對(duì)MW級(jí)風(fēng)機(jī)液壓變槳距控制技術(shù)的研究

【摘要】對(duì)MW級(jí)風(fēng)機(jī)液壓變槳距控制主要是為了降低由于風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)、湍流等引起的MW級(jí)風(fēng)機(jī)的不平衡受力荷載。本文介紹了MW級(jí)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性和各種控制方式，分析了風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)特性，闡述了液壓變槳距系統(tǒng)的組成和工作過(guò)程，就液壓變槳距控制技術(shù)展開(kāi)深入研究。

【關(guān)鍵詞】MW級(jí)風(fēng)機(jī)；液壓變槳距；控制

引言

2009年，我國(guó)提出建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略規(guī)劃，在建設(shè)智能電網(wǎng)的背景下，風(fēng)力發(fā)電作為優(yōu)質(zhì)新能源得到了迅猛的發(fā)展，MW級(jí)風(fēng)機(jī)是目前陸地風(fēng)電場(chǎng)的主流機(jī)型，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組也向著大型化和規(guī)模化發(fā)展，對(duì)MW級(jí)風(fēng)機(jī)液壓變槳距控制技術(shù)的研究成為熱點(diǎn)。

一、MW級(jí)風(fēng)機(jī)的變槳距技術(shù)分析

1.1MW級(jí)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，也是目前最有發(fā)展前景的新能源。伴隨世界能源需求持續(xù)增長(zhǎng)，大量的陸地和海上風(fēng)電場(chǎng)投入使用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪直徑不斷增大，受到風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)、湍流等因素的影響也不斷增大，運(yùn)行時(shí)的不平衡受力荷載也隨之增加，同時(shí)，機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，如果進(jìn)行改變槳距、風(fēng)機(jī)剎車(chē)、偏航、脫網(wǎng)等控制時(shí)，也會(huì)引起相應(yīng)位置的負(fù)載變化，從而帶來(lái)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的受力變化。

基于此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)也不斷革新，從傳統(tǒng)的定槳距控制發(fā)展到變槳距控制，以更好的降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的不平衡受力載荷，提升對(duì)風(fēng)能量的利用率，以適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展的需求。

1.2MW級(jí)風(fēng)機(jī)的控制方式

變槳距控制和定槳距控制是風(fēng)力機(jī)功率的兩種主要控制方式，變槳距控制是指風(fēng)機(jī)的葉片繞著安裝軸旋轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)的槳距角不斷變化來(lái)獲得最佳的氣動(dòng)特性，從而改善漿葉和風(fēng)機(jī)的受力狀況。由于變槳距控制具有良好的起動(dòng)和制動(dòng)性能，因此對(duì)風(fēng)能的利用系統(tǒng)較高，當(dāng)功率達(dá)到額定功率點(diǎn)以上時(shí)，風(fēng)機(jī)具有平穩(wěn)的輸出功率。基于此，目前大型的MW級(jí)風(fēng)機(jī)多采用變槳距控制方式。

根據(jù)風(fēng)機(jī)變槳距原理不同，又可以將風(fēng)電機(jī)組變槳方式分為液壓變槳（如丹麥的VESTAS）和電動(dòng)變槳（如美國(guó)GE）兩種。其中，液壓變槳是通過(guò)液體壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行變槳控制，電動(dòng)變槳是通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪來(lái)進(jìn)行變槳控制。對(duì)于MW級(jí)風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，由于其葉片的長(zhǎng)度、質(zhì)量、體積都相對(duì)較大，因此變槳時(shí)所需要的力矩也隨之變大，與電動(dòng)變槳相比，液壓系統(tǒng)能夠提供較大力矩，因此，目前大型的MW級(jí)風(fēng)機(jī)的同步變槳距伺服系統(tǒng)中，較多的采用了液壓變槳方式。

液壓變槳距根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式的差異，又可以分為葉片單獨(dú)變槳距和統(tǒng)一變槳距兩種方式，在大型的MW級(jí)別風(fēng)機(jī)中，獨(dú)立變槳距使用較多，風(fēng)機(jī)的每個(gè)葉片根據(jù)自己的控制策略來(lái)獨(dú)立的變化槳距角β，目前常用的是槳葉加速度信號(hào)或槳葉方位角信號(hào)兩種控制策略，以電液變槳距為例，主控制器和輪轂內(nèi)的液壓系統(tǒng)控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接，輔以傳感器，來(lái)實(shí)現(xiàn)槳葉的精確變槳的目的。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合性的復(fù)雜系統(tǒng)，隨著以模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)為代表的智能控制技術(shù)發(fā)展，對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立變槳距的智能控制逐步應(yīng)用，能夠在人工不干預(yù)條件下，自動(dòng)控制智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)變槳控制策略。

二、風(fēng)機(jī)液壓變槳距技術(shù)的氣動(dòng)特性和控制原理

2.1貝葉斯（Betz）理論

風(fēng)輪是MW級(jí)風(fēng)機(jī)的能量捕獲部件，根據(jù)貝葉斯（Betz）理論，假設(shè)風(fēng)輪為一個(gè)平面的漿盤(pán)，即：風(fēng)機(jī)為輪轂，且葉片無(wú)窮多，氣流流經(jīng)風(fēng)輪時(shí)沒(méi)有阻力，且氣流均勻。由于流經(jīng)風(fēng)輪后的風(fēng)速不會(huì)為零，因此，風(fēng)能的能量不能夠被風(fēng)機(jī)完全利用，僅有一部分能夠轉(zhuǎn)化為葉片的機(jī)械能。在單位時(shí)間內(nèi)，風(fēng)輪所吸收且能夠使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的風(fēng)能為：

其中，V1為通過(guò)風(fēng)輪截面A的速度，V2為風(fēng)輪后方的風(fēng)速。則E可以認(rèn)為是V2的函數(shù)，對(duì)dE/dv2求導(dǎo)，可以得到風(fēng)輪能夠吸收的最大風(fēng)能為：

取風(fēng)能利用系數(shù)，其中，E為單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪吸收的風(fēng)能， Ein為通過(guò)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的全部風(fēng)能。根據(jù)貝葉斯理論可得理想風(fēng)輪的最大理論效率為：，也即：即使能夠無(wú)損的吸收全部風(fēng)能，也僅有約59.3%的能量被風(fēng)機(jī)利用。

2.2最大風(fēng)能的捕獲

風(fēng)能的利用系數(shù)可以為風(fēng)電機(jī)組葉尖速比和漿距角的函數(shù)，可以近似表示為：

可見(jiàn)：槳距角固定時(shí)，存在一個(gè)最優(yōu)的葉尖速比，使得風(fēng)能的利用系數(shù)Cp取得最大值；當(dāng)葉尖速比固定時(shí)，槳距角時(shí)，風(fēng)能的利用系數(shù)Cp較大，隨著的逐漸增大，Cp將不斷下降。

據(jù)此，得出MW級(jí)風(fēng)機(jī)的液壓變槳距控制原理：通過(guò)改變槳距角 來(lái)改變風(fēng)機(jī)槳距，進(jìn)而改變風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行變槳控制，當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時(shí)，保持槳距角，使得風(fēng)能的利用系數(shù)Cp達(dá)到最大值，獲得最大風(fēng)速；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，進(jìn)行變槳控制不斷調(diào)節(jié)槳距角，捕獲最大風(fēng)功率，使風(fēng)機(jī)的輸出功率穩(wěn)定在額定功率。

三、對(duì)MW級(jí)液壓變槳距控制技術(shù)的研究

3.1液壓變槳距系統(tǒng)的組成

如下圖1所示為風(fēng)機(jī)液壓變槳距系統(tǒng)的組成：

風(fēng)機(jī)液壓變槳距是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括變槳控制器、D/A轉(zhuǎn)換器、液壓控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、位移傳感器等。其中，變槳控制器接受變槳指令并控制伺服閥和比例閥，并對(duì)槳距信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控。伺服閥、比例閥、液壓缸是變槳控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來(lái)快速執(zhí)行變槳控制指令，要求具有良好的跟隨性，位移傳感器用來(lái)檢測(cè)槳距角的變化量。變槳距控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)位置伺服系統(tǒng)，通過(guò)控制器向每個(gè)漿葉發(fā)送變槳指令，并進(jìn)行信號(hào)指令的傳送和工作狀態(tài)的通訊。

3.2液壓變槳距系統(tǒng)的工作過(guò)程

設(shè)風(fēng)電場(chǎng)所在地風(fēng)速為V，風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)速為VN，風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速為Vci，風(fēng)機(jī)的切出風(fēng)速為Vc0，根據(jù)的V大小，可以將MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在變槳距控制下的工作過(guò)程分為三個(gè)階段：

當(dāng)時(shí)，為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的損耗降到最低，機(jī)組槳距角控制在90°，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于制動(dòng)狀態(tài)，也即剎車(chē)狀態(tài)；當(dāng)時(shí)，機(jī)組槳距角轉(zhuǎn)到0°，機(jī)組開(kāi)始并網(wǎng)發(fā)電，并通過(guò)變槳距控制跟蹤風(fēng)速變化，取得最優(yōu)風(fēng)能利用系數(shù)，進(jìn)行最大風(fēng)能捕獲；當(dāng)時(shí)，便將控制增大槳距角以降低風(fēng)能利用系數(shù)，將發(fā)電機(jī)的輸出功率控制在額定值；當(dāng)時(shí)，為確保風(fēng)機(jī)安全，控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令，槳距角重新轉(zhuǎn)到90°，風(fēng)電機(jī)組抱閘停機(jī)，以免被大風(fēng)吹壞。

液壓變槳距系統(tǒng)具體工作過(guò)程如下：動(dòng)態(tài)追蹤風(fēng)速變化，控制系統(tǒng)根據(jù)給定算法給出最佳槳距角，輸出相應(yīng)的槳距角調(diào)節(jié)信號(hào)，并以電信號(hào)的方式輸入槳距控制器，槳距控制器接收到控制指令后，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器控制伺服閥和液壓缸運(yùn)行到指定的位置，液壓缸帶動(dòng)推動(dòng)桿、同步盤(pán)同步變化，同步盤(pán)再通過(guò)短傳軸、連桿、長(zhǎng)轉(zhuǎn)軸等部件，推動(dòng)偏心盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終帶動(dòng)MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片變化達(dá)到變槳角。液壓變槳距系統(tǒng)還具有位移傳感器，能夠?qū)⒁簤焊椎奈灰平?jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為漿距信號(hào)反饋給便將控制系統(tǒng)。

結(jié)語(yǔ)

目前，液壓變槳距在我國(guó)風(fēng)機(jī)控制中得到了普及和應(yīng)用，隨著我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，相應(yīng)的控制策略也在不斷的創(chuàng)新與完善中，MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性和對(duì)風(fēng)能的利用效率也相應(yīng)提升，隨著B(niǎo)P神經(jīng)技術(shù)、模糊控制、人工智能等先進(jìn)控制思想在風(fēng)機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，風(fēng)機(jī)液壓變槳距的控制技術(shù)將獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。

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