变速恒频风力机组变桨距控制系统

变速恒频 风力 变桨距

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2 4月 0年7 0

农业机械学报

第3卷第4 5期

变速恒频风力机组变桨距控制系统 *林勇刚李伟叶杭冶邱敏秀金波刘湘琪 【要】在风力机空气动力学特性分析的基础上，摘讨论了变速恒频风力机组变桨距机构在低于额定风速阶段和高于额定风速阶段的不同控制策略。将模型与控制方法相结合的数字仿真表明，制曲线与预期要求一致。体控具设计了变桨距机构液压控制方案和电机控制方案，提出了高油压冗余式电液比例变桨距机构的设计思路。并关键词：速恒频变风力机组变桨距控制系统仿真’

中图分类号： TK8 3

文献标识码： A

Pi c c nt ole ys e f a Var a e s e nd Co t nt f e t h- o r l d S t m o i bl— pe d a ns a— r que c n yW i nd Tur ne bi

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Ba e n r s a c f wi d t r i e a r d n m i c a a t rs is hs p p ra ay e a iu s d o e e r h o n u b n e o y a c h r c e itc。t i a e n l z d v ro s c n r l e h d f r p t h—o r l d s s e o v ra l— p e a d c n t n—r q e c wi d o to m t o s o a ic— nto l y t m f a ib e— e d n o sa tfe u n y c e s— n t r i e a id v l ct a g i h r o o r is s e d r tn e p ci ey Th i u a i n u b n t a w n eo iy r n e h g e r l we t p e a i g r s e tv l . e sm lto r s ls a e ie tc lwih wh te p c e e u t r d n ia t

a x e t d.Th wo s h me h s r h y r u i o to n h et c e s t o ea e t eh d a l c n r l d t e c a ee to o o c n r l o t e p t h c n r le s se lc r m t r o to f h ic— o t old y t m we e d v lp d a d a h g p e s r r e e o e n i h rs u e r d n a c lc r— y r u i r p r in lp t h c n r l d d sg a u o wa d e u d n y ee t o h d a l p o o to a ic— o t o l e i n w sp tf r r . c e K e r s Va ib e s e d a d c n t n—r q e c y wo d ra l— p e n o s a tfe u n y,W id t r i e,Pic— o to l ds s e, n u bn th c n r l y t m e Smuain i lto

引言变速恒频技术于 2 O世纪 9 O年代开始兴起。变速恒频风力发电机组风轮转速随着风速的变化而变化，以更有效地利用风能，且通过变速恒频技术可并

已得到风力机生产厂和研究机构的普遍承认，成将为未来的主流机型。但变速恒频风力机组仅通过电

机自身调节要达到减小风速波动冲击的目的是很困难的，因为自然界中风速瞬息万变，特别是在额定风速以上工况，力机有可能受到很大的静态或动态风冲击。桨距机构的主要功能之一，是在额定风速 变就

可得到恒定频率的电能。风轮转速能在一定范围内 变化，可减少风力波动对机组的冲击，有利于风力机的整机设计和安全运行。变速恒频机组的显著优点收稿日期：2 0 0 2—1 2—1 0

附近 (以上 )依据风速的变化随时调节桨叶的节距，角，制吸收的机械能，方面保证获取最大的能量控一

*国家“ 6” 8 3计划项目(目编号： 0 1 A5 2 2 )项 2 0 A 1 0 0 10 7林勇刚浙江大学流体传动及控制国家重点实验室博士生，3 0 2杭州市李伟浙江大学流体传动及控制国家重点实验室教授博士生导师叶杭冶浙江机电设计院风电研究所所长邱敏秀金波刘湘琪研究员， 1 0 2杭州市

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浙江大学流体传动及控制国家重点实验室研究员浙江大学流体传动及控制国家重点实验室副教授浙江大学流体传动及控制国家重点实验室硕士生

变速恒频 风力 变桨距

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第 4期

林勇刚等：变速恒频风力机组变桨距控制系统

(额定功率对应 )同时减少风力对风力机的冲击。与，

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() 1

在并网过程中，桨距控制还可实现快速无冲击并变网。桨距控制系统与变速恒频技术相配合，终提变最高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。国外大型尤其是兆瓦级以上的变速恒频风力机组也都毫无例外地采用了变桨距控制技术 _。 1]其实在风力机研制的初期，计人员就已经考设虑到控制桨叶节距角，由于一开始设计对风力机但组的空气动力学特性和运行的工况认识不足，以所设计的变距机构可靠性远不能满足风力机组正常工作的要求，难性的飞车事故不断发生。经过了 1灾 O

式中 P——风轮扫及面内的全部风能 P。——风轮吸收的机械能 J D——空气密度——

——风轮扫及面积

风轮上游风速

变桨距风力机的风能利用系数 c与尖速比和桨叶的节距角成非线性关系。尖速比即为桨叶尖部的线速度与风速之比A _、 _一 _——一 L) ( Z 2 J

多年的研究实践，计人员对风力机组的空气动力设学特性和各种运行工况已有深刻了解。在 2 O世纪

式中——风轮的转速

c c,风轮转动角速度——可近似表示为

尺——风轮半径

9年代以后，桨距机构重新受到了设计人员的重 O变视并得到广泛应用。

据有关资料的记载和研究，能利用系数 c风

1风力机空气动力学特性分析在外界风力的作用下，轮旋转产生机械能，风带动发电机输出电能。但实际上风轮不可能捕获通过风轮扫及面积内的全部风能，在风能利用系数存C。

C (4 0l fi p 04 .6 )[ _ ._ o 7s n 10 0 18 (一 3 f . 0 4 ) l

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) 3

由式 ( )变桨距风力机特性曲线 (一TS 3得 c R)如图 1所示， l图 a由 P ROP C编码产生三维立体 P图『, 1 3图 b为平面图。由图中可见：]

图 1变桨距风力机特性曲线( T R c一 S )Fi . Ch r c e i t u v f a p t h— o t o ld wi d t r i e g 1 a a t r s i c r e o ic c n r l n u b n c e

( )对于某一固定桨距角，在唯一的风能 1存利用系数最大值 c。 ( )对于任意的尖速比，叶节距角一O时 2桨。的风能利用系数 c相对最大。桨叶节距角增大，风能利用系数 C明显减小。

此值，整节距角，行所谓的速度控制。调进 风力机并网后，机组运行分两个工况：风速低①于额定风速。②风速高于额定风速。 2 1风速低于额定风速工况 .在风速较低，电机输出功率未达到额定功率发时，尽可能将风能转化为输出的电能。从图 1上应看，桨叶节距角 f。,相对最大。由于桨叶在 l=O时 c (形状设计，般节距角 f= 3时，最大。当尖速比一 l。 c ) TS为 R时，能利用率 cp为最大 c。由风/ D、3

2变桨距机构控制过程风力机在起动前，叶的节距角约为 9。此时桨 O,气流对桨叶不产生力矩。风速达到切入风速时，当控制桨叶向 O方向转动，到气流对桨叶产生一定的。直攻角，叶轮开始起动。在电机并网以前，距系统的变节距给定值由电机转速信号控制。转速控制器按一定的速度上升斜率给出速度参考值，距系统根据变

式 ( ) ( )得 1、2可

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