風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)械變頻控制技術(shù)

鄭育松

摘 ? ?要：近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)電能需求的增加，風(fēng)力發(fā)電有了很大進(jìn)展。把風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為研究的主體，具體表現(xiàn)出在風(fēng)機(jī)輸出電能的頻率變化機(jī)制在金屬帶式無(wú)級(jí)變速器中的實(shí)用性。構(gòu)建該系統(tǒng)的金屬帶式無(wú)級(jí)變速器在物理范疇內(nèi)的模型并明確其具體的應(yīng)用原理，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)械變頻控制系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)落實(shí)到實(shí)處。以大量的實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)進(jìn)行具體的數(shù)據(jù)分析，得到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出頻率為50Hz，進(jìn)一步證實(shí)機(jī)械變頻機(jī)理的真實(shí)性、準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);機(jī)械變頻;金屬帶;無(wú)級(jí)變速;恒頻

1 ?引言

我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)正在日益提高，但是還有許多方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于許多歐洲及北美國(guó)家。在傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)技術(shù)上，基本上采用電力電子逆變技術(shù)，然而目前成熟的逆變技術(shù)大多數(shù)都應(yīng)用于大型的電力系統(tǒng)。對(duì)于分布式能源的逆變技術(shù)還存在一些技術(shù)難點(diǎn)。主要是因?yàn)榉植际侥茉吹碾娏δ茉淳哂虚g歇性，且幅值和頻率的波動(dòng)性均較大。

2 ?風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)械變頻模型

金屬帶式無(wú)級(jí)變速器箱體采用鋁合金鑄造而成，在保證機(jī)械強(qiáng)度的要求下具有很高的功率密度。該金屬帶式無(wú)級(jí)變速器使用椎盤電機(jī)、減速齒輪、螺桿螺母和碟形彈簧代替原液壓系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)效率。金屬帶式無(wú)級(jí)變速器主要由主動(dòng)軸、從動(dòng)軸、碟簧和傳動(dòng)金屬帶構(gòu)成。當(dāng)系統(tǒng)傳動(dòng)比穩(wěn)定時(shí)，主動(dòng)動(dòng)椎盤、主動(dòng)定椎盤、金屬帶、碟簧、從動(dòng)定椎盤和從動(dòng)動(dòng)椎盤達(dá)到力學(xué)平衡。當(dāng)椎盤電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，平衡被打破，主動(dòng)推盤碟簧釋放能量，主動(dòng)動(dòng)椎盤左移，主動(dòng)椎盤間距減小，金屬帶在主動(dòng)錐盤上的節(jié)圓半徑增加，金屬帶在從動(dòng)錐盤上的節(jié)圓半徑減小，推動(dòng)從動(dòng)動(dòng)錐盤左移，從動(dòng)錐盤上的碟簧儲(chǔ)能，達(dá)到新的力學(xué)平衡，進(jìn)而使金屬帶式無(wú)級(jí)變速器輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。因此，通過(guò)調(diào)整椎盤電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)頻率控制。

3 ?控制系統(tǒng)理論分析

3.1 ?速比模型

所謂速比模型，即金屬式無(wú)級(jí)變速器的傳動(dòng)速比模型，需要主、從動(dòng)帶輪的節(jié)圓半徑RDR、RDN兩個(gè)要素推算。其推算方式的結(jié)果為從動(dòng)輪節(jié)圓半徑與主動(dòng)輪節(jié)圓半徑的比值，當(dāng)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(jié)構(gòu)不同，還需獲得變速器輸出軸，輸出軸的轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)傳動(dòng)比。

3.2 ?數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需在速比范圍內(nèi)控制離合器的位置，當(dāng)風(fēng)速在速比范圍內(nèi)，離合器接合;當(dāng)風(fēng)速在速比范圍之外，離合器分開(kāi)?？煽刂棋F盤相互位置以控制速比輸出，即控制錐盤電機(jī)完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)恒定頻率的電能輸出。錐盤電機(jī)始終處于動(dòng)態(tài)運(yùn)行，從最大傳動(dòng)比到最小傳動(dòng)比（或從最小傳動(dòng)比到最大傳動(dòng)比）的調(diào)速過(guò)程需要一定時(shí)間。此時(shí)主動(dòng)軸動(dòng)錐盤和從動(dòng)軸動(dòng)錐盤從靜止開(kāi)始加速，直至運(yùn)動(dòng)到正確位置。與滾輪螺母角速度不同的是椎盤電動(dòng)軸的加速度受一級(jí)同步帶傳動(dòng)和二級(jí)減速齒輪傳動(dòng)。兩個(gè)因素影響，其角加速度即調(diào)速電機(jī)軸的角速度等于滾動(dòng)螺母的調(diào)節(jié)角速度，同步帶傳動(dòng)比與減速齒輪傳動(dòng)比的乘積。

4 ?控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 ?硬件設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)金屬帶式無(wú)級(jí)變速器系統(tǒng)主要由葉片、增速齒輪、無(wú)級(jí)變速器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和升壓變壓器等組成。風(fēng)能經(jīng)葉片轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)增速齒輪箱升速轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，然后輸入到金屬帶式無(wú)級(jí)變速器產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)速，之后由風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生50Hz的交流電，最后經(jīng)升壓變壓器直接并入電網(wǎng)。椎盤電機(jī)控制系統(tǒng)完成金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的輸入軸轉(zhuǎn)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(hào)的采集與監(jiān)測(cè)。

4.2 ?軟件設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的變速器的軟件控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)速傳感器與椎盤位置傳感器，同時(shí)采集轉(zhuǎn)速信號(hào)與椎盤位置信號(hào)，自動(dòng)計(jì)算出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速N與目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1的差值，發(fā)動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的條件是差值大于e，反轉(zhuǎn)的條件是差值小于-e。超出此范圍則椎盤電機(jī)停止運(yùn)行。

5 ?仿真調(diào)試與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定

（1）仿真調(diào)試。由于課題實(shí)驗(yàn)室與廠房距離較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試需要大型的輔助設(shè)備來(lái)幫助變速箱來(lái)完成工作，不方便來(lái)回現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，因此本項(xiàng)目采取實(shí)驗(yàn)室仿真調(diào)試以及在廠房采集相關(guān)數(shù)據(jù)。錐盤位置傳感器是靠錐盤在不同位置電阻值不同導(dǎo)致輸出電壓不同來(lái)給出信號(hào)，因此，在實(shí)驗(yàn)室里錐盤位置信號(hào)由一個(gè)小的可調(diào)電阻來(lái)代替。按電路圖把所有的設(shè)備都連接好，STC單片機(jī)通過(guò)RS232數(shù)據(jù)線連接到計(jì)算機(jī)。打開(kāi)STC-ISP軟件把程序讀入到單片機(jī)中。準(zhǔn)備工作就緒后開(kāi)始正式調(diào)試。打開(kāi)信號(hào)源電源，打到X100的檔位開(kāi)始調(diào)整頻率。大H橋正轉(zhuǎn)時(shí)，電路板上LEDS會(huì)亮;反轉(zhuǎn)時(shí)，LED6會(huì)亮;不轉(zhuǎn)時(shí)，兩盞同時(shí)亮。①信號(hào)源發(fā)出0-SOHZ內(nèi)任意值，看輸出頻率為多少，輸出頻率會(huì)顯示在八段碼顯示器上。然后調(diào)整小變阻器，使其變大，最終讓LEDS和LED6同時(shí)點(diǎn)亮，使輸出頻率為48HZ-52HZ之間。②信號(hào)源發(fā)出SOHZ以上任意值，看輸出頻率為多少，輸出頻率會(huì)顯示在八段碼顯示器上。然后調(diào)整小變阻器，使其變小，最終讓LEDS和LED6同時(shí)點(diǎn)亮，使輸出頻率為48HZ-52HZ之間。③信號(hào)源發(fā)出48-52HZ任意值，看LEDS，LED6是否同時(shí)亮起，輸出頻率為48HZ-52HZ之間。（2）現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。第四章提到，需要錐盤極限位置信號(hào)，該信號(hào)值是預(yù)先設(shè)定在二甸寺中，其實(shí)就是兩個(gè)電壓值，靠錐盤上的接近傳感器去發(fā)出信號(hào)。因此，本項(xiàng)目首先得標(biāo)定錐盤的極限位置電壓值。本次在廠房的實(shí)現(xiàn)目的如下：①標(biāo)定錐盤的極限位置信號(hào)電壓;②標(biāo)定錐盤在極限位置之間任意點(diǎn)的速比。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：進(jìn)入到廠房后，用升降臺(tái)把EMCVT與驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(wàn)用表，以等待信號(hào)輸出，實(shí)驗(yàn)人員在輸入軸，輸出軸兩端等待測(cè)量轉(zhuǎn)速，準(zhǔn)備就緒后，開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)變速箱開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，等待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定好，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)5組的實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記下，最終確定本臺(tái)CVT的錐盤的極限位置的電壓信號(hào)值是：最大電壓信號(hào)值：4.39V;最小電壓信號(hào)值：0.63V。在錐盤極限位置之間的任意值的速比見(jiàn)附錄to根據(jù)數(shù)據(jù)資料，利用matlab軟件，把數(shù)據(jù)的趨勢(shì)走向描繪出來(lái)，將輸入的信號(hào)值與速比值制成一個(gè)二維圖形，根據(jù)圖形形狀可以直觀的看出二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與走向趨勢(shì)，利用最小二乘法進(jìn)行擬合，估測(cè)出近似表達(dá)式，建立一個(gè)完整的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)第二次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，第二次實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更高，在進(jìn)行擬合時(shí)，與擬合值進(jìn)行比較來(lái)看，誤差很小，所以，兩組模型的建立很是成功。

6 ?結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，由理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的結(jié)合數(shù)據(jù)表明，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用該金屬帶式無(wú)級(jí)變速器系統(tǒng)基本滿足預(yù)期目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了無(wú)諧波污染與恒頻控制，根據(jù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)獲得控制信號(hào)和速比值的線性關(guān)系。

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