【文章內(nèi)容簡介】 的貝茲極限 [5] 。 變槳距風力機的風能利用系數(shù) C P與葉尖速比λ和槳葉的節(jié)距角β成非線性關系。葉尖速比λ即為槳葉尖部的線速度與風速之比 : ????? RRn ?? 2 （ 22） 式中 : ω — 風輪在風速為 v時的旋轉角速度 , 單位 : rad/s。 R— 風輪半徑 , 單位 : m。 n— 轉速 , 單位 : r/s。 v— 風速 , 單位 : m/s 據(jù)有關資料記載和研究 [23], 風能利用系數(shù) C P可近似表示 : ? ? ? ? ? ??????? 3s ???????? ? ???C p （ 23） 對于不同槳矩角，風能利用系數(shù) PC 與葉尖速比入的變化曲線如圖 22所示[6]，可以得出以下結論： (1) 對于任意的槳距角θ，風能利用系數(shù)特性曲線存在最大值 Cpmax 。 (2) 對于任意的葉尖速比λ，風能利用系數(shù) Cp 在槳葉槳距角θ = 0o時相對最大；隨著槳葉槳距角θ不斷增大，風能利用系數(shù) Cp 迅速減小。 根據(jù)以上兩點的歸納，變槳距風力發(fā)電機組可采取如下控制策略： (1) 在風速低于額定風速時，發(fā)電機輸出功率未達到額定功率，應盡可能多地將風能轉化為輸出的電能，此時，讓槳距角θ 等于 0o 。 (2) 當風速超過額定風速時，應增大槳葉槳距角 θ，減小風能利用系數(shù)Cp ，達到降低發(fā)電機輸出功率的目的。 (3) 當發(fā)電機功率下降到小于額定功率時，應再減小槳葉槳距角 θ，以保證風力機輸出功率維持在額定值。 6 圖 22 變槳距風力機特性曲線 7 第 3 章 風力發(fā)電機組變槳距的研究 風力發(fā)電機組的控制技術 現(xiàn)代風力發(fā)電機組的研究和設計從技術上講，涉及到包括空氣動力學、高分子材料、機電控制原理、機械設計與制造學、振動理論等多個學科領域。近年來，這些學科的迅速發(fā)展為風力發(fā)電機組的研究和設計提供了良好的理論基礎，因此現(xiàn)代風力發(fā)電技術發(fā)展越來越快，單機容量也越來越大。提高風能利用效率、改善風電質(zhì)量、降低風電成本是發(fā)展風電技術的前提條件，許多學者利用現(xiàn)代控制技術在改善風電系統(tǒng)性能、風力發(fā)電機組的優(yōu)化運行和改進風力發(fā)電設備等方面進行了大量的研究。隨著計算機與先進控制技術在風力發(fā)電領域中的應用，風力機控制方式也從基本單一的 定槳距失速控制向變槳距控制方向發(fā)展，甚至向智能型控制發(fā)展。 風力機定槳距控制技術 定槳距失速控制是傳統(tǒng)的控制方式，采用該控制方式的風力機葉片直接固定在輪轂上，片的安裝角在安裝時確定好，在運行期間不能變化。失速型葉片氣動外型的設計能夠使高速下通過上翼面的氣流出現(xiàn)分離，也就是所謂的失速現(xiàn)象。失速會導致葉片的升力下降而阻力上升，同時隨風速增大氣動效率下降，限制了風力發(fā)電機的最大輸出功率。但是受失速特性的影響，通常風力發(fā)電機的輸出功率在達到額定風速后有所下降。另外，定槳距失速控制的風力機最大升力對由溫度 和海拔高度的變化所引起的空氣密度的變化比較敏感。定槳距失速控制的失速是由于葉片的空氣動力特性而被動產(chǎn)生的。當風速變化引起輸出功率變化時，通過槳葉的被動失速調(diào)節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，從而使控制系統(tǒng)大為簡化。其缺點是葉片重量大 (與變槳距風力機葉片比較 )，輪轂、塔架等部件受力較大，機組的整體效率較低。 風力機變槳距控制技術 變槳距控制是根據(jù)風速的變化來調(diào)整葉片的槳距角，從而控制發(fā)電機的輸出功率，變槳距控制風力機的葉片通過軸承固定在輪轂上，可以繞葉片的軸線轉動來調(diào)整葉片的槳距角。在高風速情況下，槳距角 隨著風速的增加不斷向正的安裝角度方向調(diào)整，減小氣流攻角以保持較小的升力來限制功率。由于槳距 8 角可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因此在高風速情況下可使發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率，這意味著變槳距風電機組對由溫度和海拔高度的變化所引的空氣密度的變化并不敏感。當輸出功率小于額定功率狀態(tài)時，變槳距風力發(fā)電機組采用 Optitip 技術，即根據(jù)風速的大小，調(diào)整發(fā)電機轉差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比以優(yōu)化輸出功率。且在剎車時，葉尖剎車裝置制動葉輪的同時葉片轉動，剎車，從而減少了機械剎車對傳動系統(tǒng)的沖擊，減輕了剎車結構的負荷。綜上所述， 與定槳距控制技術相比，變槳距控制的優(yōu)點是槳葉較為輕巧，槳距角可以隨風速的大小而自動調(diào)節(jié)，因而能夠盡可能更多的吸收風能，同時在高風速段保持平穩(wěn)的功率輸出，如圖 31 所示。從風電技術發(fā)展趨勢來看，小容量的風力機尚可使用定槳距失速控制，大容量的風力機大多采用變槳距控制技術。 圖 3— 1 定槳距、變槳距風力發(fā)電機組功率曲線 因此，本文選擇的研究對象是風力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)。 變槳矩風力機組的運行狀態(tài) 根據(jù)風機所處的狀態(tài)以及變槳矩系統(tǒng)所起的作用，變槳矩風力發(fā)電機組大致可以分為 3種運行狀態(tài)，即啟動狀態(tài)、欠功率狀態(tài)和額定功率狀態(tài) [7]。 9 啟動狀態(tài) 變槳矩風力發(fā)電機在停機狀態(tài)的時候，葉片的槳矩角為 90 o，此時氣流對槳葉不產(chǎn)生切向力也沒有轉矩，整個槳葉實際上相當于一塊阻尼板。當風速達到啟動風速的時，變槳矩機構控制槳葉向 0 o方向轉動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風輪由于槳葉受力開始轉動。在發(fā)電機并入電網(wǎng)之前，發(fā)電機轉速信號作為變槳矩系統(tǒng)的槳矩角的主要控制量。轉速控制器按照一定的速度上升斜率給出速度的參考值，變槳矩系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，進而調(diào)整槳葉的槳矩角，進行速度控制。為了確保并網(wǎng)平穩(wěn)及穩(wěn)定性，對電網(wǎng)產(chǎn)生盡可能小的沖擊，變槳矩系統(tǒng)可以在一定時間內(nèi)，保持發(fā)電機的轉速在同步轉速附近，以便尋找最佳并網(wǎng)時機。 為了使控制過程簡單化，早期的變槳矩風力發(fā)電機在風輪轉速達到發(fā)電機同步轉速前采用不控制槳葉的槳矩角的方式。在這種情況下，槳 葉的槳矩角一直保持在同步轉速對應的角度。直到發(fā)電機轉速上升到同步轉速后，變槳系統(tǒng)才開始投入工作。轉速控制的給定值是恒定的，即同步轉速。然后，轉速反饋信號與給定值進行比較，當轉速超過同步轉速的時，槳葉的槳矩角就向迎風面積減小的方向轉動一定的角度；反之，槳葉向迎風而增大的方向轉動一個角度。當轉速在同步轉速附近保持一段時間后，發(fā)電機才并入電網(wǎng)。 欠功率狀態(tài) 欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機并入電網(wǎng)后，由于風速低于額定風速，發(fā)電機的輸出功率在額定功率以下運行方式。與轉速控制方式同理，在早期的變槳矩風力發(fā)電機組中，對于 欠功率狀態(tài)是不進行控制的。這時變槳矩風力發(fā)電機組和定槳矩風力發(fā)電機組相同，它的功率完全取決于槳葉的氣動特性?，F(xiàn)在多采用的雙饋異步發(fā)電機的風力發(fā)電機在該狀態(tài)能夠通過風速采集的低頻分量為參數(shù)調(diào)整發(fā)電機轉差率，使其運行在最佳葉尖速比，進而達到對風能的最大利用率。 額定功率狀態(tài) 在風速達到或超過額定風速后，風力發(fā)電機組進入額定功率運行狀態(tài)。這時風力發(fā)電機組運行方式從轉速控制切換到功率控制，變槳矩系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機的功率信號進行控制?？刂菩盘柕慕o定值是恒定的，即額定功率。功率反 10 饋信號與給定值進行比較，當功率 超過額定功率的時，槳葉就向著迎風面積減小的方向轉動一個角度，反之則向著迎風面積增大的方向轉動一個角度。 變槳矩控制系統(tǒng) 新型變槳距控制系統(tǒng)框圖如圖 32所示 圖 32 控制系統(tǒng)分布圖 在發(fā)電機并人電網(wǎng)前，發(fā)電機轉速由速度控制器 A根據(jù)發(fā)電機轉速 反饋信號與給定信號直接控制；發(fā)電機并入電網(wǎng)后，速度控制器 B與功率控制器起作用。功率控制器的任務主要是根據(jù)發(fā)電機轉速給出相應的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機轉差率，并確定速度控制器 B的速度給定。 節(jié)距的給定參考值由控制器根據(jù)風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)給出。如圖 32所示，當風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)前，由速度控制器 A給出； 當風力發(fā)電機組并人電網(wǎng)后由速度控制器 B給出。 變槳距控制 圖 33 變槳距控制系統(tǒng) 11 變距控制系統(tǒng)實際上是一個隨動系統(tǒng)，其控制過程如圖 33所示。 槳距控制器是一個非線性比例控制器，它可以補償比例閥的死 帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機構是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號 經(jīng) D/A轉換后變成電壓信號控制比例閥（或電液伺服閥），驅動液壓 缸活塞，推動變槳距機構，使槳葉節(jié)距角變化?；钊奈灰品答佇盘? 由位移傳感器測量，經(jīng)轉換后輸人比較器。 速度控制 A (發(fā)電機脫網(wǎng)） 轉速控制系統(tǒng) A在風力發(fā)電機組進入待機狀態(tài)或從待機狀態(tài)重新起動時投入工作，如圖 34在這些過程中通過對節(jié)距角的控制，轉速以一定的變化率上升。控制器也用于在同步轉速（ 50Hz時 1500r/min)時的控制。當發(fā)電機轉速在同步轉速177。 10 r/min 內(nèi) 持續(xù) 1s 發(fā)電機將切入電網(wǎng)。 圖 34 速度控制 A 控制器包含著常規(guī)的 PD和 PI控制器，接著是節(jié)距角的非線性化環(huán)節(jié)，通過非線化處理，增益隨節(jié)距角的增加而減小，以此補償由于轉子空氣動力學產(chǎn)生的非線性，因為當功率不變時，轉矩對節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。 當風力發(fā)電機組從待機狀態(tài)進人運行狀態(tài)時，變槳距系統(tǒng)先將槳葉節(jié)距角快速地轉到 45176。 ,風輪在空轉狀態(tài)進人同步轉速當轉速從 O 增加到 5OOr/min 時，節(jié)距角給定值從 45176。線性地減小到 5176。這一過程不僅使轉子具有高起動力矩，而且在風速快速地增大時能夠快速起動。 12 發(fā)電機轉速通過主軸上的感應傳感器測量，每個周期信號被送到微處理器作進一步處 理，以產(chǎn)生新的控制信號。 速度控制 B (發(fā)電機并網(wǎng)） 發(fā)電機切入電網(wǎng)以后，速度控制系統(tǒng) B作用。如圖 35所示，速度控制系統(tǒng) B受發(fā)電機轉速和風速的雙重控制。在達到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加。額定的速度給定值是 1560r/ min,相應的發(fā)電機轉差率是 4%。如果風速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機轉差率將降低到 2%，節(jié)距控制將根據(jù)風速 調(diào)正到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。 如果風速高于額定值，發(fā)電機轉速通過改變節(jié)距來跟蹤相應的速度給定值。功率輸出將穩(wěn)定地保持在額定值上。從圖中可以看到 圖 35 速度控制系統(tǒng) B 在風速信號輸入端設有低通濾波器，節(jié)距控制對瞬變風速并不響應。 與速度控制器 A的結構相比，速度控制器 B增加了速度非線性化環(huán)節(jié)。這一特性增加了小轉差率時的增益，以便控制節(jié)距角加速趨于 0176。 變槳矩系統(tǒng)分類 （ 1）變槳矩的執(zhí)行機構大致分為電液伺服系統(tǒng)和電動伺服系統(tǒng)兩類 [8]。 13 a) 液壓變槳矩 b) 電動變槳矩 圖 36 變槳矩系統(tǒng)的輪轂照片 1）液壓伺服變槳矩系統(tǒng)。液壓伺服變槳矩系統(tǒng)具有傳動力矩大、重量輕、剛度大等優(yōu)點。目前丹麥 Vestas公司的 機構。然而，液壓系統(tǒng)存在死區(qū)、滯環(huán)、庫倫摩擦，還有一些軟參量，如體積彈性模量、油的粘度、系統(tǒng)阻尼比等，有非線性特征，甚至會出現(xiàn)漏油、卡塞等現(xiàn)象。 液壓伺服變槳矩執(zhí)行機構原理如圖 37所示。槳葉通過機械連桿機構與液壓缸相連接，槳矩角的變化同液壓缸位移成正比。當液壓缸活塞桿向左移動到最大位置時，槳矩角為 90176。 。而活塞桿向右移動最大位置時，槳矩角為 0176。液壓缸的位移由液壓比例閥進行精準的控制。在負載變化不大的情況下，電液比例閥的輸入電壓與液壓缸的速度成正比，為進行精確的液壓缸位置控制，則必須引入液壓缸位置檢測和反饋控制。 圖 37 液壓伺服變槳矩執(zhí)行機構的原理框圖 14 2）電動變槳矩系統(tǒng)。電動伺服變槳矩執(zhí)行機構可對每個槳葉采用獨立的調(diào)節(jié)方式，伺服電動機通過主動齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相嚙合，進而直接對槳矩角進行控制。如圖 38所示。 圖 38 電動變槳矩結構圖 圖 38中只畫出了一個槳葉的電動變槳矩的結構，其它兩個槳葉則與此完全相同。而每個槳葉采用一個帶位置反饋的伺服電動機進行單獨調(diào)節(jié)，安裝在伺服電動機輸出軸上，采集電動機的轉動角度。伺服電機通過主動齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相連，帶動槳葉轉動，從而實現(xiàn)對槳葉的槳矩角的直接控制。在輪轂內(nèi)齒圈的邊上又安了一個非接觸式位移傳感器，對內(nèi)齒圈轉動的角度進行直接檢側，即槳葉槳矩角變化，當內(nèi)齒圈轉過一個角度，則非接觸式位移傳感器輸出一個脈沖信號。 位置傳感器采集槳矩角的變化與電動機形成閉環(huán) PID負反饋控制。變槳矩控制是根據(jù)伺服電動機自帶的位 置編碼器所測的位移值進行控制的，電動伺服變槳矩執(zhí)行機構原理框圖如圖 39。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制電源斷電時，槳葉控制電動機由 UPS系統(tǒng)供電，使槳葉調(diào)節(jié)到順槳位置。該執(zhí)行機構結構簡單、可靠，充分利用了有限的空間，實現(xiàn)了分散布置，且可以實現(xiàn)對單一槳葉進行控制，但對于大功率風機的動態(tài)特性相對較差。 15 圖 39 電動伺服變槳矩執(zhí)行機構原理框圖 制動裝置的突出特點是空氣動力學制動剎車單獨由變槳矩控制，槳葉充分發(fā)揮剎車的作用。即使其中一個槳葉剎車制動失敗，其它兩個葉片也可以安全完成剎車的過程，提高了整個系統(tǒng)的安全性和可 靠性