1、分布式能源與清潔能源技術(shù)(一)上海電力2009年第3期兆瓦級風力發(fā)電機變槳控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究劉 琳(上海電氣輸配電集團國家級技術(shù)研究中心,上海 200050)摘 要:通過分析風力機的空氣動力學特性,對大型的變速恒頻風力發(fā)電機進行了建模分析,設(shè)計了有效的變槳控制策略。以1.25MW風力發(fā)電機組為例,驗證了設(shè)計的變槳控制器具有良好的快速性和穩(wěn)定性。目前,該變槳控制器已經(jīng)成功應(yīng)用于工程實踐。關(guān)鍵詞:兆瓦級;風力發(fā)電機;變速恒頻;變槳控制中圖分類號:TK83 文獻標識碼:B上海市經(jīng)委重點項目:MW級風電機組仿真及相關(guān)技術(shù)研究我國對風力發(fā)電的規(guī)模性應(yīng)用起步較晚,特別是兆瓦級的風力發(fā)電技術(shù)研究,而在德

2、國、丹麥等國家其兆瓦級風力發(fā)電機組應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)非常成熟。 十一五 以來,國家對風力發(fā)電從市場運用到技術(shù)開發(fā)都出現(xiàn)了前所未有的扶持,從而在國內(nèi)掀起了一股風力發(fā)電的技術(shù)研發(fā)熱潮。與定槳距風力機組相比,變槳距風力機組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動特性,主要依靠葉片相匹配的葉片攻角來進行調(diào)節(jié),從而提高了風力機的風能轉(zhuǎn)換效率同時保證了風力機輸出功率平穩(wěn)。在國內(nèi)外對變槳距風力機組的研究中,提出了一些先進的技術(shù)和方法,在工程實踐中主要是采用PID控制器實現(xiàn)對槳距角的調(diào)節(jié)3。本文在建立風力機模型,以及風力機與發(fā)電機傳動鏈模型的基礎(chǔ)上,設(shè)計了通過速度和槳距角調(diào)節(jié)的變槳控制系統(tǒng),以1.25MW風力發(fā)電機組的系統(tǒng)參

3、數(shù)為例,對建立的模型和控制系統(tǒng)進行了測試驗證,在工程實踐應(yīng)用中取得了良好的控制效果。211.1 風力機理論及其數(shù)學模型在討論風力機的數(shù)學模型時,以下特性參數(shù)具有特別重要的意義2。(1)風能利用系數(shù)CpCp表示風力機從自然風中吸收能量的利用率大小,其值為:Cp=P/(3vS)2(1)式中 P!風力機實際獲得的軸功率,W; !空氣密度,kg/m3;S!風輪的掃風面積,m2;v!風速,m/s。(2)葉尖速比表示風輪在不同風速中的狀態(tài),用葉片的葉尖圓周速度與風速之比來衡量,其表達式為=R=vv(2)式中 n!風輪的轉(zhuǎn)速,r/s;!R!風輪角頻率;R!風輪的半徑,m。(3)轉(zhuǎn)矩系數(shù)CT和推力系數(shù)CF風作

4、用在風輪上的力可由Euler理論寫出其關(guān)系式:F= Sv(v1-v2)(3)式中 v1!風輪葉面的上游風速;v2!風輪葉面的下庭也可實現(xiàn)的劃時代小型風力發(fā)電設(shè)備.5 井上雅弘,櫻井晃,大屋裕二.帶沿擴散型風機的簡易理論J.渦輪機械,2002,30(8):46 51.1 風力機的建模參考文獻:1 大屋裕二,鳥谷隆,櫻井晃.通過帶沿擴風筒型風機使風力發(fā)電機實現(xiàn)高輸出化C.日本航空宇宙學會論文集.2002,50(12):477 482.2 大屋裕二,鳥谷隆,櫻井晃,井上雅弘.通過帶沿擴風筒型風機使風力發(fā)電機實現(xiàn)高輸出化-第2報告C,日本航空宇宙學會論文集,2004,52(5):210 213.3 大

5、屋裕二.各種新型風機-聚風型風機-J.渦輪機械,2005,33(7):59 62.4 經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省,新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)。家收稿日期:2009 05 17作者簡介:大屋裕二(1952 ),男,日本九州大學應(yīng)用力學研究所教授,主要從事風力工程學特別專向于風力能源利用及風場環(huán)境預(yù)測研究。(責任編輯:呂 斌)!2009年第3期游風速。上海電力分布式能源與清潔能源技術(shù)(一)為了便于把氣流作用下的風力機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和推力進行比較,常以 為變量作為轉(zhuǎn)矩T和推力F的變化曲線。因此,轉(zhuǎn)矩和推力也要無因次化。CT=2 vSR2= vSR(4)處軸向速度Ud=U#(1-#),令Vy0=Ud,軸向速

6、度Vy0=r(1+#'),則實際流經(jīng)風輪處的氣流速度是W=Vx0+Vy0(見圖2)。CF=2 vS vS2(5)式中 T!風力機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,Nm;F!作用在風力機上的推力。針對變槳距風力發(fā)電機組,在某一風速下,風輪角頻率!R已知,則葉尖速比 可以得到。另外,風能利用系數(shù)CP可以表示為葉尖速比 和槳距角的函數(shù):CP=CP( ,)(6)式(6)表示的風能利用系數(shù),主要由槳葉的氣動特性決定,這里采用了葉素-動量理論來建立槳葉的氣動模型。1.2 基于葉素-動量理論的槳葉氣動模型動量理論定義了一個通過風輪平面的理想流管(見圖1),U#、Ud,Uw,分別表示來流風速、流過風輪風速、風輪后尾流速度。

7、定義軸向誘導因子#=(1-Ud)/U#,切向誘導速#'=!/(2),應(yīng)用動量方程和伯努力方程可以方便的推導出軸向力和風輪轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式。T=2 R2U2#(1-#)Q= R4 U#(1-#)#'4圖2 葉素上的空氣三角形和空氣動力分量對于N個槳葉的風輪面來說,長度為dr的葉素上總的推力和扭矩分別為:N cWCndr2dT=N cW2Ctdr2dF=向力系數(shù)。(9)式中 N!風輪葉片數(shù);Cn!法向力系數(shù);Ct!切為了計算風力機性能,必須計算風輪旋轉(zhuǎn)面中的軸向誘導因子#和軸向誘導因子#',這就需要用到葉素動量理論。由葉素動量理論可得n=1-#8 rsint=1+#'8

8、 rsin5(7)(8)(10)(11)式中 !風輪平面風的角速度;!風輪的角速度。考慮到葉尖失速、輪轂等影響,進行普朗特修正。當風輪葉片部分進入渦環(huán)狀態(tài)時,動量方程不適用,因此進行Glarert修正6。1.3 傳動鏈模型風力機傳動鏈一般是指風輪、齒輪箱、連軸器和高速軸這一系統(tǒng),在現(xiàn)有計算硬件和風機系統(tǒng)參數(shù)條件下,一般將傳動鏈簡化為剛性軸或者是等效到高速軸的柔性軸模型。在傳動鏈中,齒輪圖1 理想管流模型箱是傳動柔性的主要來源,所以將風力機與齒輪箱等效為一個質(zhì)量塊,發(fā)電機轉(zhuǎn)子等效為另一個質(zhì)量塊,而將傳動柔性等效至高速軸,從而建立兩質(zhì)量塊模型7,參見圖3。將低速軸向高速軸等效后,低速軸各量都要進行

9、相應(yīng)的折算,則折算后的量為:JW=JW/N2,DW=DW/N2,&W=&WN,!W=!WN,TW=TW/!葉素理論的基本出發(fā)點是將風輪葉片沿展向分成許多微段,稱這些微段為葉素,在每個葉素上的流動相互之間沒有干擾,葉素可以認為是二元翼型,將作用在每個葉素上的力和力矩沿展向積分,進而求得作用在風輪上的力和力矩4。從動量理論可知,考慮風輪尾流旋轉(zhuǎn)后,風輪分布式能源與清潔能源技術(shù)(一)上海電力2009年第3期圖3 軸系兩質(zhì)量塊模型示意圖JW!風力機轉(zhuǎn)動慣量;DW!風力機阻尼系數(shù);TW!風力機轉(zhuǎn)矩;&W!風力機轉(zhuǎn)角;TS!傳動軸轉(zhuǎn)矩;JG!發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量;DG!發(fā)電機阻尼系數(shù);Q

10、G!發(fā)電機轉(zhuǎn)角;K!傳動軸剛度;TG!發(fā)電機轉(zhuǎn)矩。N,為了表示方便,以上折算量中的省略掉。根據(jù)機械結(jié)構(gòu)動力學的原理,軸系的扭振方程為:M+D+K=FM=diag(JW,0,JG)D=diag(DW,0,DG)K=diag(0,k,0)=diag(&W,&W-&G,&G)F=diag(TW-Ts,Ts,Ts+TG)式中 M!質(zhì)量矩陣;D!阻尼矩陣;K!剛度矩陣;!位移向量;FZ!系統(tǒng)張力。圖4 變槳控制器原理圖(12)槳距角的函數(shù)。當風速變化時,風力機運行點要相應(yīng)改變。為了盡可能提高風力機風能轉(zhuǎn)換效率和保證風力機輸出功率平穩(wěn),風力機將調(diào)節(jié)其(13)槳距角。典型的風

11、電機組的槳距控制系統(tǒng)通常采用速度和功率的PID控制器。為了優(yōu)化功率曲線,這里設(shè)計的變槳控制器中發(fā)電機功率反饋信號不再作為直接控制槳距角的輸入變量,而是采用了當前的槳距角作為反饋量。如圖4所示的變槳控制器中,發(fā)電機轉(zhuǎn)速!和風力機的當前槳距角作為輸入量,取兩個控制器的最大值作為液壓系統(tǒng)的輸入信號',最后經(jīng)過液壓執(zhí)行機構(gòu)得到風力機需要的槳距角。針對1.25MW風力發(fā)電機組(風力機額定將以上參量代入式(13),且已知d&/dt=!,則有式(14)關(guān)系式:G=!GdtGW-&G)/JG=TG-DG!G+k(&dtW=!Wdt(14)功率為1.25MW,風輪半徑為64.3m

12、,額定風速12m/s,發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速為1100r/min),根據(jù)工程優(yōu)化方法,計算出控制器參數(shù)的理論參考值,在多種風速工況下進行修正,最后確定控制器參數(shù)為:速度調(diào)節(jié)器KP=0.15,KD=0.1;槳距角調(diào)節(jié)器KP=0.15,KD=0.1。對一些典型的風速情況進行了測試分析,如圖59所示。如圖5所示,槳距角目標值為1.05%,槳距角的測量值較快地穩(wěn)定在目標值,發(fā)電機輸出功率也很快穩(wěn)定在1.25MW。由圖6可以看到,在階躍變化時,控制器的輸出快速地穩(wěn)定到目標值,同時發(fā)電機轉(zhuǎn)速也很快穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速1100r/min附近。由圖7可看出,在風速發(fā)生斜坡變化時,槳距角測量值基本上沒有出現(xiàn)超調(diào)量就跟蹤上了目

13、標值,發(fā)電機轉(zhuǎn)速和功率的曲線波動很小。由圖8可看出,陣風2m/s疊加到基礎(chǔ)風速14m/s上,槳距角測量值很快調(diào)整到目標值。W=TW-DW!W+k(&W-&G)/JWdt式(14)中,風力機機械轉(zhuǎn)矩可由其功率特性得到:WpTW=T2!T2(15)已知!r=np!G(!r為發(fā)電機轉(zhuǎn)子角頻率,np為發(fā)電機極對數(shù)),這樣式(14)與旋轉(zhuǎn)坐標系下發(fā)電機的電磁方程8共同構(gòu)成了描述風力發(fā)電系統(tǒng)機械和電磁動態(tài)過程的數(shù)學模型,為系統(tǒng)的試驗研究提供了一定的理論依據(jù)。2 變槳控制系統(tǒng)設(shè)計及測試根據(jù)本文2.3節(jié)建立的風力發(fā)電系統(tǒng)機械和電磁動態(tài)過程的數(shù)學模型,可以方便地搭建風力發(fā)電機組的仿真測試系統(tǒng),參

14、見圖4。風能利用系數(shù)Cp可以表示為葉尖速比 和!2009年第3期上海電力分布式能源與清潔能源技術(shù)(一)圖9 風速瞬態(tài)變化時的曲線圖5 風速為12m/s時的曲線機轉(zhuǎn)速和輸出的電功率的波動幅度很小。圖5至圖9的曲線表明,該控制器在多個運行條件下均具有較好的響應(yīng)特性,滿足了在實際工程設(shè)計中對快速性和穩(wěn)定性的要求。3 結(jié)論在對風力機的氣動特性進行分析基礎(chǔ)上,本文建立了風力機數(shù)學模型并對其進行了分析。從工程優(yōu)化設(shè)計的角度出發(fā),設(shè)計了高效的變槳控制系統(tǒng)。最后以1.25MW風力發(fā)電機組為例,圖6 風速為階躍(14m/s突變至20m/s)變化時的曲線建立了系統(tǒng)模型,在多種工況下進行了測試驗證。理論分析和試驗結(jié)

15、果,均表明該控制器具有良好的安全性和可靠性。參考文獻:1 WorldWindEnergyAssociation,WorldwideWindEnergyCapacityat39.151MW-7.981MWaddedin2003,Availa bleat:.2 葉杭治.風力發(fā)電機組的控制技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,2002.3 劉湘琪.風力發(fā)電機組電液比例變槳距控制系統(tǒng)的研究圖7風速為斜坡變化時的曲線D.杭州:浙江大學,2004.4 賀德馨.風工程與工業(yè)空氣動力學M.北京:國防工業(yè)出版社,2006.5 LPrandtl,OGTietjens.AppliedHydro-andAeromechanics.DoverPublication,1957.6 HGlauert.WindmillandFans,AerodynamicsTheory.EditedbyDWFJulius.Springe