风电技术专题︱抑制载荷的风力机扰动前馈与预测反馈复合控制
中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”，并设“智能制造与电工装备行业的转型升级”“智能开关设备的关键技术与最新发展”两个分论坛。
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兰州理工大学电气工程与信息工程学院、甘肃电力科学研究院的研究人员王晓兰、唐慧敏等，在2016年第2期《电工技术学报》上撰文，针对实际作用在风力机上的有效风速难以测量的问题，设计Kalman滤波器，通过对风轮气动转矩的最优估计及其与风速的关系，对风速进行递推计算。
优化抑制扰动的前馈控制律，减小湍流风对风力机性能的不利影响。同时，以风轮转速的平稳性和塔顶位移的最小化为优化控制目标，设计了变桨距预测控制器。
在Matlab平台上，使用5MW风力机的数据，进行仿真实验。结果表明，前馈控制与预测反馈控制相结合的复合控制，可有效地抑制扰动，减小风力机机械部件的疲劳载荷，改善整机性能，延长风力机寿命。
随着清洁能源的大力发展，风能利用比重日益增大，风电机组的单机容量不断增大，风力机机械部件的体积和重量必然增大。这将使机组的安装成本增加，关键部位的疲劳损伤增多，风力机寿命降低。
风力机关键部位柔性的增加，产生的疲劳载荷给整机性能带来不可忽视的不良影响。在低风速区，柔性的增大使获取风能的能力无法得到提高。在高风速区，输出功率的稳定性往往因叶片偏振而变得不理想。传统上，高风速区常用的控制方法是变桨调速控制，风力机的变桨控制分为集中变桨和独立变桨，集中变桨只能抑制机组受到的平衡载荷，独立变桨除了抑制平衡载荷之外也可抑制不平衡载荷[1]。
文献[2]针对水平轴大型风力机的叶片气动特性，进行结构优化设计，修正翼型，而该设计出发点增加了结构设计难度和制造成本。文献[3]通过对风力机建立仿射非线性模型，采用微分几何反馈线性化变换，实现模型的全局精确线性化。利用新的线性化模型，设计了风力机转速反馈的变桨控制器，仍然只是得到调速/调功的控制效果。
文献[4]考虑变速变桨系统的高度非线性，以系统在高风速区运行时，因非线性而不能用常规PI方法直接控制为出发点，提出根据桨距角度不同的分段控制方式，进行了在高风速下风力机变桨过程的快速性和控制系统的稳定性研究。
文献[5]针对MW级风电机组提出了功率和载荷协调的变桨距控制策略，为避免过度的变桨动作加剧轮毂和叶片的载荷，进行了变桨速率的优化，同时保证了稳定的输出功率，但对风速突变和风速信号的准确性没有特别考虑。
文献[6]利用转矩控制方法，为变速风力机设计了调节输出电磁功率的非线性控制器。针对在额定风速以上运行的系统，调节输出功率的同时，抑制了风力机转速的剧烈变化，减小了突变风速对风力机性能的影响，避免功率控制时风力机的停车问题，但忽略了风速突变对运行载荷的不良影响。
文献[7]考虑了风力机机械部件的柔性所产生的疲劳载荷，基于滑模控制理论，在传统控制目标的基础上，提出了一种降低载荷的多目标统一变桨距控制策略，控制转速的同时，也抑制了风力机的机械振动，但涉及的多目标切换函数理论及指数趋近律较复杂。
本文在调速/调功基本控制目标的基础上，以降低塔架弯曲的疲劳载荷为优化目标，基于前馈控制的补偿特性和预测控制的滚动优化特性，提出一种复合控制策略。首先，针对作用在风力机上的有效风速的不可测性，利用Kalman滤波器估计有效风速，设计前馈控制器。其次，以塔顶位移的最小化为性能指标，设计桨距角预测控制器。
最后，借助Matlab平台进行仿真实验，结果表明，本文所提出的控制策略能够有效地抑制扰动，减小系统的疲劳载荷，提高整机性能，延长机组寿命。
图1 复合控制系统结构框图
结论
本文基于前馈控制理论和预测控制理论提出了一种抑制湍流风扰动、减小塔架疲劳载荷的复合控制策略。该策略首先针对输入的随机风速进行KALMAN估计，对风速扰动进行前馈，进而及时地抑制扰动。同时，在反馈通道上，基于预测控制的滚动优化特性，以塔顶位移的最小化为性能指标，设计预测控制器。
仿真结果表明，相比传统的反馈控制方法，本文的复合控制策略不仅能够提高大型风力发电系统的调速/调功性能，而且能够有效地抑制扰动，减小塔架振动，使整机性能得到改善。
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