智慧變槳距系統在中小型風力發電設備中的應用

楊蘭萍

1 前言

隨著環境問題的日益嚴重化，人們逐漸認識到自然環境對人類生產生活的影響，節能減排、保護環境的呼聲越來越高，更多的清潔能源被開發利用，其中風力發電就占據著一定的地位。與光伏發電相比，小型風力發電具有獨有的經濟優勢，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，現在國家實施“送電到鄉”工程，大量采用的是光伏電站，而不是風力發電機。

2 智慧變槳距控制系統方案

2.1 智慧變槳距系統可行性分析

風力機是復雜的空氣動力學系統，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，均隨季節、時間而變化，具有瞬間就可能發生爆發性變化的特點。

目前小型風力發電主要有風光互補獨立發電系統和風力并網發電系統，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，發揮其經濟適用的特點。同時采用靈活多變的應用方式，如孤島發電、智能微型發電網技術等，使得小型風機重新顯現身手。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，提高其可靠性。風力發電機組的整體系統如圖1所示。

2.2 智慧變槳距系統機械結構

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，實現風機調速的目的。葉片的變槳距依賴變距驅動系統，其變距方式為全翼展同步電動變距，由主控系統統一實現控制，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1.5 kW，額定電壓400 V，頻率50 Hz，額定轉速1 425 r/min。另外系統還配置0°、90°、95°位置開關，配置角度和速度編碼器，用于角度計算與監測。

2.3 智慧變槳距控制系統實現

2.3.1 智慧變槳距控制系統硬件組成

控制系統選擇西門子ET200SP遠程站，采集機艙所有數據，執行主控系統遠程控制指令。變槳控制系統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，220 V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。硬件系統配置如圖2所示。

2.3.2 智慧變槳距控制系統軟件實現

圖2 智慧變槳距硬件系統配置

每種葉片出廠都會對應其固有的風能利用系數，因此對應每種葉片的風機其風能利用系數與葉尖速比的曲線都是風機控制的重要依據。風能利用系數=轉矩系數×葉尖速比，Cp=Ct×λ。轉矩系數是葉尖速比的多項式函數，根據風能利用系數與葉尖速比的曲線，得出轉矩系數，結合發電機功率曲線，進而得出風力發電機的功率曲線，即風電機組凈電功率輸出與風速的函數關系，如圖3所示。

圖3 風速與葉片吸收風能功率曲線

當風速達到切入風速2.5 m/s時，變槳距系統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，變槳距系統就需要根據實時風速，與風力機組的功率曲線，運用智慧神經網絡算法，并結合發電功率、主軸轉速、風速變化率及葉片開度的反饋數據，預測出葉片的實時受風角度與執行運轉角速度，實時調節葉片開度；當風速接近或根據風速趨勢預計風速達到25 m/s時，快速執行收槳停機。

葉片運行在0°～90°時，對應渦輪渦桿直線行程為0～260 mm，根據渦輪渦桿的減速機變換關系與執行角速度，計算出渦輪渦桿的線速度。由于電機做圓周運動，帶動機械結構渦桿轉換為直線運動，利用角速度與線速度轉換函數關系：ω/s弧度/秒＝（2π×r/min）/60（其中ω/s為角速度，r/min為電機速度），計算出電機的運行速度和運行方向。主控制器計算出的變槳距系統傳動機構驅動電機的控制參數，通過PROFIBUS通訊方式發送給驅動裝置MM440，遙控變槳距系統完成對葉片的實時閉環智慧調節。

軟件的實現，由于算法比較復雜，選用西門子SCL語言，采用結構化編程，可讀性高、便于維護。

3 結 語

結合100 kW小型發電機組在某省級智能微網試點工程中的應用，其切入風速2.5 m/s，額定風速10 m/s，實現最大發電功率105 kW，風能利用效率＞94%，完全符合國際上通行的做法，微風即可啟動，大風過載可控，安全可靠。