CN107559143B - 一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优及多目标襟翼优化控制方法 - Google Patents
一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优及多目标襟翼优化控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优及多目标襟翼优化控制方法。以降低叶片不利载荷和减少功率损失为目标，通过两次正交实验，对尾缘襟翼的结构参数进行寻优，克服了水平数多而导致实验次数过多的问题。以降低叶片不利载荷和平滑风力机输出功率波动为优化控制目标，对尾缘襟翼进行多目标优化控制。本发明有效解决了尾缘襟翼结构参数寻优及多目标襟翼优化控制问题，可以延长风力机使用寿命，减少风力机并网对电网的冲击，在工程上具有较高的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优及多目标襟翼优化控制方法。
背景技术
近年来，风能以其环保、低碳、安全性高的优势，受到越来越多的关注，在世界各国发展极为迅速。大型风力机以及风电场并网发电已经成为风能应用的主要形式。随着风力发电的不断发展，风力机的叶片尺寸随着额定功率的增大而不断增大。而大的叶片尺寸在带来更多能效转换的同时，又会造成叶片疲劳载荷以及极限载荷的增大，从而减少风力机的使用寿命。
在解决这一问题上，传统的变桨控制已经不能有效地应对，新的“智能”叶片的设计势在必行。其中，尾缘襟翼技术通过改变翼型形状来改变叶片气动性能，具有响应快速，调节能力强等特点，被认为是目前最为可行的主动降载智能叶片技术。
然而，尾缘襟翼在减小叶片不利载荷的同时，也会在一定程度上减小风力机的功率输出，因此，使用最优的尾缘襟翼的结构参数，才能在最大程度减小叶片不利载荷的同时减小风力机的功率损失。此外，如果不能合理地控制尾缘襟翼，那么尾缘襟翼在降低叶片载荷和平滑功率波动的作用也无从体现。
本发明提出了一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优方法，使用两次正交实验的方法，对襟翼位置、长度、占弦比和摆角范围这四种参数进行寻优，克服了水平数多导致的实验次数过多的问题；此外，本发明提出的多目标襟翼优化控制方法，在降低叶片不利载荷的同时，也平滑了风力机输出功率的波动，解决了多尾缘襟翼的多目标控制问题；本发明提出的大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优及多目标襟翼优化控制方法，因其简单易操作的特点，在工程上具有较高的实用价值。
发明内容
一方面，本发明提出一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优方法，包括以下步骤：
步骤1：获取尾缘襟翼的结构参数，包括尾缘襟翼的长度lf，摆角范围β，占弦比cf以及位置pf，并确定上述结构参数的寻优范围；
步骤2：确定寻优实验指标：所述寻优实验指标，是在寻优目标的基础上确定的，所述寻优目标包括寻优目标1和寻优目标2，寻优目标1为降低叶片不利载荷，寻优目标2为减少功率损失；其中，反映寻优目标1的寻优实验指标为：叶根弯矩平均值变化率P1(k)，叶根弯矩标准偏差变化率P2(k)，叶尖偏移量平均值变化率P3(k)，叶尖偏移量标准偏差变化率P4(k)；反映寻优目标2的寻优实验指标为：高速轴功率平均值变化率Q1(k)，高速轴功率标准偏差变化率Q2(k)；
所述寻优实验指标计算公式为：
其中，PWF是有襟翼时额定风况下风力机稳定运行参数值，PNF是无襟翼时额定风况下风力机稳定运行参数值，下标i和j代表对应参数的下标，k表示第k次寻优实验；
步骤3：在尾缘襟翼结构参数的寻优范围内，均匀选取第一正交实验尾缘襟翼结构参数因子水平值，设计第一正交实验表；
步骤4：根据所述第一正交实验表进行大型风力机额定风况下的动态性能实验，获取第一正交实验结果；
步骤5：根据第一正交实验结果进行综合评分指标分析，评分最高组合即为第一正交实验的最优组合；
步骤6：在所述第一正交实验的最优组合的基础上，精确选取因子水平值作为第二正交实验尾缘襟翼结构参数，设计第二正交实验表；
步骤7：根据所述第二正交实验表进行大型风力机额定风况下的动态性能实验，获取第二正交实验结果；
步骤8：根据第二正交实验结果使用综合评分指标分析，得出第二正交实验的最优组合，所述第二正交实验最优组合即为最优尾缘襟翼结构参数组合；所述综合评分指标分析的计算公式为：其中，G(k)表示综合评分指标，P1(k)、P2(k)、P3(k)、P4(k)越小，表明尾缘襟翼在降低叶片根部疲劳载荷方面的作用越大；而Q1(k)越大，Q2(k)越小，表明尾缘襟翼对风力机功率输出的影响越小。
又一方面，本发明提出一种大型风力机多目标襟翼优化控制方法，所述大型风力机每个叶片上各有两个独立动作的尾缘襟翼执行机构，其中：叶片1上的尾缘襟翼沿半径从小到大分别编号为TEF11和TEF12；叶片2上的尾缘襟翼沿半径从小到大分别编号为TEF21和TEF22；叶片3上的尾缘襟翼沿半径从小到大分别编号为TEF31和TEF32，其特征在于：尾缘襟翼TEF11、TEF21和TEF31利用整体襟翼控制器的PID1控制方法控制襟翼偏转角，反馈信号为发电机转速，以抑制发电机功率产生的波动；尾缘襟翼TEF12、TEF22和TEF32利用独立襟翼控制器的PID2控制方法控制襟翼角的周期性变化，反馈信号为叶根挥舞弯矩的偏航和俯仰分量，以减少叶根挥舞弯矩产生的周期性波动。
进一步，所述整体襟翼控制器控制的PID1控制方法如下：
根据式
得到尾缘襟翼角的控制量；其中KP1是PID1的比例系数；KI1是PID1的积分系数；KD1是PID1的微分系数；ω0是发电机转速设定值，ω(t)是发电机转速测量值，θ0(t)是尾缘襟翼TEF11、TEF21和TEF31的襟翼角控制量。
进一步，所述独立襟翼控制器的控制的PID2控制方法如下：
步骤1：根据式
对三个叶片的叶根挥舞弯矩进行坐标转换；其中，Myi(t)是原坐标系下第i个叶片在t时刻的叶根挥舞弯矩；是转换后坐标系下三个叶片叶根挥舞弯矩在t时刻的平均值；是转换后坐标系下三个叶片叶根挥舞弯矩在t时刻的偏航分量；是转换后坐标系下三个叶片叶根挥舞弯矩在t时刻的俯仰分量；是第i个叶片在t时刻的方位角；
步骤2：根据式
得到尾缘襟翼角在转换后坐标系下的控制量；其中，KP2是PID2的比例系数；KI2是PID2的积分系数；KD2是PID2的微分系数；是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的平均值；是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的偏航分量；是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的俯仰分量；是转换后坐标系下三个叶片叶根挥舞弯矩在t时刻的偏航分量；是转换后坐标系下三个叶片叶根挥舞弯矩在t时刻的俯仰分量；
步骤3：根据式
对三个襟翼角控制量进行坐标系的逆变换，得到原坐标系下的襟翼角控制量；其中，是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的平均值；是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的偏航分量；是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的俯仰分量；是第i个叶片在t时刻的方位角；当i＝1,2,3时，θi(t)分别是原坐标系下尾缘襟翼TEF12、TEF22和TEF32的襟翼角控制量。
再一方面，本发明提出一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优及多目标襟翼优化控制方法，首先利用本发明前述的一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优方法，得到最优襟翼结构参数；然后，在得到的最优襟翼结构参数的基础上，根据本发明的前述的一种大型风力机多目标襟翼优化控制方法进行多目标襟翼优化控制。
本发明的有益效果为：相对于传统的通过列举所有参数组合实验来确定尾缘襟翼最优结构参数的方法，本发明通过使用两次正交实验，可以很好地解决参数组合过大导致的实验次数过多的问题；本发明设计的综合评分指标计算方法，可以实现在最大程度减小叶片不利载荷的同时减小风力机的功率损失，解决了尾缘襟翼在降载和降低功率捕获之间的矛盾。同时，本发明设计的多目标襟翼优化控制方法，在降低叶片不利载荷的同时，也平滑了风力机输出功率的波动，可以很好地发挥尾缘襟翼快速灵活的特点。通过本发明提出的方法，可以延长风力机使用寿命，平滑风力机的输出功率，减少风力机并网对电网的冲击。
附图说明
图1是本发明提供的一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优及多目标襟翼优化控制方法结构框图；
图2是本发明提供的一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优方法流程图；
图3是本发明提供的一种多目标襟翼优化控制方法的控制原理框图；
图4是本发明提供的一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优方法在NREL 5MW参考风力机的最优襟翼叶片示意图；
图5是本发明中多目标襟翼优化控制方法的叶片1襟翼角度控制量曲线图；
图6是本发明中多目标襟翼优化控制方法的叶根挥舞弯矩控制效果图；
图7是本发明中多目标襟翼优化控制方法的风力机输出功率控制效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
如图1所示是一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优及多目标襟翼优化控制方法原理性框图。
尾缘襟翼结构参数寻优方法包括两个寻优目标，寻优目标1是以降低叶片不利载荷为目标，寻优目标2是减少功率损失为寻优目标，通过正交实验，得到最优襟翼结构参数。正交实验采用两次正交实验法，其中第一正交实验是在参数寻优范围内均匀选取因子水平值，第二正交实验是在第一次正交实验最优组合的基础上精确选取因子水平值。
然后，在得到的最优襟翼结构参数的基础上，进行多目标襟翼优化控制。多目标襟翼优化控制方法是以降低叶片不利载荷和平滑输出功率波动为控制目标，通过多襟翼独立控制，实现多目标襟翼优化控制。本文所述尾缘襟翼结构参数寻优及多目标襟翼优化控制方法，可以降低风力机叶片疲劳载荷，延长风力机使用寿命，同时可以平滑风力机输出功率，从而减少风力机并网对电网的冲击，具有较强的实用价值。
如图2所示一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优方法，具体步骤如下：
步骤1：根据对象风力机的叶片翼型以及叶片长度，确定合适的尾缘襟翼长度lf，摆角范围β，占弦比cf以及位置pf的寻优范围；
步骤2：根据风力机的参数值，确定寻优实验指标：叶根弯矩平均值变化率P1(k)，叶根弯矩标准偏差变化率P2(k)，叶尖偏移量平均值变化率P3(k)，叶尖偏移量标准偏差变化率P4(k)，高速轴功率平均值变化率Q1(k)，高速轴功率标准偏差变化率Q2(k)，k表示第k次寻优实验；
步骤3：根据步骤1中确定的尾缘襟翼结构参数寻优范围，均匀选取第一正交实验因子水平值，设计第一正交实验表；
步骤4：根据第一正交实验表中的尾缘襟翼结构参数，在额定风况下进行动态性能实验，获取第一正交实验结果；
步骤5：使用综合评分指标对第一正交实验结果进行分析，得出G(k)最大组即为第一正交实验的最优组合，其中
步骤6：在步骤5中确定的第一正交实验最优组合的基础上，进一步确定尾缘襟翼结构参数因子水平值，设计第二正交实验表；
步骤7：根据第二正交实验表中的尾缘襟翼结构参数，在额定风况下进行动态性能实验，获取第二正交实验结果；
步骤8：使用综合评分指标对第二正交实验结果进行分析，得出G(k)最大组即为最优尾缘襟翼结构参数组合，其中
如图3所示一种多目标襟翼优化控制方法的控制原理框图，
大型风力机每个叶片上各有两个独立动作的尾缘襟翼执行机构，其中：叶片1上的尾缘襟翼沿半径从小到大分别编号为TEF11和TEF12；叶片2上的尾缘襟翼沿半径从小到大分别编号为TEF21和TEF22；叶片3上的尾缘襟翼沿半径从小到大分别编号为TEF31和TEF32。
其中，多目标襟翼控制器1的控制步骤如下：
步骤1：根据风力机转子转速传感器测得风力机转速为ω(t)；
步骤2：将风力机转子实际转速ω(t)与风力机转子转速设定值ω0作差，并将其差值作为PID1的输入；
步骤3：将PID1的输出值θ0(t)作为尾缘襟翼TEF11、TEF21和TEF31的襟翼角控制量，对尾缘襟翼角度进行调节。
多目标襟翼控制器2的控制步骤如下：
步骤1：根据三个叶片根部的应变传感器测得三个叶片的叶根挥舞弯矩分别为My1(t)，My2(t)和My3(t)；
步骤2：根据式
对三个叶片的叶根挥舞弯矩进行坐标变换；其中，Myi(t)是原坐标系下第i个叶片在t时刻的叶根挥舞弯矩；是转换后坐标系下三个叶片叶根挥舞弯矩在t时刻的平均值；是转换后坐标系下三个叶片叶根挥舞弯矩在t时刻的偏航分量；是转换后坐标系下三个叶片叶根挥舞弯矩在t时刻的俯仰分量；是第i个叶片在t时刻的方位角。
步骤3：对叶根挥舞弯矩的偏航分量和俯仰分量与设定值0作差，并将其差值作为PID2的输入；
步骤4：根据式
对三个襟翼角控制量进行卡尔曼逆变换，得到旋转坐标系下的襟翼角控制量；其中，是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的平均值；是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的偏航分量；是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的俯仰分量；是第i个叶片在t时刻的方位角；当i＝1,2,3时，θi(t)分别是原坐标系下尾缘襟翼TEF12、TEF22和TEF32的襟翼角控制量。
步骤5：θ1(t)，θ2(t)和θ3(t)分别作为襟翼TEF12、TEF22和TEF32的襟翼角控制量，对尾缘襟翼角度进行调节。
图4所示为所述大型尾缘襟翼结构参数寻优方法在NREL 5MW参考风力机的最优襟翼叶片示意图。
NREL 5MW参考风力机原始叶片总长为61.5m，由8种翼型组成。通过使用所述一种大型尾缘襟翼结构参数寻优方法，得出最优的襟翼参数为：长度为14.35米；摆角范围为-20°～20°；占弦比为25％；中心位置为第26段位置，即55.825米处，处于NACA64_A17翼型段。如图4所示，为了进行多目标襟翼优化控制，得到独立的两段襟翼，即第23～25段的襟翼TEF11和第26～29段的襟翼TEF12。
图5所示为所述多目标襟翼优化控制方法在图4的带尾缘襟翼NREL 5MW参考风力机的叶片1襟翼角控制曲线图。其中，TEF11与TEF12之间耦合关系较弱，独立控制效果良好。
图6所示为所述多目标襟翼优化控制方法在图4的带尾缘襟翼NREL 5MW参考风力机的叶片1叶根挥舞弯矩控制效果对比曲线图。其中，所述多目标襟翼优化控制方法可以有效减少叶根挥舞弯矩波动，控制后的叶根挥舞弯矩标准偏差降低了33.65％。
图7所示为所述多目标襟翼优化控制方法在图4的带尾缘襟翼NREL 5MW参考风力机的发电机功率控制效果对比曲线图。其中，所述多目标襟翼优化控制方法可以有效平滑发电机功率波动，控制后的发电机功率标准偏差降低了23.54％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：获取尾缘襟翼的结构参数，包括尾缘襟翼的长度lf，摆角范围β，占弦比cf以及位置pf，并确定上述结构参数的寻优范围；
步骤2：确定寻优实验指标：所述寻优实验指标，是在寻优目标的基础上确定的，所述寻优目标包括寻优目标1和寻优目标2，寻优目标1为降低叶片不利载荷，寻优目标2为减少功率损失；其中，反映寻优目标1的寻优实验指标为：叶根弯矩平均值变化率P1(k)，叶根弯矩标准偏差变化率P2(k)，叶尖偏移量平均值变化率P3(k)，叶尖偏移量标准偏差变化率P4(k)；反映寻优目标2的寻优实验指标为：高速轴功率平均值变化率Q1(k)，高速轴功率标准偏差变化率Q2(k)；
所述寻优实验指标计算公式为：
其中，PWF是有襟翼时额定风况下风力机稳定运行参数值，PNF是无襟翼时额定风况下风力机稳定运行参数值，下标i和j代表对应参数的下标，k表示第k次寻优实验；
步骤3：在尾缘襟翼结构参数的寻优范围内，均匀选取第一正交实验尾缘襟翼结构参数因子水平值，设计第一正交实验表；
步骤4：根据所述第一正交实验表进行大型风力机额定风况下的动态性能实验，获取第一正交实验结果；
步骤5：根据第一正交实验结果进行综合评分指标分析，评分最高组合即为第一正交实验的最优组合；
步骤6：在所述第一正交实验的最优组合的基础上，精确选取因子水平值作为第二正交实验尾缘襟翼结构参数，设计第二正交实验表；
步骤7：根据所述第二正交实验表进行大型风力机额定风况下的动态性能实验，获取第二正交实验结果；
步骤8：根据第二正交实验结果使用综合评分指标分析，得出第二正交实验的最优组合，所述第二正交实验最优组合即为最优尾缘襟翼结构参数组合；所述综合评分指标分析的计算公式为：其中，G(k)表示综合评分指标，P1(k)、P2(k)、P3(k)、P4(k)越小，表明尾缘襟翼在降低叶片根部疲劳载荷方面的作用越大；而Q1(k)越大，Q2(k)越小，表明尾缘襟翼对风力机功率输出的影响越小。
2.一种大型风力机多目标襟翼优化控制方法，所述大型风力机每个叶片上各有两个独立动作的尾缘襟翼执行机构，其中：叶片1上的尾缘襟翼沿半径从小到大分别编号为TEF11和TEF12；叶片2上的尾缘襟翼沿半径从小到大分别编号为TEF21和TEF22；叶片3上的尾缘襟翼沿半径从小到大分别编号为TEF31和TEF32，其特征在于：尾缘襟翼TEF11、TEF21和TEF31利用整体襟翼控制器的PID1控制方法控制襟翼偏转角，反馈信号为发电机转速，以抑制发电机功率产生的波动；尾缘襟翼TEF12、TEF22和TEF32利用独立襟翼控制器的PID2控制方法控制襟翼角的周期性变化，反馈信号为叶根挥舞弯矩的偏航和俯仰分量，以减少叶根挥舞弯矩产生的周期性波动。
3.根据权利要求2所述的一种大型风力机多目标襟翼优化控制方法，其特征在于，所述整体襟翼控制器控制的PID1控制方法如下：
根据式
得到尾缘襟翼角的控制量；其中KP1是PID1的比例系数；KI1是PID1的积分系数；KD1是PID1的微分系数；ω0是发电机转速设定值，ω(t)是发电机转速测量值，θ0(t)是尾缘襟翼TEF11、TEF21和TEF31的襟翼角控制量。
4.根据权利要求2所述的一种大型风力机多目标襟翼优化控制方法，其特征在于，所述独立襟翼控制器的控制的PID2控制方法如下：
步骤1：根据式
对三个叶片的叶根挥舞弯矩进行坐标转换；其中，Myi(t)是原坐标系下第i个叶片在t时刻的叶根挥舞弯矩；是转换后坐标系下三个叶片叶根挥舞弯矩在t时刻的平均值；是转换后坐标系下三个叶片叶根挥舞弯矩在t时刻的偏航分量；是转换后坐标系下三个叶片叶根挥舞弯矩在t时刻的俯仰分量；是第i个叶片在t时刻的方位角；
步骤2：根据式
得到尾缘襟翼角在转换后坐标系下的控制量；其中，KP2是PID2的比例系数；KI2是PID2的积分系数；KD2是PID2的微分系数；是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的平均值；是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的偏航分量；是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的俯仰分量；是转换后坐标系下三个叶片叶根挥舞弯矩在t时刻的偏航分量；是转换后坐标系下三个叶片叶根挥舞弯矩在t时刻的俯仰分量；
步骤3：根据式
对三个襟翼角控制量进行坐标系的逆变换，得到原坐标系下的襟翼角控制量；其中，是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的平均值；是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的偏航分量；是转换后坐标系下三个襟翼角控制量在t时刻的俯仰分量；是第i个叶片在t时刻的方位角；当i＝1,2,3时，θi(t)分别是原坐标系下尾缘襟翼TEF12、TEF22和TEF32的襟翼角控制量。
5.一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优及多目标襟翼优化控制方法，其特征在于：首先利用权利要求1所述的一种大型风力机尾缘襟翼结构参数寻优方法，得到最优襟翼结构参数；然后，在得到的最优襟翼结构参数的基础上，根据权利要求2-4所述的一种大型风力机多目标襟翼优化控制方法进行多目标襟翼优化控制。
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