大型風力發電機組變槳控制及載荷仿真探究

張廣興

作為一種低成本、可再生、無污染的能源，風能在短時間內世界范圍中獲得了飛速的發展和進步。風能的發展潛力巨大，且隨著風力發電技術的進步，其發電機組的運用范圍也在不斷擴展。目前，該技術廣泛運用于大型風力發電機組中。本文分析了大型風力發電機組的國內運行現狀，分析大型風力發電機組變槳控制系統特點，以仿真荷載角度進行研究分析，希望能夠為優化機械系統建設有所參考借鑒。

1 大型風力發電機組變槳系統結構特點

作為當代常見的能源轉換裝置，風力發電機組是風能轉換為電能的重要裝置。目前，風力發電機組主要由發電機組、變槳系統以及控制系統、風輪等幾個部分構成。其中變槳系統是風力機組控制變槳距離，保證其能源轉換的重要裝置。其主要有以下幾個特點。首先，當風速但低于額定風速時候，發電機組處于在穩定的功率環境中，且風速若隨之增加，高于額定風速時候，整個發電機機組的輸出功率也會增加。若輸出功率超過了額定功率，整個機組的電氣轉速和輸出功率都會發生變化；可見，隨著風速的變化，變槳系統的裝置內部能源吸收和轉換效率都會發生明顯的改變。對應的技術人員可通過觀察變槳系統風速的變化，不斷提升和優化機組的運行效率，以此來調整，優化其發電量。

2 在S lo lid Wo rk s 仿真模擬變槳系統

輪轂是安裝變槳系統的關鍵位置，通過固定變槳的位置，可以調節整個控制油缸；執行下，槳葉和變槳軸承都有較大變化，且這些零件依次連接后，通過法蘭與主軸連接進而進行風力發電機組的變槳機構仿真研究。在SolidWorks 建模中，應當將模型簡易化，且保留具有運動特征零件。且按照對應的裝配關系，將這些零件進行依次連接，裝配后，主要零件之間需要重新固定，通過加強副連接狀態控制，進而保證仿真控制的真實性和有效性。針對變槳轉盤組件、輪轂組件等零部件，可以簡化一些微小，非重要的零部件模型。盡量保存零部件、齒輪等結構。

為了保證變槳調節動作順利完成，模型設計單位需要針對實際的安裝生產需求連接各個零部件，保證零部件的導向桿和調節架都能滿足變槳調節的位置需求，且槳葉轉盤的中間連接軸和回轉孔的軸線也應當沿著槳葉盤旋轉。此外，模型要保證調節架、輪轂、連桿機構與變槳轉盤等連接緊密，且其他兩組的配合關系應當要穩定，相位上保持120°的距離。分析大型風力發電機組變槳系統Adams 中建模完成SolidWorks 變槳機構三維模型建模后，需要將模型及時導入的到Adams，進而設置其約束、驅動值。零部件之間實現約束控制后，可以根據實際的工作狀態，及時轉換實際工作的關系，并觀察槳葉轉盤的幾何中心、其他參考點來設置模型變量，且模型設計中要時刻關注變槳調節架、遙桿螺旋副鏈接的穩定性。

遙桿也要和安全油缸、變槳調節架以及控制油缸桿之間的連接穩定，可采用球鉸副連接，設置約束時候要選用合適的約束方向。針對以上三個方法研究，變槳機構約束設置完成后，最終完成變槳系統零部件的穩固連接，其主要的處理方式如下文所述。

2.1 風力荷載條件研究

仿真分析現場風力荷載數據，計算在差異性的風力荷載影響下，風力作用對槳葉的驅動作用。可假設槳葉為剛體，風力作用產生的扭矩可直接作用到輪轂上，且當風力發電機組和動力學仿真運動時候。仿真大型風力發電機組變槳控制過程。

2.2 變槳力荷載分析

變槳運動和控制油缸有關，在特殊的運行環境下，安全油缸驅動、變槳機之間的關聯和運動規律，控制變槳的速度、風速以及功率之間的關聯性。如其中變槳力并不恒定，需要在Matlab 系統中予以控制。在Adams 仿真模型中，僅僅能控制系統方向和距離。

2.3 變槳控制研究

在實際的風機系統中，所有的作用力和參數都需要在某一作用力下運行控制。通過作用力參數控制和風機研究可有效反映風機實際運行控制作用。在Adams 中建立對應的風機三維幾何模型為實體模型，經過物力、化學、生物性能等模擬研究分析后得出了可控的數據值，只要保證其在參數范圍內運動，可實現變槳綜合運動，有效控制風速、風向以及其他特征。

計算研究可知，經過Matlab/Simulink 變槳系統控制研究分析后，讓槳葉旋轉到一定角度，可以控制槳距角位置。

2.4 聯合仿真控制

在Adams 與Matlab 聯合仿真控制時候，可優先選用風機運行控制的特征，借助仿真變槳機構以及特定的狀態參數風速基于風機驅動、提速到穩定運行全過程，所選用的風機仿真運行參數為17 m/s，發電機功率1 250 kW，槳距角20°，發電機轉子轉速1 056.41 r/min，主軸轉速19.981 r/min，偏航角(風向角)10°。風機的初始狀態為靜止平衡狀態，即所有可運動的零部件的速度為0，除重力外，所有零部件的受力大小為0。仿真計算時間100s，計算方法采用ode 15 s(stiff/NDF)，變步長，相對誤差0.001，最大階數為5。

3 大型風力發電機組變槳運動仿真結果分析

經過比例控制以及微分、常數控制，二階微分方式以此來帶動油缸內部安全油缸的全油缸驅動以及變槳葉處理方式實現目標，并通過調整變槳調節架沿著平行導桿滑動，讓主軸和地面形成傾角。受到重力的影響，整個變槳可出現不平衡問題（如圖1，圖2 所示），表示變槳隨著Y 方面的波動值約在±50mm·s- 2。對應的單位可根據此仿真數據，進一步探討大型風力發電機組變槳運動特征，因地制宜設計出滿足人們生活、生產需求的大型風力發電機組。

圖1 變槳架在Y 方向速度隨著時間變化

圖2 變槳架在X 方向速度隨著時間變化