独立型风力发电系统的变桨距控制研究

卢善云

五凌电力有限公司 湖南长沙 410000

随着环境问题的日益严重化，人们逐渐认识到自然环境对人类生产生活的影响，节能减排、保护环境的呼声越来越高，更多的清洁能源被开发利用，其中风力发电就占据着一定的地位。与光伏发电相比，风力发电具有独有的经济优势，按单位输出功率测算，其风机的价格只有太阳能电池的1/4～1/5，但由于其可靠性太差，现在国家实施“送电到乡”工程，大量采用的是光伏电站，而不是风力发电机。

1 变桨距控制系统方案

1.1 变桨距系统可行性分析

风力机是复杂的空气动力学系统，作为风力机工作介质的风，是既有大小、又有方向的矢量，而且风速和风向这两个特征参数，均随季节、时间而变化，具有瞬间就可能发生爆发性变化的特点。目前小型风力发电主要有风光互补独立发电系统和风力并网发电系统，改变原有的小型风机的控制方式，采用大型风电机组普遍应用的变桨技术，提高风机的可靠性，发挥其经济适用的特点。同时采用灵活多变的应用方式，如孤岛发电、智能微型发电网技术等，使得小型风机重新显现身手。为使小型风机重新找回自己在绿色能源中的位置，需改变其控制结构，增加智慧变桨系统，提高其可靠性。风力发电机组的整体系统如图1所示。

图1 风力发电机组的整体系统

1.2 变桨距系统机械结构

叶片的变桨机械结构为：电机带动丝杠水平移动，拉动轮彀内的导向机构，带动叶片转动，完成改变桨叶受风角度，实现风机调速的目的。叶片的变桨距依赖变距驱动系统，其变距方式为全翼展同步电动变距，由主控系统统一实现控制，完成电动变桨。叶片变距最大速率为6°/s、变距角度为0°～90°。在正常情况下，变距系统自动完成叶片的变距，叶片的变距也可以由人工手动操作。变距系统包括叶片轴承、变距减速机和变距驱动电机等。变距减速机型式为涡轮涡杆减速机，传动比为1∶8。变距减速机可以提供足够的扭矩，克服叶片变桨阻力矩。驱动电机额定功率1.5kW，额定电压400V，频率50Hz，额定转速1425r/min。另外系统还配置0°、90°、95°位置开关，配置角度和速度编码器，用于角度计算与监测[1]。

2 变桨距控制系统实现

2.1 变桨距控制系统硬件组成

控制系统选择西门子ET200SP远程站，采集机舱所有数据，执行主控系统远程控制指令。变桨控制系统包含除主控制器外的重要部件，包含变桨驱动器和安全链。选用西门子MM440系列，220V变频器作为变桨驱动器，并为该驱动器配置专用后备电源，确保变桨距系统的安全可靠。安全链控制器选择Pilz安全继电器作为主要检测与控制部件，完成危机自动硬件连锁收桨。

2.2 全风速变速变桨距风力机控制策略

随着桨叶、发电机及电力电子器件等设备制造技术的进步，现代风力发电系统对控制系统提出了更高的要求。变速变桨距运行方式的特点是调速范围大，风速变化时减小引起的输出功率振荡和波动，且能快速实现最大风能捕获的目标。因此，具备变速变桨技术的主流双馈感应风力发电系统其市场占有量最高，相关控制问题也更值得深入研究。风电控制系统中两项关键的控制技术为：最大风能捕获及恒功率控制技术。最大风能捕获是在风速低于额定风速时对风力发电机组进行控制，保证机组最大限度地捕获风能；恒功率控制是风速高于额定风速时，由于风电自身机械电气强度的限制及电网对供电品质的要求，需控制发电机输出功率稳定在额定功率。

2.3 变桨距控制系统软件实现

每种叶片出厂都会对应其固有的风能利用系数，因此对应每种叶片的风机其风能利用系数与叶尖速比的曲线都是风机控制的重要依据。风能利用系数=转矩系数×叶尖速比，Cp=Ct×λ。转矩系数是叶尖速比的多项式函数，根据风能利用系数与叶尖速比的曲线，得出转矩系数，结合发电机功率曲线，进而得出风力发电机的功率曲线，即风电机组净电功率输出与风速的函数关系，如图2所示。

图2

当风速达到切入风速2.5m/s时，变桨距系统控制叶片转到一定角度，使得风力以一定的角度切入，推动叶片转动；随后待风速达到启动风速时，逐渐将叶片打开到启动角度，使主轴升速，以达到并网转速；当风速在额定风速以下时，全部打开叶片以尽可能的吸收风能；当风速达到额定风速以上时，变桨距系统就需要根据实时风速，与风力机组的功率曲线，运用智慧神经网络算法，并结合发电功率、主轴转速、风速变化率及叶片开度的反馈数据，预测出叶片的实时受风角度与执行运转角速度，实时调节叶片开度；当风速接近或根据风速趋势预计风速达到25m/s时，快速执行收桨停机。

3 结语

与常规的控制技术和模糊控制技术相比，显著地改善了系统的各方面性能，具有良好的快速性、稳态精度和抗干扰能力，控制输出的桨距角精度更高，响应速度更快，功率更加靠近发电机额定功率。