兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)研究

0 引言
風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。隨著能源消耗日益增長，環(huán)境進(jìn)一步惡化，世界各國都把發(fā)展可再生的“綠色”能源作為本國能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要方式，近年來我國在風(fēng)電技術(shù)和風(fēng)電產(chǎn)業(yè)方面都取得了長足進(jìn)步，但是在兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)技術(shù)和制造技術(shù)方面都還處于起步階段，自主創(chuàng)新能力還很薄弱實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累不足，控制技術(shù)與國外先進(jìn)技術(shù)有較大差別。
變槳距控制系統(tǒng)作為兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的核心部分之一，對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行具有十分重要的作用。穩(wěn)定的變槳距控制已成為當(dāng)前兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。因此，有必要對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析和研究。本文結(jié)合國外兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)控制的結(jié)構(gòu)和控制原理進(jìn)行分析。并利用PID控制方法對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)要的仿真，以驗(yàn)證模型的正確性。

1 風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)特性分析
在外界風(fēng)力的作用下，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能。但實(shí)際上風(fēng)力機(jī)不能將風(fēng)輪掃及面上的全部風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，存在風(fēng)能利用系數(shù)Cp：

式中：Pin一風(fēng)輪掃及面內(nèi)的全部風(fēng)能；Pout一風(fēng)輪吸收的機(jī)械能；ρ一空氣密度；A一風(fēng)輪掃及面積；v―風(fēng)輪上游風(fēng)速。
變槳距風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp與尖速比λ和槳葉的節(jié)距角β成非線性關(guān)系。尖速比即為槳葉尖部的線速度與風(fēng)速之比：

式中：n――風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速；ω一風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；R一風(fēng)輪半徑。
據(jù)有關(guān)資料的記載和研究，風(fēng)力機(jī)部分的風(fēng)能利用系數(shù)Cp可近似用以下公式表示：

在上式的基礎(chǔ)上可以，通過Mat1ab進(jìn)行計(jì)算可以得到大致的風(fēng)輪變槳距的葉尖速比與風(fēng)能利用率之比：

從圖1中可以得到以下結(jié)論：
1)在某一個(gè)特定的槳距角β下，不管葉尖速比如何變化，僅存在唯一的風(fēng)能利用系數(shù)最大值Cpmax，且僅有0．5左右；
2)對(duì)于任意的尖速比λ，槳葉節(jié)距角β=O°下的風(fēng)能利用系數(shù)相對(duì)最大，隨著槳葉角不斷增大，風(fēng)能利用系數(shù)迅速減小。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模型
本論文以兆瓦級(jí)的變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象。假設(shè)所采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由一水平軸可變距風(fēng)輪，通過增速器與發(fā)電機(jī)連接而成，系統(tǒng)方框圖如下圖：

為設(shè)計(jì)好控制器，建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型是必要的前提條件。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從控制系統(tǒng)角度來看可以分為三個(gè)子系統(tǒng)：風(fēng)輪氣動(dòng)特性、傳動(dòng)特性和發(fā)電機(jī)模型。
2．1 風(fēng)輪氣動(dòng)特性
在系統(tǒng)中，我們假定可變距的槳葉是剛性的。
由式(1)，風(fēng)輪吸收的功率(機(jī)械能)為：

風(fēng)輪的動(dòng)態(tài)模型由以下運(yùn)動(dòng)方程表示：

式中：Jr一風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2；ωr一風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad／s；Tr一風(fēng)輪的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N?m；n一齒輪箱增速器的傳動(dòng)比；Tm一從轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳遞給剛性齒輪的扭矩，N?m。
風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩與功率之間的關(guān)系為：

2．2 傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性
風(fēng)輪將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成風(fēng)輪軸上的機(jī)械能，然后這個(gè)能量要變成所需要的電能，而電能由高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生。由于葉尖速度的限制，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度較慢，而發(fā)電機(jī)不能太重，而極對(duì)數(shù)較少，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速要盡可能的高，因此就要在風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)之間連接齒輪箱增速器，把轉(zhuǎn)速提高，達(dá)到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
根據(jù)風(fēng)輪氣動(dòng)特性，風(fēng)輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩Tr作用于帶有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr的風(fēng)輪上。風(fēng)輪通過增速比為n的增速器連接到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg的發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生一反扭矩Te。由于風(fēng)輪、輸入軸和增速器之間的剛性連續(xù)，因此忽略傳動(dòng)系統(tǒng)中的總摩擦力和輸出軸上的相對(duì)角位移。
2．3 發(fā)電機(jī)
本論文中所涉及到的發(fā)電機(jī)為繞線式三相異步發(fā)電機(jī)，因此是通過改變定子電壓而改變發(fā)電機(jī)反力矩和轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)變速的。