（机械电子工程专业论文）风力发电机组变桨系统的优化设计.pdf

摘要 变桨距机构与定桨距机构相比具有稳定性好、更能够适应野外风力不断变化 的要求、适应能力强、同时根据风速的变化自动调节桨距角的大小实现风力机功 率的最大化等优点，因此在风力发电机中得到了越来越广泛的应用。实现变桨距， 按照目前的科学技术水平有两种机构即液压变桨距机构和电动变桨距机构。本文 正是基于以上的背景下，对变桨距机构进行了系统的研究与分析，利用建模与仿 真的手段提出了一种变桨距系统的优化方案。主要研究内容如下： 1 提出变桨距系统控制的基本理论，对风力机桨叶的气动力进行理论分 析，阐述风能利用系数与风力机的功率之间的相关性关系，利用p i d 整 定策略对统一变桨距功率控制进行了仿真，分析了基于来留角预测的独 立变桨功率控制仿真，得到了统一变桨与独立变桨仿真结果的对比。 2 对液压变桨距系统作了分析并对各部件之间进行计算设计，对液压变桨 控制系统中的比例控制技术进行了详尽的分析，对主要液压元件作了定 量的选择，完成对液压变桨距系统的分析。 3 对电动变桨距系统的组成和工作原理进行细致的分析，进行了电动变桨 距伺服系统基本理论的研究，电动变桨距系统伺服电机及其控制策略在 电动变桨距系统有着很重要的作用，对三种伺服电机控制作了比较，拟 采用了三相永磁同步电动机。 4 最后本文对电动变桨距系统进行了建模与智能控制仿真，运用模糊逻辑 控制对伺服电机和桨叶节距角调节进行控制，模拟风速较高时，变桨距 系统的调节情况。 关键词：变桨机构独立变桨优化设计建模仿真 a b s t r a c t c o m p a r e dt 0t h ef i x e dp i t c hi n s t i t u _ t i o n a l ，t h ep i t c hi n s t i t i l t i o n a lh a v em 锄y a d v a j l t a g e s ，s u c ha sb e 吮rs t a b i l i 吼b e t t e ra b l et 0a d 印tt ot h ec h 锄g e so ft i l ew i l d w i n d ，b e t t e ra d a p t a b i l i t ya tt h es 锄et i m e ，w i t i lc h 锄g e si nw i n ds p e e d ，t h ep i t c hc o u l d a u t o m a t i ca d i u s tt l l es i z eo ft h ep i t c h 粕g l et oa c h i e v et h el a r g e s tw i n dt u r b i n e p o w e r ，e t c ，s oi th a sb e e nm o r ew i d e l yu s e d a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tl e v e lo fs c i e n c e 锄dt e c l l n o l o g y ，t h e r ea r eh y d r a u l i ca n de l e c 们cp i t c hi n s t i t u t i o n sc o u l da c h i e v et h e p i t c h b a s e do nt h ea b o v eb a c k g r o u n d ，t h i sa n i c l es y s t e m i cr e s e a r c ha n da n a l y s i st h e p i t c hi n s t i t u t i o n s ，u s i n gt h em o d e l i n g 蛐ds i m u l a t i o nt o o l sp r e s e n tav 州a b l ep i t c h s y s t e mo p t i m i z a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a n a l y s i st h eb a s i ct h e o 科o fp i t c hc o n t r o ls y s t e m ，a n a l y s i st h ef o n n u l ao f a e r o d y n a m i co ft h et u r b i n eb l a d e ，e x p l a i nt h ec o r r e l a t i o nr e l a t i o n s h i po fw i n d e n e r g yu s i n gc o e 伍c i e n ta j l dw i n dt u r b i n ep o w e r ，u s i n gp i dt u n i n gs 仃a t e g y t os i m u l a t et h ep o w e rc o n 订o lf o rt 1 1 eu n i f o n t lp i t c h ，b a s e do nt h er e m a m 粕g l eo fi n d e p e n d e mp i t c ht 0m a k es i m u l a t i o n ，a c h i e v et h er e s u l t so f c o m p a r i s o nb e t v 旧e nt h es i m u l a t i o no fu n i f o 彻p i t c ha n di n d e p e n d e n tp i t c h 2 a n a l y s i st h eh y d r a u l i cp i t c hs y s t e ma n dc a l c u l a t et h ev a r i o u sp a r t sa n dm a k e ad e t a i l e da n a l y s i st or a t i oc o n 价o lt e c h n o l o g yo fh y d r a u l i cp i t c hs y s t e m ， q u a n t i t a t i v es e l e c t i o no ft h em a 证h y d r a u l i cc o m p o n e n t s ，c o m p l e t et h e a n a l y s i so fh y d r a u l i cp i t c hs y s t e m 3 a n a l y s i st h ec o m p o s i t i o na n dw o d d n gp r i n c i p l eo fe l e c t r i cv “a b l es y s t e m ， r e s e a r c ht i l eb a s i ct 1 1 e o r yo fe l e c t r i cp i t c hs e r v os y s t e m 。e l e c t r i cv 撕a b l ep i t c h s e r v om o t o rs y s t e m粕dc o n 臼d ls 仃a t e g i e sh a v eav e r yi m p o m u l tr o l e c o m p a r e dt h et h r e es e om o t o rc o n t r o ls y s t e m ，p r o p o s et h et h r e e p h a s e p e m a n e mm a 印e ts y n c h r o n o u sm o t o r 4 f i n a l l yt h i s 甜i c l em o d e l sa n di i l t e l l i 窄r e n ts i m u i a _ t et l l ee l e c t r i cp i t c hs y s t e m ， m a k eu s eo f 内忍拶l o g i cc o n 臼o lm e t h o dt oc o n t r o lt l l es e r v om o t o r 觚db l a d e p i t c ha n g l ea d j u s t m e m s i m u i a t i o nm es p e e di sh i 曲，t h er e c o n c i l i a t i o n so f t h ev a r i a b l ep i t c hs y s t e m k e yw b r d s ：p i t c ho 唱a n i z a t i o n ；h d e p e n d e n tp i t c h ；o p t i m i z a t i o n ；m o d e l i n g sa n d s i m u l a t i o n 学位论文的主要创新点 一、对风力发电机变桨技术进行了细致分析，较全面的介绍了风力发 电机组变桨技术的原理、控制、参数和元件等问题。 二、对独立电动变桨技术进行分析和研究，并进行建模与仿真，进而 实现对变桨距技术的优化设计。 第一章绪论 1 1 课题的选题目的和意义 第一章绪论 能源是人类社会发展中不可或缺的物质基础。进入新世纪以来，能源与发展 的矛盾已成为全球关注的焦点，而我国能源相对匮乏，经济发展与资源、环境的 矛盾日益突出。2 0 0 9 年1 2 月国家对中华人民共和国可再生能源法进行了重 新修订，同时将能源做为社会和经济发展的一项长远战略方针来抓，提出要合理 利用和整合资源，以构建绿色能源发展体系做为国家能源发展的未来方向。在人 类使用的能源中，风能因其巨大的潜力和成熟的商业化模式而吸引了众多的目 光。自然界的能源中，风能极其丰富，据不完全统计【l 】，全球目前可利用的风能 总功率约为1 0 8 1 1 8 兆瓦，这个数值比全世界可资利用的水力资源大1 0 6 倍。 据国家气象与统计部门提供的资料显示：中国陆地可利用的风力资源达2 5 亿千 瓦以上，海上风力资源更是达到7 6 亿千瓦，远远超过可利用水能资源。然而， 这种清洁环保的能源尚未被人类所完全开发利用。 近年来，我国大力发展风力发电，对于缓解我国能源短缺具有重大意义， 对国家经济的可持续发展起到了推动作用。从技术角度来看【2 1 ，目前风力发电机 的功率越来越大，风力发电机中的定桨距定速型技术不能满足实际生产的需求， 而变桨距技术则可以解决这一问题。对大型风电机组来说，当突遇大风或运行异 常时，风速超过额定值，采用变桨距技术【3 】，其桨叶可执行收桨动作，防止风轮 超速发生飞车，可确保发电机组输出额定的功率，提高了设备的安全系数。由于 变桨距调节技术具有控制平稳、高效和安全的优点，近年来在大型风电机组上更 是得到广泛的应用。2 0 0 7 年以来【4 】，全世界所安装的风电机组中有9 1 8 的风电 机组采用了变桨变速技术，其比例还在不断提高，我国2 0 l o 年安装的亿兆级风 电机组中，采用的大都是变桨距机组。 稳定的变桨控制系统1 5 j ，是大型风力发电机组控制技术的热点和难点，也成 为当前行业发展的研究重点。本文即是在上述背景下，对风力发电机组变桨系统 进行理论和实践的研究，对其进行优化设计，以便提供可能性的理论探索，这些 工作对促进风力发电的基础理论研究、带动我国变桨技术的应用，都将起到一定 的推动作用。 1 2 变桨距技术简介 变桨距【5 1 也就是调节桨距角。在风力机中，通过对桨距角的主动控制可以克 天津工业大学硕士学位论文 服定桨距被动失速调节的许多缺点。与定桨距技术相比，变桨距技术能够根据风 速的变化，自动调整桨距角，做到高速时贮存过大的风力能，低速保持转矩功率 稳定的优点。 1 2 1 变桨距系统的主要类型 根据目前已经装机运行的风力发电机，变桨距技术1 6 】主要有液压变桨距技术 和电动变桨距技术。液压变桨系统【7 】由电动液压泵作为工作动力，液压油作为传 递介质，电磁阀作为控制单元，通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运 动来实现桨叶的变桨距；电动变桨系统在每个变桨盘都有一个超级电容和伺服电 机放置在轮毂处，每支桨叶一套，超级电型捌放置在变桨控制柜里。控制柜放置 在轮毂与叶片连接处。整个系统的通信总线和电缆靠滑环与主控连接。主控与变 桨盘通过现场总线通讯，达到控制3 个独立的变桨装置的目的。主控根据风速， 发电机功率和转速等，把命令值【9 l 发送到变桨距控制系统，并且电动变桨距系统 把实际值和运行情况反馈到主控器。 1 2 2 变桨距技术的原理 桨距角最重要的应用是功率调节【1 0 】，桨距角的控制还有其他优点。当风轮 开始旋转时，采用较大的正桨距角可以产生一个较大的启动力矩。停机的时候， 经常使用9 0 0 的桨距角 】，因为在风力机刹车制动时，这样做使得风轮的空转速 度最小。在9 0 0 正桨距角时，叶片称为“顺桨”。在额定风速以下时，风力发电机 组应该尽可能地捕捉较多的风能，所以这时没有必要改变桨距角，此时的空气动 力载荷通常比在额定风速之上时小，因此也没有必要通过变桨距来调节载荷。然 而，恒速风力发电机组【1 2 】的最佳桨距角随着风速的变化而变化，因此对于一些 风力发电机组，在额定风速以下时，桨距角随风速仪或功率输出信号的变化而缓 慢地改变角度。在额定风速以上时，变桨距控制可以有效调节风力发电机组吸收 功率及叶轮产生载荷，使其不超过设计的限定值。然而，为了达到良好的调节效 果，变桨距控制应该对变化的情况作出迅速的响应【1 3 1 。这种主动的控制器需要 仔细地设计，因为它会与风力发电机组的动态特性产生相互影响。当达到额定功 率时，随着桨距角的增加攻角会减小。攻角的减小将使升力和力矩减小。气流仍 然附着在叶片上。高于额定功率时，桨距角所对应的功率曲线与额定功率曲线相 交，在交点处给出了所必需的桨距角，用以维持风速下的额定功率。 2 第一章绪论 1 3 变桨距技术的发展现状与发展趋势 人类使用风能的历史，早在公元前就已开始，那时的人们利用风力带动的风 车在磨坊中使用或进行汲水，比如欧洲地区的风车已经成为一种风靡世界的象 征；蒸汽机未发明之前，风能成为航海的主要动力来源。而到了近代，各种能源 得到了快速发展，而人们对风能的利用和开发却几乎止步不前。 一次世界大战后【1 4 1 ，丹麦仿照飞机的螺旋桨，研制了两叶和叁叶高速风力发 电机，从此时起，风能的使用才推开历史新纪元。目前，风力发电已成为技术最 成熟、最具规模化发展前景的可再生能源。2 0 0 0 年全世界风电总装机容量为1 7 5 0 万k w ，2 0 0 1 年已曾到1 9 8 0 万k w ，2 0 0 5 年世界风力发电装机容量的增长率达到 3 7 ，风力发电量已达2 5 0 0 万k w 。2 0 0 8 年全世球新增风电装机量约9 0 0 万k w ， 全世界风电装机容量累计约4 0 0 0 余万k w ，2 0 0 0 2 0 1 0 年的十年间的平绝增长率 超过2 5 。作为无污染的绿色环保资源，风能具有极大的经济价值，风力发电前 景非常广阔。 据有关部门预测，到2 0 1 2 年全世界总装机容量会超过1 5 亿千瓦。近5 年 来，全世界风电装机容量年复合增长率超过2 8 ，成为发展最快的发电技术。预 计2 0 2 0 年的世界风力发电量将占全世界总发电量的1 0 9 6 。从世界各国的风电发 展情况来看，德国的风力发电装机容量居世界首位，随后是美国、西班牙、丹麦 和印度等国家。 近年来，风力发展事业在世界各国迅速发展，尤其是在注重环保的欧洲国家， 各国对风力发电实施政策优惠，投入鼓励，发展速度较快，发展规划也不断修改 和完善。欧洲2 0 0 7 年重新制订的风电发展规划就比原先1 9 9 7 年的翻了一番。欧 洲过去l o 年间，风力发电机组总装机容量增加了1 0 倍，风力发电成本下降了 5 8 ，尤其是北欧的一些国家，其风力发电已占到总发电量的5 卜1 0 。风力发 电有效地改善了这些国家的电力结构，减少了对空气和环境的污染，对保护国家 的生态起到了重要作用。 欧洲风力发电最发达的国家是丹麦、荷兰与德国【l 引。丹麦2 0 0 0 年的风电装 机容量为1 8 0 0 m w ，风电量已占到全国总发电量的3 5 ，目前还有5 个1 5 万k w 的风电场在建，到2 0 2 0 年计划风电量达到本国总电量的4 0 。德国9 9 5 年就完 成了2 5 0 m w 计划，风力发电增长较快i l6 j 1 ；2 0 0 0 年风电设施共有1 0 1 0 套并网发 电，总功率近8 0 0 m w ，累计装机已达3 0 0 0 姗，风电产量达到4 4 9 亿k w h ，比之前 增长了5 0 9 6 ，风电占全国电力生产量的1 ，并在2 0 0 9 年投产了风电机组1 5 0 0 m w ， 全国风电总装机量累计达到5 5 0 0 m w 风电量已占到全国总电量的3 5 。荷兰已建 成4 0 0 m w 风力发电场i l ，到2 0 l o 年达到1 2 0 0 m w 的总装机容量，可达到全国电 天津工业大学硕士学位论文 力消费的3 。欧洲各国的土地较少，为提高土地利用率，各国正在加大大功率 风力发电机的研制，同时海上风力发电场已进入实际应用阶段。 在美洲，美国的风力发电规模较大。1 9 9 7 年末，总装机容量近1 7 0 0 m w 。美 国的风力发电场主要集中在西海岸的加利福尼亚等地区。在8 0 年代初期，美国 以1 0 0 k w 以下的小型风力发电机为主流，目前3 0 卜5 0 0 k w 的较大型发电机已逐 步成为其风力发电的主流。风力发电场已由过去以加州为主扩大到整个的美国中 西部地区，各州也拟出了建设风电场的计划。据美国能源部称，2 0 1 2 年风电至 少能达到国内电力消耗量的1 2 。近十年来，美国在大型风轮机的生产投资方面 年均增长率达2 2 5 ，其风电投资成本的目标是4 美分k w 。 目前亚洲一些国家也在大力发展风力发叫1 8 】。印度的风力发电发展较快， 8 0 年代中后期开始兴建大型风力发电场。1 9 9 5 年，总装机容量达到6 0 l m w ，1 9 9 9 年拥有风力泵3 8 5 8 台，风电场功率达到1 0 0 0m w ，计划到2 0 1 2 年总装机容量 达到2 7 0 0 m w 。据印度非常规能源部对印度2 5 个邦的统计，印度【1 9 j 的风力资源 估计可以达到2 万m w 。做为亚洲小国日本，其建成的风力发电厂规模也不大， 但其利用率极高，1 9 9 9 年投资4 5 亿日元，在北海道安装2 0 台1 0 0 0 k w 风轮机， 建成日本风电场。计划在未来几年里投资将达到1 2 0 0 亿日元，使风力发电达到 全国电力总消耗量的8 以上。 随着风力发电机的功率越做越大，风力发电机的桨叶也由定桨距失速型向变 桨距转化。变桨距风力发电机的运行原理【l9 j 是：当风速低于额定值，即发电机 功率在额定功率以下时，叶片的节距角置于0 。附近。此时可以认为和定桨距风 力发电机组等同，发电机的功率随风速的变化而变化。当风速高于额定值，即发 电机功率超过额定值时，变桨距机构开始工作，调整叶片的节距角，减少风力对 叶片的做功，使发电机的功率稳定在额定值附近。这是因为从空气动力学考虑， 当风速过高时，只有通过调整桨叶的角度，改变气流对叶片的攻角，从而改变风 力发电机组获得的空气动力转矩，才能使功率输出保持稳定。变桨距技术的应用， 不仅在风速超过额定值时，可以确保发电机组发出额定的功率，同时对大型风电 机组来说，当突遇大风或运行异常时，可执行收桨动作，防止风轮超速发生飞车， 提高了其安全性。 由于变桨距调节方式具有载荷控制平稳、安全和高效等优点【2 0 1 ，近年来在 大型风电机组上得到了广泛的采用。2 0 0 6 年，在全球所安装的风电机组中有9 2 的风电机组采用了变桨变速方式，而且比例还在逐步上升，我国2 0 0 7 年安装的 m w 级风电机组中，也都是变桨距机组。 1 9 9 8 2 0 0 5 年以来：国家大力支持风电技术的引进和创新，并积极推动其及 4 第一章绪论 规模化的发展。在此期间，国家出台了一系列措施，对风力发电技术的发展无疑 具有重大意义。通过这些政策推动了对外引进风电技术及国内的自主创新和制造 业高速发展。2 0 0 5 年以来，我国的风电产业历经引入、研制、发展阶段，目前 已经开始进入高增长期。2 0 1 0 年中国( 不包括台湾地区) 新增安装风电机组 1 2 9 0 4 台套，装机容量达1 8 9 2 7 9 9 m w ，年同比增长了3 7 1 ；累计安装风电机 组3 4 4 8 5 台套，装机容量达4 4 7 3 3 2 9 m w ，年同比增长7 3 3 ，预计未来3 5 年内达到高速增长时期。 风能是我国目前最有开发利用前景的新能源，同时我国是一个风力资源十 分丰富的国家，全国6 0 以上的地区处在多风带，可实际开发的风能储量达2 5 3 亿k w 。虽然我国近几年风电发展迅速，风电机组装机量每年以2 0 左右的速度 递增，但风电仍仅占全国风力总装机的l l ，因此我国的风力发电目前仍处于起 步阶段。再者由于我国风电企业生产规模小，工艺技术较落后，一些原材料和产 品国产化程度低，大大增加了产品的生产成本。目前已投入运营的风电机组绝大 多数为进口产品，这不仅受到运输、成本、售前售后等方面的制约，而且也不利 于我国风电产业的形成和发展，因此风电机组国产化的开发与生产成为中国风电 行业的历史使命。国家经贸委、国家科技部陆续颁布了支持风电发展的优惠政策 与举措，使我国近年来风电事业得到快速发展。 为更好地实施国家能源和经济可持续发展战略，国家科技部、国家经贸委、 能源局制定了可再生能源和新能源产业发展的“十一五”规划【2 1 】，其中包括国 家的光明工程和8 6 3 计划后续能源技术主题等国家重大科技发展计划。重点是研 制6 0 0 k w 级以上风力发电机组，实现规模量产；研究开发多级低速发电机、变 速恒频、无齿轮箱等新型风力发电机组；提高1 0 k w 以下离网型风力发电机的 制造水平，推广风、柴互补，风、光互补和风、光、柴联合供电系统。规划的指 导思想是以市场为导向，选择成熟的、具有市场发展远景的技术、产品作为行业 发展的重点，提出能源利用的可持续发展目标，制定符合市场发展的产业政策。 同时不断规划和调节风电使用市场，全面推动新能源和可再生能源技术的开发和 利用。规划的主要目标是：2 0 0 5 年并网风力发电装机容量达到1 2 0 万k w ，形 成约1 5 2 0 万k w 的设备制造能力，以满足国内市场需求；至2 0 1 5 年可再生能 源和新能源年开发量达到4 4 0 0 万吨标准煤，占我国同时期能源消费总量的2 。 形成的新产业将成为国民经济的一个新兴产业支柱，拉动电子、机械、材料、化 工、环保等相关行业的发展，对减轻大气污染、改善大气环境质量起到不可估量 的作用，预计可以减少3 0 0 0 余万吨的温室气体及2 5 0 多万吨二氧化硫等污染物 的排放，提供近4 8 万个就业岗位。由此，在国家的高度重视和政策的大力支持 下，做为承载可再生能源发展趋势的风力发电行业，必将有着广阔的发展前景。 天津工业大学硕士学位论文 近年来，国内的科研院所、企业对风电设备进行了大规模的研发，如金风科技股 份有限公司和德国企业合作开发的金风6 2 1 2 0 0 风力发电组采用水平轴、上风向、 三叶片、变桨距调节、变速恒频、永磁同步、直接驱动发电机并网的开发方案， 减少了齿轮箱内传动系统部分配件，降低机械损失，提高机组的安全性和生产、 运行效率。沈阳工业大学风能技术研究所承担研制了1 m w 双馈型变速恒频发电 机组，立足于自主设计，技术方案采取变桨距、变速恒频、双馈发电机技术，第 一台样品已于2 0 0 5 年7 月3 1 日完成调试安装，并进行并网运行，该机组国产化 率达到8 5 以上。2 0 0 6 年底我国装机容量【2 3 j 达2 6 0 万k w ，居全球第六。随着 风电技术的自主研发，我国风电装机复合年增长率近年来排名全球第一，使中国 的风电事业进入高速增长时期，2 0 1 2 年总装机容量有望超过丹麦，成为全球第 五大风电国。目前风力发电行业在我国快速发展，在大型并网型风电机组中，变 桨距的技术已得到广泛的应用，特别电动变桨距技术在国内得到全面认可，几乎 占国内市场的9 0 9 6 。在电动变桨【2 5 】的方案中，永磁同步电动机方案 2 8 是最先进、 最经济的方案，应该得到广泛的推广，如果在安全收桨方面，永磁同步电动机方 案能有更可靠、更经济的方法，那将会更进一步占领市场。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题密切结合在当代国家十二五背景下对风力发电的大力需求p 川，立足 于原始创新，对当今主流的风力发电机组变桨系统技术开展相关研究工作，系统 的对变浆系统的原理和主要的关键技术进行理论分析，提出了变桨系统的优化设 计方向，为变浆系统优化设计奠定了基础。本文研究内容包括风力发电应用分析、 变桨系统建模与仿真分析，可靠性分析等。全文编排如下： 第一章阐述论文的选题目的和意义，结合国内外发展现状和趋势，提出本 论文的主要研究内容。 第二章对风力发电机组变桨系统控制理论展开分析，运用数学与实验的手 段结合实际中遇到的问题，为风电机组变桨系统的优化提供了理论的支撑。 第三章分析液压变桨系统中的变桨原理，对液压变桨系统应用与优化的重 点难点侧重分析，运用仿真软件进行分析，提出在液压变桨系统技术领域中所面 临的问题。 第四章在目前实际的风力发电机组中，电控变桨系统占据了绝大部分，基 于目前电控变桨系统研究的关键问题，研究分析电控变桨技术。 第五章鉴于以上分析，运用计算、实验与仿真建模的思路，提出了一套变 桨系统的优化方案。 第六章总结与展望：总结全文，并对进一步研究提出建议和展望。 6 第二章风力发电机组变桨控制理论 2 1 引言 第二章风力发电机组变桨控制理论 在风力发电机组中，变桨机组已经取代定桨机组成为风机商业化发展的主 流。变桨系统是风电机组功率控制和平稳运行的重要执行部分，在其运行中发挥 着主导作用。通常情况下，变桨系统以风力机组主控制器发出的指令来驱动桨叶 旋转，从而使桨叶到达指定的桨距角位置，实现并网过程快速无冲击，保证风力 机组在不同工作状态下按最佳参数运行：在出现紧急状况时，自动调节桨距角使 桨叶顺桨，实现气动刹车，保证风力机组的安全。稳定的变桨距控制是当前大型 风力发电机组控制技术研究的热点和难点，国外研制的大容量风电机组，已将专 家系统、神经网络和模糊控制等智能控制技术应用于变桨距控制领域，在技术上 取得了较大的进展。国内在变桨距系统的研制上起步较晚，目前已有一些研究人 员和机构将模糊控制和神经网络技术应用在变桨距控制上，并取得了相应的成 果。本文主要讨论风力机组功率控制方法，分别研究了模糊p i d 统一变桨距功 率控制系统、基于来流角预测的独立变桨距功率控制策略；并将神经网络技术及 其优秀“预测”功能应用于独立变桨距功率控制和相应的计算机仿真，同时将二 者的仿真结果进行比较，为中国大型风电机组变桨距控制系统国产化的研发提供 一些设计思路和理论方法。 2 2 风电机组控制系统概述 随着风电机组单机容量的不断加大，塔架高度和叶轮直径也随之不断扩大， 兆瓦级风力发电机组在额定风速的情况下，桨叶在旋转过程中其最高端和最低端 垂直方向的高度上功率吸收相差2 0 以上，这使得普通叶轮统一变桨控制在大 型机组上无任何优势可言。变桨控制系统作为兆瓦级风力发电机组控制系统的核 心部分之一，对机组高效、稳定、安全的运行具有非常重要的作用。而由于独立 的桨叶变距系统的独特结构使其每只桨叶都具有一套能够独立的且能变距的伺 服驱动式系统，使用独立式的变桨控制方式不仅减少了传动系统发生的故障率， 而且减轻了输出的力矩脉动率，提高系统运行可靠性和稳定性，使风力机组的运 行寿命大幅提高。同时独立桨叶变距控制不仅拥有普通叶轮整体变距控制的优 点，还能很好地解决垂直高度上风速变化对风机的影响这一不利因素。但是如果 采用液压伺服驱动，其系统结构过于复杂，会给维护和修理造成一定难度。因此， 独立变桨距控制系统现在通常都采用电动机驱动方式。本文在分析风电机组变桨 7 天津工业大学硕士学位论文 距控制研究现状的基础上，提出优化的变桨距控制策略，利用m a t l a b s i m u l i n k 对其进行仿真，设计了基于模糊控制的变桨距控制器，使控制效果得到了提高。 下面的实例，是以典型的独立变桨控制系统来说明变桨控制系统的基本构成。一 般的独立电动变桨控制，主要是由3 套独立的变桨装置组成，不但提高了风力机 的输出功率，还可以允许3 个桨叶独立变桨，即使在其中一个桨叶刹车制动失败 时，其他2 个桨叶也可以实现安全刹车的过程，提高了整个系统的安全性，能全 面满足其刹车制动需要。变桨控制系统由饲服电动机驱动器、滑环、蓄电池、热 敏电阻、制动电阻、旋转编码器、角度编码器、变速箱、安全限位开关及交流饲 服电动机等部分组成，如图2 一l 所示。 伺一幺蚤弑谢交流饲凰电动枫一爻逑褥l 眭” 斟 服 一热敏电hll 安垒 啜位歼芙 电 滑动 一制劫一 环帆一制动反缓信号 角廑编码器 囱 驱 动 充电豳路j 器 匦圜 图2 1电控变桨系统构成 变桨距控制( a c t i v ep i t c hc o n t r 0 1 ) 技术，简单来说就是通过调节桨叶 的节距角，改变气流对桨叶的攻角，从而控制风轮捕获的气动功率和气动转矩。 近年来国内外在变桨距控制上，主要采用液压变桨控制和电控变桨控制，以及目 前正处在研制阶段的电液比例变桨控制。其中电变桨距主要采用了两种控制方 法，即统一变桨距控制( c o l l e c t i v ep i t c hc o n t r 0 1 ) 和独立变桨距控制 ( i n d i v i d u a lp i t c hc o n t r 0 1 ) 。统一变桨距控制指风力机全部叶片的节距角都 同时改变相同的角度，是目前使用最广泛、应用最为成熟的控制技术；独立变桨 距控制是指风力机的每支叶片根据自己的控制规律独立地变化节距角，是在统一 变桨距的基础上发展起来的新型变桨距控制理论和方法，具有较高的前导性。 2 3 统一变桨距的功率控制与仿真 2 3 1 统一变桨距的模糊p id 功率控制器设计 第二章风力发电机组变桨控制理论 p i d 控制器根据p i d 控制原理，对整个控制系统进行偏差调节，以其算法简单、 应用性好、可靠性高等优点，广泛用于工业自动控制领域，但传统的p d 算法无 法完全解决很高的性能要求的风力发电机组系统的变桨距的控制设计问题。根据 有关实验证明，对解决线性逻辑控制问题的基于模糊逻辑的参数自整定p d 控制 器，能够在非线性控制系统有广泛应用。实际控制过程大体原理是这样的，即模 糊控制器按照功率偏离度误差信号p 和它的变化率e 以及调节比例系数勋、微分系 数尉、积分系数厨的数值，因此模糊控制规则是模糊控制的核心算法。因此从 实际运行中的控制经验和p i d 算法中不同环节的不同作用，研究者利用总结出的 参数量整定规则，构成了模糊控制规则的依据及算法应用的基础。 m a m d a n i 法是工程上最常用的模糊推理方法，使用这种方法设计模糊控制器 并采用最大隶属度法解模糊，以确定p i d 参数整定的模糊控制查询表。文中采用 二维模糊控制，其模糊条件语句为： i f ea n d 时t h e nu ，卜功率偏差；u 桨距角变化量；战卜功率偏差的变化率。控制规则选取的基本原则是， 当功率偏差较小时，主要考虑避免过大超调，保证系统稳定：当功率偏差较大时， 以考虑快速消除偏差为主。在s i m u l i n k 中，可搭建的模糊p 工d 控制器模块如图2 2 所示。 图2 2模糊p i d 控制器的s i 衄l i n k 模块 9 天津工业大学硕士学位论文 2 3 2 风力机桨叶的气动力 在计算风力发电机桨叶受到的气动力时，我们先设出风力机轮旋转角速度 w ，与风力机轮所处平面垂直的假设无限处来流风速度为，距风力机轮中心 长度为r ，假设长度为咖的叶片元其受力情况如图2 3 所示。绝对风速度( 卜由 和叶素的旋转速度即，( 1 + 6 ) 的向量之和即是相对风速阮z 。节距角为风力机 轮旋转平面和翼弦夹角b ；攻角是翼弦和阮z 的夹角f ；来流角是风力机轮平面与 阮，的夹角，有如下公式： ，= f + 声= a r c t a 【n ( 矿( 1 一口) ，( 1 + 6 ) ) 从叶素理论可推出，口与6 分别为轴向和周向速度系数。本文利用于简单 模型做定量分析，即忽略涡流现象取口、6 均为o 。 馘- 务。(翰拶 耽l 吲) 。毒 图2 3旋转变桨叶气流速度和气动力示意图 2 3 3 风力机的功率与风能利用系数 在实际风力机工作过程中，我们往往需要一个系数来评测风力机从自然风 中吸纳风能大小能力即风能利用系数c p ，其做为度量风力机运转效率中最重要 1 0 第二章风力发电机组变桨控制理论 的指数，我们利用风力机所用的c ，曲线，均可用表尖速比五和表节距角关系 式来表达。本文使用了以下所述两种c p ，做出了二维及叁维曲线，利用其推导 出凰电机组桨距角控制的基本规律： l 、对大型风力发电机组而言，其正常运行的尖速比在3 旯8 时，反应到 节距角：o 。，c p 基本保持最大值，并且伴随着的增大，c p 逐渐的 减小。 2 、无论节距角大小，凰能利用系数总有c p 最大值； 2 3 4 统一变桨距的功率控制仿真 本文中我们利用统一变桨距控制及其原理对各个部分进行模型连接，如图 2 4 所示，统一变桨距功率的控制效果可以作为变桨距系统性能评定的很好根据， 同时很大一部份也是变桨距系统的主要功能反应。在此可以利用p i d 整定策略， 且根据上一节提出来的模糊控制及其规则，经模糊式运算法则，整定出来一个模 糊控制查询表。本文对于仿真模型数据的采用以国产某种兆瓦级变速恒频双馈风 电机组的相关参数为主要对象。图2 4 体现了的是统一变桨距功率控制原理建立 机组各部分模型的连接，而总的系统仿真s i 舢1 i n k 模块如固2 5 所示，统一变桨 距控制的计算机仿真结果如图2 6 各图所示。 l 睁 圈催m d 回 i 卜 建震 i 空制盛 卜 功举 托翱嚣 l 图2 4统一变桨距系统控制框图 天津工业大学硕士学位论文 图2 5统一变桨距系统功率控制仿真s i m u li n k 模块及控制框图 设风轮中心所受风速随机变化，由仿真得到其中心有效风速，见图2 6 一a 所 示。自图2 6 - b 中可知，桨叶节距角快速跟随风速的变化而变化，图2 6 一c 显示出 在风轮工作的旋转过程时其桨叶会受到轴向力的影响，其大小呈简谐式变化，当 风速变强时，其变化的幅值越剧烈。此为桨叶在颤振到一定程度的疲劳损坏其所 受的外界激励大小。图2 6 一d 为桨叶1 的攻角变化曲线图，位置为距轮毂大约中心 2 2 m 处的中前部。 图 2 6 统一变桨仿真结果 根据仿真图示可以看出，气动轴向力与攻角的变化规律基本相同，也可以引 起气动轴向力周期性变化的直接原因是攻角的周期性变化。图2 6 一e 为桨叶1 攻 第二章风力发电机组变桨控制理论 角在测量点处的来流角随工况运行曲线，产生的也是周期式变化。由于风速在风 轮平面内随高度变化，引起来流角i 发生周期性变化，而攻角i 又跟随来流角i 变 化，因此最终导致气动轴向力的周期性改变。由式( 1 ) 我们可以看出，风速分 布极不均引起了来流角也发生周期式变化。图2 6 一f 为桨叶l 的轴向力在径向上分 布的三维图，其气动轴向力越靠近桨叶顶部，变化越剧烈。 2 4 独立变桨距功率控制与仿真 风速在风轮平面内沿高度的分布具有极高的持续性和规律性，因此我们可以 利用神经网络技术对其进行预测。其预测方法为，预先测量塔影效应和风切对风 速分布的影响，之后使用大量观测数据对神经网络进行训练，使用训练好的神经 网络去估算不同高度的风速。考虑到在统一变桨的基础上，用特定式对每个桨叶 指定位置的来留角进行实时预测，并利用其变化量分别修正每个桨叶的节距角， 则得各桨叶的节距角变化量，最后以特定式实现对来流角的预测。 2 4 1 b p 神经网络设计 b p 神经网络自风轮中心风速及桨叶处进行输入，桨叶的指定一段( 通常作仿 真时取离中心2 2 m 处) 的风力速度作为它的输出，则输入层可分为两个单元，同 时输出层出现一个单元。利用b p 神经网络估算风速在风轮平面沿高度方向的分 布，由于风速的垂直曲线做连续的分布，可以假定三层网络结构，对隐层其单元 数取1 0 ，这样b p 神经式网络结构图2 7 所示。我们可以采用设计效果最理想得l w 式方法训练网络，这样迭代2 8 8 次后，目标函数值为9 7 9 9 1 0 一7 ，达到允许的 精度。在神经网络训练中，需要得到批量观测样本，我们利用上节的仿真数据代 替观测样本。训练后的b p 么 刚一。刚叫 2 l o 图2 7 b p 神经网络基本结构 神经网络可以对风轮平面内各高度的实时风速进行准确预计。为方便仿真， 我们将设计好经过训练后的网络转换成s i 叫1 i n k 模块，见图2 8 所示。 天津工业大学硕士学位论文 图2 8b p 神经网络s i 叫1 i n k 模块 2 4 2 独立变桨距的控制仿真和结果分析 桨叶在剧烈变化的轴向气动力下将产生“挥舞”型振颤。鉴于此，本节主要 是通过节距角跟随来流角变化式来完成独立变桨控制。在图2 9 中可看出，预测 段来流角的变化能被各桨叶的节距角迅速跟踪，可以很好的限制攻角循环性幅值 变化，减缓桨叶气动疲劳载荷大小，对轴向气动力方向幅值的变化起到了很好的 控制作用，延长了桨叶的工作寿命。其中，图2 9 一a 是桨叶在节距角变化的曲线； 2 9 - b 是桨叶轴向气动力的变化的曲线；2 9 一c 为桨叶在假想段攻角变化曲线； 2 9 一d 为桨叶来流角在假象段变化的曲线；2 9 一e 为桨叶轴向上气动力沿径向周 边的立体多维图。 旧 s 乏6 =4 嚣： o a 3 0 ：冀 一：h 三要 芒：r ) l 攀曲 b 帆蠹；涉 i 意三：i ，瞄象? o 。；“：j l l m5 l二饼二5 订j 埘7 f 一憎1 10 c de 图2 9独立变桨仿真结果 由图可知，轴向气动载荷的减缓效果与n 的取值相关，如果n 取得过大，其功率 无法进行有效控制，若r 1 取得过小，独立变桨的效果就不会体现出来。显而易见， 第二章风力发电机组变桨控制理论 r 1 = 0 时，系统为统一变桨。由仿真实验数据可得，d 与r 1 的变化范围 相当时，控制效果最为理想。 独立变桨和统一变桨的功率控制情况分别如图2 1 0 一a 和2 一1 0 岫所示。从图 2 一l o 中可看出，在功率控制效果上，独立变桨比统一变桨更合理。在大型风力机 中，桨叶会因气流发生“挥舞”型振颤，通过分析和仿真，我们提出基于来流角 预测的独立变桨距控制策略，应用于统一变桨的模糊p i d 参数自整定控制器设 计，这就能使统一变桨距控制较好地实现大型风电机组对功率控制的要求。由于 风速在风轮平面上分布不均匀，独立变桨可以使节距角在风速低的位置时较小， 风速高的位置时较大，这样可以减少桨叶在风轮不同位置的气动扭矩波动，使输 出功率更平稳。仿真结果表明，独立变桨距控制可有效减轻桨叶的气动疲劳载荷， 减小因风速沿高度分布不均匀产生的气动轴向力的周期性变化，因此独立变桨距 控制比统一变桨距控制所输出功率更加稳定。本文仅对变桨距控制的方法和控制 结果进行仿真分析，尚待在生产实践中进行验证。图2 1 0 为功率控制仿真效果对 比。 o弼l l 弱猢渤椭 时阚，l a 统一变桨 l i l 差t 萋1 嚣 图2 一l o功率控制仿真效果对比 b 独立变桨 天津工业大学硕士学位论文 1 6 第三章液压变桨系统分析 3 1 引言 第三章液压变桨系统分析 对于兆瓦级风力发电机组，我们在变桨距机构的设计中，要保证整个机构具 有较高的强度和精度，同时要满足大驱动力的需求。之所以选用液压系统作为变 桨距动力系统，主要是液压控制系统体现了其输出位移量受负载影响小、刚度大、 液压执行机构响应快、系统频宽带、定位准确等优势。但液压系统也有其弊端， 首先是存在非线性：如库伦摩擦、死区滞环，某些系统非线性严重，通常线性化 方法是将液压控制系统作为线性系统来处理，但实际操作起来将其作为线性系统 处理不太合适；其次液压系统的油粘度、系统阻尼比、体积弹性模量等，对油压、 油温、阀开口量的变化也是一些很敏感的软参量。通常，被控对象属时变系统， 由于上述软参量的原因，很难为被控对象建立精确的数学模型；三是液压系统响 应快，通常泵控系统的调整时间不超过1 s ，阀控系统的调整时间在2 0 0 m s 以内。 本章首先通过分析液压变桨系统的结构，对主要的液压元件运用数学和力学 进行选择研究，确定主要零件的匹配原则及注意事项；再对液压变桨系统的工作 过程，具体分析其变桨距传动装置以及原理，并对系统关键部分进行设计和计算， 包括桨叶驱动力矩、液压系统负载力和液压系统流量计算。为液压控制系统的设 计及液压元件的选型提供了理论参考，同时对下面液压变桨系统的建模与仿真奠 定基础。 3 2 液压变桨距机构的受力分析与计算 液压系统各种器件的选择受它的驱动力及液压油流量的直接影响，下面将 从这两个角度进行分析计算。 3 2 1 桨叶受到驱动力的计算 变桨系统其工作原理和实验数据，决定了要计算系统功率的大小，必须在变 桨距时计算出叶片需要多大的驱动力，但由于变桨距机构某种情况下顺桨时候的 油缸的出力要比通常状态下大很多，一般认为选择在突发顺桨时桨叶受到的驱动 力。在风机运行