命。虽然每台风力机加装了独立变桨距机构使单台风力机成本会有一些增加，但是整个风电场的发电量会有所增加，风力发电机组的使用寿命也会延长，这将会使风电场的经济效益得到很大程度的提高。
基金项目：中国清洁发展机制基金赠款项目（2012015）
作者简介：刘鸿智(1988-)，男，硕士研究生，主要从事机械设计及理论、机械制造方面的研究。
通讯作者：岳勇（1980-），男，重庆人，讲师，主要从事机械设计及理论、机械制造方面的研究。
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