定桨距失速控制（精选2篇）

[定桨距失速控制篇一]

1.2,1风力机定桨距控制技术

密度和叶片表面粗糙度的变化比较敏感。因为失速是由于叶片的空气动力特性而被动产生的, 当风速变化引起输出功率变化时, 通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制, 从而使控制系统大为简化。其缺点是叶片重量大(与变桨距风力机叶片比较) 、轮毅、塔架等部件受力较大, 机组的整体效率较低。

[定桨距失速控制篇二]

第34卷第2期2010年1月25日Vo l . 34 N o . 2Jan . 25,

2010

定桨距风力发电机组的主动失速控制

陈杰, 陈冉, 陈志辉, 龚春英, 严仰光

(南京航空航天大学自动化学院, 江苏省南京市210016)

摘要:定桨距风力发电机组叶片与轮毂直接刚性相联, 具有结构简单、可靠性高等优点, 尤其适合

于海上风电场。文中重新对定桨距机组进行了探讨, 采用主动失速控制方法, 限制机组在高风速时的气动功率。在介绍主动失速控制工作原理的基础上, 分析了切出风速对机组年发电量的影响, 指出针对不同平均风速的风电场, 需要对机组的切出风速进行优化设计。随后, 从主动失速控制的效

果出发, 对风力机的气动特性设计提出了要求, 对定桨距风力机的优化设计有一定的指导意义。最后, 建立了一台额定功率为1. 5M W 的定桨距永磁直驱风力发电机组的仿真模型, 仿真结果验证了主动失速控制的可行性。

关键词:风力发电; 定桨距; 气动特性; 主动失速控制

0 引言

随着能源危机和环境污染的日益加重, 开发和利用可再生绿色能源成为许多国家政府和社会各界普遍关注的焦点。风力发电技术作为可再生能源开发和利用中的一支主力军, 成为当前研究的热点和

[1-10]

重点。其中, 变速风力发电系统因为风能转换效率高, 得到了广泛的开发和利用。

今后, 风电场从陆地向海上转移是风电技术的一个发展趋势。但是, 受海上环境和条件的限制, 海上风电场的安装和维修费用昂贵, 对风电机组的可靠性提出了很高的要求, 最好能实现终生免维护。直驱风力发电系统省去了增速齿轮箱, 大幅提高了机组的可靠性, 开始受到了人们的青睐[1-5]。

当前的主流机型以变桨距变速机组为主, 该机组不仅实现了额定风速以下的最大功率跟踪控制, 提高了机组的风能利用效率, 还可以通过调节桨距角, 方便地实现额定风速以上恒功率运行。但是, 大功率风力机的叶片重达几吨甚至几十

吨, 叶片与轮毂连接的轴承需要承受巨大的应力, 容易出现机械疲劳损坏。而且, 桨距调节需要独立的控制系统, 无形中增加了系统的复杂性, 降低了可靠性。另外, 受材料和工艺水平的限制, 目前国内风电机组中的变距轴承主要依赖进口。而定桨距风力机桨叶与轮毂直接刚性连接, 结构简单, 可靠性高。对于海上风电机组, 系统的可靠性比风能的利用效率显得更为重要。若能很好地实现定桨距风力机的控制, 无疑在

收稿日期:2009-05-08; 修回日期:2009-09-09。

国家重点基础研究发展计划(973计划) 资助项目(2007CB210303) 。

海上风电场中有很好的应用前景。

本文对定桨距机组进行了探讨, 采用主动失速控制方法, 实现了机组在额定风速以上的功率限制。在介绍主动失速控制工作原理的基础上, 分析了切出风速对机组年发电量的影响, 指出针对不同平均风速的风电场, 需要对机组的切出风速进行优化设计。随后, 从主动失速控制的效果出发, 对风力机的气动特性设计提出了要求, 并对某商业运行风力机的气动参数进行了优化设计。最后, 建立了一台额定功率为1. 5M W 的定桨距永磁直驱风力发电机组的仿真模型, 仿真结果验证了主动失速控制的可行性。

1 主动失速控制的原理及分析

1. 1 工作原理

风力机从风中捕获的能量可以用公式表述为:

P m =πρC p R v

(1)

式中:ρ为空气密度; R 为风轮机半径; C p 为风能利

用系数; v 为风速。

对于定桨距风力机, 由于桨叶与轮毂直接连接, 桨距角固定不变, 式(1) 中的风能利用系数C p 仅为叶尖速比λ的函数。λ=ωR /v , 其中ω为风轮机的转速。

在额定风速以下, 定桨距机组和变桨距机组的控制是相同的, 通过调节风力机的转速改变机组的叶尖速比λ, 实现最大功率跟踪, 即所谓的变速机组。两者的区别是在额定风速以上的工作区域, 变桨距机组在额定风速以上通过调节叶片的桨距角, 减小叶片与来流的攻角, 达到减小风能利用系数、限

绿色电力自动化陈杰, 等定桨距风力发电机组的主动失速控制

制功率的目的。对于定桨距机组, 桨距角为固定值, 减小风能利用系数的唯一途径是使风力机进入低叶尖速比的失速区。失速机组分为被动失速型和主动失速型, 早期的被动失

速型机组完全依靠叶片的特性, 而转速基本维持不变。本文描述的方法通过主动控制风力机转速, 属于主动失速控制范畴。

图1给出了某1. 5M W 商业运行风力机在桨距角等于0?时的C p -λ曲线(无特殊说明, 下文的计算和仿真均采用该机组) , 在额定风速以下, 风力机以最大功率跟踪运行, 如图中的a 点; 当风速高于额定值后, 风力机需要减小叶尖速比, 以降低风能利用系数, 如图中的b 点、c 点, 风力机进入主动失速区。通常, 为了限制风力机吸收的功率, 需要限制风力机的转速, 甚至转速随着风速的增加而减小

。

1. 2 年发电量与切出风速的关系

Weibull 分布函数可以准确描述风速分布概[11-12]率, 其表达式为:

k -1f (v )=e (2)

c c

式中:k 为Weibull 分布的形状系数; c 为Weibull 分布的尺度系数。

通常, 风速的形状系数在2左右, 本文取典型值2。尺度系数由风电场的平均风速大小决定。附录A 图A1给出了不同平均风速的Weibull 分布概率曲线。

根据Weibull 分布和功率—风速P (v ) 曲线, 可以计算出

机组的年发电量E y :

E y =P (v ) f (v ) d v

图1 风力机典型C p -λ曲线

Fig . 1 Typical C p -λcurve

图2给出了不同转速下风力机吸收的功率随风

速的变化曲线。若风力机额定功率为1. 5M W , 切出风速为25m /s , 对于定桨距机组, 为了限制高风速时功率不超过1. 5M W , 理论上必须限制风力机的转速在17. 8r /m in 以下, 否则在大风速突变时会造成机组瞬时过载, 威胁机组的可靠运行。但若将切出风速降为20m /s , 则风力机转速只要限制在18. 6r /min 。可见, 切出风速不同对机组的功率曲线P (v ) 有很大影响, 从而影响机组年发电量

。

表1给出了不同平均风速下机组年发电量随切

出风速的变化情况。可以看出, 在不同的平均风速下机组都有一个最佳的切出风速, 在该切出风速下机组的年发电量最大。以平均风速为8m /s 的风场为例, 切出风速设置为20m /s 时机组的年发电量最高, 比切出风速设置在25m /s 时要高出近7. 3%。可见, 与变桨距风力发电机组有所不同, 对于采用主动失速控制的定桨距风力发电机组, 并非切出风速越高就会使年发电量越高, 而是随着平均风速的变化而变化的。需要根据风电场风能资源的具体情况, 对机组的切出

风速进行针对性的优化设计, 使得机组在该切出风速下具有

最高的年发电量。

表1 机组年发电量随平均风速和切出风速的变化情况Ta

ble 1 Annual energy yield at different average wind speeds

and cut -out wind speeds

切出风速/

(m s -1)

15161718

[1**********]425

年发电量/(GW h )

62. 012. 022. 022. 02

2. 012. 012. 001. 991. 971. 961. 95

72. 822. 872. 902. 91

2. 922. 902. 892. 862. 822. 802. 76

83. 523. 663. 753. 78

3. 803. 833. 793. 753. 693. 653. 57

94. 034. 284. 454. 54

4. 614. 684. 644. 594. 514. 454. 34

104. 334. 694. 955. 12

5. 255. 385. 395. 335. 245. 175. 03

114. 464. 905. 265. 51

5. 725. 935. 965. 935. 855. 795. 63

124. 454. 975. 405. 73

6. 006. 296. 376. 386. 326. 286. 12

(3)

注:6,12为平均风速, 单位为m /s ; 黑体表示该数值为所在列

的最大值。

图2 不同转速下功率随风速的变化曲线Fig . 2 Power vs . wind speed curves at

different rotor speeds

1. 3 定桨距机组对叶片设计的要求

由式(1) 可知, 在某个固定环境下, 可以认为0. 5πρR 2是个常数, 设为K , 风力机吸收的功率仅与C p 和风速有关, 则式(1) 可以简化为:

2010, 34(2)

ωR 3

v (4) v

如果能够通过合理的设计, 使得在额定风速以上, 转速不变时C p 反比于风速的立方, 即C p ?1/v 3, 那么基本上不需要改变转速就可以维持功率不变。本着这个出发点, 对图1所示的C p -λ曲线进行了优化处理, 优化后的曲线见图3。考虑到在实际运行中风力机基本不工作于C pmax 的

右侧, 图中只给出了风力机在主动失速区的C p -λ曲线。结合式(1) , 可得优化后风力机在不同转速下吸收的气动功

率随风速的变化情况, 见图4。

P m =KC p

图5给出了变桨距控制和优化前后主动失速控制3种机组的功率曲线。变桨距机组在达到额定功率(或者额定转速) 之前均可以在最大功率跟踪运行。而对于主动失速控制, 只能在到达允许的最高转速之前实现最大功率跟踪运行, 而此时风力机吸收的气动功率并未达到额定功率。因此, 从风能利用角度观察, 主动失速控制通过牺牲一定的效率来提高机组的可靠性。不过, 从图5中不难发现, 对基于主动失速控制的定桨距机组, 通过合理的优化设计, 可以使机组运行的功率曲线向变桨距机组的功率曲线靠近, 尽可能提高机组的风能转换效率。与优化前相比, 优化后的风电机组明显提高了风能利用系数; 而且,

由于额定功率下风力机的允许工作转速有所提高, 电机尺寸得到了减小。

图3 优化后C p -λ曲线Fig . 3

Optimized C p -λcurve

图5 3种不同功率-风速曲线

Fig . 5 Po wer vs . wind speed curves of three different

wind turbines

2 风电机组的建模

2. 1 定桨距风电机组的系统结构

图6给出了定桨距直驱风力发电机组系统结构框图, 包括定桨距风力机、永磁直驱同步发电机(PMSG ) 、电机侧变换器以及网侧变换器。对于网侧变换器, 则由机组并入的风电场的微电网决定。如果微电网采用直流输电, 则变换器为直流变换器[10]; 如果微电网采用交流输电, 则网侧变换器为脉宽调制(PWM ) 逆变器。通常, 微电网的输电电压由受端控制, 故网侧变换器用来稳定直流母线电压, 而电机侧变换器则主要负责风力机的功率调节, 控制风力机的转速[3, 6-7]。

图6给出的是采用传统交流输电时风电机组的结构。

图4 优化后不同转速下功率随风速变化曲线Fig . 4 Power vs . wind speed curves at different

rotor speeds after optimization

优化后风力机在额定风速以上吸收的功率基本保持不变, 较优化前有较大的改善。电机转子有效体积的表达式为:

A V r =D 2l fe ==(5)

44n 4αp ′k NM k dp AB δ

式中:V r 为电机转子的有效体积; D 为电机转子直径; l fe 为转子铁芯的有效长度; αp ′为等效极弧系数; k NM 为气隙磁场的波形系数; k dp 为电枢的绕组系数; n 为额定转速;

C A 为电机常数; A 为线负荷; B δ为气隙磁密; P 为电机的额定功率。

可见, 电机的体积与功率成正比, 与转速成反比。风力机经过优化后, 在额定功率时允许的最大转速从17. 5r /min 提高到19. 5r /min , 电机体积可减小近10%。图6 定桨距直驱风电机组的结构框图

Fig . 6 Structure of fixed -pitch direct -drive wind

turbine

绿色电力自动化陈杰, 等定桨距风力发电机组的主动失速控制

2. 2 定桨距风力机及传动模型

根据风能理论, 风力机输出的气动转矩为:

T m =0. 5ρπR 3C T v 2(6)

式中:T m 为风力机的输出机械转矩; C T =C p /λ。

对于定桨距风力机, 因为叶片与轮毂是刚性连接, 桨距角θ固定不变, 故C T 仅是风力机的叶尖速比λ的函数, λ=ωr R /v , 其中ωr 为风力机的转动角速度。

在直驱式机组中, 风力机与永磁同步发电机直接刚性相联, 没有增速齿轮箱。因此, 可以近似认为传动轴没有刚性扭转, 从而可以得到简化的风力发电机组的传动系统的数学模型:

g =J T m -T e -B ω(7)

d t

式中:T e 为电机的电磁转矩; B 为系统的等效转动粘滞系数; ωg 为发电机的转动角速度, 对于直驱式机组, ωr =ωg ;

J 为系统的等效转动惯量, 可以近似认为J =J W +J g , J W

为风力机的转动惯量, J g 为永磁同步发电机的转动惯量。

由式(6) 、式(7) 可以得到风力机及传动链的仿真模型如图7所示

。

速的变化情况, 控制电机的电磁转矩, 调节风力机的转速。目前, 对永磁同步发电机的控制主要采用磁场定向的空间矢量控制技术, 使得电机定子电流的d 轴分量为0, q 轴分量则根据系统对电磁转矩的要求进行动态调节, 实现机组在额定风速以下的最大功率跟踪控制和额定风速以上的失速运行。图9给出了定桨距风电机组的系统控制框图, 外环为功率

环, 根据风速的变化, 产生一个电流指令信号i q , 作为内环q 轴分量的电流给定

。

图8 永磁同步发电机等效模型

Fig . 8 Model of

PMSG

图7 风力机及传动链模型

Fig . 7 Model of wind turbine &drive train

2. 3 永磁同步发电机模型

在dq 同步旋转坐标系下, 将d 轴定位于永磁体的磁链方向上, 可以得到电机在该坐标系下的数学模型:

s L q i q u d =R s i d +L d -ω(8) d t q

u q =R s i q +L q +ωs (L d i d +Χ0) (9)

d t

式中:u d , u q 和i d , i q 分别为发电机d , q 轴的电压和电流分量; L d 和L q 分别为发电机的d 轴和q 轴电感; R s 为定子电阻; ωs 为电角频率, ωs =N p ωg , N p 为发电机的极对数; Χ0为永磁体的磁链。

其电磁转矩可以表示为:T e =1. 5N p [(L d -L q ) i d i q +i q

Χ0](10)

根据式(8) ,式(10) , 可以得到永磁同步发电机的等效仿真模型, 如图8所示。2. 4 控制模型

系统中电机侧变换器的主要作用是根据实际风

图9 系统控制框图Fig . 9 System control diagram

对于功率外环, 在一定转速以下可以采用与变

桨距机组相同的控制方法, 如最佳叶尖速比(需要同时测量风速和转速) 和转速反馈(通过ω找出最佳功率P opt ) 控

制等。转速反馈方法只需要测量转速和功率, 实时性较好, 控制精度相对较高, 本文采用转速反馈控制方法。当达到一定转速, 定桨距机组需要采用主动失速调节, 限制风力机的气动功率。

控制系统的内环主要是实现电机输出电流对指

令电流i d 和i q 的跟踪。图9中Δu d 和Δu q 为2个前馈补偿项, 实现定子电压、电流的解耦控制。

3 算例分析

利用本文所建立的仿真模型对一个1. 5M W 定桨距永磁直驱风力发电机组进行了仿真研究, 包括额定风速以下的最大功率跟踪, 额定风速以上的限速限功率运行。附录A 表A1给出了仿真所采用

2010, 34(2)

的部分参数。

机的电磁功率, 在风速突变时, 风力机的气动功率以风速的3次方突然增大, 而电机的电磁功率则由ω-P opt 给定, 变化趋势与转速的变化相同。图10(d ) 是电机侧变换器交轴和直轴电流分量的变化情况, 其中d 轴电流分量始终维持在0, 电机仅输出有功功率

。

达到额定功率之前风力机就进入了失速运行, 机组的风能利用效率较变桨距机组有一定的降低

。

图11 6m /s ,14m /s 风速突变仿真波形Fig . 11 Simulation waveforms of 6m /s ,

14m /s wind speed step

附录A 图A2给出了机组在渐变自然风速下的仿真波形。在8. 4m /s 的风速以下, 机组可以调节

转速, 使风力机的风能利用系数维持在0. 48左右, 而风速超过8. 4m /s (此时对应的最佳转速为18r /min ) 后, 风力机的转速将维持不变, 此时机组进入主动失速运行。机组的工作状态与图10、图11所示的完全一致。

4 结语

图10 5m /s ,7m /s 风速突变仿真波形Fig . 10 Simulation waveforms of 5m /s to

7m /s wind speed step

1) 本文对定桨距机组进行了探讨, 采用主动失速控制方法, 限制机组在额定风速以上的气动功率。

2) 在介绍了主动失速控制工作原理的基础上, 分析了切出风速对机组年发电量的影响, 指出针对不同平均风速的风电场, 需要对机组的切出风速进行优化设计。

3) 从主动失速控制的效果出发, 对风力机的气动特性设计提出了要求, 对定桨距风力机的优化设计有一定的指导意义。

4) 建立了一套额定功率为1. 5M W 的定桨距永磁直驱风力发电机组的仿真模型, 仿真结果验证了主动失速控制的可行性。

附录见本刊网络版(http ://w w w . aeps -info . com /aeps

/ch /index . aspx ) 。

为了说明当风力机的转速超过一定值后机组以恒定转速运行, 对机组在风速从6m /s 到14m /s 突

功率也基本上可以维持在1. 5M W 。可见, 采用限速运行的

主动失速控制, 可以很好地保证机组在全风速范围内(3m

/s ,25m /s ) 都不会超过机组的额定功率。电机和功率变换

器功率容量与风力机的功率可以完全相同, 不要额外增加电

气设备的容量。但是, 由于对风力机的转速进行了限制, 在

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maximu m w ind

energy

tracking

con trol 2005,

strategy . Automation

Electric Pow er S ystem s ,

2006,

陈杰(1982—), 男, 通信作者, 博士研究生, 主要研究方

向:风力发电技术和变流技术。E -mail :nuaachenjie @

163. com 陈冉(1984—), 男, 博士研究生, 主要研究方

向:风力发电技术和电机控制技术。

陈志辉(1972—), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向:风力发

电技术和电机控制技术。

Active Stall Control of Fixed -pitch Wind Turbines

CH EN J ie , CH EN Ran , C HE N Zhihui , G O N G Chuny ing , Y AN Y angguang (Nanjing U nive rsity of A ero nautics &A stro nautics , Nanjing 210016, China )

A bstract :Fixed -pitch w ind turbine s , who se blades a re

connected to the hub directly , fea ture simple structur e , ex

tremely hig h reliability and so on . T herefo re , it is particularly suitable for the o ffsho re wind farm s w he re high reliability is prio rity . In this

paper , the fix ed -pitch wind tur bine is discussed , and active sta ll contr ol with limited speed is employ ed to limit the aer ody namic po wer a t hig h w ind speed co nditions . T he rela tionship between the cut -o ut w ind speed and annua l ener gy y ield is analyzed , a nd the results show that the annual ene rgy yield may reduce with the increase o f cut -out wind speed . A imed to optimize the activ e sta ll co ntrol , the aero dy namic characteristic of the w ind tur bine is discussed and some de sign requirements of fixed -pitch wind turbine a re discussed . It pro vides cer tain guidelines in desig ning and develo ping fix ed -pitch wind pow er g ener atio n sy stem . Finally , a simula tion model of 1. 5M W fix ed -pitch direct -driv e per manent magnet synchronous generato r is develo ped with M A T L AB /Simulink . Simulation results verify the feasibility of the active stall contro l o f fix ed -pitch wind turbines .

T his wo rk is suppo rted by Special F und of the N atio nal Basic Research Pr og ram of China (N o . 2007CB210303) . Key words :w ind po wer ; fixed -pitch ; aerody namic

characteristic ; activ e stall

定桨距控制

1.2,1风力机定桨距控制技术

定桨距失速控制是传统的控制方式, 采用该方式的风力机叶片直接固定在轮毅上, 叶片安装角在安装时确定好, 在运行期间不能变化。失速型叶片气动外型的设计能够使高风速下通过上翼面的气流出现分离, 也就是所谓的失速现象。失速会导致叶片的升力下降而阻力上升, 同时随风速增大气动效率下降, 限制了风力发电机的最大输出功率。但是受失速特性的影响, 通常风力发电机的输出功率在达到额定风速后有所下降。另外, 定桨距失速控制的风力机最大升力对空气密度和叶片表面粗糙度的变化比较敏感。因为失速是由于叶片的空气动力特性而被动产生的, 当风速变化引起输出功率变化时, 通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制, 从而使控制系统大为简化。其缺点是叶片重量大(与变桨距风力机叶片比较) 、轮毅、塔架等部件受力较大, 机组的整体效率较低。

27.定桨距失速型风机

定桨距失速型风机

工作原理：

失速是指叶型本身所具有的的失速特性，当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速的条件时，在叶片产生许多小的气流涡流，效率降低限制了功率的增加。定桨距失速控制优点：没有功率反馈系统和桨距角伺服执行机构，整机结构简单、部件少、造价低，并具有较高的安全系数。缺点是这种失速控制方式依赖于叶片独特的翼型结构，叶片本身结构较复杂，成型工艺难度也较大。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力大，使得叶片的刚度减弱，失速动态特性不易控制，所以很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机组的功率控制上。

系统结构

定桨距风力发电机组主要包括齿轮箱、发电机、偏航系统、液压系统、电控系统。其电控系统主要由主控制器、电量采集系统、软并网系统、无功补偿系统、偏航和自动解缆系统几大部分组成，另外还包括各种输入、输出信号和开关量接口等等。

武汉国策的控制系统

轮毂

采用耐低温的球墨铸铁铸造而成，其设计紧凑，重量相对较轻，从齿轮箱主轴到风轮重心距离短。轮毂采用翘板式设计，分为轮毂及轮毂附件两部分由于轮毂与轮毂附件之间是活动连接，叶轮转动时，叶片会随轮毂一起在垂直于旋转平面的方向作±2°的摆动。轮毂内部安装有向叶尖液压系统供油的管路，通过轮毂上的人孔可以方便的检修。轮毂与叶片连接法兰上的腰圆形孔允许对叶片安装角进行微调。轮毂上同时还配有叶轮锁，当需要维护时，轮毂可以锁死不动。

齿轮箱

结构为两级行星一级平行轴，其输入级为低速端，与叶轮相连，高速级为输出端，与发电机相连。主齿轮箱内已经包含主轴和主轴承，

因此传动链非常紧凑。齿轮箱通过法兰连接到支撑筒端面上进行安装，其内部采用飞溅润滑，齿轮油在润滑同时带走齿轮系工作的热量随后经油循环泵传到冷却系统中。控制系统会时刻监视齿轮油并根据油温高低启动冷却系统或油加热器。在齿轮箱的高速轴承和低速轴承上也分别安装了温度传感器以确保轴承的安全运行。齿轮箱底部安装有两套加热装置，可以在寒冷的天气里预热齿轮油。

高速轴和机械刹车

在高速轴（或称联轴节）与齿轮箱输出端连接的位置安装有刹车盘和两个机械刹车夹，在刹车夹上安装有专门设计的金属刹车片。机械刹车设计为失效安全系统，即当液压装置释放时刹车片通过弹簧闭合夹紧刹车盘。控制系统会时刻监控刹车片的磨损和失灵情况。

底盘和支撑筒

支撑筒和底盘均采用高强度钢焊接而成，支撑筒为圆柱状，结构简单且容易制造。齿轮箱法兰连接于支撑筒前端，发电机连接于支撑筒端，支撑筒下端通过橡胶弹性元件连接底盘。弹性元件用作吸收振动，阻止齿轮箱和发电机的振动传到底盘和机塔，否则可能会产生噪音。维护人员通过偏航齿圈和支撑筒上的人孔实现维护。

偏航系统

底盘和塔筒通过偏航齿圈连接在一起，通过偏航马达实现对风操

作。偏航马达共 3 个，由液压驱动经行星齿轮箱减速后驱动偏航齿圈旋转。在所有的运转工况下，即使对分操作已完成，偏航系统都能使整个机舱在指向风的方向附近作小幅、衰减的摆动。只有需要维护时，偏航系统才完全锁定不动偏航系统有自动解缆功能，偏航计数器的设定条件保证绕缆后自动解缆并复位，同时系统设有电缆保护装置，一旦自动解缆功能失灵使电缆缠绕到一定程度时，电缆保护装置会激活安全链并发出报警信号使机组紧急停机。

软并网

目的是限制冲击电流，冲击电流为额定电流的2~3倍；通过控制板控制3极管的导通角及并网的冲击电流、并网时间、发电机转速波动等。

无功补偿

异步发电机有3种,1、电力电容等容分组自动补偿；2、固定补偿和分组自动补偿；3、svc 静态无功补偿。

定桨距风力发电机组的主动失速控制_陈杰

第34卷　第2期2010年1月25日Vo l . 34　N o . 2Jan . 25, 2010

定桨距风力发电机组的主动失速控制

陈　杰, 陈　冉, 陈志辉, 龚春英, 严仰光

(南京航空航天大学自动化学院, 江苏省南京市210016)

摘要:定桨距风力发电机组叶片与轮毂直接刚性相联, 具有结构简单、可靠性高等优点, 尤其适合

于海上风电场。文中重新对定桨距机组进行了探讨, 采用主动失速控制方法, 限制机组在高风速时的气动功率。在介绍主动失速控制工作原理的基础上, 分析了切出风速对机组年发电量的影响, 指出针对不同平均风速的风电场, 需要对机组的切出风速进行优化设计。随后, 从主动失速控制的效果出发, 对风力机的气动特性设计提出了要求, 对定桨距风力机的优化设计有一定的指导意义。最后, 建立了一台额定功率为1. 5M W 的定桨距永磁直驱风力发电机组的仿真模型, 仿真结果验证了主动失速控制的可行性。

关键词:风力发电; 定桨距; 气动特性; 主动失速控制

0　引言

[1-10]

重点。其中, 变速风力发电系统因为风能转换效率高, 得到了广泛的开发和利用。

当前的主流机型以变桨距变速机组为主, 该机组不仅实现了额定风速以下的最大功率跟踪控制, 提高了机组的风能利用效率, 还可以通过调节桨距角, 方便地实现额定风速以上恒功率运行。但是, 大功率风力机的叶片重达几吨甚至几十吨, 叶片与轮毂连接的轴承需要承受巨大的应力, 容易出现机械疲劳损坏。而且, 桨距调节需要独立的控制系统, 无形中增加了系统的复杂性, 降低了可靠性。另外, 受材料和工艺水平的限制, 目前国内风电机组中的变距轴承主要依赖进口。而定桨距风力机桨叶与轮毂直接刚性连接, 结构简单, 可靠性高。对于海上风电机组, 系统的可靠性比风能的利用效率显得更为重要。若能很好地实现定桨距风力机的控制, 无疑在

收稿日期:2009-05-08; 修回日期:2009-09-09。

国家重点基础研究发展计划(973计划) 资助项目(2007CB210303) 。

海上风电场中有很好的应用前景。

1　主动失速控制的原理及分析

1. 1　工作原理

风力机从风中捕获的能量可以用公式表述为:

P m =πρC p R v

(1)

式中:ρ为空气密度; R 为风轮机半径; C p 为风能利

用系数; v 为风速。

对于定桨距风力机, 由于桨叶与轮毂直接连接, 桨距角固定不变, 式(1) 中的风能利用系数C p 仅为叶尖速比λ的函数。λ=ωR /v , 其中ω为风轮机的转速。

·绿色电力自动化·　陈　杰, 等　定桨距风力发电机组的主动失速控制

制功率的目的。对于定桨距机组, 桨距角为固定值, 减小风能利用系数的唯一途径是使风力机进入低叶尖速比的失速区。失速机组分为被动失速型和主动失速型, 早期的被动失速型机组完全依靠叶片的特性, 而转速基本维持不变。本文描述的方法通过主动控制风力机转速, 属于主动失速控制范畴。

图1给出了某1. 5M W 商业运行风力机在桨距角等于0°时的C p -λ曲线(无特殊说明, 下文的计算和仿真均采用该机组) , 在额定风速以下, 风力机以最大功率跟踪运行, 如图中的a 点; 当风速高于额定值后, 风力机需要减小叶尖速比, 以降低风能利用系数, 如图中的b 点、c 点, 风力机进入主动失速区。通常, 为了限制风力机吸收的功率, 需要限制风力机的转速, 甚至转速随着风速的增加而减小

。

1. 2　年发电量与切出风速的关系

Weibull 分布函数可以准确描述风速分布概[11-12]率, 其表达式为:

k -1f (v )=e (2)

c c

式中:k 为Weibull 分布的形状系数; c 为Weibull 分布的尺度系数。

通常, 风速的形状系数在2左右, 本文取典型值2。尺度系数由风电场的平均风速大小决定。附录A 图A1给出了不同平均风速的Weibull 分布概率曲线。

根据Weibull 分布和功率—风速P (v ) 曲线, 可以计算出机组的年发电量E y :

E y =P (v ) f (v ) d v

图1　风力机典型C p -λ曲线

Fig . 1　Typical C p -λcurve

图2给出了不同转速下风力机吸收的功率随风

。

　　表1给出了不同平均风速下机组年发电量随切

表1　机组年发电量随平均风速和切出风速的变化情况Ta ble 1　Annual energy yield at different average wind speeds

and cut -out wind speeds

切出风速/

(m ·s -1)

15161718

19202122232425

年发电量/(GW ·h )

62. 012. 022. 022. 02

2. 012. 012. 001. 991. 971. 961. 95

72. 822. 872. 902. 91

2. 922. 902. 892. 862. 822. 802. 76

83. 523. 663. 753. 78

3. 803. 833. 793. 753. 693. 653. 57

94. 034. 284. 454. 54

4. 614. 684. 644. 594. 514. 454. 34

104. 334. 694. 955. 12

5. 255. 385. 395. 335. 245. 175. 03

114. 464. 905. 265. 51

5. 725. 935. 965. 935. 855. 795. 63

124. 454. 975. 405. 73

6. 006. 296. 376. 386. 326. 286. 12

∫

(3)

注:6～12为平均风速, 单位为m /s ; 黑体表示该数值为所在列

的最大值。

图2　不同转速下功率随风速的变化曲线Fig . 2　Power vs . wind speed curves at

different rotor speeds

1. 3　定桨距机组对叶片设计的要求

由式(1) 可知, 在某个固定环境下, 可以认为0. 5πρR 2是个常数, 设为K , 风力机吸收的功率仅与C p 和风速有关, 则式(1) 可以简化为:

2010, 34(2) 　

ωR 3

v (4) v

　　如果能够通过合理的设计, 使得在额定风速以上, 转速不变时C p 反比于风速的立方, 即C p ∝1/v 3, 那么基本上不需要改变转速就可以维持功率不变。本着这个出发点, 对图1所示的C p -λ曲线进行了优化处理, 优化后的曲线见图3。考虑到在实际运行中风力机基本不工作于C pmax 的右侧, 图中只给出了风力机在主动失速区的C p -λ曲线。结合式(1) , 可得优化后风力机在不同转速下吸收的气动功

率随风速的变化情况, 见图4。

P m =KC p

由于额定功率下风力机的允许工作转速有所提高, 电机尺寸得到了减小。

图3　优化后C p -λ曲线Fig . 3　

Optimized C p -λcurve

图5　3种不同功率-风速曲线

Fig . 5　Po wer vs . wind speed curves of three different

wind turbines

2　风电机组的建模

2. 1　定桨距风电机组的系统结构

图6给出的是采用传统交流输电时风电机组的结构。

图4　优化后不同转速下功率随风速变化曲线Fig . 4　Power vs . wind speed curves at different

rotor speeds after optimization

优化后风力机在额定风速以上吸收的功率基本保持不变, 较优化前有较大的改善。电机转子有效体积的表达式为:

A V r =D 2l fe ==(5)

44n 4αp ′k NM k dp AB δ

式中:V r 为电机转子的有效体积; D 为电机转子直径; l fe 为转子铁芯的有效长度; αp ′为等效极弧系数; k NM 为气隙磁场的波形系数; k dp 为电枢的绕组系数; n 为额定转速; C A 为电机常数; A 为线负荷; B δ为气隙磁密; P 为电机的额定功率。

Fig . 6　Structure of fixed -pitch direct -drive wind turbine

·绿色电力自动化·　陈　杰, 等　定桨距风力发电机组的主动失速控制

2. 2　定桨距风力机及传动模型

根据风能理论, 风力机输出的气动转矩为:

T m =0. 5ρπR 3C T v 2(6)

式中:T m 为风力机的输出机械转矩; C T =C p /λ。

对于定桨距风力机, 因为叶片与轮毂是刚性连接, 桨距角θ固定不变, 故C T 仅是风力机的叶尖速比λ的函数, λ=ωr R /v , 其中ωr 为风力机的转动角速度。

g =J T m -T e -B ω(7)

d t

式中:T e 为电机的电磁转矩; B 为系统的等效转动粘滞系数; ωg 为发电机的转动角速度, 对于直驱式机组, ωr =ωg ; J 为系统的等效转动惯量, 可以近似认为J =J W +J g , J W 为风力机的转动惯量, J g 为永磁同步发电机的转动惯量。

由式(6) 、式(7) 可以得到风力机及传动链的仿真模型如图7所示

。

＊

环, 根据风速的变化, 产生一个电流指令信号i q , 作为内环q 轴分量的电流给定

。

图8　永磁同步发电机等效模型

Fig . 8　Model of

PMSG

图7　风力机及传动链模型

Fig . 7　Model of wind turbine &drive train

2. 3　永磁同步发电机模型

在dq 同步旋转坐标系下, 将d 轴定位于永磁体的磁链方向上, 可以得到电机在该坐标系下的数学模型:

s L q i q u d =R s i d +L d -ω(8) d t q

u q =R s i q +L q +ωs (L d i d +Χ0) (9)

d t

其电磁转矩可以表示为:T e =1. 5N p [(L d -L q ) i d i q +i q Χ0](10)

　　根据式(8) ～式(10) , 可以得到永磁同步发电机的等效仿真模型, 如图8所示。2. 4　控制模型

系统中电机侧变换器的主要作用是根据实际风

图9　系统控制框图Fig . 9　System control diagram

对于功率外环, 在一定转速以下可以采用与变

桨距机组相同的控制方法, 如最佳叶尖速比(需要同时测量风速和转速) 和转速反馈(通过ω找出最佳功率P opt ) 控制等。转速反馈方法只需要测量转速和功率, 实时性较好, 控制精度相对较高, 本文采用转速反馈控制方法。当达到一定转速, 定桨距机组需要采用主动失速调节, 限制风力机的气动功率。

控制系统的内环主要是实现电机输出电流对指

＊＊

令电流i d 和i q 的跟踪。图9中Δu d 和Δu q 为2个前馈补偿项, 实现定子电压、电流的解耦控制。

3　算例分析

2010, 34(2) 　

的部分参数。

图10为机组在风速从5m /s 突变到7m /s 时一些主要参数的变化情况。图10(a ) 为风能利用系数, 可以看出, 在额定风速以下, 稳态时风力机以最大风能利用系数运行, 仅在动态过程中出现一定程度的跌落。可以看出, 机组在额定风速以下很好地实现了最大功率跟踪控制。图10(b ) 是风力机的转速, 由于机组的转动惯量较大, 风力机的转速在风速突变瞬间无法及时进行调整。图10(c ) 为风力机的气动功率和电机的电磁功率, 在风速突变时, 风力机的气动功率以风速的3次方突然增大, 而电机的电磁功率则由ω-P opt 给定, 变化趋势与转速的变化相同。图10(d ) 是电机侧变换器交轴和直轴电流分量的变化情况, 其中d 轴电流分量始终维持在0, 电机仅输出有功功率

。

达到额定功率之前风力机就进入了失速运行, 机组的风能利用效率较变桨距机组有一定的降低

。

图11　6m /s ～14m /s 风速突变仿真波形Fig . 11　Simulation waveforms of 6m /s ～

14m /s wind speed step

附录A 图A2给出了机组在渐变自然风速下的仿真波形。在8. 4m /s 的风速以下, 机组可以调节

4　结语

图10　5m /s ～7m /s 风速突变仿真波形Fig . 10　Simulation waveforms of 5m /s to

7m /s wind speed step

1) 本文对定桨距机组进行了探讨, 采用主动失速控制方法, 限制机组在额定风速以上的气动功率。

3) 从主动失速控制的效果出发, 对风力机的气动特性设计提出了要求, 对定桨距风力机的优化设计有一定的指导意义。

4) 建立了一套额定功率为1. 5M W 的定桨距永磁直驱风力发电机组的仿真模型, 仿真结果验证了主动失速控制的可行性。

附录见本刊网络版(http ://w w w . aeps -info . com /aeps /ch /index . aspx ) 。

为了说明当风力机的转速超过一定值后机组以恒定转速运行, 对机组在风速从6m /s 到14m /s 突

变的情况进行了仿真, 结果如图11所示。可以看出, 在突变前后, 机组的风能利用系数有较大的变化, 由于转速在达到18r /min 后进入转速闭环工作, 转速基本恒定不变, 机组进入失速区运行, 且随着风速的增加, 失速程度越深。另外, 从图11(c ) 可以看出, 在风速突变的过程中, 机组的功率仅在动态过程中出现微小的超调, 但始终远小于额定功率1. 5M W 。仿真时发现, 即使风速突变到25m /s , 机组的额定功率也基本上可以维持在1. 5M W 。可见, 采用限速运行的主动失速控制, 可以很好地保证机组在全风速范围内(3m /s ～25m /s ) 都不会超过机组的额定功率。电机和功率变换器功率容量与风力机的功率可以完全相同, 不要额外增加电气设备的容量。但是, 由于对风力机的转速进行了限制, 在参考文献

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maximu m w ind

energy

tracking

con trol 2005,

strategy . Automation

Electric Pow er S ystem s ,

2006,

陈　杰(1982—), 男, 通信作者, 博士研究生, 主要研究方向:风力发电技术和变流技术。E -mail :nuaachenjie @

163. com 陈　冉(1984—), 男, 博士研究生, 主要研究方向:风力发电技术和电机控制技术。

陈志辉(1972—), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向:风力发电技术和电机控制技术。

Active Stall Control of Fixed -pitch Wind Turbines

CH EN J ie , CH EN Ran , C HE N Zhihui , G O N G Chuny ing , Y AN Y angguang (Nanjing U nive rsity of A ero nautics &A stro nautics , Nanjing 210016, China )

A bstract :Fixed -pitch w ind turbine s , who se blades a re connected to the hub directly , fea ture simple structur e , ex tremely hig h reliability and so on . T herefo re , it is particularly suitable for the o ffsho re wind farm s w he re high reliability is prio rity . In this

T his wo rk is suppo rted by Special F und of the N atio nal Basic Research Pr og ram of China (N o . 2007CB210303) . Key words :w ind po wer ; fixed -pitch ; aerody namic characteristic ; activ e stall

宝典27.定桨距失速型风机

定桨距失速型风机

工作原理:

定桨矩是指风轮的桨叶与轮毂是刚性连接，叶片的桨距角不变。失速是指叶型本身所具有的的失速特性，当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速的条件时，在叶片产生许多小的气流涡流，效率降低限制了功率的增加。

定桨距失速控制优点:没有功率反馈系统和桨距角伺服执行机构，整机结构简单、部件少、造价低，并具有较高的安全系数。缺点是这种失速控制方式依赖于叶片独特的翼型结构，叶片本身结构较复杂，成型工艺难度也较大。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力大，使得叶片的刚度减弱，失速动态特性不易控制，所以很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机组的功率控制上。系统结构

武汉国策的控制系统

轮毂

采用耐低温的球墨铸铁铸造而成，其设计紧凑，重量相对较轻，从齿轮箱主轴到风轮重心距离短。轮毂采用翘板式设计，分为轮毂及轮毂附件两部分由于轮毂与轮毂附件之间是活动连接，叶轮转动时，叶片会随轮毂一起在垂直于旋转平面的方向作?2?的摆动。轮毂内部安装有向叶尖液压系统供油的管路，通过轮毂上的人孔可以方便的检修。轮毂与叶片连接法兰上的腰圆形孔允许对叶片安装角进行微调。轮毂上同时还配有叶轮锁，当需要维护时，轮毂可以锁死不动。

齿轮箱

结构为两级行星一级平行轴，其输入级为低速端，与叶轮相连，高速级为输出端，与发电机相连。主齿轮箱内已经包含主轴和主轴承，

高速轴和机械刹车

在高速轴(或称联轴节)与齿轮箱输出端连接的位置安装有刹车盘和两个机械刹车夹，在刹车夹上安装有专门设计的金属刹车片。机械刹车设计为失效安全系统，即当液压装置释放时刹车片通过弹簧闭合夹紧刹车盘。控制系统会时刻监控刹车片的磨损和失灵情况。

底盘和支撑筒

偏航系统

底盘和塔筒通过偏航齿圈连接在一起，通过偏航马达实现对风操作。偏航马达共 3 个，由液压驱动经行星齿轮箱减速后驱动偏航齿圈旋转。在所有的运转工况下，即使对分操作已完成，偏航系统都能使整个机舱在指向风的方向附近作小幅、衰减的摆动。只有需要维护时，偏航系统才完全锁定不动偏航系统有自动解缆功能，偏航计数器的设定条件保证绕缆后自动解缆并复位，同时系统设有电缆保护装置，一旦自动解缆功能失灵使电缆缠绕到一定程度时，电缆保护装置会激活安全链并发出报警信号使机组紧急停机。软并网

目的是限制冲击电流，冲击电流为额定电流的2~3倍;通过控制板控制3极管的导通角及并网的冲击电流、并网时间、发电机转速波动等。

无功补偿

异步发电机有3种,1、电力电容等容分组自动补偿;2、固定补偿和分组自动补偿;3、svc静态无功补偿。

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