（机械电子工程专业论文）风力发电机组电液比例变桨距控制半物理仿真试验台研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 自7 0 年代以来，在世界能源危机的背景下，风能作为清洁可再生能源，得 到各国的普遍关注。随着风力发电应用的日益广泛，风力发电技术日新月异。本 文基于国家8 6 3 工程建设项目“风力发电机组变桨距控制系统的研究”课题，对 变桨距液压控制系统部分进行研究，搭建了风力机电液比例变桨距控制半物理仿 真试验台，依据试验台试验结果，提出了分段p i d 变桨距控制算法。 - 每文共分六章： 第一章绪论，首先对世界风力发电技术发展历史、技术趋势以及目前技术现 状进行了概括，对国内风力发电技术研究的必要性进行了介绍。同时阐述了本课 题的研究意义，并对本论文的研究内容做逐一介绍。 第二章，介绍了风力机空气动力学理论基础，阐述了风力发电机的工作原理 和变桨距控制理论依据。 第三章，分析介绍了变桨距装置基本组成部分，依据国外资料以及国内现有 元器件和加工水平，设计了变桨距控制液压系统，并详细阐述了变桨距过程，液 压系统的工作情况。 第四章，依据真实的风力机变桨距机构要求搭建了电液比例变浆距风力机半 物理仿真试验台，其中变桨距执行机构、加载装置、控制器都是真机，其它部分 由仿真微机上“b l a d e df o rw i n d o w s ”软件来模拟。详细介绍了仿真微机和控制 器软硬件的设计，通过本试验台可以为变桨距执行机构、控制器以及控制规律等 进行研究。 第五章，在此试验台上进行了低于额定风速、高于额定风速、紧急停机等各 项工况下进行试验，验证试验台设计的合理性。针对常规p i d 控制算法的局限性， 提出了分段p i d 变桨距控制算法，并且通过试验与常规的p i d 控制的试验比较， 大大减小了发电机输出功率的波动。 第六章，总结本课题的工作，展望后续的研究内容。 关键词：风力发电机组；变桨距；分段p i e ) 控制；b l a d e d 浙扛大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sak i n do fr e n e w a b l es o u r c e so fe n e r g y , w i n dp o w e ri su t i l i z e di n c r e a s i n g l yt o ag r e a te x t e n d s i n c e7 0 s ，w i n de n e r g yh a sb e e nu t i l i z e e lm a i n l yi nw i n dt u r b i n e ，s o e v e r yc o u n t r yi nw o r l dp a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nl or e s e a r c ho fw i n dt u r b i n e t h e t h e s i si sd e r i v e df r o mt h ep m i e c to ft h en a t i o n a l8 6 3e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n “r e s e a r c ho fp i t c h - c o n t r o l l e ds y s t e mo fw i n dt u r b i n es e t ”i nt h i st h e s i s t h ea u t h o r m a i a l yr e s e a r c ht h ep a r to fh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo fp i t c h - c o n t r o l l e ds y s t e m s e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i o nt e s t b e df o rw i n dt u r b i n ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l p i t c h - c o n t r o l l e ds y s t e mi s b u i l tu p w i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t st h es e c t i o np i d a d j u s t m e n ta r i t h m e t i ch a sb e e na p p f i e da n dv a l i d a t e d t h et h e s i si n c l u d e ss i xc h a p t e r s ： i nc h a p t e r1 ，f l r s to fa n , t h eb a c k g r o u n do ft h i sp r o j e c tw a sp r e s e n t e da n dt h e a u t h o ro v e r v i e w e dt h et e n d e n c y 、d e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dt h ec u r r e n tr e s e a r c ho f w i n dt u r b i n es e ti nd o m a i na n do v c r s c a t h e np u tf o r w a r dt h en e c e s s a r yo ft h e t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to fw i n dt u r b i n es e t m e a n w h i l e ，t h ea u t h o rr e p r e s e n t e dt h e m e a n i n go ft h ep r o j e c ta n dp u tf o r w a r dt h em a i no b j e c t i v eo ft h i sr e s e a r c hp f o j e c t i nc h a p t e r2 b a s e do nr e s e a r c ho fw i n dt u r b i n ea e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no ft h ep i t c h - c o n t r o l l e dm e t h o dw a sb u i i t i nc h a p t e r3 t h ep i t c h - c o n t r o l l e ds y s t e mw a sd e s i g n e do i lt h eb a s i so ft h e e l e m e n ta n dp r o c e s sl e v e l mc h a p t e r4 t h e nt h es e m i p h y s i c a ls i m u l a t i o nt e s t b e df o rw i n dt u r b i n e e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lp i t c h - c o n t r o l l e ds y s t e mw a sb u i l tu p ，i nw h i c h p i t c h - c o n t r o l l e da c t u a t o r , l o a dd e v i c ea n dc o n t r o l l e rw e r ea l lp h y s i c a le q u i p m e r i t s t h e o t h e r sw e r es u b s t i t u t e db yt h e “b l a d e d ”s i m u l a t i o ns o f t w a r e t h ew h o l et e s t b e d c o u l db er e g a r d e da sar e a lp i t c h c o n t r o l l e dw i n dt u r b i n e i nc h a p t e r5 ，i nt h et e s t - b e d , t h ec o n t r o l f i n gp e r f o r m a n c e sw e r ea l lq u a l i f i e dt h e r e q u i r e m e n t su n d e rt h ec o n d i t i o no fl o w e rt h er a t ew i n ds p e e d , a b o v et h er a t ew i n d s p e e d , e m e r g e n c ys t o p w j t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h es e c t i o np i da d j u s t m e n t a r i t h m e t i cw a sa p p l i c da n dv a l i d a t e d h c h a p t e r6 a l lo fa c h i e v e m e n t so ft h et h e s i sa r es u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e r r e s e a r c hw o r k , w h i c hw o u l db ed o n e ，w a se x p e c t e d k e y w o r d s ：w i n dt u r b i n es e t ；p i t c h e d - c o n t r o l l e d ；s e c t i o np i da d j u s t m e n t ； b l a d e d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝 江盘茎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝惜签名抛，惦隰p 占年弓月肌 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝、江盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盘至三盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文储躲化，嘞翘 签字日期：驴g 年弓月口日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期： 。多年) 月f u 日 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 1 1 世界风电发展 第一章绪论 1 9 世纪末，丹麦人首先开始探索风力发电，1 8 9 1 年，丹麦研制了风力发电 机，建成了世界上第一座风力发电站。1 9 7 3 年石油危机发生后，世界许多国家 特别是欧洲国家痛感能源安全的重要性，纷纷制定能源多样性战略，为寻求替代 化石燃料的新能源，大力研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时期。 近几年来，风力发电的发展不断超越其预期的发展速度。过去5 年中全球风 电累计装机容量的平均增长率一直保持在3 3 ，而每年新增风电装机容量的增 长率则更高，平均为3 5 7 。根据全球风能顾问委员会通报，2 0 0 4 年世界风力 发电量提高2 0 ，达到4 7 3 1 7 兆瓦。欧盟各成员国名列榜首，2 0 0 4 年风力发电 量为3 4 2 0 5 兆瓦，占总数的7 2 ，比2 0 0 3 年增长了2 0 ；北美位居第二，总量 为7 1 8 4 兆瓦；其次是亚洲，总量为4 6 7 4 兆瓦，其中，印度、日本、中国分别为 3 0 0 0 兆瓦、8 7 3 兆瓦和7 6 4 兆瓦。“1 德国位居风电发展的世界领先地位。2 0 世纪8 0 年代，德国政府资助了一系 列研究计划。1 9 9 1 年，国会又通过了强制购电法，使市场出现了重大突破。到 2 0 0 3 年年底，德国装机容量已达到1 4 6 0 万千瓦，占全世界风力发电总量的1 3 以上，全欧洲总装机容量的一半以上。德国温室气体排放量近年来减少了约1 7 0 0 万吨，为德国实现京都议定书的减排目标做出了巨大贡献，增强了德国可 持续发展的动力。2 0 0 4 年风电占德国发电总量的5 3 ；预计到2 0 1 0 年风电比例 将升至8 。德国制定了一个新的风电发展长远规划，预计到2 0 2 5 年风电至少占 总用电量的2 5 ，到2 0 5 0 年占总用电量的5 0 。嘲嘲 丹麦和西班牙的风电也在高速发展。西班牙的2 0 0 2 年新增装机容量达1 5 0 万千瓦，欲挑战德国争夺欧洲之冠的地位。 丹麦是北欧最小的国家，但却有6 5 万多人从事风电产业工作，其营业额 已经达到3 0 亿欧元，丹麦风电制造业成为其经济的巨大动力，是一个商业化成 功的案例。丹麦每年光风机产品的出口收入就接近五、六十亿美元，其风电机组 产品占到世界市场的6 0 - 7 0 ，主导着全球的市场。1 9 8 1 年，丹麦制定了第一 浙江大学硕士学位论文 个能源计划，提出到2 0 0 0 年风电装机约9 0 万千瓦，满足1 0 的电力需求，丹 麦历届政府都略定地执行国家能源计划，务求减少对进口燃料的依赖，以促进可 持续发展。从1 9 7 6 年到1 9 9 5 年，丹麦投入l 亿美元用于风能发电的研究与开发。 丹麦已经成功地用风电来满足国内2 0 的电力需求，这一比例目前成为世界第 一2 0 0 3 年又提出到2 0 3 0 年风电将满足约一半的电力需求，减少一半的二氧化 碳排放量。要达到这个新目标，风电装机容量将超过5 5 0 万千瓦，其中相当一部 分来自近海风电场。1 9 9 1 年，丹麦建立了欧洲第一座海洋风力发电厂。2 0 0 0 年 和2 0 0 3 年，分别在北海近海兴建了两座海上风电场，m i d d e l g r u n d e r 海上风电 场是耳i ；i 世界上最大的海上风电场，装机容量4 万k w ，由2 0 台2 兆瓦风力机组 成。丹麦还计划在2 0 0 8 年完成5 座近海风电场，总装机容量达到7 5 万千瓦。据 报道，丹麦政府已与企业签署了在北海与波罗的海之间的海面上建设发电量为 4 0 0 万千瓦风力发电站的协定。这意味着每年将在海面上建立起3 0 至4 0 万千瓦 的风力发电站。呻 美国风电经历了2 0 世纪9 0 年代的沉寂之后，很快又成为世界最大的风电市 场之一。目l j 共有2 7 个州建有大型的风电场。截止2 0 0 3 年底，装机容量达6 3 7 万千瓦。美国在西部华盛顿州和俄勒冈州的交界处建起了4 5 0 多台大型风力发电 机，总装机容量3 0 万千瓦，是目| j 世界上最大的一个风电场。在加州海岸，翼 展半径5 0 米的风力发电机组依次排开，一台电机的发电量就是5 0 0 0 千瓦。计划 于2 0 0 8 年竣工的重建在纽约世贸中心双子星座大厦废墟上的自由塔，设计安装 在顶部的风力发电机将能够提供大楼需要电能的2 0 。 印度是发展中国家的风电先锋。印度风能开发起步晚于我国近l o 年，但发 展速度很快。印度鼓励能源的多元化，以避免国家因高速的经济增长而使煤、石 油和天然气的需求过分增长。印度已经成为全球第五大风电生产国，2 0 0 4 年其 风电装机是我国的3 9 5 倍，风电产业已初具规模。其生产的大型风力机不仅供 自己国内还出口到美国等国家，以极高的性价比赢得了国际风能界一致好评。 目前世界各国运行的风力发电装置总数约2 0 0 0 0 0 台，其中并网的约有2 5 0 0 0 台，总装机容量接近2 5 0 0 0 唧( 见图卜1 ) 。 2 浙江大学硕士学位论文 享 邑 棚 秭 暴 j i 时间1 年， 图卜1 世界风力机装机总容鼍 欧洲风能协会和绿色和平组织签署了风力1 2 一关于2 0 2 0 年风电达到世 界电力总量的1 2 的蓝图的报告，该报告中期望并预测2 0 2 0 年全球的风力发 电装机容量将达到1 2 3 1 亿k w ，这是2 0 0 2 年该数值的3 8 4 倍”1 ，年安装量达到 1 5 亿k w ，同时风力发电量将占世界总量的1 2 。这份蓝图预示着风力发电已 经崛起为解决能源问题的另一个重要力量。风力发电将摆脱能源世界点缀者的形 象，成为具有商业化前景的集成多种成熟技术的交叉产业，有可能成为未来最重 要的替代能源。 1 2 国内风电发展 我国风能资源丰富，陆地理论储量3 2 亿千瓦，据气象部门的预测，我国陆 地上可开发的风能资源即达2 5 3 亿千瓦，加上近海1 0 米水深海域的风能资源约 7 5 亿千瓦，全国可开发风能资源估计在1 0 亿千瓦以上，居世界首位，商业化、 规模化发展潜力巨大。“世界能源理事会”1 9 9 4 年风能评估报告指出，中国理 论风力资源潜力是1 7 ，0 0 0 t w h 年附m 中国风电开发可以达到1 0 0 ，0 0 0 m w 。 2 0 0 4 年以来，我国各地有一系列的风电项目相继上马建设，据不完全统计， 2 0 0 4 年全国在建风电项目的装机容量约1 5 0 万千瓦，几乎是此前2 0 年我国风电 装机总量的三倍。随着可再生能源法的颁布，过去长期制约风电发展的激励政策 3 浙江大学硕士学位论文 不配套、风电电价形成机制不健全、风电上网难、银行信贷融资困难等问题已引 起国务院和国家有关部门和各方面的重视，并将依法予以解决，将大大改善我国 风电投资环境，从而增强了投资信心。嘲嘲今年各地开发风电项目的利好消息接 踵而来，这预示着我国风电建设已走出探索、示范、徘徊发展的阶段，即将进入 快速发展的新时代。 2 0 0 4 年1 1 月1 日第三届世界风能大会在我国北京举行，由此可以看出国际 风电行业对我国风电潜力的重视，我国的风力发电方兴未艾。 1 3 风力发电机组总体概述 1 3 1 风力发电机简介 从捕获能量的过程看，风轮和发电机组成了风力发电机最重要的两大部分组 成。其中风轮的主要功能足将风能转换为机械能。图l 一2 为风力发电机组在并 网情况下应用的总体结构示意图“”。 定 图l - 2 风力发电机组结构总图 在风力发电机正常运行过程中，风用在桨叶上产生旋转力矩使其转动，由此 变成机械能，进而通过其他机械结构如增速齿轮箱驱动发电机发电。 4 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 风力机分类 风力发电机有多种类型和样式，分类的方式也很多。如果以转换风能的主要 部件风轮来分，风力机按照收集风能的结构形式以及在空间的布置，可分为两类， 如图1 - - 3 ，一为水平轴风力机；二为垂直轴风力机n 1 1 n ”。 ( a ) 水平轴风力机 图i - 3 风力发电机类型 ( b ) 垂直轴风力机 ( 1 ) 水平轴风力机 水平轴风力机的风轮轴与地面呈水平状态，风力机运行时，风轮的旋转平面 垂至于风向，如图1 3 ( a ) 所示。用于风力发电的风力机一般叶片数取2 - 4 ，普 遍采用全翼展或者l 3 翼展桨距控制或叶尖失速控制。 ( a ) 上风向风力机( b ) 下风向风力机 图1 - 4 水平轴风力机类型 5 浙江大学硕七学位论文 对水平轴风力机而言，按照风轮与塔架相对位置分类，可有上风向和下风向 的区别。风轮安装在塔架前面的，称为上风向风力机。风轮塔架后面旋转，气流 依次流经塔架、风轮，叫做下风向风力机。上风向风力机需要有对风机构，而下 风向风力机在风的作用下自动对准风向，无需对风机构如图l 一4 。 下风向风力机运行时，因为塔影效应使得机组从风能中吸收能力受到影响。 ( 2 ) 垂直轴风力机 垂直轴风力机的风轮转轴与地面呈垂直状态，如图1 3 ( b ) 所示。任何方 向的风都能驱动其转动，可以免去自动对风机构，整体的机构可以相对简化。垂 直轴风力机的最突出的优点是不需要塔架，发电机可以安装在地面上，维护方便。 垂直轴风力机主要分为两个主要类别：一是利用空气动力的阻力做功的s 型 风轮，二是利用翼形升力做功的达里厄( d a r r i e u s ) 型风力机。由于捕获风能的能 力弱，消耗材料多，占地面积大，所以目l ； 商用大型风力发电机组主要是水平轴 风力发电机。本文中所指的风力机即水平轴风力发电机。 1 3 3 水平轴风力发电机 图1 - 5 风力发电机的组成 l ：轮毂( 装叶片) 2 ：刹车系统3 ：塔架4 ：电机5 ：传动系统6 ：叶片 6 浙江大学硕士学位论文 风力发电系统是将风能转换为电能的机械、电气及其控制设备的组合，通常 由叶轮、增速齿轮箱，发电机、调向机构、控制系统、塔架等部件所组成，图1 5 所示为风力发电机结构立体示意图。 叶轮的作用是将风能转换为机械能，它由叶片垂直安装在轮毂径向，组成叶 轮；轮毂连接叶片根部和转动主轴；风作用在叶片上的转动力矩，通过轮毂传递 到传动系统，驱动发电机工作同时变桨距控制驱动机构也安装在轮毂里面。 水平轴风力发电机需要通过塔架将其置于空中，以捕捉更多的风能。调向机 构是用来调整风力机风轮叶片旋转平面与空气流动方向相对位置的机构。 控制系统是风力发电机组的中枢，由它完成机组的所有工作过程，并提供人 机接口和远方监控的接口。l o o k w 以上的中型风力发电机以及1 姗以上的大型风 力发电机组皆配有微机或者可编程控制器( p l c ) 组成的控制系统来实现控制、自 检，和显示功能。 1 3 4 发电机分类 风电机组配套使用的发电机主要有两类：同步发电机和异步发电机。 同步发电机在阵风时因输入功率有强烈的起伏，顺态稳定性是个严重的问 题，同时还需要严格的调速及同步并网装置。异步发电机优点较为突出，既可独 立运行，且不需要严格的并网装置，可以较容易的与电网连接。同时还具结构简 单、坚固廉价，易维护、低功耗、高可靠性、无需励磁装置和电刷，是风力机等 发电系统的最佳配置。 异步发电机作为并网型发电设备主要有两类：恒速恒频发电系统和变速恒频 发电系统。在风力发电机组并网时，风电的频率与电网的频率一致，即保持频率 恒定，在发电过程中保持发电机的转速不变得，即恒速恒频发电系统。发电机转 速随着风速而变化的称之为变速恒频。 当前风力发电系统的异步发电机，恒速恒频发电系统使用最多。但变速恒频 发电系统可以在较大的风速范围内按最佳效率运行，这项优点日益受到关注。从 风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于风速，并保持一个恒定的 最佳叶尖比 ，从而使风力机的风能利用系数c 保持最大值不变，风力发电机 组输出最大的功率。 风力发电的变速恒频系统有交一直一交变频系统，变流励磁发电系统、无刷 7 浙江大学硕士学位论文 双馈电机系统、磁场调制发电机系统、同步异步变速恒频发电系统等。其中，无 刷双馈电机在转子转速变化的条件下，可以通过控制励磁机的励磁电流频率来使 发电机输出电频率维持在5 0 h z ，并且结构简单，坚固可靠，在风力发电这样运 行环境比较恶劣的现场较为合适。 1 3 5 风力机功率调节方式分类 受限于电机和变速箱的转速以及电机和其他电气元件的功率承受能力，发电 机的输出功率不能象理论上那样随风速的变化而不断上升。风力机按功率调节方 式可以分为两类，定桨距失速调节型和变桨距调节型风力机。 ( 1 ) 定桨距失速调节型风力发电机 定桨距是指叶片固定安装在轮毅上，节距角( 叶片上某一点的弦线与转子平 面间的夹角) 保持不变。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，采用这种 翼型的桨叶，当风速高于额定风速运行时，气流的攻角增大到失速条件、在桨叶 的表面产生涡流，效率降低，由此使转速和输出功率得到限制，在低风运行阶段， 采用小电机具有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。 皇 * 蟊 o5 l o1 52 0 2 5 风速6 i ，8 ) 风速o i ，o ) 图1 - 6 风力发电机组的功率控制曲线 这种风力发电机调节的优点是简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化 只通过桨叶的被动失速调节而不作其他控制，控制系统可以大大简化，和变桨距 风力发电机叶片相比，缺点是叶片重量大，轮毂、塔架等部件受力增大，整体的 效率较低 8 置哥捍 浙江大学硕七学位论文 风电机基本上都采用了鼠笼型转子，部分机组采用变极技术来提高低风速时 段的发电效率。通过改变鼠笼型异步发电机定子绕组的接法，可以改变定子绕组 的极对数，异步发电机的转速与极对数的关系为： 。6 0 f p ( 1 1 ) 式中p 一磁极对数 f 一电网频率，f = 5 0 h z n 一发电机转速( 转分) 这样通过定子绕组连接方式的改变，不但提高了风电机的效率，而且更有效 的利用了低风速时段的风能。 对于定桨距风力发电机组而言，一般在低风速段的风能利用系数较高，当风 速增大到额定点附近，风能利用系数大幅度下降，因为这时随着风速的升高，功 率上升趋缓，当风速超过额定点以后，桨叶开始出现失速现象，功率随着风速的 升高而有所下降，如图1 6 所示。 ( 2 ) 变桨距调节型风力发电机 风力机依据风速的大小，改变轮毂上桨叶节距角的大小，调节发电机在高风 阶段的输出输出功率，降低风力剧变对风力机的冲击，如图1 - - 8 所示。其调节 方法分为三个过程： 第一个过程是开机阶段，当风电机达到运行条件时，控制器调节节距角。先 将节距角调到4 5 。，当转速达到一定时，再调节到0 。，直到风电机达到额定转 速并网发电； 第二阶段当输出功率小于额定功率时，节距角保持在0 。位置不变； 第三阶段，当发电机输出功率到达额定后，变桨距系统即根据输出功率的变 化调整节距角的大小，使风力机在风速高于额定风速运行时，发电机的输出功率 基本保持不变。 变桨距调节的主要优点是；桨叶受力较小，桨叶较轻，使得机组的承载结构 重量相对减少。由于节距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能 多的捕获风能，又可以在高风速时段保持输出功率平稳。其缺点是结构比较复杂， 故障率相对较高，设备价格也相对升高。 9 浙江大学硕士学位论文 目前通过采用变滑差发电机、叶片主动失速等技术，减少了变桨距机构的动 作次数，降低了变桨距轴承的机械磨损，同时使其尽量运行在最佳叶尖速比，优 化输出功率。 ( 3 ) 变速恒频风力发电机系统 变速恒频是指在风力发电的过程中，发电机的转速可以随风速而变化，由于 转速变化必然导致发电机频率的变化，所以通过适当的控制措施使其发出的电能 变为与电网同频率的电能送入电力系统，其中最常见的交一直一交方式，系统原 理接线见图1 - - 7 。 电力系统升压变压嚣 整流装置 逆变装置 风力发电机 图l 一7 交一直一交变速恒频风力机发电机组 除了具有同步输出频率的优点和更加优化的空气动力学运行条件，变速恒频 系统还取得了年输出能量和发电利用率的全面提高，同时运行转速范围较宽，可 以抑止谐波，减少损耗。另外，功率系数的问题也得到缓解。随着大功率电力电 子原件的安全可靠性的提高，变速恒频风力机在实际中得到了更加广泛的使用。 变速调节主要用来响应快速变化的风速，如果与变桨距控制结合，可以降低 变桨距调节的频繁动作，提高传动系统的柔性。变速恒频这种调节方式是目前公 认的最优调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。其主要问题是因为添加 了变速恒频装置而增加了设备费用。 综上所述，目前常见的风力发电机组可以分为：定桨距恒速风力发电机组、 定桨距变速恒频风力发电机组、变桨距恒速风力发电机组、变桨距变速恒频风力 发电机组n 3 1 1 4 o 浙江大学硕士学位论文 1 3 6 风力发电机变桨距技术介绍 风力发电的失速功率调节方式和变桨距调节方式是收集和转换风能的两种 最主要功率调节方式。 失速功率调节方式机组的叶片是固定在轮毂上，不能改变节距角，通过失速 型叶片自身的失速特性来实现功率调节。优点是结构简单、故障概率低，但是因 为限于风力发电机组的性能受到叶片失速性能，当风速高于额定值时发电功率会 随着风速的升高而下降。另外桨叶结构复杂、重量较重，不适合在大型风力发电 机组安装使用。 变桨距功率调节技术则没有上述缺点。发电机组的叶片的攻角可以随着风速 的变化始终保持在最佳角度，使风轮运行在最佳转换效率，使输出功率最大“。 对于变桨距风力发电机，当风速超过额定风速时，发电机组的出力会始终保 持在一个接近理想化的水平，提高了发电效率。同时变桨距风力发电机的叶片结 构简单、重量轻、发电机转动惯量小，适合安装在大型发电机组上。 变桨距风力机组的缺点是变桨距机构较为复杂，增加了故障的可能性，控制 系统也更加复杂，要求更高的技术水平，但是随着风电技术的进步已经得到较好 的解决。 变桨距控制机构主要分为统一桨叶控制和独立桨叶控制，其中统一桨叶控制 主要使用液压方案，独立桨叶控制主要使用电机方案。 液压执行机构通过液压系统推动桨叶转动，改变桨叶节距角。该机构的主要 优点是频率响应快、功率重量比大，目前变桨距驱动机构中主要使用液压执行机 构。 电机变桨距执行机构利用电动机对桨叶进行单独控制，和液压变桨距机构相 比，电机变桨距方案结构相对简单，不存在非线性、泄漏、卡涩等现象。但其动 态特性相对较差，有较大的惯性，特别是对于大功率风力机。在风速变化频繁， 连续频繁地调节桨叶时，电机将产生过量的热负荷而易于损坏。 1 1 浙江大学硕七学位论文 1 5 课题项目研究的意义及主要研究内容 1 5 1 课题项目研究的意义 我国风能资源丰富，能源短缺却日益严重。能源安全问题已经上升到战略安 全层面，这两年夏季全国性的缺电现实更加证实了这一点。 风力发电的缺点是风能不稳定，这使得控制技术和伺服传动技术成了风力机 的关键技术。9 0 年代以来，随着风力发电机组可靠性的提高，变桨距技术应用 日益广泛。变桨距风力发电机并网后可对功率进行控制，使风力机的起动性能和 功率输出特性都有明显改善。同时变桨距液压系统自身可以组成闭环，随着电液 比例和电液伺服技术的发展，变桨距控制系统的水平也得到进一步提高“町 1 o 鉴于变桨距技术在风力发电机组所处的重要地位，国家科技部在“十五8 6 3 计划”和“十五攻关”重大项目“兆瓦级变速恒频风力机组”课题( 2 0 0 l 从5 1 2 0 2 0 ) 中将变桨距技术列为子课题，此课题的研发工作由浙江大学流体传动及控制国家 重点实验室负责。 变桨距控制系统课题的立项经过了苍南鹤顶山现场考察和国外实地参观风 电设备安装全过程。我们搭建的风力机电液比例变桨距系统半物理仿真试验台是 国内唯一的风力机变桨距控制仿真试验台。从理论和试验结果都验证了该仿真平 台的合理性。为了模拟真实的风力机，我们从英国g a r r a dh a s s a n 公司购置了被 风电行业广泛认可的仿真软件“b l a d e df o r w i n d o w s ”。基于“b l a d e df o r w i n d o w s ” 中准确的数学模型，我们搭建的仿真试验台的试验结果更具有实际意义。 同时变桨距控制系统的算法控制对于稳定发电机在额定风速以上的功率输 出有着非常重要的意义。本试验台搭建成功后就相当于一台真实的变桨距风力 机，此试验台上可以方便的进行变桨距控制的算法研究，为变桨距控制技术获得 良好的控制特性提供条件。 目前兆瓦级变速恒频变桨距风力发电机组在国际上属于较为先进的，而变桨 距控制技术在变速恒频风力机的重要组成部分。当风速高于额定风速时，通过调 节桨叶节距角来稳定功率输出町 1 9 o 对于我国而言，兆瓦级变速恒频变桨距风 力发电机组的研制，对于破除发达国家对风电核心技术的垄断，提高我国风力发 电技术水平有着极其重要的意义 浙江大学硕士学位论文 1 5 2 课题研究的主要内容 变桨距技术在国外已经日趋成熟，但在国内的研究尚处于初期，本文研究的 传动系统主要是变桨距执行结构。研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 本课题的电液比例变桨距风力机半物理仿真试验台是根据国外文献和 现场调研，结合本国的元件和加工水平设计搭建的。整个试验台即由物理( 真机) 和数字( 模型) 部分组成，模型单元计算机可以认为是一台风力发电机，安装有 “b l a d e df o rw i n d o w s ”风力机仿真软件。控制器单元采用工控机和p l c 控制硬 件，既满足各种控制规律的研究，液压控制系统依据真实的风力发电机的执行机 构设计。为了模拟风力机的实际运行状况，在电液比例变桨距执行机构上添加了 模拟风力负载装置，根据仿真出的负载信号实时加载在变桨距执行机构上。 ( 2 ) 完成了试验台模型计算机和工控机上控制显示软件编写以及安装调试 工作，为进一步的试验工作做好准备。 ( 3 ) 电液比例变桨距风力机半物理仿真试验台变桨距试验研究，分别在正常 运行( 低于额定风速、额定风速上下、高于额定风速) 、紧急关机过程工况进行试 验，验证设计的合理性。 ( 4 ) 针对常规p i d 控制算法在试验台上应用时的不足，提出了分段p i d 算法， 即在针对不同的节距角位置采用不同的p i d 参数，并且和常规p i d 控制效果做了 比较，获得了良好的结果。 浙江大学硕士学位论文 第二章风力机变桨距控制系统理论研究 2 1 风力机的理论基础 如，：二，：“、， 却蕊 乒。杂屯二夕 浙江大学硕十学位论文 风轮时切向阻力为0 ；同时。气流均匀通过风轮扫掠面，并且叶轮前后的气流速 度保持不变，均为轴向方向。 要分析理想风轮在某流动气体中的状态，参考图2 一l ，同时假设： n 为风力机上游某处均匀风速；v 为气流通过风轮时的速度；v ：为风轮下游 某处均匀风速。设通过风轮的气流其上游截面为s 。，下游截面为s ：。假设气流 经过风轮的能源损失全部转化为风轮转动的机械能，因而圪必然低于v ，所以通 过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，所以s ：大于s 。 假设理想状况下t 时间段内，由于自然界中的空气流动可认为是不可压缩且 保持连续，所以有： s l v l t s v t s 2 ”2 t v 根据欧拉定理，作用在叶轮上的作用力应为： f t - 胪w ( h v 2 ) ( 2 3 ) 叶轮从风能中吸收的功率应为： p i f v - p s v2 ( ，i v 2 ) ( 2 - - 4 ) 此功率是由动能转换而来的。从上游至下游动能的变化为： a e - p s v t ( v 1 2 一y 2 2 ) 2 ( 2 - - 5 ) 根据能量守恒定理可以推出： v 一似4 - v 2 ) 2 ( 2 - - 6 ) 将此结果代入上式可知，作用在风轮上的力和提供的功率可写为： p - p s ( v , 2 一l ，2 2 ) ( v l + v 2 ) ，4 ( 2 7 ) f - p s ( v 1 2 一y 2 2 ) 2 ( 2 8 ) 若上游速度假定为已知，可写出以下游函数的功率变化关系，将上式微分可得 v ：一h1 3 ，功率达到最大值，其值为： p 叫- 鲁p 跏。3 ( 2 9 ) 浙江大学硕士学位论文 将上式除以气流通过扫风面时所有的动能，可得风力机的理论最大效率( 或 称理论风能利用系数) 茹。警。知9 3 ( 2 _ 1 0 ) 这就是著名的贝兹理论。它说明，风轮从自然风中获得的能量是有限的，其 功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。 能量的转换将导致功率的下降，它随所采用风力机和发电机的型式而异，因 此风力机的实际风能利用系数c ，t 0 5 9 3 。风力机实际能得到的有用功率输出 是： b 。昙肌3 犯， ( 2 1 1 ) 对于每平方扫风面积则有： p - 去肌3 c ， ( 2 1 2 三、风力机的特性系数 在讨论风力机的能量转换与控制时，以下特性系数具有特别重要的意义。 ( 1 ) 风能利用系数c 。 从前面的讨论可知，风力机只能从自然风能中获得有限的能量，其获得风 的能力大小可以用风能利用率系数c ，表示，由( 2 - 1 1 ) 式知 c ，。上 ( 2 1 3 ) 言增 式中p 一风力机从风能中获得的实际轴向功率，单位为w ； p 一空气密度，单位为k g m 2 ； s - - 风轮的扫风面积，单位为m 2 ； y 一上游风速，单位为m s 。 ( 2 ) 叶尖速比a 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来表 示，称为叶尖速比 浙江大学硕上学位论文 a ! 兰墅丛 ( 2 一1 4 ) py 式中弗一风轮的转速，单位为r s ； 一风轮角频率，单位为r a d s ； r 一风轮半径，单位为m ； 1 ，一上游速度，单位为m s 。 2 2 风力机的工作原理 ( 1 ) 静止状态下叶片的受力乜1 1 蚴1 、( 么 ， 风毫， 一 脊鼠 图2 2 风力机起动时受力情况 风力发电机的叶轮转动部分由轮毂和桨叶组成，其中桨叶均匀安装在轮毂周 围，一般为2 到3 片。桨叶围绕自身轴线转过某个角度，即使得叶片的翼弦相对 风轮旋转平面( 风轮旋转时桨叶柄所扫过的平面) 转过一个角度b ，即为节距角。 参考图2 2 可以了解风轮起动原理。风力机在偏航系统控制下，保持风轮轴 向与风向一致。 参考空气动力学可知，当空气以某个速度v 流经风轮时，桨叶i 所受到的气 动力为f ；f 可以分解成两个方向的力：顺着空气流动方向的分力f i ( 阻力) 及 垂直于空气流动方向的分力f ，( 升力) 。由于叶轮是对称安装的，如图2 - 2 ，另 一桨叶受力分析同上，故所有叶片升力f ，将对风轮轴向产生转动力矩，当合 力矩超过风轮启动所需要的力矩时，风轮即开始转动。 1 7 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 转动情况下叶片的受力“”蚴 假设在理想状态下，风速与风轮旋转面保持垂直，当风轮在某个风速v 下以 角速度为稳定转动时，则取叶片上距转轴中心r 处一小段叶片元( 叶素) 为研究 对象，来流风速v 与该叶片元绕轮毂轴向线速度( 1 ) r 的矢量和即为此叶片元相对 气流的速度。 如图2 3 所示，此时桨叶与该叶片元的攻角a 是w r 与翼弦的夹角。 气流以相对速度w r 吹向叶片元，在叶片上产生气动力f ，参考叶轮静止时 受力分析，f 可以分解为在风轮旋转面内使桨叶旋转的力以及对风轮正面的压 力；如果参考气流相对与叶片元的方向，f 可分解为垂直于w r 方向的升力f ，和 沿w r 方向阻力f l 。 考虑到风轮旋转时，叶片不同位置处绕轴心线速度不同，在相同风速下，相 同的安装角在不同的位置对风形成的攻角a 都将不同。 如果叶片每个截面的安装角随半径增大而减小，则整个叶片方向的攻角都能 接近最佳值，使得叶片整体气动力性能得到改善。这种安装角沿叶片方向变化的 叶片称为螺旋桨型叶片，在实际风力机中应用较多。 b 公怼 、 左窃9 ，、 b 入 魔 齄 琏 转 酉 图2 - 3 旋转桨叶的气流速度及受力情况 尽管如此，由于风速是在经常变化的，风速的变化也将导致攻角的变化。如 果叶片装好后安装角不再变化，那么虽在某一风速下可能得到最好的气动力性 能，但在其它风速下则未必如此。 为了适应不同的风速，可以随着风速的变化，调节整个叶片的安装角，从而 有可能在很大的风速范围内均可以得到优良的气动力特性，这样的控制方式即变 桨距控制。 1 8 2 3 变桨距控制理论研究 风能利用系数c ，代表了风力机从风能中获得能量的能力。变桨距风力机的 风能利用系数g 与尖速比a 和桨叶的节距角卢成非线性关系嘲。参考相关资料 堋的研究，风能利用系数c ，可近似用以下公式来表示： c ，。( 0 4 4 - 0 0 1 6 7 f 1 ) s i i l 【詈哥】0 舰岬- 3 ) p 协1 5 ) ， 一一t 、? i 图2 - 4 变桨距风力机特性曲线( c ，一t s r ) ( b ) 对节距角声和尖速比a 在大范围内取值计算，可以画出变桨距风力机特性曲 线( c ，一t s r ) 图2 - 4 。其中图2 - 4 ( a ) 由p r o p p c 编码的三维图。图2 - 4 ( b ) 为其平面图。从上图可以得到2 点结论： ( 1 ) 在节距角，不变的情况下，风能利用系数存在极限值，此处为最大值 c p 。 ( 2 ) 在尖速比 保持不变的情况下，节距角卢一o 。时风能利用系数c 。最大， 并且风能利用系数c ，随着桨叶节距角户增大而减小。 以上两点的归纳，为风力机变桨距控制提供了理论依据。在风速低于额定风 速时，发电机输出功率未达到额定功率，应尽可能地将风能转化为输出的电能。 浙江大学硕士学位论文 从图2 - 4 来看，在桨叶节距角卢to o 时，c ，相对最大。此时由于桨距控制机构 的控制精度的原因，节距角在0 度左右变动。当风速超过额定风速时，增大桨叶 节距角芦，风能利用系数c p 减小，发电机输出功率降低；当功率下降小于额定 功率时，再减小桨叶节距角口，以此保证了风力机输出功率维持在额定值。 2 4 变桨距控制过程 变桨距控制系统是一个随动系统，其控制过程框图如图2 5 ，2 6 所示。 圈2 - 5 变桨距控制系统框图( 启动状态) 图2 6 变桨距控制系统框图( 额定功翠状态) 图2 5 表示变桨距系统在启动时的控制框图，图2 6 表示在额定功率下变 桨距系统框图。 针对变桨距风力机动力学分析，变桨距的控制过程如下：风力机启动前，桨 叶保持顺桨位置，其节距角为9 0 。，气流对桨叶攻角为0 ，不产生力矩。当风速 增大到切入风速时，由控制机构驱动桨叶向从9 0 。向0 。方向转动，当气流相对 桨叶的攻角到达某个角度，作用在桨叶上的转动力矩超过叶轮启动所需要的力矩 时，叶轮开始转动。在电机并网以前，变桨距系统对叶轮进行速度控制。控制器 按