風電機組變槳距系統(tǒng).doc

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1、作者：中國科學院電工研究所?李建林?張雷?鄂春良??來源：賽爾電力自動化?總第78期　摘要：在風力發(fā)電系統(tǒng)中，變槳距控制技術關系到風力發(fā)電機組的安全可靠運行，影響風力機的使用壽命，通過控制槳距角使輸出功率平穩(wěn)、減小轉矩振蕩、減小機艙振蕩，不但優(yōu)化了輸出功率，而且有效的降低的噪音，穩(wěn)定發(fā)電機的輸出功率，改善槳葉和整機的受力狀況。變槳距風力發(fā)電機比定槳距風力發(fā)電機具有更好的風能捕捉特性，現(xiàn)代的大型風力發(fā)電機大多采用變槳距控制。本文針對國外某知名風電公司液壓變槳距風力機，采用可編程控制器(PLC)作為風力發(fā)電機的變槳距控制器。這種變槳控制器具有控制方式靈活，編程簡單，抗干擾能力強等特點。本文介紹了液

2、壓變槳距系統(tǒng)的工作原理，設計了變槳控制器的軟件系統(tǒng)。最后在國外某知名風電公司風力發(fā)電機組上做了實驗，驗證了將該變槳距控制器可以在變槳距風力機上安全、穩(wěn)定運行的。　　　　關鍵詞：變槳距；風力發(fā)電機；可編程控制器1引言　　　　隨著風電技術的不斷成熟與發(fā)展，變槳距風力發(fā)電機的優(yōu)越性顯得更加突出：既能提高風力機運行的可靠性，又能保證高的風能利用系數(shù)和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線。采用變槳距機構的風力機可使葉輪重量減輕，使整機的受力狀況大為改善，使風電機組有可能在不同風速下始終保持最佳轉換效率，使輸出功率最大，從而提高系統(tǒng)性能。隨著風電機組功率等級的增加，采用變槳距技術已是大勢所趨。目前變槳執(zhí)行機構主要有兩種

3、：液壓變槳距和電動變槳距，按其控制方式可分為統(tǒng)一變槳和獨立變槳兩種。在統(tǒng)一變槳基礎上發(fā)展起來的獨立變槳距技術，每支葉片根據(jù)自己的控制規(guī)律獨立地變化槳距角，可以有效解決槳葉和塔架等部件的載荷不均勻問題，具有結構緊湊簡單、易于施加各種控制、可靠性高等優(yōu)勢，越來越受到國際風電市場的歡迎?！　　　≌淄呒壸兯俸泐l變槳距風電機組是目前國際上技術比較先進的風力機型，從今后的發(fā)展趨勢看，必然取代定槳距風力機而成為風力發(fā)電機組的主力機型。其中變槳距技術在變速恒頻風力機研究中占有重要地位，是變速恒頻技術實現(xiàn)的前提條件。研究這種技術，提高風電機組的柔性，延長機組的壽命，是目前國外研究的熱點，但是國內(nèi)對此研究甚少，對

4、這一前瞻性課題進行立項資助，掌握具備自主知識產(chǎn)權的獨立變槳控制技術，對于打破發(fā)達國家對先進的風力發(fā)電技術的壟斷，促進我國風力發(fā)電事業(yè)的進一步發(fā)展具有重要意義?！　　　榱双@得足夠的起在變槳距系統(tǒng)中需要具有高可靠性的控制器，本文中采用了OMRON公司的CJ1M系列可編程控制器作為變槳距系統(tǒng)的控制器，并設計了PLC軟件程序，在國外某知名風電公司風力發(fā)電機組上作了實驗。2變槳距風力機及其控制方式　　　　變槳距調(diào)速是現(xiàn)代風力發(fā)電機主要的調(diào)速方式之一，如圖1所示為變槳距風力發(fā)電機的簡圖。調(diào)速裝置通過增大槳距角的方式減小由于風速增大使葉輪轉速加快的趨勢。當風速增大時，變槳距液壓缸動作，推動葉片向槳距角增大

5、的方向轉動使葉片吸收的風能減少，維持風輪運轉在額定轉速范圍內(nèi)。當風速減小時，實行相反操作，實現(xiàn)風輪吸收的功率能基本保持恒定。液壓控制系統(tǒng)具有傳動力矩大、重量輕、剛度大、定位精確、液壓執(zhí)行機構動態(tài)響應速度快等優(yōu)點，能夠保證更加快速、準確地把葉片調(diào)節(jié)至預定節(jié)距[4][5]。目前國內(nèi)生產(chǎn)和運行的大型風力發(fā)電機的變距裝置大多采用液壓系統(tǒng)作為動力系統(tǒng)。圖1變槳距風力發(fā)電機簡圖　　　　如圖2所示為變槳距控制器的原理框圖。在發(fā)動機并入電網(wǎng)之前由速度控制器根據(jù)發(fā)動機的轉速反饋信號進行變槳距控制，根據(jù)轉速及風速信號來確定槳葉處于待機或順槳位置；發(fā)動機并入電網(wǎng)之后，功率控制器起作用，功率調(diào)節(jié)器通常采用PI（或PI

6、D）控制，功率誤差信號經(jīng)過PI運算后得到槳距角位置。圖2變槳距風力機控制框圖　　　　當風力機在停機狀態(tài)時，槳距角處于90°的位置，這時氣流對槳葉不產(chǎn)生轉矩；當風力機由停機狀態(tài)變?yōu)檫\行狀態(tài)時，槳距角由90°以一定速度（約1°/s）減小到待機角度（本系統(tǒng)中為15°）；若風速達到并網(wǎng)風速，槳距角繼續(xù)減小到3°（槳距角在3°左右時具有最佳風能吸收系數(shù)）；發(fā)電機并上電網(wǎng)后，當風速小于額定風速時，使槳距角保持在3°不變；當風速高于額定風速時，根據(jù)功率反饋信號，控制器向比例閥輸出-10V－+10V電壓，控制比例閥輸出流量的方向和大小。變槳距液壓缸按比例閥輸出的流量和方向來操縱葉片的槳距角，使輸出功率維持在額

7、定功率附近。若出現(xiàn)故障或有停機命令時，控制器將輸出迅速順槳命令，使得風力機能快速停機，順槳速度可達20°/s。3變槳控制器的設計　　　　3.1系統(tǒng)的硬件構成　　　　本文實驗中采用國外某知名風電公司風力發(fā)電機組作為實驗對象，其額定功率550KW，采用液壓變槳系統(tǒng)，液壓變槳系統(tǒng)原理圖如圖３所示。從圖３中可以看出，通過改變液壓比例閥的電壓可以改變進槳或退槳速度，在風力機出現(xiàn)故障或緊急停機時，可控制電磁閥