大型风力发电机转矩LQR控制及载荷优化

第41卷第6期2013年3月16日电力系统保护与控制POWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROLVL014LNO6MAR162013大型风力发电机转矩LQR控制及载荷优化金鑫，钟翔，谢双义，罗敏，何玉林，杜静重庆大学机械工程学院，重庆400044摘要传统的风力发电机的控制方法在高于额定风速时，采用变桨距限制风轮转速，同时采用恒定的转矩控制电机转矩。恒定的电机转矩导致风力发电机传动链扭转阻尼比很小，使传动链扭矩大幅度的波动，甚至引起风力机结构的共振。针对该问题，建立了传动链基于状态空间的线性化模型，采用LQRLINEARQUADRATICREGU1ATOR方法设计风力发电机的转矩控制器，将传动链一阶扭转模态对应的闭环极点向虚平面的左侧移动，实现对传动链进行动态加阻。采用FAST的计算模块获得了风力发电机传动链的线性化状态空间模型，采用MATTAB71SIMUIINK进行控制器设计并与FAST进行联合仿真。结果表明提出的控制方法有效地提高了传动链的阻尼，降低了风力发电机组关键零部件的载荷。关键词风力发电机；转矩控制；LQR；状态空间；载荷优化LOADREDUCTIONFORLARGESCALEWINDTURBINEBASEDONLQRTORQUECONTROLJINXIN，ZHONGXIANG，XIESHUANGYI，LUOMIN，HEYULIN，DUJINGDEPARTMENTOFMECHANICENGINEER,CHONGQINGUNIVERSITY,CHONGQING400044，CHINAABSTRACTTRADITIONALWAYOFCONTROLFORWINDTURBINEEMPLOYSACONSTANTTORQUEFORGENERATORABOVERATEDWINDSPEEDWHILEUSINGPITCHCONTROLTOREGULATEROTORSPEEDITRESULTSINAQUITELOWDAMPRATIOOFTHEDRIVETRAINTORSIONALMODEWHICHWOULDINVOKELARGEFLUCTUATIONINDRIVETRAINTORQUE，ANDEVENOSCILLATETHESTRUCTUREINCONCERNOFTHISPROBLEM，THEPAPERDESIGNSALINEARQUADRATICREGULATORLQRTODYNAMICALLYCONTROLTHEGENERATORTORQUEBYMOVINGTHECLOSEDLOOPPOLESCORRESPONDINGTOTHEFIRSTORDERDRIVETRAINTORSIONMODEFURTHERTOTHELEFTINTHECOMPLEXPLANE，THEGENERATORTORQUECONTROLLERADDSACTIVEDAMPINGTOTHISMODEAFTEREXTRACTINGLINEARSTATESPACEMODELOFTHEDRIVETRAIN，MATLAB71SIMULINKISUSEDTODESIGNTHECONTROLLERANDFASTISENGAGEDINTJLECOSIMULATIONTHERESULTSSHOWTHATTHEPROPOSEDCONTROLMEANSUCCESSFULLYADDSDAMPINGTOTHEDRIVETRAINANDREDUCESLOADSOFTHEKEYCOMPONENTSOFWINDTURBINETHISWORKISSUPPORTEDBYNATIONALNATURALSCIENCEFOUNDATIONOFCHINANO51005255KEYWORDSWINDTURBINE；TORQUECONTROL；LQR；STATESPACE；LOADREDUCTION中图分类号TM614文献标识码A文章编号167434152013060093060引言控制技术是现代风力发电机的关键技术，在风力发电机中发挥着不可替代的作用提高捕获风能的效率，减轻各零部件的载荷以及监测风力机的安全运行【】。传统的风力发电机的控制方法通常高于额定风速区域采用恒定的转矩，并通过变桨PI控制限制风轮转速进而限制风能的吸收。恒定的转矩控制导致传动链模态阻尼很小，容易激起扭转振动，从而导致传动链扭矩大幅度的波动，甚至引起风力基金项目国家自然科学基金资助项目51005255；教育部高等学校博士学科点科研基金项目20090191120005机结构的共振【7。文献9通过带通滤波器给传动链施加一个附加转矩以提高传动链的扭转阻尼；文献10引入“转矩波纹”技术提高传动链阻尼，并降低了机组关键部位的疲劳载荷。针对传动链模态阻尼很小的问题，文中采用LQR方法设计转矩控制器，建立传动链系统的状态空间模型，并配置系统的闭环极点，使其位于远离虚轴的左平面内，实现对传动链一阶模态动态加阻。LQRLINEARQUADRATICREGULATOR是现代控制理论中发展最早也最为成熟的一种状态空间设计方法，通过构造反馈增益在较低的控制成本下实现原系统较好的性能指标1113】。论文采用NREL开发的FAST与MATLAB71SIMULINK进行联合仿真，在SIMULINK中实现风力机控制，将94电力系统保护与控制控制信号返回FASTH进行风力机的非线性仿真。FAST是美国可再生能源实验室开发的风力发电机组仿真软件，其可靠性已通过德国GL认证。FAST与SIMULINK有很好的接口程序，能很方便地实现联合仿真，因而适合论文的仿真要求。1风力机传动链模型忽略传动链高阶模态的影响，以及与塔架的耦合，文中将传动链模型简化为图L所示的模型。图1传动链模型FIG1LAYOUTOFDRIVETRAINMODEL假定G1，G为风轮和电机的方位角，则亩。，Q2为风轮和电机转速。为传动链刚度，是传动链扭转阻尼。对风轮旋转自由度有式1。百一1式中是风轮转动惯量；。是风轮气动转矩；是低速轴上的反转矩。M如式2表示。H疆GTQ2口T一口22风轮气动转矩是风速、风轮转速和桨距角的函数，在选定的运行点将风力机线性化，得到，R86L3式中、分别为线性化点处的风速、风轮转速和桨距角；、82、为相应的扰动量。将式2写成扰动形式有NKD却L一曲2CD8QI一曲24因而式1可写成，T。一。，属。一H彻一HAR一式中肋为线性化点处的低速轴扭矩，由于线性化点处于稳态，风轮加速度为零，即WO，OO，H彻，式5化为RTAERO。TSHAFLKDSQ6Q_6。一一CD国一两选取状态X1却L一由2X2酗2X38QL一曲2则有赢X3，对于电机有百N一7同样的，写成线性化的形式并考虑平衡状态可得“函一如一曲函一一得出，GX1CDX3一9结合式6、式8可得到C等一C犯6WMTR0结合式8、式10可得到传动链的系统方程为000一C惫一考、I眦I一I呲00一1OT1，R。EN1J1，窖一C专00I卧11目文中以转矩作为控制输入量，忽略式11中的FJL，CAXBUCXD121J，12金鑫，等大型风力发电机转矩LQR控制及载荷优化95一式中BA01，GE1，G。001一KD0II一C等毒一专一C毒暑厂00FAXBU1CX构建目标函数J8XTQSXT8UTRSUTDT14式中6XT为系统状态；6UT为控制输入；Q为状态权重矩阵；为输入权重矩阵。由最优控制理论知，反馈增益矩阵由式15计算。C010D0输入量U；扰动量U6W。本小节通过线性化获得了控制对象，即传动链系统的状态空间模型。典型的变速风机有不同的运行区域，见图2。图中，电机转矩为电机转速的函数。传统的风力发电机控制在区域III内，转矩根据KW2计算出最优转矩，以实现最大功率捕捉。在区域V采用恒转矩控制。论文提出的转矩控制仅应用于区域V，因为如果在区域III内附加转矩波动，会影响最大功率捕捉，导致风力发电机风能利用系数的降低。电机转矩图2风机的运行控制策略FIG2CONTROLREGIONOFWINDTURBINES2LQR控制器设计速传统的风力发电机的控制方法通常在高风速区域采用恒定的转矩，并通过变桨PI控制限制风轮转速进而限制风能的吸收。恒定的转矩控制导致传动链模态阻尼很小。阻尼小的控制系统调整时间长，超调量大，振动衰减慢【1孓“J。这一特性使得传动链容易激起扭转振动，从而导致传动链扭矩大幅度的波动，甚至引起风力机结构的共振。因此形成了文中的一个控制目标增大传动链阻尼。风力发电机在高风速区域运行时另一个控制目标是稳定风轮转速，论文采用传统的PI控制实现这一目标，以使风力机正常运行。假定有线性时不变系统GRP15式中为的逆；为的转置；P为黎卡提方程式F16的对称正定解。APPAQPBR。BP16在此基础上可构建反馈法则FAXT。LOR方法计算出来的反馈增益矩阵G是基于系统的全状态反馈，测量系统所有的状态在工程实际上是不经济甚至不可行的，因此有必要引入状态观测器来估计状态变量的值。系统的可观测性是实现观测器设计的必要条件。图3为状态观测器框图。图3状态观测器框图FIG3STATEESTIMATORCONTROLDIAGRAM状态观测器的数学模型为】JTAYETBUT一夕，1、1由式12的6W项可知风速的变化对传动链有影响，而实际中风力机的运行环境存在较强的湍流扰动。因此必须考虑风速干扰的影响。文中采用干扰校正控制DAC来降低甚至抵消干扰输入的影响。DAC的基本原理是在状态观测器中引入干扰状态，将重构的干扰状态引入反馈增益中以抵消干扰输入的影响。假定干扰模型ZDTFZDT0ZD018【OZD式中，F和是根据干扰的特性确定的已知矩阵，而Z未知。该式表示干扰的波形已知，而幅值未知。系统状态观测器如式19。JACTBUTDFF一FR19、IFCF；00采用干扰状态观测器金鑫，等大型风力发电机转矩LQR控制及载荷优化增大了传动链一阶扭转模态阻尼。仿真实验的对比数据采用GHBLADED软件计算，GHBLADED软件是风电行业广泛使用的仿真软件，其仿真结果的可靠性已通过GL认证。因此其计算的仿真结果可以作为本仿真实验可靠的对比数据。REALAXISSECONDS图6极点位置图FIG6DIAGRAMOFPOLESPOSITION文中采用平均风速为18MS的湍流风进行仿真，如图7A所示。快速变化的湍流风更能够激起风力机的振动模态，因而更适合论文的仿真要求。仿真结果如图7B所示，从图7B可以看出，传统的控制方法采用恒转矩控制，电机的转矩需求是恒定值，本例为额定转矩4309355NM，而采用LQR控制，电机的转矩需求包含一个微小的扰动量以实现对传动链一阶模态进行动态加阻。从图7FC可以看出，增加了阻尼的高速轴转矩波动减小了约10。从图7D可以看出风轮转速波动的范围约减小了8，说明传动链系统增加阻尼之后超调量减小了，改善了系统的响应特性。图7E为塔顶方向的载荷，有阻尼的系统疲劳载荷减小了约10【1920。通过对仿真结果中其他载荷的比较，发现轮毂中心和塔基MX方向疲劳载荷减小幅度均在5以上。说明了采用LQR控制增加传动链阻尼的方法有效地提高了传动链系统的响应特性，同时降低了风力发电机组关键零部件的载荷。3O口2O1O区OG450互445440435430竺425420230鲁样黎匿T|SC一叵转矩控制LQR控制I，T触ILIIIJLIJILIIIIILI_IF唧1W甲I30130230330430530630TSRD、一恒转矩控制LQR控制1DUI1ILI；KIJ一一_那一，IT_盯T|1一1IL兀_IT一RF一RI3ULU230330430530630SC图7仿真结果FIG7DIAGRAMOFSIMULATIONRESULTS4结论针对风力机传统的恒转矩控制导致传动链阻尼较小从而引起传动链转矩大幅波动，甚至激起系统共振的问题，论文提出了基于状态空间的LQR转矩控制方法。通过调整传动链系统的闭环极点使其向虚平面的左侧移动，实现对传动链进行动态加阻。仿真结果表明该方法有效地提高了传动链的阻尼，降低了风力发电机组关键零部件疲劳载荷510。该方法简单可行，具有良好的工程应用价值。参考文献L1JBATTISTAHMANTZRJWINDTURBINECONTROLSYSTEMSPRINCIPLES，MODELINGANDGAINSCHEDULINGDESIGNMLONDONSPRINGERVORLAY,200712JBOSSANYIEATHEDESIGNOFCLOSEDLOOPCONTROLLERFORWINDTURBINESJWINDENERGY,2001，331491633LAKSJH，PA0LYWRIGHTADCONTROLOFWINDTURBINESPAST，PRESENT，ANDFUTUREC】AMERICANCONTROLCONFERENCEHYANREGENCYRIVERFRONT，STLOUIS。MO，USASN1，20092096210314DORFRC，BISHOPRHMODEMCONUOLSYSTEMM1SINGAPOREPEARSONEDUCATIONINC20082812955何玉林，刘军，李俊，等变速变桨距风力发电机组控DDDDDDD432O如如【1芍口08I葛口G一554O45OO0OOOEEEEEE5OOO0OLL5O51G重臀98电力系统保护与控制制策略优化J电力系统保护与控制，2011，39125560HEY_U1II1LIUJUN，LIJUN，ETA1PITCHCONTROLAND1OADOPTIMIZATIONOFVARIABLESPEEDVARIABLEPITCHWINDTURBINEJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2011，391255606宋新甫，梁波基于模糊自适应PID的风力发电系统变桨距控制【J】电力系统保护与控制，2009，37165O53SONGXINFULIANGBO、NDPOWERSYSTEMPITCHCONTROLBASEDONFUZZYSELFLEARNINGEMENDATIONCONTROLTHEORYJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2009，371650537MIKARTORQUEANDSPEEDCONTROLOFAPITCHREGULATEDWINDTURBINERSWEDENDEPARTMENTOFELECTRICPOWERENGINEERING，20038HANSENM，HANSENA，FUGLSANGPETA1CONTROLDESIGNFORAPITCHREGULATED，VARIABLESPEEDWINDTURBINERDENMARKRISONATIONALLABORATORY，20059何玉林，苏东旭，黄帅，等变速变桨风力发电机组的桨距控制及载荷优化J电力系统保护与控制，2011，391695100HEYULIN，SUDONGXU,HUANGSHUAI，ETA1PITCHCONTROLANDLOADOPTIMIZATIONOFVARIABLESPEEDVARIABLEPITCHWINDTURBINEJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2011，3916951001O林志明，潘东浩，王贵子，等双馈式变速变桨风力发电机组的转矩控制【J1中国电机工程学报，2009，2932119124LINZHIMIN，PANDONGHAO，WANGGUIZI，ETA1TORQUECONTROLOFDOUBLYFEDVARIABLESPEEDVARIABLEPITCHWINDTURBINEJPROCEEDINGSOFTHECSEE，2009，2932I1912411胡寿松自动控制原理M】北京科学出版社，200183101HUSHOUSONGPRINCIPLESOFAUTOMATICCONTROLMBEIJINGSCIENCEPRESS，20018310112EKELUNDMODELINGANDLINEARQUADRATICOPTIMALCONTROLOFWINDTURBINESDSWEDENCHALMERSUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，199713MUNTEANUI，CUTULULISNA，BRATCUAI，ETA1OPTIMIZATIONOFVARIABLESPEEDWINDPOWERSYSTEMSBASEDONALQGAPPROACHJCONTROLENGINEERINGPRACTICE，2005，1390391214JONKMANJM，BUHLMLFASTUSERSGUIDEMGOLDEN，CONATIONALRENEWABLEENERGYLABORATORY,NRELEL50038230200515薛定宇反馈控制系统设计与分析M北京清华大学出版社2000298299XUEDINGYUFEEDBACKCONTROLSYSTEMDESIGNANDANALYSISMBEIJINGTSINGHUAUNIVERSIT