风力发电机组变桨距电液比例控制技术的设计毕业论文(编辑修改稿)

风力发电机组变桨距电液比例控制技术的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的贝兹极限 [5]。 变桨距风力机的风能利用系数 C P与叶尖速比λ和桨叶的节距角β成非线性关系。 叶尖速比λ即为桨叶尖部的线速度与风速之比 :  RRn  2 （ 22） 式中 : ω — 风轮在风速为 v时的旋转角速度 , 单位 : rad/s。 R— 风轮半径 , 单位 : m。 n— 转速 , 单位 : r/s。 v— 风速 , 单位 : m/s 据有关资料记载和研究 [23], 风能利用系数 C P可近似表示 :       3s   C p （ 23） 对于不同桨矩角，风能利用系数 PC 与叶尖速比入的变化曲线如图 22所示[6]，可以得出以下结论： (1) 对于任意的桨距角θ，风能利用系数特性曲线存在最大值 Cpmax。 (2) 对于任意的叶尖速比λ，风能利用系数 Cp 在桨叶桨距角θ = 0o时相对最大；随着桨叶桨距角θ不断增大，风能利用系数 Cp 迅速减小。 根据以上两点的归纳，变桨距风力发电机组可采取如下控制策略： (1) 在风速低于额定风速时，发电机输出功率未达到额定功率，应尽可能多地将风能转化为输出的电能，此时，让桨距角θ 等于 0o。 (2) 当风速超过额定风速时，应增大桨叶桨距角 θ，减小风能利用系数Cp ，达到降低发电机输出功率的目的。 (3) 当发电机功率下降到小于额定功率时，应再减小桨叶桨距角 θ，以保证风力机输出功率维持在额定值。 6 图 22 变桨距风力机特性曲线 7 第 3 章 风力发电机组变桨距的研究 风力发电机组的控制技术 现代风力发电机组的研究和设计从技术上讲，涉及到包括空气动力学、高分子材料、机电控制原理、机械设计与制造学、振动理论等多个学科领域。 近年来，这些学科的迅速发展为风力发电机组的研究和设计提供了良好的理论基础，因此现代风力发电技术发展越来越快，单机容量也越来越大。 提高风能利用效率、改善风电质量、降低风电成本是发展风电技术的前提条件，许多学者利用现代控制技术在改善风电系统性能、风力发电机组的优化运行和改进风力发电设备等方面进行了大量的研究。 随着计算机与先进控制技术在风力发电领域中的应用，风力机控制方式也从基本单一的 定桨距失速控制向变桨距控制方向发展，甚至向智能型控制发展。 风力机定桨距控制技术 定桨距失速控制是传统的控制方式，采用该控制方式的风力机叶片直接固定在轮毂上，片的安装角在安装时确定好，在运行期间不能变化。 失速型叶片气动外型的设计能够使高速下通过上翼面的气流出现分离，也就是所谓的失速现象。 失速会导致叶片的升力下降而阻力上升，同时随风速增大气动效率下降，限制了风力发电机的最大输出功率。 但是受失速特性的影响，通常风力发电机的输出功率在达到额定风速后有所下降。 另外，定桨距失速控制的风力机最大升力对由温度 和海拔高度的变化所引起的空气密度的变化比较敏感。 定桨距失速控制的失速是由于叶片的空气动力特性而被动产生的。 当风速变化引起输出功率变化时，通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，从而使控制系统大为简化。 其缺点是叶片重量大 (与变桨距风力机叶片比较 )，轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。 风力机变桨距控制技术 变桨距控制是根据风速的变化来调整叶片的桨距角，从而控制发电机的输出功率，变桨距控制风力机的叶片通过轴承固定在轮毂上，可以绕叶片的轴线转动来调整叶片的桨距角。 在高风速情况下，桨距角 随着风速的增加不断向正的安装角度方向调整，减小气流攻角以保持较小的升力来限制功率。 由于桨距 8 角可以连续调节，因此在高风速情况下可使发电机的输出功率保持在额定功率，这意味着变桨距风电机组对由温度和海拔高度的变化所引的空气密度的变化并不敏感。 当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用 Optitip 技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比以优化输出功率。 且在刹车时，叶尖刹车装置制动叶轮的同时叶片转动，刹车，从而减少了机械刹车对传动系统的冲击，减轻了刹车结构的负荷。 综上所述， 与定桨距控制技术相比，变桨距控制的优点是桨叶较为轻巧，桨距角可以随风速的大小而自动调节，因而能够尽可能更多的吸收风能，同时在高风速段保持平稳的功率输出，如图 31 所示。 从风电技术发展趋势来看，小容量的风力机尚可使用定桨距失速控制，大容量的风力机大多采用变桨距控制技术。 图 3— 1 定桨距、变桨距风力发电机组功率曲线 因此，本文选择的研究对象是风力发电机组变桨系统。 变桨矩风力机组的运行状态 根据风机所处的状态以及变桨矩系统所起的作用，变桨矩风力发电机组大致可以分为 3种运行状态，即启动状态、欠功率状态和额定功率状态 [7]。 9 启动状态 变桨矩风力发电机在停机状态的时候，叶片的桨矩角为 90 o，此时气流对桨叶不产生切向力也没有转矩，整个桨叶实际上相当于一块阻尼板。 当风速达到启动风速的时，变桨矩机构控制桨叶向 0 o方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮由于桨叶受力开始转动。 在发电机并入电网之前，发电机转速信号作为变桨矩系统的桨矩角的主要控制量。 转速控制器按照一定的速度上升斜率给出速度的参考值，变桨矩系统根据给定的速度参考值，进而调整桨叶的桨矩角，进行速度控制。 为了确保并网平稳及稳定性，对电网产生尽可能小的冲击，变桨矩系统可以在一定时间内，保持发电机的转速在同步转速附近，以便寻找最佳并网时机。 为了使控制过程简单化，早期的变桨矩风力发电机在风轮转速达到发电机同步转速前采用不控制桨叶的桨矩角的方式。 在这种情况下，桨 叶的桨矩角一直保持在同步转速对应的角度。 直到发电机转速上升到同步转速后，变桨系统才开始投入工作。 转速控制的给定值是恒定的，即同步转速。 然后，转速反馈信号与给定值进行比较，当转速超过同步转速的时，桨叶的桨矩角就向迎风面积减小的方向转动一定的角度；反之，桨叶向迎风而增大的方向转动一个角度。 当转速在同步转速附近保持一段时间后，发电机才并入电网。 欠功率状态 欠功率状态是指发电机并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机的输出功率在额定功率以下运行方式。 与转速控制方式同理，在早期的变桨矩风力发电机组中，对于 欠功率状态是不进行控制的。 这时变桨矩风力发电机组和定桨矩风力发电机组相同，它的功率完全取决于桨叶的气动特性。 现在多采用的双馈异步发电机的风力发电机在该状态能够通过风速采集的低频分量为参数调整发电机转差率，使其运行在最佳叶尖速比，进而达到对风能的最大利用率。 额定功率状态 在风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率运行状态。 这时风力发电机组运行方式从转速控制切换到功率控制，变桨矩系统开始根据发电机的功率信号进行控制。 控制信号的给定值是恒定的，即额定功率。 功率反 10 馈信号与给定值进行比较，当功率 超过额定功率的时，桨叶就向着迎风面积减小的方向转动一个角度，反之则向着迎风面积增大的方向转动一个角度。 变桨矩控制系统 新型变桨距控制系统框图如图 32所示 图 32 控制系统分布图 在发电机并人电网前，发电机转速由速度控制器 A根据发电机转速 反馈信号与给定信号直接控制；发电机并入电网后，速度控制器 B与功率控制器起作用。 功率控制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线，调整发电机转差率，并确定速度控制器 B的速度给定。 节距的给定参考值由控制器根据风力发电机组的运行状态给出。 如图 32所示，当风力发电机组并入电网前，由速度控制器 A给出； 当风力发电机组并人电网后由速度控制器 B给出。 变桨距控制 图 33 变桨距控制系统 11 变距控制系统实际上是一个随动系统，其控制过程如图 33所示。 桨距控制器是一个非线性比例控制器，它可以补偿比例阀的死 带和极限。 变距系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号 经 D/A转换后变成电压信号控制比例阀（或电液伺服阀），驱动液压 缸活塞，推动变桨距机构，使桨叶节距角变化。 活塞的位移反馈信号 由位移传感器测量，经转换后输人比较器。 速度控制 A (发电机脱网） 转速控制系统 A在风力发电机组进入待机状态或从待机状态重新起动时投入工作，如图 34在这些过程中通过对节距角的控制，转速以一定的变化率上升。 控制器也用于在同步转速（ 50Hz时 1500r/min)时的控制。 当发电机转速在同步转速177。 10 r/min 内 持续 1s 发电机将切入电网。 图 34 速度控制 A 控制器包含着常规的 PD和 PI控制器，接着是节距角的非线性化环节，通过非线化处理，增益随节距角的增加而减小，以此补偿由于转子空气动力学产生的非线性，因为当功率不变时，转矩对节距角的比是随节距角的增加而增加的。 当风力发电机组从待机状态进人运行状态时，变桨距系统先将桨叶节距角快速地转到 45176。 ,风轮在空转状态进人同步转速当转速从 O 增加到 5OOr/min 时，节距角给定值从 45176。 线性地减小到 5176。 这一过程不仅使转子具有高起动力矩，而且在风速快速地增大时能够快速起动。 12 发电机转速通过主轴上的感应传感器测量，每个周期信号被送到微处理器作进一步处 理，以产生新的控制信号。 速度控制 B (发电机并网） 发电机切入电网以后，速度控制系统 B作用。 如图 35所示，速度控制系统 B受发电机转速和风速的双重控制。 在达到额定值前，速度给定值随功率给定值按比例增加。 额定的速度给定值是 1560r/ min,相应的发电机转差率是 4%。 如果风速和功率输出一直低于额定值，发电机转差率将降低到 2%，节距控制将根据风速 调正到最佳状态，以优化叶尖速比。 如果风速高于额定值，发电机转速通过改变节距来跟踪相应的速度给定值。 功率输出将稳定地保持在额定值上。 从图中可以看到 图 35 速度控制系统 B 在风速信号输入端设有低通滤波器，节距控制对瞬变风速并不响应。 与速度控制器 A的结构相比，速度控制器 B增加了速度非线性化环节。 这一特性增加了小转差率时的增益，以便控制节距角加速趋于 0176。 变桨矩系统分类 （ 1）变桨矩的执行机构大致分为电液伺服系统和电动伺服系统两类 [8]。 13 a) 液压变桨矩 b) 电动变桨矩 图 36 变桨矩系统的轮毂照片 1）液压伺服变桨矩系统。 液压伺服变桨矩系统具有传动力矩大、重量轻、刚度大等优点。 目前丹麦 Vestas公司的 机构。 然而，液压系统存在死区、滞环、库伦摩擦，还有一些软参量，如体积弹性模量、油的粘度、系统阻尼比等，有非线性特征，甚至会出现漏油、卡塞等现象。 液压伺服变桨矩执行机构原理如图 37所示。 桨叶通过机械连杆机构与液压缸相连接，桨矩角的变化同液压缸位移成正比。 当液压缸活塞杆向左移动到最大位置时，桨矩角为 90176。 而活塞杆向右移动最大位置时，桨矩角为 0176。 液压缸的位移由液压比例阀进行精准的控制。 在负载变化不大的情况下，电液比例阀的输入电压与液压缸的速度成正比，为进行精确的液压缸位置控制，则必须引入液压缸位置检测和反馈控制。 图 37 液压伺服变桨矩执行机构的原理框图 14 2）电动变桨矩系统。 电动伺服变桨矩执行机构可对每个桨叶采用独立的调节方式，伺服电动机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相啮合，进而直接对桨矩角进行控制。 如图 38所示。 图 38 电动变桨矩结构图 图 38中只画出了一个桨叶的电动变桨矩的结构，其它两个桨叶则与此完全相同。 而每个桨叶采用一个带位置反馈的伺服电动机进行单独调节，安装在伺服电动机输出轴上，采集电动机的转动角度。 伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相连，带动桨叶转动，从而实现对桨叶的桨矩角的直接控制。 在轮毂内齿圈的边上又安了一个非接触式位移传感器，对内齿圈转动的角度进行直接检侧，即桨叶桨矩角变化，当内齿圈转过一个角度，则非接触式位移传感器输出一个脉冲信号。 位置传感器采集桨矩角的变化与电动机形成闭环 PID负反馈控制。 变桨矩控制是根据伺服电动机自带的位 置编码器所测的位移值进行控制的，电动伺服变桨矩执行机构原理框图如图 39。 在系统出现故障，控制电源断电时，桨叶控制电动机由 UPS系统供电，使桨叶调节到顺桨位置。 该执行机构结构简单、可靠，充分利用了有限的空间，实现了分散布置，且可以实现对单一桨叶进行控制，但对于大功率风机的动态特性相对较差。 15 图 39 电动伺服变桨矩执行机构原理框图 制动装置的突出特点是空气动力学制动刹车单独由变桨矩控制，桨叶充分发挥刹车的作用。 即使其中一个桨叶刹车制动失败，其它两个叶片也可以安全完成刹车的过程，提高了整个系统的安全性和可 靠性。