風(fēng)電機(jī)組槳葉扭矩加載試驗(yàn)淺析

（風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310012）

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槳葉在不同工況下的扭矩是變槳控制系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的關(guān)鍵，直接影響變槳控制系統(tǒng)的性能。本文利用動(dòng)量—葉素理論，通過(guò)Blade仿真系統(tǒng)得到了不同工況下槳葉扭矩的最大值和最小值。運(yùn)用直接扭矩控制方式搭建了加載試驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)以上兩者的結(jié)合提出了風(fēng)電機(jī)組槳葉扭矩加載試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)現(xiàn)過(guò)程為工程運(yùn)用中槳葉載荷分析、研究及變槳控制系統(tǒng)性能驗(yàn)證作參考。

槳葉扭矩；動(dòng)量—葉素理論；直接轉(zhuǎn)矩控制；加載試驗(yàn)方法

0 引言

近年來(lái)，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)日趨完善，進(jìn)而使機(jī)組性能完全處于可控狀態(tài)，并獲得最佳功率輸出。變槳控制系統(tǒng)與變速恒頻技術(shù)相結(jié)合，最終提高了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質(zhì)量。

變槳控制系統(tǒng)一方面依據(jù)風(fēng)速的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)槳距角，保證在相應(yīng)控制策略下獲取最大能量。另一方面通過(guò)載荷優(yōu)化控制對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)載荷起到優(yōu)化作用，可實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊并網(wǎng)[1]。

本文采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式設(shè)計(jì)加載系統(tǒng)，通過(guò)與風(fēng)電機(jī)組主控及變槳控制系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，搭建了風(fēng)電機(jī)組槳葉扭矩加載試驗(yàn)系統(tǒng)。利用Blade仿真軟件建立了不同工況下各種槳葉扭矩的仿真模型。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，利用本方法可以將不同工況下各種槳葉的扭矩值轉(zhuǎn)化為加載試驗(yàn)系統(tǒng)中電機(jī)的扭矩值，供實(shí)際工程運(yùn)用中槳葉載荷分析、研究及變槳控制系統(tǒng)性能驗(yàn)證作參考。

1 槳葉扭矩加載試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 槳葉扭矩加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

風(fēng)電機(jī)組槳葉扭矩加載系統(tǒng)主要由電源、控制系統(tǒng)和仿真軟件、加載調(diào)速柜、加載電機(jī)、扭矩儀、變槳電機(jī)、變槳控制柜、風(fēng)電機(jī)組主控等組成。圖1為風(fēng)電機(jī)組槳葉扭矩加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

正常工作狀態(tài)下，電源負(fù)責(zé)給各設(shè)備供電?？刂葡到y(tǒng)和仿真軟件模擬通過(guò)建立不同槳葉在不同工況下的模型并計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)值給別給風(fēng)電機(jī)組主控及加載調(diào)速柜發(fā)送相應(yīng)的控制指令。風(fēng)電機(jī)組主控以通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)變槳電機(jī)的控制，主要控制方式為槳距角和變槳速率[2]。加載調(diào)速柜由一套變頻交流調(diào)速系統(tǒng)組成[3]，通過(guò)全數(shù)字DTC直接轉(zhuǎn)矩控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)加載電機(jī)負(fù)載的控制。加載電機(jī)為一臺(tái)交流測(cè)功機(jī)構(gòu)成，用于模擬槳葉不同工況下的扭矩。扭矩儀將實(shí)際值反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

1.2 槳葉扭矩加載試驗(yàn)流程

1.2.1 Blade參數(shù)配置

在Blade仿真系統(tǒng)參數(shù)配置過(guò)程中，對(duì)機(jī)組功率、偏航角度、槳葉長(zhǎng)度、各種工況等參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

1.2.2變槳電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

風(fēng)電機(jī)組主控根據(jù)Blade系統(tǒng)中不同槳葉的不同工況，響應(yīng)不同的槳距角與變槳速率。該信號(hào)通過(guò)Canopen通信方式由風(fēng)電機(jī)組主控發(fā)送給變槳控制柜，變槳柜按照內(nèi)部程序驅(qū)動(dòng)變槳電機(jī)動(dòng)作，變槳電機(jī)的位置及轉(zhuǎn)速經(jīng)旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變槳電機(jī)的精準(zhǔn)控制。

1.2.3加載驗(yàn)證

扭矩加載過(guò)程如下：

（1）各種槳葉在不同工況下經(jīng)Blade系統(tǒng)計(jì)算得出的扭矩值由倍?？刂葡到y(tǒng)以Canopen通信的方式發(fā)送給加載調(diào)速柜；

（2）加載調(diào)速柜采用全數(shù)字式直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)加載電機(jī)的控制；

（3）扭矩加載值通過(guò)扭矩儀反饋到控制系統(tǒng)中形成閉環(huán)控制[4]；

（4）加載電機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)測(cè)速儀器反饋到控制系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加載電機(jī)的恒轉(zhuǎn)速控制；

（5）變槳電機(jī)與加載電機(jī)通過(guò)機(jī)械方式連接在一起，這樣變槳電機(jī)依照風(fēng)電機(jī)組主控的給定拖著加載電機(jī)運(yùn)行；

（6）加載電機(jī)在工況變化時(shí)，加載扭矩值可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，從而實(shí)現(xiàn)了槳葉扭矩的加載試驗(yàn)方法。

圖1 風(fēng)電機(jī)組槳葉扭矩加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 扭矩加載試驗(yàn)系統(tǒng)原理

2.1 控制系統(tǒng)槳葉扭矩計(jì)算原理

葉素理論的出發(fā)點(diǎn)是將風(fēng)輪葉片沿展向分成許多微段，該微段稱(chēng)為葉素。將作用在每個(gè)葉素上的力和力矩沿展向積分，以求得作用在風(fēng)輪上的力和力矩。作用在風(fēng)輪平面dr圓環(huán)上的軸向力可表示為：

作用在風(fēng)輪平面dr圓環(huán)上的轉(zhuǎn)矩表示為

基于普朗特葉尖損失修正因子下法向力系數(shù)及切向力系數(shù)的求法如下：

這樣通過(guò)求出軸向誘導(dǎo)因子a和軸向誘導(dǎo)因子b，就可以得出葉素處入流角Φ，進(jìn)而得出迎角α，就可根據(jù)翼型空氣動(dòng)力特性曲線(xiàn)得到葉素的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd，最終求出dT、dM，積分后即可得出T、M值。

軸向誘導(dǎo)因子a和軸向誘導(dǎo)因子b的推倒公式，考慮到普朗特葉尖損失修正因子[5]：

其中：B—葉片數(shù)；ρ—空氣密度；c—葉素剖面弦長(zhǎng)；V0—葉素處合成氣流速度；V1—風(fēng)輪前來(lái)流速度；Cn—法向力系數(shù)；Ct—切向力系數(shù)；C1—升力系數(shù)；Cd—阻力系數(shù)；χ—風(fēng)輪錐角；θ—幾何扭角；R—風(fēng)輪半徑；r—風(fēng)輪平面r處。

2.2 直接扭矩控制系統(tǒng)分析

為了適應(yīng)變槳控制系統(tǒng)需要快速響應(yīng)大慣量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的特性，本系統(tǒng)采用數(shù)字式DTC系統(tǒng)。DTC系統(tǒng)主要采用定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩模型實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的加載控制。

定子磁鏈模型采用3/2坐標(biāo)變換：

結(jié)合電壓方程，經(jīng)移項(xiàng)、積分后得出定子磁鏈模型方程為：

其中：ψsα—α坐標(biāo)下定子磁鏈；usα—α坐標(biāo)下定子電壓；Rs—定子繞組電阻；isα—α坐標(biāo)下定子電流 ；ψsβ—β坐標(biāo)下定子磁鏈；usβ—β坐標(biāo)下定子電壓；isβ—β坐標(biāo)下定子電流。

轉(zhuǎn)矩模型由異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程可得：

其中：Te—電磁轉(zhuǎn)矩；np—電機(jī)極對(duì)數(shù)；isβ—β坐標(biāo)下定子電流；ψsα—α坐標(biāo)下定子磁鏈；isα—α坐標(biāo)下定子電流；ψsβ—β坐標(biāo)下定子磁鏈。

考慮到電路的磁滯性，定子磁鏈模型運(yùn)用帶有滯環(huán)的雙位控制器ΑΨR作為定子磁鏈調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)矩模型運(yùn)用帶有滯環(huán)的雙位控制器ATR作為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，它們的輸出分別為定子磁鏈幅值偏差ΔΨs的符號(hào)函數(shù)sign（ΔΨs）和轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe的符號(hào)函數(shù)sign（ΔTe）。

定子磁鏈Ψs＊與實(shí)際轉(zhuǎn)速有關(guān)，P/N為給定轉(zhuǎn)矩極性鑒別器。P/N=1時(shí)，表示期望的電磁轉(zhuǎn)矩為正；P/N=0時(shí)，表示期望的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)。

通過(guò)將定子磁鏈?zhǔn)噶靠臻g按照控制器輸出P/N、磁鏈幅值偏差ΔΨs的符號(hào)函數(shù)sign（ΔΨs）、轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe的符號(hào)函數(shù)sign（ΔTe）劃分為不同的磁鏈扇區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小及方向的快速和準(zhǔn)確的控制[6]。

3 仿真結(jié)果及分析

利用Blade軟件，通過(guò)參數(shù)的設(shè)置對(duì)各種槳葉在不同工況下的扭矩值進(jìn)行了數(shù)字仿真試驗(yàn)。下表1為77、82、88槳葉在不同工況下Mz極性載荷。

從表1中得出，這三種槳葉的最大Mz值為77槳葉在“dlc6.2f1”風(fēng)況下產(chǎn)生的106.3kNm折算到變槳電機(jī)側(cè)為79.72Nm與實(shí)際工程運(yùn)用中1.5MW機(jī)組變槳電機(jī)最大扭矩值相近。

圖3為特定工況下，77、88槳葉在額定風(fēng)速時(shí)，槳角從0°－90°變化時(shí)的加載系統(tǒng)扭矩仿真波形圖。從圖中看出：在0°－90°內(nèi)扭矩加載值隨著槳角的增大而有減小的趨勢(shì)。

圖2 數(shù)字式直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖

圖3 額定風(fēng)速下仿真系統(tǒng)與加載電機(jī)響應(yīng)波形

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)所提出的槳葉扭矩加載試驗(yàn)方法，以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、倍?？刂颇K及VC編程監(jiān)控軟件組成控制系統(tǒng)，采用CIMR-HB4A0150變頻器為調(diào)速柜核心，運(yùn)用三相異步交流測(cè)功機(jī)為加載終端，利用1.5MW變槳控制系統(tǒng)為輔助設(shè)備，結(jié)合HBM T40扭矩儀、光電編碼器等扭矩、轉(zhuǎn)速反饋器件，構(gòu)建了該加載試驗(yàn)系統(tǒng)。

表1 不同工況下的槳葉Mz極值

試驗(yàn)三相異步交流測(cè)功機(jī)參數(shù)如下：

額定功率：55kW；額定電壓：3＊380V；額定轉(zhuǎn)速/頻率：1480r/min/50Hz；額定扭矩：355N.m；加載特性：0－1480r/min/50Hz；恒扭矩：355N·m，1480r/min/50Hz－2960r/min/100Hz；恒功率：55kW；測(cè)量范圍：0－500N·m；測(cè)量精度：±0.4%F·S。

圖4為特定工況下，77、88槳葉在額定風(fēng)速時(shí)，模擬槳葉從0°－90°旋轉(zhuǎn)90°加載系統(tǒng)響應(yīng)波形。

從圖4中可以看出，本加載系統(tǒng)的實(shí)際加載值與控制系統(tǒng)的給定值之間的變化趨勢(shì)保持一致，并將給定值比較準(zhǔn)確地反應(yīng)到加載電機(jī)上，驗(yàn)證了本系統(tǒng)加載工況可以跟隨控制系統(tǒng)給定指令的變換，實(shí)現(xiàn)扭矩加載的快速跟隨。

圖4 某工況下槳葉模擬旋轉(zhuǎn)90°加載系統(tǒng)響應(yīng)波形

5 結(jié)論

基于葉素理論的Blade仿真得出了不同工況下槳葉Mz最大值和最小值，并通過(guò)直接轉(zhuǎn)矩控制加載系統(tǒng)準(zhǔn)確地反饋到加載電機(jī)上。通過(guò)二者的有機(jī)結(jié)合，本文提出了風(fēng)電機(jī)組槳葉扭矩加載試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)現(xiàn)過(guò)程具有一定的普遍性和實(shí)際運(yùn)用價(jià)值，可供工程運(yùn)用中槳葉扭矩的分析、研究及變槳系統(tǒng)性能驗(yàn)證做參考。

[1] 葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)（第2版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2] 王亞飛,趙斌,許洪華.風(fēng)電機(jī)組電動(dòng)變槳伺服系統(tǒng)的研究[J].可再生能源,2011,29(4):28-31.

[3] 孫剛. AB變頻器及其控制技術(shù)（第1版）[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[4] 顧德英, 羅云林, 馬淑華. 計(jì)算機(jī)控制技[ M] . 北京:北京郵電大學(xué)出版社,2007.

[5] 賀德馨,等. 風(fēng)工程與工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

[6] 陳伯時(shí). 交流電機(jī)變頻調(diào)速講座[J].電力電子, 2008(3):55-59.

風(fēng)電機(jī)組槳葉扭矩加載試驗(yàn)淺析

史曉鳴，廖賴(lài)民，翁海平

Analysis of Loading Method for Wind Turbine Blade Torque

Shi Xiaoming, Liao Laimin, Weng Haiping
(State Key Laboratory of Wind Power System ,Zhejiang Windey Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310012, China)

The torque of Blade under different load case is critical in pitch system in the process of driving, which impacted on the performance of pitch system directly. In this paper, using the momentum-Blade theory, the maximum and minimum value of Blade torque is obtained under di ff erent load case by Blade simulation system. The loading test system was built through the direct torque control mode. A wind Blade torque motor unit loading test system is proposed by the combination of the above two points, which test results and the realization process for analyzing of engineering application of Blade load and validation of pitch control system performance as reference.

Blade torque; momentum-Blade theory; direct torque control; loading method of torque

TM921.51

B

1674-9219(2013)07-0062-04

2013-05-17。

史曉鳴（1982-），男，本科， 工程師，主要從事風(fēng)電機(jī)組的電氣設(shè)計(jì)工作。

廖賴(lài)民（1986-），男，本科， 助理工程師，主要從事風(fēng)電機(jī)組的數(shù)據(jù)分析工作。

翁海平（1980-），男 ，碩士，工程師， 主要從事風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算和強(qiáng)度分析方面的研究。