獨立型風力發電系統的變槳距控制研究

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，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。

1 變槳距控制系統方案

1.1 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。

圖1 風力發電機組的整體系統

1.2 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1.5kW，額定電壓400V，頻率50Hz，額定轉速1425r/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[1]。

2 變槳距控制系統實現

2.1 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，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、發電機及電力電子器件等設備制造技術的進步，現代風力發電系統對控制系統提出了更高的要求。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電系統其市場占有量最高，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對供電品質的要求，需控制發電機輸出功率穩定在額定功率。

2.3 變槳距控制系統軟件實現

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2所示。

圖2

當風速達到切入風速2.5m/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25m/s時，快速執行收槳停機。

3 結語

與常規的控制技術和模糊控制技術相比，顯著地改善了系統的各方面性能，具有良好的快速性、穩態精度和抗干擾能力，控制輸出的槳距角精度更高，響應速度更快，功率更加靠近發電機額定功率。