小型风力发电机侧偏调节的研究

小型风力发电机侧偏调节的研究

0我国风能大规模利用的社会意义随着化石能源的增加和自然环境的恶化，越来越多的风成为新能源。它具有清洁、安全和环保的优点。风能的大规模开发及有效利用已成为缓解能源危机和减轻环境恶化的迫切需求。本试验是在5kW小型风力发电系统设计基础上,对所设计的风轮主动侧偏机构进行安装前调试试验,其主要目的是验证风轮主动侧偏机构在不同功率信号下是否能够按照设计要求正确动作,并分析主动侧偏结构的优缺点。1风力机控制器风轮主动侧偏式小型风力发电机,是将尾翼自动对风和风轮主动侧偏结合,实现在超过额定风速时风轮主动侧偏限速,从而保证风力机稳定、安全运行,提高工作效率,并延长使用寿命。该机构可以实现风轮在0°～90°范围内任意角度的侧偏,当风速超过额定风速时,通过控制器的控制,调整尾翼的偏航角度,减小桨叶的迎风面积,从而使风机转速保持在额定风速附近,当需要短时停止工作或检修时,可通过调节尾翼使其偏转90°。风轮主动侧偏机构动作如图1所示。1.1风轮效率输出与侧倾斜角度之间的关系计算风力机理论输出功率1.2风机出口电压试验针对风轮输出功率与侧偏角的理论推导关系,对300W风力机进行了风洞测试(1)使风轮处于正迎风位置,调整风洞风速分别为8、10、11、12、14和16m/s,测试输出功率,测试时通过调节负载保证输出电压在26～27V范围内;(2)分别将风轮固定在偏离风洞风向15°、30°、45°、60°的位置,调整风洞风速分别为8、10、11、12、14和16m/s,测试输出功率,同样要保证输出电压在26～27V范围内。风机在不同侧偏角下功率的实际输出与理论输出如图3所示。由图3可见,在不同侧偏角下风机功率的理论值与实测值基本吻合。1.3风力发电机转速限制根据《小型风力发电机组的安全要求》中对风力发电机安全机构的规定:对于功率大于1kW的风力机,安全限速机构应能使风轮最大转速不超过额定转速的125%。本设计中5kW风力发电机采用风轮与发电机直驱式连接,风轮转速等于发电机转速。要限制风力发电机最大转速不超过额定转速的125%,考虑到控制发电机转速不容易实现,所以选择发电机输出功率作为控制参数。图4为风轮主动侧偏机构自动控制系统的原理框图。(1)固定场景当风机功率在4.5～5.5kW之间正常工作且无异常时,侧偏机构不动作,风力发电机正常运行。(2)未决程序>5.5kW或(3)联合行动中断控制系统检测功率过大或过小,延时5s检测,若功率恢复正常,侧偏机构不动作。(4)异常场景当检测电压和电流出现异常时,调节侧偏角使其偏转90°,风机停止运行。(5)施工过程当风机需定期或故障检修时,通过地面检修按钮,使尾翼偏转90°,并启动电磁刹车。1.4主要电气组成本控制系统主要由PLC控制模块、伺服电机控制器、功率变送器组成。(1)增量编码器脉冲本系统选用的PLC控制器为M350-1,可直接连接的门信号检测最高达500kHz的增量编码器脉冲。PLC通过采集电流、电压变送器信号并经过运算后,向伺服系统编码器发送脉冲信号,从而达到控制风轮侧偏角的目的。(2)电机保护对电机的影响伺服电机控制器控制伺服电机的起动、停机、转速,对电机进行各种保护。PLC发生的脉冲信号首先经过伺服控制器,然后向伺服电机发出命令。(3)a,输出本系统选用的电流变送器,输入电流为0～25A,输出为0～20mA。本系统选用的电压变送器,输入电压为0～300V,输出为0～10V。(4)角度传感器与尾轴控制器当风轮与正风向夹角超过55°后,风机功率随侧偏角的变化会非常敏感,为了保证功率的稳定输出,选用角度传感器与尾翼轴固定,其输出电压为0～10V。2向系统型本试验利用调压变压器模拟电压、电流变送器的输出信号,由PLC可编程控制器向伺服系统发出动作指令,使尾舵偏转相应角度。通过调压变压器模拟风机在不同功率输出下的信号输出,分别测试主动偏航机构在偏航工况、阵风工况、异常工况、检修工况下的运行状态,并检验测试结果与理论设计吻合情况。2.1试验设施和主要设备风轮主动侧偏机构调试机构如图5所示。(1)plc控制器的误操作编写程序通过笔记本电脑连接到伺服系统,反复调试后,将PLC程序写入PLC控制器,PLC控制器通过采集到的信号,向伺服系统发出指令,使风轮偏转相应角度。(2)电机转速转速根据《小型风力发电机组安全要求》中的规定,为了避免调向过快对叶片引起的载荷冲击,在调向过程中,最大调向角速度不超过1rad/s。本系统选用的伺服电机额定转速为3000r/min,经伺服电机减速机(速比100∶1)和涡轮蜗杆减速机(速比30:1)减速后的输出转速为1r/min,即1/60r/s<1r/s,符合安全要求。在0°与90°两个位置有编码器的最大值和最小值,同时在这两个位置安装限位开关,保证尾舵偏转时不会碰到机械限位。2.2指令翼偏转政策非额定工况:当电压变送器输出值为5.4V时,对应风机功率为5.5kW。因此,调节调压变压器输出值为5.4V,延时5s(防止阵风)后,PLC控制器向伺服系统发出指令尾翼偏转14.4°(cos阵风工况:将调压变压器输出调至5.4V,在PLC延时过程中(5s内),继续减小调压变压器输出,主动侧偏系统不动作。异常工况:将调压变压器输出调为6.7V,相当于风机电压350V,输出电压为额定电压的1.25倍,侧偏机构动作,风轮偏离主风向,转速降低,电压随之下降,反之亦然。检修工况:按下检修按钮,侧偏机构立即动作,尾舵偏转90°,这时无论如何调整调压变压器,侧偏机构动作都不会停止,直到触发90°限位开关。3机械部件检测通过调试试验可以看出,主动侧偏机构能够对调压