獨立型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變槳距控制研究

盧善云

五凌電力有限公司 湖南長沙 410000

隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)重化，人們逐漸認(rèn)識到自然環(huán)境對人類生產(chǎn)生活的影響，節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的呼聲越來越高，更多的清潔能源被開發(fā)利用，其中風(fēng)力發(fā)電就占據(jù)著一定的地位。與光伏發(fā)電相比，風(fēng)力發(fā)電具有獨有的經(jīng)濟優(yōu)勢，按單位輸出功率測算，其風(fēng)機的價格只有太陽能電池的1/4～1/5，但由于其可靠性太差，現(xiàn)在國家實施“送電到鄉(xiāng)”工程，大量采用的是光伏電站，而不是風(fēng)力發(fā)電機。

1 變槳距控制系統(tǒng)方案

1.1 變槳距系統(tǒng)可行性分析

風(fēng)力機是復(fù)雜的空氣動力學(xué)系統(tǒng)，作為風(fēng)力機工作介質(zhì)的風(fēng)，是既有大小、又有方向的矢量，而且風(fēng)速和風(fēng)向這兩個特征參數(shù)，均隨季節(jié)、時間而變化，具有瞬間就可能發(fā)生爆發(fā)性變化的特點。目前小型風(fēng)力發(fā)電主要有風(fēng)光互補獨立發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，改變原有的小型風(fēng)機的控制方式，采用大型風(fēng)電機組普遍應(yīng)用的變槳技術(shù)，提高風(fēng)機的可靠性，發(fā)揮其經(jīng)濟適用的特點。同時采用靈活多變的應(yīng)用方式，如孤島發(fā)電、智能微型發(fā)電網(wǎng)技術(shù)等，使得小型風(fēng)機重新顯現(xiàn)身手。為使小型風(fēng)機重新找回自己在綠色能源中的位置，需改變其控制結(jié)構(gòu)，增加智慧變槳系統(tǒng)，提高其可靠性。風(fēng)力發(fā)電機組的整體系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機組的整體系統(tǒng)

1.2 變槳距系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

葉片的變槳機械結(jié)構(gòu)為：電機帶動絲杠水平移動，拉動輪彀內(nèi)的導(dǎo)向機構(gòu)，帶動葉片轉(zhuǎn)動，完成改變槳葉受風(fēng)角度，實現(xiàn)風(fēng)機調(diào)速的目的。葉片的變槳距依賴變距驅(qū)動系統(tǒng)，其變距方式為全翼展同步電動變距，由主控系統(tǒng)統(tǒng)一實現(xiàn)控制，完成電動變槳。葉片變距最大速率為6°/s、變距角度為0°～90°。在正常情況下，變距系統(tǒng)自動完成葉片的變距，葉片的變距也可以由人工手動操作。變距系統(tǒng)包括葉片軸承、變距減速機和變距驅(qū)動電機等。變距減速機型式為渦輪渦桿減速機，傳動比為1∶8。變距減速機可以提供足夠的扭矩，克服葉片變槳阻力矩。驅(qū)動電機額定功率1.5kW，額定電壓400V，頻率50Hz，額定轉(zhuǎn)速1425r/min。另外系統(tǒng)還配置0°、90°、95°位置開關(guān)，配置角度和速度編碼器，用于角度計算與監(jiān)測[1]。

2 變槳距控制系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 變槳距控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)選擇西門子ET200SP遠(yuǎn)程站，采集機艙所有數(shù)據(jù)，執(zhí)行主控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制指令。變槳控制系統(tǒng)包含除主控制器外的重要部件，包含變槳驅(qū)動器和安全鏈。選用西門子MM440系列，220V變頻器作為變槳驅(qū)動器，并為該驅(qū)動器配置專用后備電源，確保變槳距系統(tǒng)的安全可靠。安全鏈控制器選擇Pilz安全繼電器作為主要檢測與控制部件，完成危機自動硬件連鎖收槳。

2.2 全風(fēng)速變速變槳距風(fēng)力機控制策略

隨著槳葉、發(fā)電機及電力電子器件等設(shè)備制造技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。變速變槳距運行方式的特點是調(diào)速范圍大，風(fēng)速變化時減小引起的輸出功率振蕩和波動，且能快速實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的目標(biāo)。因此，具備變速變槳技術(shù)的主流雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)其市場占有量最高，相關(guān)控制問題也更值得深入研究。風(fēng)電控制系統(tǒng)中兩項關(guān)鍵的控制技術(shù)為：最大風(fēng)能捕獲及恒功率控制技術(shù)。最大風(fēng)能捕獲是在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時對風(fēng)力發(fā)電機組進(jìn)行控制，保證機組最大限度地捕獲風(fēng)能；恒功率控制是風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，由于風(fēng)電自身機械電氣強度的限制及電網(wǎng)對供電品質(zhì)的要求，需控制發(fā)電機輸出功率穩(wěn)定在額定功率。

2.3 變槳距控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

每種葉片出廠都會對應(yīng)其固有的風(fēng)能利用系數(shù)，因此對應(yīng)每種葉片的風(fēng)機其風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的曲線都是風(fēng)機控制的重要依據(jù)。風(fēng)能利用系數(shù)=轉(zhuǎn)矩系數(shù)×葉尖速比，Cp=Ct×λ。轉(zhuǎn)矩系數(shù)是葉尖速比的多項式函數(shù)，根據(jù)風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的曲線，得出轉(zhuǎn)矩系數(shù)，結(jié)合發(fā)電機功率曲線，進(jìn)而得出風(fēng)力發(fā)電機的功率曲線，即風(fēng)電機組凈電功率輸出與風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系，如圖2所示。

圖2

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速2.5m/s時，變槳距系統(tǒng)控制葉片轉(zhuǎn)到一定角度，使得風(fēng)力以一定的角度切入，推動葉片轉(zhuǎn)動；隨后待風(fēng)速達(dá)到啟動風(fēng)速時，逐漸將葉片打開到啟動角度，使主軸升速，以達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速；當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時，全部打開葉片以盡可能的吸收風(fēng)能；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速以上時，變槳距系統(tǒng)就需要根據(jù)實時風(fēng)速，與風(fēng)力機組的功率曲線，運用智慧神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，并結(jié)合發(fā)電功率、主軸轉(zhuǎn)速、風(fēng)速變化率及葉片開度的反饋數(shù)據(jù)，預(yù)測出葉片的實時受風(fēng)角度與執(zhí)行運轉(zhuǎn)角速度，實時調(diào)節(jié)葉片開度；當(dāng)風(fēng)速接近或根據(jù)風(fēng)速趨勢預(yù)計風(fēng)速達(dá)到25m/s時，快速執(zhí)行收槳停機。

3 結(jié)語

與常規(guī)的控制技術(shù)和模糊控制技術(shù)相比，顯著地改善了系統(tǒng)的各方面性能，具有良好的快速性、穩(wěn)態(tài)精度和抗干擾能力，控制輸出的槳距角精度更高，響應(yīng)速度更快，功率更加靠近發(fā)電機額定功率。