风机载荷控制技术是随着机组容量不断增大而形成的一种新的控制要求。目前在这一方面尚缺乏系统的理论和足够成熟能够大面积推广的技术。但可以肯定的是,风电机组的控制策略会对机组承受的载荷产生很大影响,通过特定的控制方式能够减小机组的载荷。载荷控制器的设计是一个复杂而漫长的优化过程,即使是在一些风电技术处于世界领先水平的国家,有关风机载荷的控制技术也仍处于理论研究和样机实验的阶段。可以说,有关风机载荷控制技术的研究才刚刚开始。根据近年来出版的相关关研究文献,减小风电机组关键部位载荷的控制策略可大致划分为一下几种类型:19179
1)增大传动系统阻尼以免控制机构动作与机组其他模态发生共振。在设计制造机组时采用弹性连接件或支撑件虽然可以增加传动系统阻尼,但由于风电机组自身的阻尼非常小,仅仅通过机械方法不能有效防止共振。为了解决这一问题,综合考虑风机叶片、传动系统以及塔架等零部件的动态特性,一些文献指出可以将输入信号经滤波器或陷波器后送给风电机组发电机转矩控制回路。在已有的变速变桨距型风电机组桨距和转矩控制策略基础上,针对风机塔架前后和侧向振动以及传动链的扭转振动,文献[3]提出了通过阻尼滤波和加速度反馈来增大系统等效阻尼的优化控制方式。对于风力发电机组传动链的扭转振动,文献[4]给出了一种基于发电机转速反馈滤波的转矩纹波控制方式,在变桨距控制阶段通过附加发电机转矩增加传动链的等效阻尼,进而显著减小了齿轮箱载荷。文献[5]中也采用了滤波器来防止共振,同样有效地减小了齿轮箱的载荷以及变桨载荷。文献[6]基于风电机组线性化状态空间模型,提出了一种采用H∞全反馈控制方法,通过求出全反馈系数K得到抑制不稳定扭力的传递函数,重新构成一个变速变桨距控制系统中所需的载荷阻尼控制器,利用H∞控制器的鲁棒滤波器特性来提高机组抵抗风速扰动的能力。
2)通过独立变桨距控制降低风轮上的不平衡载荷,从而降低风电机组传动系统各重要组成部位的载荷。文献[7]提出了基于线性二次型调节(LQR)和干扰自适应控制(DAC)技术的独立变桨距控制策略。通过独立地对风机各叶片进行变桨距控制,风力机各部件振动加速度的幅值均有较大程度减小,故有效地抑制了机组的振动,进而提高了运行可靠性,同时延长了设备的使用寿命,降低了机组的文护成本。文献[8]则将独立变桨控制解耦为协同变桨控制过程和偏差变桨控制过程两部分,经Park变换,将偏差变桨控制系统解耦为两个独立单输入单输出的线性系统,并用经典控制理论设计出相应控制器,从而极大提高独立变桨控制技术的工程实用性。
当前对风机最大功率点跟踪控制阶段的载荷及其控制开展的研究相对较少,但也有一些学者在这方面取得了成果。对于变速变桨距型风电机组,文献[9]提出了一种扩大过渡区的改进控制策略,用于消除在额定功率点附近控制模式切换造成的功率波动及突变载荷等不利影响。文献[10]通过采用一固定不变且明确定义的斜坡信号来代替原本用于搜索参考转速的跟踪步长,实现了风机转矩和转速的灵活动态响应,从而使整个系统承受的机械应力比采用传统的扰动观察法要小。文献[11]则通过S形传递函数给出叶尖速比的变化量,减小了控制量的变化幅度,柔化了控制作用。该方法在实现最大风能捕获的同时,也能够降低机组机械载荷。
总体来看国内外这方面的研究尚未形成系统的理论体系和方法。要真正完善风电机组的载荷控制并将其在实际运行的风电机组中大面积推广,还存在着许多问题有待解决。
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