風力發電系統機械變頻控制技術

鄭育松

摘 ? ?要：近年來，隨著我國對電能需求的增加，風力發電有了很大進展。把風力發電系統作為研究的主體，具體表現出在風機輸出電能的頻率變化機制在金屬帶式無級變速器中的實用性。構建該系統的金屬帶式無級變速器在物理范疇內的模型并明確其具體的應用原理，把風力發電機械變頻控制系統的硬件與軟件設計落實到實處。以大量的實驗作為基礎進行具體的數據分析，得到風力發電系統輸出頻率為50Hz，進一步證實機械變頻機理的真實性、準確性。

關鍵詞：風力發電系統;機械變頻;金屬帶;無級變速;恒頻

1 ?引言

我國的風力發電技術正在日益提高，但是還有許多方面還遠遠落后于許多歐洲及北美國家。在傳統風力發電機并網技術上，基本上采用電力電子逆變技術，然而目前成熟的逆變技術大多數都應用于大型的電力系統。對于分布式能源的逆變技術還存在一些技術難點。主要是因為分布式能源的電力能源具有間歇性，且幅值和頻率的波動性均較大。

2 ?風電系統機械變頻模型

金屬帶式無級變速器箱體采用鋁合金鑄造而成，在保證機械強度的要求下具有很高的功率密度。該金屬帶式無級變速器使用椎盤電機、減速齒輪、螺桿螺母和碟形彈簧代替原液壓系統，可提高系統效率。金屬帶式無級變速器主要由主動軸、從動軸、碟簧和傳動金屬帶構成。當系統傳動比穩定時，主動動椎盤、主動定椎盤、金屬帶、碟簧、從動定椎盤和從動動椎盤達到力學平衡。當椎盤電機正向旋轉時，平衡被打破，主動推盤碟簧釋放能量，主動動椎盤左移，主動椎盤間距減小，金屬帶在主動錐盤上的節圓半徑增加，金屬帶在從動錐盤上的節圓半徑減小，推動從動動錐盤左移，從動錐盤上的碟簧儲能，達到新的力學平衡，進而使金屬帶式無級變速器輸出轉速穩定。因此，通過調整椎盤電機即可實現風力發電機頻率控制。

3 ?控制系統理論分析

3.1 ?速比模型

所謂速比模型，即金屬式無級變速器的傳動速比模型，需要主、從動帶輪的節圓半徑RDR、RDN兩個要素推算。其推算方式的結果為從動輪節圓半徑與主動輪節圓半徑的比值，當比值越大，速比越大;比值越小，速比越小。然而變速箱的主體結構不同，還需獲得變速器輸出軸，輸出軸的轉速和系統傳動比。

3.2 ?數學模型

風力發電系統需在速比范圍內控制離合器的位置，當風速在速比范圍內，離合器接合;當風速在速比范圍之外，離合器分開。可控制錐盤相互位置以控制速比輸出，即控制錐盤電機完成風力發電機恒定頻率的電能輸出。錐盤電機始終處于動態運行，從最大傳動比到最小傳動比（或從最小傳動比到最大傳動比）的調速過程需要一定時間。此時主動軸動錐盤和從動軸動錐盤從靜止開始加速，直至運動到正確位置。與滾輪螺母角速度不同的是椎盤電動軸的加速度受一級同步帶傳動和二級減速齒輪傳動。兩個因素影響，其角加速度即調速電機軸的角速度等于滾動螺母的調節角速度，同步帶傳動比與減速齒輪傳動比的乘積。

4 ?控制系統設計

4.1 ?硬件設計

風力發電機金屬帶式無級變速器系統主要由葉片、增速齒輪、無級變速器、風力發電機和升壓變壓器等組成。風能經葉片轉化為不穩定的發電機轉速，經過增速齒輪箱升速轉化為不穩定的轉速，然后輸入到金屬帶式無級變速器產生恒定轉速，之后由風力發電機產生50Hz的交流電，最后經升壓變壓器直接并入電網。椎盤電機控制系統完成金屬帶式無級變速器的輸入軸轉速、椎盤位置、椎盤極限位置、離合器位置、箱體溫度和油溫等信號的采集與監測。

4.2 ?軟件設計

風力發動機的變速器的軟件控制系統控制轉速傳感器與椎盤位置傳感器，同時采集轉速信號與椎盤位置信號，自動計算出實時轉速N與目標轉速N1的差值，發動機正轉的條件是差值大于e，反轉的條件是差值小于-e。超出此范圍則椎盤電機停止運行。

5 ?仿真調試與現場標定

（1）仿真調試。由于課題實驗室與廠房距離較遠，現場的調試需要大型的輔助設備來幫助變速箱來完成工作，不方便來回現場調試，因此本項目采取實驗室仿真調試以及在廠房采集相關數據。錐盤位置傳感器是靠錐盤在不同位置電阻值不同導致輸出電壓不同來給出信號，因此，在實驗室里錐盤位置信號由一個小的可調電阻來代替。按電路圖把所有的設備都連接好，STC單片機通過RS232數據線連接到計算機。打開STC-ISP軟件把程序讀入到單片機中。準備工作就緒后開始正式調試。打開信號源電源，打到X100的檔位開始調整頻率。大H橋正轉時，電路板上LEDS會亮;反轉時，LED6會亮;不轉時，兩盞同時亮。①信號源發出0-SOHZ內任意值，看輸出頻率為多少，輸出頻率會顯示在八段碼顯示器上。然后調整小變阻器，使其變大，最終讓LEDS和LED6同時點亮，使輸出頻率為48HZ-52HZ之間。②信號源發出SOHZ以上任意值，看輸出頻率為多少，輸出頻率會顯示在八段碼顯示器上。然后調整小變阻器，使其變小，最終讓LEDS和LED6同時點亮，使輸出頻率為48HZ-52HZ之間。③信號源發出48-52HZ任意值，看LEDS，LED6是否同時亮起，輸出頻率為48HZ-52HZ之間。（2）現場標定。第四章提到，需要錐盤極限位置信號，該信號值是預先設定在二甸寺中，其實就是兩個電壓值，靠錐盤上的接近傳感器去發出信號。因此，本項目首先得標定錐盤的極限位置電壓值。本次在廠房的實現目的如下：①標定錐盤的極限位置信號電壓;②標定錐盤在極限位置之間任意點的速比。實驗過程：進入到廠房后，用升降臺把EMCVT與驅動電機連接好，接著把電路按照電路圖連接上，在錐盤位置傳感器終端連上萬用表，以等待信號輸出，實驗人員在輸入軸，輸出軸兩端等待測量轉速，準備就緒后，開啟驅動電機，帶動變速箱開始轉動，等待轉速穩定好，開始采集數據。經過5組的實驗，將實驗數據記下，最終確定本臺CVT的錐盤的極限位置的電壓信號值是：最大電壓信號值：4.39V;最小電壓信號值：0.63V。在錐盤極限位置之間的任意值的速比見附錄to根據數據資料，利用matlab軟件，把數據的趨勢走向描繪出來，將輸入的信號值與速比值制成一個二維圖形，根據圖形形狀可以直觀的看出二者的對應關系，然后根據具體的實驗數據與走向趨勢，利用最小二乘法進行擬合，估測出近似表達式，建立一個完整的數學模型。通過第二次的實驗數據分析可知，第二次實驗獲得的數據準確性更高，在進行擬合時，與擬合值進行比較來看，誤差很小，所以，兩組模型的建立很是成功。

6 ?結束語

綜上所述，由理論與實驗結果的結合數據表明，風力發電機采用該金屬帶式無級變速器系統基本滿足預期目標。實現了無諧波污染與恒頻控制，根據數據基礎獲得控制信號和速比值的線性關系。

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