2024中国可再生能源大会：风力机增量前馈统一变桨方法

中国可再生能源学术大会—风能分会暨风电高质量发展大会风力机增量前馈统一变桨方法汇报时间：20240817汇报地点：西安国际会展中心••控制方法研究背景•装机容量世界第一•新增规模世界第一•快速无冲击并网，•制造材料•风力发电机大型化•制造材料•风力发电机大型化变桨控制•变桨控制•发电机叶片柔性化•减少负载冲击•安装手段•稳定发电机功率••运行环境•降低机组载荷•提高机组寿命研究背景统一变桨信号完全由激光雷达测量的风数据进行相应的算法处理得到统一前馈变桨控制统一前馈变桨控制径向基函数神经网络控制模型预测控制径向基函数神经网络控制模型预测控制保持原有控制器不变，叠加一个前馈桨距控制器测风信息测风信息前馈-反馈H2最优控制前馈-反馈H2最优控制静态桨距角曲线查表前馈控制激光雷达测风前馈变桨控制静态桨距角曲线查表前馈控制激光雷达测风前馈变桨控制控制器搭建——方案设计桨距角桨距角设计思路抵消增量风速对机组的影响，补偿来流风变化对机组载设计思路设计目的设计目的控制方案优势本文提出的基于雷达预测风信息的风力机增量前馈统一变桨控制器简单易得，且计算值即为给定值，无需人为调整前馈给定在总桨距角给定中所占比例，可作为模块直接加入原有统一变桨控制器中优势控制器搭建——理论推导FAST5MW陆上风力发电机组基线统一变桨控制器GenGearNGearGenGearNGearΩPΩT叶轮动力学模型发电机转矩和风力机气动转矩!变比例增益PI反馈控制器控制器搭建——理论推导增量前馈统一变桨控制器理论TT0•基线控制给定的桨距角控制风力发电机转速已保持稳定即发电机转速增量为零，同时发电机转速增量•基线控制给定的桨距角控制风力发电机转速已保持稳定即发电机转速增量为零，同时发电机转速增量导数为零；•在此稳定状态下假设由风速增量引起的发电机转速变化由风力机桨距角增量完全进行控制抵消；由激光雷达测风仪测量风速值估计的叶轮平面有效风力机的风能利用系数模型为统一的、常用的数学简化模型。),|Δθf+,3+)控制器搭建——测风数据预处理测量误差滤波测量误差滤波自然风场自然风场反演风速 风场重建0流动时间计算时长流动时间计算时长时间响应 时间序列!时间响应仿真联合仿真设置及相关参数FAST/Simulink联合仿真框图仿真界面仿真界面-1，25-1-1仿真仿真结果及分析增量前馈桨距角幅值给定限制在增量前馈桨距角幅值给定限制在0.075rad范围内•对增量给定信号进行修正仿真前馈发生作用后，发电机转速波动减小39.42%，峰值减小182.216r/min；发电机功率波动减小46.82%，峰值减小231.82kW仿真•挥舞力矩波动减小51.70%；•摆振力矩波动范围增大了4.5%；•fore-aftmoment波动减小51.91%；•fore-aftshearforce波动范围减小56.59%。综上，综上，即使增量前馈控制器对摆振力矩有小幅的增强作用，总体而言结合激光雷达的增量前馈与阵风预警作用可有效降低风力机系统载荷，提升风力机性能，减少发电机转速、功率波动，减少挥舞力矩和fore-aft载荷波动11PLC/C++/Matlab/Simulink,Perfo11111半物理仿真实验系统结构半物理仿真实验系统结构利用激光雷达测量的叶轮前方250m处的风速估计叶轮平面有效风速（50m）•估计风速变化趋势与实际风速变化趋势基本保持相同；•发电机转速波动减小17.13%，峰值减少21.52r/min；•发电机功率波动减小6.8%，峰值减少0.024•挥舞力矩波动减小35.09%，峰值减小823.36kN·m。•风力机在40s左右估计的阶跃风速有明显的滞后，风力机的性能无提高；•在50s左右时由于风速趋势估计差距较大，使得风力机桨距角误动作，导致风力发电机机组功率波动变大利用激光雷达测量的叶轮前方250m处的风速估计叶轮平面有效风速（50m）_估计趋势较好的连续变化的风速•在10s以前，25s以后，估计的风速与实际风速变化趋势一致；•前馈发生作用后，发电机转速波动减小1.86%；•前馈发生作用后，发电机功率波动减小18.5%；•挥舞力矩波动减小2.02%;•fore-aftshearforce波动减小11.13%;•30s左右的估计风速与实际风速较为接近，发电机转速幅值减少12.11r/min；•发电机功率幅值减少0.054kW；•挥舞力矩幅值减少417.85kN·m；•fore-aftshearforce幅值减少71.13kN。•可以减小发电机转速、功率及载荷波动范围；•估计的叶轮平面有效风速与实际风速运动趋势保持一致的条件下，控制器有效。•抵消风速变化对风力机的影响。•增量前馈控制器给定角度限制在0.075rad范围内，结合雷达预警作用，辅助基线统一变桨可有效降低机组载荷•增量前馈控制器在估计风速与实际风速趋势相同或提前变化时，可实现降载作用。•利用增量前馈控制器，实现由预测风扰动计算得到桨距角增量，可以模块形式加入传统统一