兆瓦级风电机组变桨距系统设计
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兆瓦级风电机组变桨距系统设计
吴光宇
(哈电发电设备国家工程研究中心有限公司,哈尔滨150040)
[摘要]本文通过研究风电机组变桨控制理论,结合实际运行工况提出了风电机组变桨控制策略,设计 了用于1.5MW风电机组的变桨控制系统硬件,提出分段PID软件算法,并将此系统运用于工程实践中。[关键词]风电机组;变桨系统;控制策略;分段PID算法
[中图分类号]TM315 [文献标志码]A [文章编号]1000-3983(2018)04-0066-06
D esign o f V ariab le P itch S ystem fo r M egaw att W in d l\ir b in e
WU Gangyu
(National Engineering Research Center-power Equipment Company Ltd., Harbin 150040, China)
A bstract: Through the research of wind turbine pitch control theory, and combined with the actual operating conditions, the control strategy of variable pitch wind turbine is put forward. The variable pitch control system hardware for 1.5MW wind turbine is design, PID software algorithm is proposed, and this system is used in engineering practice.
K ey w ord s: wind turbine; pitch system; control strategy; segmented PID algorithm
〇前目
风电变桨系统是风电控制系统的重要组成部分,承担着风电机组转速控制,发电功率调节,保证运行 安全稳定,实现风能利用率最大化等重要功能。变桨 控制技术的发展一直伴随着风电系统技术的发展。本 课题依托于哈电发电设备国家工程研究中心1.5MW 型风电机组,对变桨控制理论深人研究,针对风电系 统风速变化快,转速波动大,运行环境恶劣等特点进 行分析,提出变桨系统设计方案并实施,实现了变桨 系统的自主设计研发,并应用于工程实践中。
1变桨控制策略研究
贝兹理论是风轮机风能利用效率的基础理论,在 设计变桨系统时要利用贝兹理论中的几个关键量:风能利用率系数G:
不同的风速下的叶尖速比2 :
.2iiRn wR
义=—=—(2)
V V
风能作用于风轮机输出功率为:
Pm= X-p K v ZCp{k,p)(3)
其中,p为空气密度,为风轮机扫风面积,v为 风速;
风轮机吸收的能量为:
Pm -M c o-P(4) M是风轮机输出扭矩;co是风轮机旋转角速度。
c d = ^P k C p R2v3/M(5)
当p,S,v为某一特定值时,风轮机的机械功率只 取决于风能利用系数是桨距角,与叶尖速比 乂的函数,为2)。在一个特定风速下,如果桨 距角;^固定不变,那么仅由叶尖速比;I决定。此时,存在最优叶尖速比;与最大风能利用系数c pmax相 对应。所以,变桨系统需控制叶片角度和风轮机转速 维持I,捕获得最大风能[1]。
由式(3 )和(5 )可知,风轮机输出的最大功率 和风轮机转速®的关系为:
(6)
^o p t
如图1曲线为不同的风速<v2<v3)下的风轮
机功率曲线。在恒定的风速下,风轮机吸收功率随风
发电机
^构
调节器
轮机转速变化而变化。风速为Vi 时,风轮机转速小于 A 时,兄随着转速增加而增加,转速达到®时,八 到1 达最大i a 点,风能利用效率最大。如果jk 轮机4 速继续增加,风能利用效率会下降,导致,降低[2]。
图1风轮机输出功率特性曲线
因此可得一组最大功率点B 点、C 点等,把各点连 成一条曲线,即为不同风速下最佳功率曲线。为 了使风电机组在不同风速下按最大功率曲线运行,风 轮机转速必须与风速相匹配,机组发电效率最高,变
铪定转速
〇9〇
桨控制系统可根据当前风速快速调节叶片来改变风轮 机转速,实现发电效率最大化,这是变桨系统的主要 控制策略[3_4]。
根据变桨控制基本策略和机组的运行工况,变桨 系统主要有两个运行阶段。
1.1起动阶段变桨控制
风电机组起动前,对各设备和传感器进行检测, 达到起动要求后,进人待机状态,变桨系统等待主控 制系统下达变桨命令。风速在起动风速以下时,桨距 角为90。,桨叶相当于阻尼板[5_6],风电机组不起动。
当风速V 超过起动风速3m /s 时,主控系统下达启 机命令,进行偏航对风,变流器网侧并网,网侧并网 完成后下达变桨指令,当桨叶到达30。左右时,气流对 叶片产生较大的推力,风轮机转速开始上升,转速为 ,当®>3r /min ,变桨系统根据并网转速控制桨距角,
使风轮机逐渐升速,此过程桨距角逐渐减小,风机转 速逐渐上升,当机组转速达到并网转速(6r /min )左右 时,变流器机侧并网,机组开始发电,此过程控制框 图如图2所7K 。
发电机转速c
-►
图2起动阶段变桨变速控制框图
1.2 并网后变奖控制
在额定风速以下,风电机组桨距角通常在0°附近 运行,此时风能利用率最高。但在超额定风速状态下, 由于机组机械结构和强度的限制,风轮机转速必须低 于某一极限转速。以该1.5M W 机型为例,额定转速为 18.6r /min ,转速保护上限为20r /min ,额定功率为 1.5MW ,功率保护上限为1.7MW 。当运行状态超过保 护上限时,机组各部件的机械性能降低,疲劳强度加 大,严重可引发安全问题。所以,在额定风速以上的 运行工况时,必须降低风能利用率,采用变桨距控制 来调节叶尖速比以控制风能的获取,使机组的转速和 功率在额定值附近波动。
在额定风速以上时,主控制系统根据发电机输出
功率控制变桨角度,功率输出大于额定功率时,桨叶 进行收桨控制,反之则进行开桨控制,由于风速波动 很大,风电功率正比于风速的三次方,桨距角和风速 为非线性关系。所以,在不同的初始桨距角位置,即 使变桨角度差值相同,功率变化差别也会很大。从工
程实现考虑采用分段P ID 算法[7],每段单独设定PID 参数,见表1。
表1
分段P ID 参数
麵角06
10152025比例增益1.6 1.2
0.80.40330.24积分增益 3.8 3.5 2.92.31.91.6微分增益
0.5
0.46
0.38
0.29
0.22
0.18
风
轮
机