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在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,變槳距控制技術(shù)關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運行,影響風(fēng)力機(jī)的使用壽命,通過控制槳距角使輸出功率平穩(wěn)、減小轉(zhuǎn)矩振蕩、減小機(jī)艙振蕩,不但優(yōu)化了輸出功率,而且有效的降低的噪音,穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的輸出功率,改善槳葉和整機(jī)的受力狀況。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)比定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有更好的風(fēng)能捕捉特性,現(xiàn)代的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多采用變槳距控制。本文針對國外某知名風(fēng)電公司液壓變槳距風(fēng)力機(jī),采用可編程控制器(PLC)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變槳距控制器。這種變槳控制器具有控制方式靈活,編程簡單,抗干擾能力強(qiáng)等特點。本文介紹了液壓變槳距系統(tǒng)的工作原理,設(shè)計了變槳控制器的軟件系統(tǒng)。最后在國外某知名風(fēng)電公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上做了實驗,驗證了將該變槳距控制器可以在變槳距風(fēng)力機(jī)上安全、穩(wěn)定運行的。
1、引言
隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展,變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)越性顯得更加突出:既能提高風(fēng)力機(jī)運行的可靠性,又能保證高的風(fēng)能利用系數(shù)和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線。采用變槳距機(jī)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)可使葉輪重量減輕,使整機(jī)的受力狀況大為改善,使風(fēng)電機(jī)組有可能在不同風(fēng)速下始終保持最佳轉(zhuǎn)換效率,使輸出功率最大,從而提高系統(tǒng)性能。隨著風(fēng)電機(jī)組功率等級的增加,采用變槳距技術(shù)已是大勢所趨。目前變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有兩種:液壓變槳距和電動變槳距,按其控制方式可分為統(tǒng)一變槳和獨立變槳兩種。在統(tǒng)一變槳基礎(chǔ)上發(fā)展起來的獨立變槳距技術(shù),每支葉片根據(jù)自己的控制規(guī)律獨立地變化槳距角,可以有效解決槳葉和塔架等部件的載荷不均勻問題,具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單、易于施加各種控制、可靠性高等優(yōu)勢,越來越受到國際風(fēng)電市場的歡迎。
兆瓦級變速恒頻變槳距風(fēng)電機(jī)組是目前國際上技術(shù)比較先進(jìn)的風(fēng)力機(jī)型,從今后的發(fā)展趨勢看,必然取代定槳距風(fēng)力機(jī)而成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主力機(jī)型。其中變槳距技術(shù)在變速恒頻風(fēng)力機(jī)研究中占有重要地位,是變速恒頻技術(shù)實現(xiàn)的前提條件。研究這種技術(shù),提高風(fēng)電機(jī)組的柔性,延長機(jī)組的壽命,是目前國外研究的熱點,但是國內(nèi)對此研究甚少,對這一前瞻性課題進(jìn)行立項資助,掌握具備自主知識產(chǎn)權(quán)的獨立變槳控制技術(shù),對于打破發(fā)達(dá)國家對先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的壟斷,促進(jìn)我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。
為了獲得足夠的起在變槳距系統(tǒng)中需要具有高可靠性的控制器,本文中采用了OMRON公司的CJ1M系列可編程控制器作為變槳距系統(tǒng)的控制器,并設(shè)計了PLC軟件程序,在國外某知名風(fēng)電公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上作了實驗。
2、變槳距風(fēng)力機(jī)及其控制方式
變槳距調(diào)速是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要的調(diào)速方式之一,如圖1所示為變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的簡圖。調(diào)速裝置通過增大槳距角的方式減小由于風(fēng)速增大使葉輪轉(zhuǎn)速加快的趨勢。當(dāng)風(fēng)速增大時,變槳距液壓缸動作,推動葉片向槳距角增大的方向轉(zhuǎn)動使葉片吸收的風(fēng)能減少,維持風(fēng)輪運轉(zhuǎn)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。當(dāng)風(fēng)速減小時,實行相反操作,實現(xiàn)風(fēng)輪吸收的功率能基本保持恒定。液壓控制系統(tǒng)具有傳動力矩大、重量輕、剛度大、定位精確、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點,能夠保證更加快速、準(zhǔn)確地把葉片調(diào)節(jié)至預(yù)定節(jié)距[4][5]。目前國內(nèi)生產(chǎn)和運行的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變距裝置大多采用液壓系統(tǒng)作為動力系統(tǒng)。
如圖2所示為變槳距控制器的原理框圖。在發(fā)動機(jī)并入電網(wǎng)之前由速度控制器根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信號進(jìn)行變槳距控制,根據(jù)轉(zhuǎn)速及風(fēng)速信號來確定槳葉處于待機(jī)或順槳位置;發(fā)動機(jī)并入電網(wǎng)之后,功率控制器起作用,功率調(diào)節(jié)器通常采用PI(或PID)控制,功率誤差信號經(jīng)過PI運算后得到槳距角位置。
當(dāng)風(fēng)力機(jī)在停機(jī)狀態(tài)時,槳距角處于90?的位置,這時氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩;當(dāng)風(fēng)力機(jī)由停機(jī)狀態(tài)變?yōu)檫\行狀態(tài)時,槳距角由90?以一定速度(約1?/s)減小到待機(jī)角度(本系統(tǒng)中為15?);若風(fēng)速達(dá)到并網(wǎng)風(fēng)速,槳距角繼續(xù)減小到3?(槳距角在3?左右時具有最佳風(fēng)能吸收系數(shù));發(fā)電機(jī)并上電網(wǎng)后,當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時,使槳距角保持在3?不變;當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時,根據(jù)功率反饋信號,控制器向比例閥輸出-10V- 10V電壓,控制比例閥輸出流量的方向和大小。變槳距液壓缸按比例閥輸出的流量和方向來操縱葉片的槳距角,使輸出功率維持在額定功率附近。若出現(xiàn)故障或有停機(jī)命令時,控制器將輸出迅速順槳命令,使得風(fēng)力機(jī)能快速停機(jī),順槳速度可達(dá)20?/s。