风力发电机组变桨控制系统的研究

风力发电机组变桨控制系统的研究

发表时间：2019-04-01T17:26:18.570Z 来源：《基层建设》2019年第1期作者：吴者

[导读] 摘要：在风力发电机组中，叶轮机组已更换了固定的叶轮机组，它已成为风轮机工业发展主流的双叶轮系统。

中广核新能源华南分公司德庆风电场广东省肇庆市

摘要：在风力发电机组中，叶轮机组已更换了固定的叶轮机组，它已成为风轮机工业发展主流的双叶轮系统。它是风力发电机功率控制的一个重要组成部分，运行平稳，本文主要论述了风力发电的控制方法，本文讨论了基于进流角预报的模糊PlD统一变距功率控制系统和独立变距功率控制策略。同时对两者进行了比较，它提供了一些设计理念和理论方法来定位大型风力涡轮机的可变螺距控制系统。

关键词：变桨机构；独立变桨；优化设计；建模仿真

前言

风力发电机组主要包括两个主要部件：主控制系统和变桨控制系统。主要控制系统是控制整个风机的运行，可变叶片控制系统是专门针对不同工况下叶片的精确控制，为了实现叶片和应急桨的正常运动。一个完整的变距控制系统包括驱动和控制器的主要组成部分（一些变距控制系统只有驱动，没有控制器），变距电机，备用电源等。每一个变螺距控制系统在其结构上都有其独特的特点，为了更好地理解变螺距控制系统，我们必须对其结构有一个全面的了解。

1、课题的背景及研究目的

变叶轮机组已经取代固定叶轮机组成为风力发电机组商业化发展的主流。变量螺旋桨系统是风力发电机功率控制和执行平稳运行的重要组成部分和一个丰富的指导作用，其操作，通常情况下，可变螺旋桨系统在冯风力涡轮机控制器发出指令驱动叶片旋转，使叶片达到指定的节距角位置，不影响互联的快速实现过程，保证风电机组在不同工况下按最优参数运行；在紧急情况下，自动调节螺旋桨螺距角，使叶片跟随螺旋桨，实现气动制动，确保风力机的安全。

2、变桨系统工作原理

螺旋桨更换系统的工作原理如图1所示。机房的主处理器监控风速、转子转速和发电机驱动叶片的旋转角度。发电机能量模块计算了伺服驱动的顺序通过逻辑，驱动叶片转动。不同的叶片都有不同的可变叶轮驱动电机。驱动电机尾部装有一个编码器，编码器用以检测驱动电机的方向、转速、叶片转到的角度，反馈至变桨系统的处理器。发生系统掉电或紧急安全链触发时，备用电源（超级电容或蓄电池）进行紧急收桨，将叶片转动90°的安全位置。在急停顺桨状态下，变桨系统是在风力发电机组的主控系统之外独立工作的，这样可以避免因风力发电机组的主控系统停止工作或是错误工作而不能急停顺桨Nordex、Vestas和其他世界知名制造商都有可变间距的风力涡轮机。目前，可变螺距机制采用可变螺距风扇市场主要包括液压可变螺距机制和电动可变螺距机制，其中电动可变螺距机制分为直流电动可变螺距机制和交流电动可变螺距机制根据电动机电源的形式。

3、定桨距和变桨距风力发电机组

目前，风力发电机组的控制主要以调速为主。在功率调节，风力涡轮机可以分为固定螺距风力涡轮机和变距风力涡轮机。具有固定间距的风轮机的特点是叶片和轮套之间的连接是固定的。当风速发生变化时，叶片的迎风角不会改变，即叶片的俯仰角度无法调整。因此，定螺距风力机通常被称为失速型风力机。这种方法限制了输入功率叫做失速控制。这种情况下的失速调整基本上是相同的速度，但承受的载荷大，场出现功率与风速不匹配的情况。早期的小机组多为此结构，国内的以金风750机组占主导地位。

现在的机组都为变螺距结构，其特点为：变桨系统接收风力发电机组主控系统的指令，调节、转动风机的叶片到指定角度来实现：额定风速以下，桨叶位置保持在0度附近，最大限度捕获风能，保证空气动力效率；达到及超过额定风速时，根据主控系统的指令调节叶片角度，保证机组的输出功率。变螺距的结构输出功率稳定，可调节性能强，便于起动，机械结构受力小以及易控制变桨等安全等优点；但控制结构较复杂，容易发生变桨及其附属故障，维修工作量大。

显然，变螺距风力机具有更大的发展优势，因此，可变间距调节已成为大型风力涡轮机的最佳选择。由于变螺距控制提供了更好的输出电能质量，每个叶片调节器的独立刀片控制技术可以被视为独立的刹车系统，可以独立调整。经过调节发电机的转速，风力涡轮机的叶尖速度比可以接近最优值，为了最大程度地利用风能，提高发电机的运行效率，和操作在不同的风，风向和风速，从而增加了“网间友善”。

4、电变桨距机构

电动变螺距机构分为直流变螺距机构和交流变螺距机构。直流电机驱动装置的命名是在改变转子的时候马达驱动的动力供应模式。同样，驱动叶片旋转的电机也是由交流驱动的。Desire和SSB目前在直流电源转换机制市场上占有很大的份额。直流电动变叶轮最大的优势是在紧急情况下，电池不需要马达的伺服驱动系统直接驱动发动机，把叶片旋转至安全的地方。交流转子为电机的伺服驱动系统提供动力，伺服驱动系统控制叶片旋转至一个安全的地方。

电动变量螺旋桨系统的硬件结构如图2所示：换螺旋桨系统主要由7个机柜组成3个轴机柜，对应于换螺旋桨主机柜的3个叶片。

变桨系统由三个变桨控制柜组成，每一个变桨控制柜控制一台变桨电机来控制一个桨叶的角度。变桨系统的拓扑结构如下图