載荷優(yōu)化的風(fēng)電機(jī)組變槳控制技術(shù)研究

毛江，雷肖，楊張斌，蔡國洋，劉劍

（1.中國長江三峽集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061）

隨著世界能源資源的不斷消耗，很多國家都開始對綠色清潔能源進(jìn)行了相應(yīng)的探索。其中風(fēng)能就是主要探索的綠色清潔能源之一，風(fēng)能已經(jīng)成為我國主要發(fā)展的方向，而且在我們的很大一部分區(qū)域內(nèi)，都有著豐富的風(fēng)能資源，主要的利用形式就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能再提供給我們利用。我國在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)上越來越先進(jìn)，并且如果能夠?qū)⒆儤嗫刂萍夹g(shù)利用在大型風(fēng)電機(jī)組中，就能將風(fēng)電機(jī)組的性能提升到一個(gè)新的高度。也正因?yàn)檫@樣，變槳距控制技術(shù)成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要配備的一個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)。

采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的協(xié)同變槳控制技術(shù)，可以讓風(fēng)電機(jī)組的三片槳葉宛如一體，它們將能接收到來自變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出的統(tǒng)一控制指令信號，讓三片槳葉在工作的過程中保持高度的統(tǒng)一性，而且保證了三葉片的節(jié)距角變化程度是相同的。而我國對獨(dú)立變槳技術(shù)的研究還處于初步的發(fā)展階段，所以我國的大型發(fā)電機(jī)組一般采用的獨(dú)立變槳控制技術(shù)均是由國外引進(jìn)，所以我們現(xiàn)在應(yīng)該針對獨(dú)立變槳控制技術(shù)進(jìn)行開發(fā)與研究，促進(jìn)我國在風(fēng)能發(fā)電上的技術(shù)水平。本文就在理論的方面上研究了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獨(dú)立變槳控制技術(shù)，著重強(qiáng)調(diào)了協(xié)同變槳控制過程和偏差變槳控制過程。值得一提的是，偏差變槳控制系統(tǒng)是更加復(fù)雜的系統(tǒng)，所以我們在進(jìn)行操控偏差變槳控制系統(tǒng)的時(shí)候會(huì)顯得更加困難，在控制算法以及系統(tǒng)操作上仍然處于不了解的初期。但是，如果能夠掌控偏差變槳控制技術(shù)，那么一定能夠加大我國在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組方面的研究。

1 獨(dú)立變槳控制理論分析

1.1 協(xié)同變槳控制理論分析

在進(jìn)行獨(dú)立變槳控制理論分析的過程中，實(shí)現(xiàn)最大化風(fēng)能利用率以及降低風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部的載荷情況是我們所需要攻克的兩大難題。通過我們的調(diào)查研究數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，協(xié)同變槳控制技術(shù)在風(fēng)能捕獲的功率上與空氣密度，風(fēng)輪面積，風(fēng)速，節(jié)距角和尖速比等多個(gè)因素有關(guān)。而且在進(jìn)行理論公式計(jì)算的過程中，風(fēng)能利用系數(shù)也發(fā)揮著一定的決定性作用。而且風(fēng)能利用系數(shù)與節(jié)距角，尖速比呈非線性關(guān)系，要想完全掌控風(fēng)能利用系數(shù)對于我國當(dāng)前的技術(shù)來說仍然是有著較大的挑戰(zhàn)性的。雖然想完全掌控風(fēng)能利用系數(shù)有著較高的難度性，但是可以通過改變尖速比，保持節(jié)距角度不變，通過多次實(shí)驗(yàn)就可以尋找出一個(gè)風(fēng)能利用系數(shù)最大的情況，從而尋找出一個(gè)最佳的尖速比數(shù)據(jù)。最后，可以總結(jié)經(jīng)驗(yàn)得出，如果通過協(xié)同變槳控制技術(shù)控制風(fēng)電機(jī)組的各葉片節(jié)距角度始終處于0度，并且確保風(fēng)電機(jī)組始終能夠運(yùn)行在最佳尖速比附近，就能夠?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲程度。

1.2 偏差變槳控制理論分析

在實(shí)際風(fēng)能捕獲得過程中，實(shí)際的情況并不會(huì)像理論技術(shù)那樣那么符合理想標(biāo)準(zhǔn)，可能會(huì)出現(xiàn)風(fēng)剪切等因素的影響，從而導(dǎo)致了實(shí)際過程中的應(yīng)用會(huì)與理論設(shè)計(jì)方面上的結(jié)果可能會(huì)有所不同。偏差變槳控制技術(shù)就是由于風(fēng)輪掃風(fēng)面內(nèi)的實(shí)際風(fēng)速分布是不均勻的而研發(fā)出來的技術(shù)，也是傳統(tǒng)技術(shù)運(yùn)用在實(shí)際過程中的改良與提升。在風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，槳葉會(huì)受到各個(gè)不同方位上吹來的風(fēng)所影響自身的旋轉(zhuǎn)速度，同時(shí)也會(huì)造成槳葉根部載荷變化波動(dòng)較大，這也是造成風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部位出現(xiàn)載荷現(xiàn)象的主要原因之一。由于風(fēng)輪掃風(fēng)面內(nèi)的實(shí)際風(fēng)速分布不均勻，所以三個(gè)槳葉上的風(fēng)速也會(huì)不同，甚至可能會(huì)出現(xiàn)風(fēng)速差距較大的情況，這會(huì)給葉輪造成較大的不平衡載荷。這時(shí)候就需要對各槳葉的節(jié)距角分別進(jìn)行一些調(diào)整，通過截距角的調(diào)整，可以將各槳葉之間的載荷波動(dòng)降低在一定范圍內(nèi)，防止出現(xiàn)較大差距的不平衡載荷。

2 獨(dú)立變槳系統(tǒng)設(shè)計(jì)

獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)主要由葉片根部得荷載傳感器、主控制器等多個(gè)系統(tǒng)組成。對于我國目前大部分的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，載荷傳感器是目前最核心的設(shè)計(jì)之一。獨(dú)立變槳系統(tǒng)中的每個(gè)槳葉都采用直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行單獨(dú)的調(diào)節(jié)，這樣才可以保證系統(tǒng)中的每個(gè)槳葉在面對不同風(fēng)速的過程中可以調(diào)整自身的節(jié)距角，形成一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在獨(dú)立變槳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)該設(shè)置一個(gè)減速箱，通過這個(gè)減速箱可以讓槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)速度減速下來，然后并通過主動(dòng)齒輪與槳葉內(nèi)齒輪齒圈相互咬合，由主動(dòng)齒輪來帶動(dòng)槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過這樣的方法也可以達(dá)到調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角的目的。在進(jìn)行獨(dú)立變槳系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，還能夠利用傳感器的特性達(dá)到非接觸式調(diào)節(jié)節(jié)距角的目的，位移傳感器在采集節(jié)距角的變化信號，然后再將這些采集的信號傳輸?shù)街骺刂破髦校屩骺刂破飨逻_(dá)指令調(diào)整獨(dú)立變槳系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在獨(dú)立變槳系統(tǒng)中還有一個(gè)重要的部位就是電氣板，整個(gè)系統(tǒng)的控制電路以及蓄電池都會(huì)安裝在電氣板上。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組能夠正常運(yùn)行時(shí)，獨(dú)立變槳系統(tǒng)就由電網(wǎng)供電，執(zhí)行正常的獨(dú)立變槳系統(tǒng)日常工作。一旦發(fā)生意外，電網(wǎng)出現(xiàn)某些故障無法進(jìn)行持續(xù)供電的時(shí)候，電氣板上的蓄電池就會(huì)發(fā)揮出它的作用，整個(gè)系統(tǒng)的供電就會(huì)從電網(wǎng)轉(zhuǎn)移到蓄電池供電，保證獨(dú)立變槳系統(tǒng)能夠在緊急情況下正常地運(yùn)行。

3 獨(dú)立變槳過程

3.1 協(xié)同變槳控制過程

協(xié)同變槳控制過程主要會(huì)分為低于額定風(fēng)速和高于額定風(fēng)速兩種工作情況。首先，我們?nèi)シ治鲲L(fēng)速較小的情況，由于產(chǎn)生的風(fēng)速較小，發(fā)電機(jī)的輸出功率達(dá)不到正常指定的標(biāo)準(zhǔn)，在這種情況下，要想將風(fēng)能全部轉(zhuǎn)化為輸出的電能是較為困難的。但是，由于風(fēng)電機(jī)組的輸出功率還達(dá)不到額定功率的標(biāo)準(zhǔn)，所以在其他方面上的能量消耗也是不明顯的。所以，要想盡可能地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為輸出的電能，就要將槳葉節(jié)距角度調(diào)整到0度，當(dāng)尖速比達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)就會(huì)達(dá)到最大。風(fēng)能利用的系數(shù)越大，就會(huì)使得更多的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為輸出的電能。通過這樣的方法，就可以保證在風(fēng)速不夠的情況下，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)一直保持在最佳的功率，充分地利用每份風(fēng)能資源。

3.2 偏差變槳控制過程

偏差變槳控制技術(shù)的最主要目標(biāo)就是減小葉輪上的不平衡載荷，從而提高風(fēng)電機(jī)組的使用壽命和載荷優(yōu)化。在前文已經(jīng)講過，偏差變槳控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量輸入輸出的系統(tǒng)，因此我們不能簡單地對偏差變槳控制過程進(jìn)行分析，而且傳統(tǒng)的經(jīng)典控制器已經(jīng)不能夠滿足偏差變槳控制過程中的復(fù)雜情況，而是需要現(xiàn)代控制理論來設(shè)計(jì)更復(fù)雜的控制器。但是，如果我們想針對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行精確的建模，那么工作量以及工作難度是十分巨大的，所以我們使用現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)控制器也比較能實(shí)現(xiàn)，而且實(shí)用性能還極不穩(wěn)定。葉片的根部會(huì)安裝一些載荷傳感器，一旦將葉片根部的載荷情況出現(xiàn)一定的差異和波動(dòng)，就會(huì)立即將數(shù)據(jù)收集起來然后再將數(shù)據(jù)信息傳送到主控制器，主控制器針對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后通過計(jì)算得出偏航力矩等一系列數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以針對每個(gè)槳葉進(jìn)行精確的節(jié)距角調(diào)節(jié)。在選擇控制算法的方面上，偏差變槳控制系統(tǒng)與系統(tǒng)變槳控制所采用的PID控制算法也有所不同,因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組在實(shí)際工作的過程中，并不是每時(shí)每刻都屬于穩(wěn)定系統(tǒng)狀態(tài)，所以如果只有一組PID控制算法是很難滿足偏差變槳控制的整個(gè)過程的。

4 結(jié)語

總之，獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)對我國今后在風(fēng)能發(fā)電方面的進(jìn)展有著深刻的重要意義。只有真正地掌控了獨(dú)立變槳控制的技術(shù)，能夠讓我國在風(fēng)電機(jī)組的研究方面走得更遠(yuǎn)。使用獨(dú)立變槳控制技術(shù)可以加快執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行動(dòng)速度，但是也可能會(huì)出現(xiàn)載荷超標(biāo)的情況，除此之外，還有著其他的一些問題，這些都有待我們進(jìn)一步地研究。