獨立型風力發(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)境問題的日益嚴重化，人們逐漸認識到自然環(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，其中風力發(fā)電就占據(jù)著一定的地位。與光伏發(fā)電相比，風力發(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

風力機是復雜的空氣動力學系統(tǒng)，作為風力機工作介質的風，是既有大小、又有方向的矢量，而且風速和風向這兩個特征參數(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。目前小型風力發(fā)電主要有風光互補獨立發(fā)電系統(tǒng)和風力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，改變原有的小型風機的控制方式，采用大型風電機組普遍應用的變槳技術，提高風機的可靠性，發(fā)揮其經(jīng)濟適用的特點。同時采用靈活多變的應用方式，如孤島發(fā)電、智能微型發(fā)電網(wǎng)技術等，使得小型風機重新顯現(xiàn)身手。為使小型風機重新找回自己在綠色能源中的位置，需改變其控制結構，增加智慧變槳系統(tǒng)，提高其可靠性。風力發(fā)電機組的整體系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 風力發(fā)電機組的整體系統(tǒng)

1.2 變槳距系統(tǒng)機械結構

葉片的變槳機械結構為：電機帶動絲杠水平移動，拉動輪彀內的導向機構，帶動葉片轉動，完成改變槳葉受風角度，實現(xiàn)風機調速的目的。葉片的變槳距依賴變距驅動系統(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。驅動電機額定功率1.5kW，額定電壓400V，頻率50Hz，額定轉速1425r/min。另外系統(tǒng)還配置0°、90°、95°位置開關，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遠程站，采集機艙所有數(shù)據(jù)，執(zhí)行主控系統(tǒng)遠程控制指令。變槳控制系統(tǒng)包含除主控制器外的重要部件，包含變槳驅動器和安全鏈。選用西門子MM440系列，220V變頻器作為變槳驅動器，并為該驅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 全風速變速變槳距風力機控制策略

隨著槳葉、發(fā)電機及電力電子器件等設備制造技術的進步，現(xiàn)代風力發(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速范圍大，風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)最大風能捕獲的目標。因此，具備變速變槳技術的主流雙饋感應風力發(fā)電系統(tǒng)其市場占有量最高，相關控制問題也更值得深入研究。風電控制系統(tǒng)中兩項關鍵的控制技術為：最大風能捕獲及恒功率控制技術。最大風能捕獲是在風速低于額定風速時對風力發(fā)電機組進行控制，保證機組最大限度地捕獲風能；恒功率控制是風速高于額定風速時，由于風電自身機械電氣強度的限制及電網(wǎng)對供電品質的要求，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其固有的風能利用系數(shù)，因此對應每種葉片的風機其風能利用系數(shù)與葉尖速比的曲線都是風機控制的重要依據(jù)。風能利用系數(shù)=轉矩系數(shù)×葉尖速比，Cp=Ct×λ。轉矩系數(shù)是葉尖速比的多項式函數(shù)，根據(jù)風能利用系數(shù)與葉尖速比的曲線，得出轉矩系數(shù)，結合發(fā)電機功率曲線，進而得出風力發(fā)電機的功率曲線，即風電機組凈電功率輸出與風速的函數(shù)關系，如圖2所示。

圖2

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

3 結語

與常規(guī)的控制技術和模糊控制技術相比，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，響應速度更快，功率更加靠近發(fā)電機額定功率。