风力发电的变桨距控制研究.docx

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风力发电的变桨距控制研究

风力发电的变桨距控制方法研究

1概论

1.1风力发电变桨距控制研究的背景与意义

1.2国内外风力发电变桨距控制研究现状

2风力发电的控制系统介绍

2.1控制系统的重要性

2.2控制系统的功能

2.2.1启动控制

2.2.2并/脱网控制

2.2.3制动控制

3风力发电机的变桨距控制系统

3.1变桨距机构

3.1.1变桨距调节的工作原理

3.1.2变桨距机构的组成

3.2（电动）变桨距装置

3.2.1变桨距驱动装置

3.2.1变桨距执行机构

4风电机组变桨距控制方法研究

4.1变桨距控制的研究方法

4.2风力发电的变桨距功率控制法

4.2.1变桨距功率控制法模型

4.1.2系统的软件设计

5功率控制法的改进

概论

1.1风力发电变桨距控制研究的背景与意义近几年来，世界各国大型风电力发电机组得到了迅猛发展，大型MW级风电机组在世界主要国家已经投入产业化生产。

目前，国际主流的大型风电机组2.5MW、3MW以及5MW的大型风电机组已推向市场，10MW超巨型风电机组正在试验当中。

机组单机容量从2MW到3MW的风电机组已经成为世界各国研发的主力机型，单机容量从3MW到5MW的机组已经成为海上风电场的主力机型，10MW的超大型海上风电机组也已经研制成功。

尤其是欧洲各国，风电技术和风电产业发展居于世纪领先地位，比如：

2006年，德国REPOWER公司就已在海上安装了两台5MW海上风电机组；2007年，德国Enercon公司安装了一台6MW的海上风力发电机组；2009年比利时WindVision公司在比利时安装了11台7MW的直驱风力发电机组。

同世界发达国家的水平相比，我国的风机生产水平也有很大差距。

目前，我国并网型风电机的主要提供商为Bonus、Vestas、NEG-Micom、Nordtank、Nordex、Gamesa等国外厂家。

由此可见，我国的主流风电机型仍然依赖进口，或者与外商合作生产。

而相对国外的这些产品来说，我国风力发电设备的国产化水平不高，恰恰这些进口设备的造价又昂贵，再加上地域和文化的差异等原因，维护工作也往往不能及时进行。

对我国风电的产业化进程形成了严重障碍。

随着风电机组大型化的发展，风机的叶片直径在不断的增大，叶片、传动轴和塔架等风机主要部件的柔性和弹性都相应变大、阻尼变小，导致大型风电机组的低频模态越来越密集，各阶模态的交叉耦合几率加大，使得大型风电机组承受的不平衡载荷更加复杂。

尤其是风轮直径增加后，风轮叶片承受来流时变、风切变、塔影效应等影响产生的不平衡载荷更加明显，引起桨叶产生大范围的挥舞和摆振，严重影响到风电机组传动机构等部件的机械应力和疲劳寿命。

由此，变桨控制技术得到世界共识并快速发展。

变桨距控制的优点是具有较高的风能利用系数，能够确保高风速段的额定功率，提高风力机组起动性能与制动性能，提高风机的整体柔性度，减小整机和桨叶的受力状况等。

因此，国际风力发电市场的主流产品大都应用变桨距控制。

从目前看，变桨距控制有两种，一种是统一变桨控制，另一种是独立变桨控制。

统一变桨采用三个桨叶统一控制的方式，叶片桨距角的调节主要根据风能利用系数和功率输出，无法兼顾风轮旋转平面内因风况、风速的不同对桨叶产生的轴向拍打和震动，尤其是对大型风电机组，叶片的直径大都在几十米以上，风切变效应和塔影效应的影响是无法避免的，从而使得每个桨叶的受力不同，而且在风轮的连续旋转下，桨叶受力处于持续的波动之中，对风机的稳定性和使用寿命产生不良影响。

此外，由于叶片尺寸较大，每个叶片有十几吨甚至几十吨重，叶片在运行的不同位置受力状况也是不一样的，所以，叶片重力对风轮力矩的影响也是不能忽略的。

独立变桨距控制是在统一变桨距控制的基础上发展起来的，每个桨叶都由独立的变桨距执行机构控制，按照各个桨叶所处的不同位置和不同风速分别进行调节，不仅能够跟踪最大风能的捕获和稳定发电机的输出功率，而且能够有效减小桨叶的拍打震动以及风机的其他扰动影响。

甚至其中一个变桨距执行机构出现故障，其它两个桨叶仍能调节桨距角实现功率控制，从而大大提高风机的稳定性和耐疲劳寿命。

由此，独立变桨距控制技术成为当今世界各国大型风电机组控制技术研究的热点，也是现代风机控制理论研究的难点。

独立变桨系统按照原理又分为电动变桨和液压变桨两种，主要是动力不一样。

电动变桨用伺服电机驱动，液压变桨用液压缸驱动。

1.2国内外风力发电变桨距控制研究现状

在软件方面，国内的变桨控制基本被国外厂商垄断，国内一些科研机构开始着手变桨软件系统的研究，但是由于缺乏经验，与国外的变桨控制策略相比差距很大。

近年来，一些新型的控制理论被应用到风机系统当中，如模糊控制、神经网络智能控制、鲁棒控制、功率控制等，使得对风机的控制更加智能化。

风电机组要求变桨系统具有较高的可靠性，而我国液压行业水平与发达国家存在明显的差距，因此，液压变桨实现国产化的难度非常高。

相对于液压驱动变桨系统，电动变桨系统在国内应用较多，国内渠道培养及发展的时间也较长，可选择度也较大。

由于电动行业在国内发展的较好，各部件的国产化率较高，但在高可靠性、高稳定性的部件上进口产品仍居主导位置。

世界风电厂家有Vestas，Enercon，Gamesa，Aeciona，Dewind，GE，三菱重工等。

Vestas所占份额最大，超过百分之三十，它连同Gamesa都主要采用液压变桨系统。

二风力发电的控制系统介绍

2.1控制系统的重要性风电机组的控制系统是一个综合控制系统。

它不仅要监视电网，风况和机组运行参数，对机组运行进行控制；而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。

图2.1是风电机组工作原理图。

图2.1风电机组工作原理的框图

风力发电控制系统在风力发电系统中需要解决的基本矛盾是如何在风速变化的情况下获得较稳定的电压输出,以及如何解决无风时的用电问题。

既要考虑到风能的特点,又要考虑到用户的需要,达到实用、可靠、经济的运行效果,关键环节之一就是要有一个稳定、可靠、功能齐全的控制系统。

控制系统在风电机组中的作用犹如人的大脑，进行风力发电机组的运行管理。

2.2控制系统的功能风力发电系统从风电机组的启动，风能的最大捕捉，并网脱网，以及制动等过程都需要控制系统的参与。

所以控制系统的功能按不同的过程来分有启动控制，并/脱网控制，制动控制以及对发出电能的功率控制。

由于风速是时刻变化的，发出的功率受风速的影响，在低风速时进行最大功率捕捉，在高风速时进行输出功率的稳定控制。

2.2.1启动控制

当风速检测系统在一段持续时间内测得风速平均值达到切入风速，并且系统自检无故障时，控制系统发出释放制动器命令，机组由待风状态进入低风速起动。

2.2.2并/脱网控制

当风力发电机转速达到同步转速时，执行并网操作。

为了减小对电网的冲击，通常采用晶闸管软切入并网。

软切入时，限制发电机并网电流并监视三相电流的平衡度，如果不平衡度超出限制则需停机。

除此之外，软切入装置还可以使风力发电机在低风速下起动。

当风速低于切入风速时，应控制已并网的发电机脱离电网，并在风速低于4m/s时进行机械制动。

2.2.3制动控制

当转速超越上限发生飞车时，发电机自动脱离电网，桨叶打开实行软刹车，液压制动系统动作，抱闸刹车，使桨叶停止转动，调向系统将机舱整体偏转90°侧风，对整个塔架实

施保护。

3风力发电机的变桨距控制系统

随着风电控制技术的发展，变桨距调节方式逐步成为主流，使得风力机的性能和输出功率特性有所改善。

所谓变桨距风电机组，是指风力机桨叶根部与轮毂之间通过轴承连接，也就是说其连接是不固定可以自由旋转的，当风速发生变化时，风力机的桨叶可以绕其轴线转动来调节叶片的桨距角，通过桨距角的变化来影响风电机组的转速，从而达到控制风力发电机组输出功率的目的。

3.1变桨距机构

3.1.1变桨距调节的工作原理

变桨距控制是通过叶片与轮毂之间的轴承机构，借助控制技术和动力系统转动叶片，来减小迎风角，由此来减小机翼的升力，以达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。

一般变桨距范围从起动角度0~90顺桨，叶片就像飞机的垂直尾翼一样。

变桨距调节时叶片迎风角相对气流是连续变化的，可以根据风速的大小调节气流对叶片的攻角。

当风力发电机组起动及风速低于额定风速时，桨距角处于可获取最大推力的位置，有较低的切入风速。

当风速超过额定风速时，叶片向小迎风角变化，从而使获取的风能减少，这样就保证了叶轮输出功率不超过发电机的额定功率，风轮速度降低使发电机组的输出功率可以稳定在额定功率上。

当出现超过切出风速的强风时，在紧急停机或有故障时，可以使叶片迅速处于90迎风角的顺桨位置，使风轮迅速进行空气动力制动而减速。

这样既减小了负载对风力发电机组的冲击，又延长了风力发电机组的使用寿命，并且有效地降低了噪声，避免了大风对风力风力发电机组的破坏性损害。

3.1.2变桨距机构的组成

变桨距系统由变桨距机构和变桨距控制系统两部分组成。

变桨距机构是由机械，电气液压组成的装置，变桨距控制系统是一套计算机控制系统。

可实现集中远程控制的变桨距风力发电机的组成如图3.1

图3.1变桨距风力发电机组的组成

变桨距控制器是一个微型计算机系统，它将桨距角检测和功率检测得到的数据，与微处理器中给定的桨距角变化数学模型进行比较，把差值作为控制信号用于驱动变桨距机构进行变桨操作。

它也是一个闭环的跟踪系统，控制理论上又称为伺服系统。

变桨距机构是由驱动装置，执行装置和控制系统三部分组成。

一般习惯上又把驱动装置和执行装置里那个部分通称为变桨距执行机构。

3.2（电动）变桨距装置

3.2.1变桨距驱动装置

按每个叶片是独立调节还是同步调节可以分为两种：

（1）共同驱动变桨距系统。

这种变桨距系统在早期风力发电机组中采用的较为普遍。

其特点是三只叶片的驱动由同一个驱动装置驱动，三只叶片的桨距角调节是同步的。

他的控制系统比较简单，成本低，但机械装置庞大，调整复杂，安全冗余度小。

（2）独立驱动变桨距系统。

这种变桨距系统在现代风力发电机组中采用的较为普遍。

其特点是三只叶片的驱动由三个相同的驱动装置驱动，三只叶片的桨距角调节是相互独立的。

它需要三套相同的控制系统，成本较高，但结构紧凑，控制灵活，可靠，安全冗余度大。

独立驱动变桨距系统分为独立电动机驱动变桨距系统和独立液压变桨距系统。

由于独立变桨距的可靠性高，控制灵活等优点，目前市场上大多采用独立变桨距控制系统。

3.2.1（电动）变桨距执行机构狭义的变桨距执行机构是指直接控制叶片转动部分的机械装置。

现在常见的变桨距执行机构有下面几种。

（1）平行轴齿轮驱动多用于分散控制电动变桨距系统。

驱动伺服电动机通过行星齿轮减速器，在减速器的输出轴上装有驱动内齿圈的直齿轮，从而实现变桨距控制。

MW及以上大型风力发电机组多采用这种结构。

图3.2为平行轴齿轮结构。

图3.2平行轴齿轮结构图3.3垂直轴伞齿轮结构

（2）垂直轴伞齿轮驱动用于集中控制电动变桨距系统和液压变桨距系统。

这种结构的变桨距轴承内圈上加工有100度扇形角度的伞齿轮，轮毂前端面上安装有与各叶片变桨距轴承内圈上扇形伞齿轮相啮合的伞齿轮，驱动此伞齿轮即可实现叶片变桨距。

图3.3为垂直轴伞齿轮结构。

（3）机械摇杆驱动

用于集中控制电动变桨距系统和液压变桨距系统。

机械摇杆驱动的变桨距轴承内圈上有一个轴销作为摇杆，一个圆盘在外沿三等分线上有三个带长槽的摇臂，摇杆卡在摇臂中。

当圆盘带动摇臂前后运动时，摇臂带动摇杆完成变桨距操作。

4风电机组变桨距控制方法研究

变桨距机构控制系统是采用微型计算机构成的控制系统，它利用软件进行控制，因而具有很大的柔性。

变桨距机构控制系统必须具有快速反应能力，以满足叶片变桨距5~10度/s左右的跟踪速度要求。

主控制器与轮毂内的分控制箱通过现场总线通信，以达到控制变桨距装置的目的。

主控制器根据风速，发电机功率和转速等，把命令值发送到变桨距控制系统，同时变桨距系统把实际值和运行状况反馈到主控制器。

变桨距控制系统必须满足能够快速响应主控制器的命令，高性能的同步机制，安全可靠的要求。

根据风速大小对风电系统进行分段控制，低风速下，采用最大风能捕获控制以提高系统效率；高风速下，考虑发电机和变频装置额定功率的限制，控制发电机恒功率输出。

风机从风中吸收的功率与功率系数和风速的立方成正比。

桨距角β一定时，功率系数

Cp与叶尖速比λ呈抛物线关系，其凸点对应最大风能捕获点，此处λ称为最佳叶尖速比。

当λ固定为最佳叶尖速比时，功率系数又与桨距角呈抛物线关系，其凸点对应此条件下的最大风能捕获点，此处β称为最优桨距角，通常在零度角附近。

为避免在曲面上进行寻优运算，降低控制难度，当前的最大风能捕获控制方法都采取以下思路：

控制β固定为最优桨

距角；风速变化时，通过控制发电机的电磁转矩改变风机转速和叶尖速比，直到系统运行在

最大风能捕获点。

根据发电机输出功率控制手段的不同，最大风能捕获控制又有若干典型的控制方法，如：

最佳叶尖速比法，最优转矩法，功率信号反馈法，爬山搜索法。

这些方法的控制目标为：

风

速变化时，通过控制发电机的电磁转矩使得系统在新的稳态下捕获最大风能。

传统的恒功率控制模式用于风速较大的场合。

此时，为保证风电系统的安全运行，需要限制其转速和发电机的输出功率，由于发电机和变频装置的电气限制，仅仅靠电磁转矩的控制已无法保证系统的安全，此时需要控制风机的桨距角以降低风机的风能捕获量，从而限制风机的转速和输出功率。

根据风机动力学特性的建模方式不同，桨距角控制有两类典型的控制方法，即：

基于线性风机模型的控制方法和基于非线性风机模型的控制方法。

本论文主要研究在高风速段，采用恒功率控制模式的变桨距控制方法来限制风机转速，从而获得稳定的输出功率。

4.1变桨距控制模型变桨距控制过程有几个关键点，风速，发电机转速，发电机的功率。

这三个变量是相互影响，紧密联系的，其中发电机的转速控制是最核心的。

它受风速的影响，同时以反馈回来的发电机功率为调整依据；发电机输出的转速变量又作为反馈量进行桨距角的调节，而桨距角的调节又与风速有关。

直驱型风力发电机组采用闭环控制用于风机正常运行时控制叶片桨距角，即变速风力发电机组的风轮转速。

在变速变桨距调节的控制器的类型中，变流器在使风轮转速通过控制发电机的反作用力矩（转差率）改变的同时，把发电机与电网相分离。

在高风速时，该力矩保持在额定水平，用桨距控制调节叶轮的转速，来限制超过额定风速时的功率输出。

控制器的组成如图4.1

图4.1变桨距调节控制器的组成

在变桨距控制系统中，发电机的功率信号由高速功率变送器以模拟量的形式（0~10v对

应功率0~满功率）输入到微处理器或PLC，桨距角反馈信号（0~10v对应桨距角0~90度）以模拟量的形式输入到微处理器或PLC的模拟输入单元。

输出信号为-10v—+10v，将信号输出到执行机构来控制进桨或退桨速度。

为了测量发电机的转速，选用高速计数单元，发电机的转数是通过检测与发电机相连的光电码盘，每转输出10个脉冲，输入给计数单元。

4.2系统的软件设计

在变桨距控制系统中，高风速段的变桨距调节功率是非常重要的部分，若退桨速度过慢则会出现过功率和过电流现象，甚至会烧毁发电机；若桨距调节速度过快，不但会出现过调节现象，使输出功率较大，而且会缩短变桨距液压缸，变桨距电动机和变桨距轴承的使用寿命，进而影响发电机的输出功率，使发电量降低。

在本程序中在过功率退桨和欠功率进桨时采用不同的变桨速度。

退桨速度比进桨速度大，这样可以防止在大的阵风时出现发电机功率过高现象。

发电机并网后通过调节桨距角来调节发电机输出功率，图4.1为变桨距功率调节部分程序流程。

当实际功率大于额定功率时，微处理器或PLC的模拟输出单元输出与功率偏差成比例的电压信号，并采用指令使输出电压限制在—4.1v（对应变桨距速度为4.6度/秒）以内。

当功率偏差小于零时需要进桨来增大功率，进桨时给比例阀输出的最大电压为1.8v（对应变

桨距速度为0.9度/秒）。

为了防止频繁地往复变桨，当功率偏差在10kw以内时不进行变桨。

图4.1变桨距功率调节部分程序流程

5功率控制法的改进与应用

图5.2所示为随风速变化的叶片桨距角同步调整情况，可以看出，在额定风速以上，总的趋势是随着风速的增加，奖距角增加以减小风能的捕获量，反之亦然。

由于变桨距执行机

构的延迟效应，桨距角的变化滞后于风速变化。

对统一变桨距，桨距角的调整主要与来流风速相关，而对独立变桨距，桨距角的调整不但与来流风速有关，还与风轮所处方位角相关。

变桨距执行机构实际输出的桨距角的大小并不完全等于指令值，其受独立变桨距执行机构的响应特性和桨距角指令值变化率影响。

V（m/s）

t（s）

图5.1轮毂处的来流风速

由于控制本身的属性，功率控制法在响应速度，准确度以及稳定性方面都可以加以改进。

风电机组发出的电能最终都要供给负载，风力机的运行参数，调整状况和反馈情况也要受到负载的影响，所以功率控制可以和载荷变量联合控制，使得控制更加快准稳。

小结：

本文从硬件和软件方面简单介绍了风力发电的变桨距控制系统及变桨距的功率控制法，阐了述了风速，机组转速，以及输出功率三个变量之间是如何相互作用的。

具体以风速为自变量，桨距角为因变量做出桨距角随风速变化趋势。

将风速分段，额定风速以下通过调节桨距角进行最大风能捕捉，在额定风速以上通过调节桨距角将功率稳定在一定范围内。