李曉斌 李國(guó)成

（1. 武漢數(shù)字工程研究所，武漢 430074; 2. 湖北宜昌供電局，湖北 宜昌 443003）

風(fēng)力發(fā)電作為一種成熟的新型清潔能源，已經(jīng)更多地被實(shí)際電網(wǎng)所吸納。但由于風(fēng)能具有動(dòng)態(tài)和不確定性，因此要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)所獲取的風(fēng)能進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，風(fēng)電變槳距系統(tǒng)用來(lái)對(duì)風(fēng)能進(jìn)行控制，如何設(shè)計(jì)快速響應(yīng)、高效可靠的變槳距系統(tǒng)就成為整機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的關(guān)鍵所在。為了保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全，風(fēng)電機(jī)組必須對(duì)獲取的風(fēng)能進(jìn)行控制，傳統(tǒng)定槳距風(fēng)機(jī)是通過(guò)設(shè)計(jì)變槳葉片的失速特性來(lái)控制風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)能的獲取。隨著風(fēng)機(jī)向大型化方向發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)、交直流電機(jī)數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能獲取控制已逐步轉(zhuǎn)向?yàn)樽儤?，即由過(guò)去的定槳失速控制轉(zhuǎn)為變槳變速控制，變槳距控制技術(shù)已經(jīng)成為大型風(fēng)電機(jī)組控制的主流技術(shù)。

1 風(fēng)電變槳距系統(tǒng)原理

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所吸收風(fēng)能的功率可用如下算式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中，Pout為風(fēng)機(jī)所捕獲的風(fēng)能功率，Cp為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率系數(shù)，A為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片所掃過(guò)的面積，ρ為空氣密度，V為風(fēng)速。

由上述公式所知，在一定風(fēng)速的情況下，要改變所獲取風(fēng)能的輸出功率，只有改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率系數(shù)，見(jiàn)式（2）；也就是改變?nèi)~片角度和葉尖速比，見(jiàn)式（3）。

式中，λ為葉尖速比，ω為風(fēng)力發(fā)電低速軸機(jī)械角速度，θ為葉片槳距角度，R為葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)所成外圓的半徑。

由圖1可知，通過(guò)改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)葉尖速比，可以實(shí)現(xiàn)Cp值最大，從而保證風(fēng)機(jī)獲取最大風(fēng)能。通過(guò)改變氣流對(duì)槳葉的攻角，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組功率控制。一方面在同一風(fēng)速和主軸轉(zhuǎn)速的情況下，可以通過(guò)改變?nèi)~片角度來(lái)改變風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)；另一方面也可在不同風(fēng)速的情況下，通過(guò)改變?nèi)~片角度，調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速來(lái)改變風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)。

圖1 表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的Cp 曲線

此外，為確保三個(gè)葉片變槳角度的一致性，在實(shí)現(xiàn)變槳距系統(tǒng)時(shí)，必須確保三個(gè)葉片的位置環(huán)和速度環(huán)具有控制精度高、響應(yīng)快、系統(tǒng)穩(wěn)的特點(diǎn)，避免因?yàn)槿齻€(gè)葉片的不一致性加劇主軸軸承的不均勻載荷，影響機(jī)組的使用壽命。

現(xiàn)以某1.5MW 風(fēng)電機(jī)組變槳距要求為例，根據(jù)整機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)，得到該變槳系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)參數(shù)如下：

1）額定力矩：25N·m。

2）最大驅(qū)動(dòng)力矩：105N·m。

3）制動(dòng)力矩：90N·m。

4）低速變槳：5°/s。

5）正常順槳角度：89°。

6）變槳校驗(yàn)角度：2°，88°。

7）變槳極限角度：91°,96°。

8）儲(chǔ)能順槳：正常工況下連續(xù)3 次。

2 變槳系統(tǒng)總體組成

變槳距系統(tǒng)載荷具有一定的不穩(wěn)定特性。系統(tǒng)要求變槳距角度改變響應(yīng)快，變槳距靜態(tài)起動(dòng)力矩大，并要求能承受可能在運(yùn)行過(guò)程中呈現(xiàn)的突發(fā)載荷。一般變槳距系統(tǒng)由變槳電機(jī)、減速箱、變槳控制器、變槳驅(qū)動(dòng)器、備用電源以及輔助接近開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)等組成。

根據(jù)上述要求，本文所設(shè)計(jì)的變槳系統(tǒng)采用三槳葉獨(dú)立控制方式，如圖2所示。變槳電機(jī)的末端安裝絕對(duì)值編碼器，變槳系統(tǒng)每個(gè)葉片設(shè)置2°和88°的接近開(kāi)關(guān)，91°和96°的限位開(kāi)關(guān)。主控安全鏈和變槳輪轂安全鏈之間具有硬接口連接，主控安全鏈通過(guò)1 對(duì)24V DC 信號(hào)與變槳輪轂安全鏈連接，一旦主控安全鏈?zhǔn)щ?，就?huì)通過(guò)24V DC 信號(hào)缺失告知每個(gè)變槳距柜主控安全鏈故障；而另一方面每個(gè)變槳距柜安全鏈OK 信號(hào)會(huì)通過(guò)3 個(gè)柜體串聯(lián)成硬的無(wú)源觸點(diǎn)接入到主控安全鏈輸入模塊，一旦主控沒(méi)有檢測(cè)到變槳安全鏈OK 輸入信號(hào)，系統(tǒng)整個(gè)安全鏈就報(bào)變槳安全鏈故障。

圖2 變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 系統(tǒng)通信

變槳系統(tǒng)采用Profibus 總線與主控PLC 進(jìn)行通信，而在變槳系統(tǒng)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器、充電器以及變槳PLC之間采用CAN 總線進(jìn)行通信。Profibus 總線專門為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散IO 之間通信設(shè)計(jì)，能滿足分布式控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性的要求；CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，它采用多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻都可以向其余節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，并具有很好的檢錯(cuò)效果；本系統(tǒng)將二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，具有通信速率快，故障率低，節(jié)省系統(tǒng)成本的特點(diǎn)，通過(guò)總線耦合器，將兩種不同協(xié)議的總線進(jìn)行集成。其通信結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)變槳距的扭矩要求，選擇交流異步電機(jī)電壓為三相AC 400V，功率為5.5kW，其制動(dòng)力矩為100N·m，最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為120N·m。變槳驅(qū)動(dòng)器采用交流伺服驅(qū)動(dòng)器三相400V AC，6kW；系統(tǒng)速度環(huán)和電流環(huán)控制在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。位置環(huán)通過(guò)主控PLC 和變槳PLC 閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)。

圖3 變槳系統(tǒng)通信圖

2.2 變槳系統(tǒng)非線性PID 算法

變槳系統(tǒng)在接受到主控給出的位置信號(hào)后，將其與絕對(duì)值編碼器的位置值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，變槳驅(qū)動(dòng)器自身會(huì)自動(dòng)選擇Kp、Ki和Kd參數(shù)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的速度、電流閉環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在進(jìn)行位置閉環(huán)選擇計(jì)算的同時(shí)，會(huì)根據(jù)絕對(duì)值編碼器計(jì)算實(shí)際變槳電機(jī)轉(zhuǎn)速，將實(shí)際計(jì)算的變槳電機(jī)轉(zhuǎn)速與所給定的電機(jī)轉(zhuǎn)速比較，送入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部速度控制環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)器自身檢測(cè)變槳電機(jī)繞組的電樞電流，并根據(jù)速度調(diào)節(jié)器計(jì)算出的電流，利用電機(jī)繞組電壓方程、解耦控制以及坐標(biāo)變換，得到變槳電機(jī)繞組的電樞端電壓指令，從而根據(jù)三相交流端電壓指令調(diào)節(jié)PWM 信號(hào)，驅(qū)動(dòng)變槳電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。變槳距的位置環(huán)、速度和電流調(diào)節(jié)環(huán)如下所示。

2.3 后備電源計(jì)算

后備電源是變槳系統(tǒng)的重要組成部分，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)接入規(guī)定，風(fēng)電場(chǎng)具有一定的低電壓穿越能力，并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，必須確保風(fēng)電機(jī)組在3s內(nèi)不脫網(wǎng)正常運(yùn)行。

圖4 PID 閉環(huán)控制

變槳系統(tǒng)采用超級(jí)電容作為后備電源。超級(jí)電容具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫限寬、免維護(hù)以及綠色環(huán)保等的特點(diǎn)。其系統(tǒng)結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能圖

順槳一次所需要的能量為：假定以9°/s 的速度從0°轉(zhuǎn)到89°；直流母線額定電壓：85V DC，最低工作電壓為25V DC。系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，3 次順槳所需要的時(shí)間為：30s。具體計(jì)算如式（4）和式（5）所示。

根據(jù)超級(jí)電容所允許的電壓降ΔU可?。?ΔU= 60。

根據(jù)上述式子，可以計(jì)算得到C= 91.6F；可選取超級(jí)電容為：100F（采用模組進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)）。正常情況下，變槳驅(qū)動(dòng)器依靠充電器輸出電源進(jìn)行供電；一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，充電器不能正常輸出電源的情況下，由超級(jí)電容提供電源給變槳驅(qū)動(dòng)器。變槳系統(tǒng)克服LVRT 功能的能力取決于超級(jí)電容的容量大小。本系統(tǒng)中充電器既充當(dāng)電源功能又具有充電器的功能，在超級(jí)電容失電后，電網(wǎng)恢復(fù)正常的情況下，給超級(jí)電容充電，滿足系統(tǒng)對(duì)后備電源的要求。

3 變槳系統(tǒng)運(yùn)行模式

根據(jù)對(duì)變槳系統(tǒng)運(yùn)行工藝分析，為確保系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行，設(shè)定了5 種工作模式，即正常運(yùn)行模式、安全運(yùn)行模式、LVRT 運(yùn)行模式、強(qiáng)制手動(dòng)模式以及現(xiàn)地手動(dòng)模式。各個(gè)模塊之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖6所示。

圖6 變槳系統(tǒng)運(yùn)行模塊劃分

在正常運(yùn)行模式下，變槳系統(tǒng)由電網(wǎng)400V AC供電，變槳系統(tǒng)根據(jù)主控指令設(shè)定槳葉角，改變?nèi)~片角；在整機(jī)安全鏈斷開(kāi)或者主控要求的情況下，變槳系統(tǒng)進(jìn)入安全運(yùn)行模式，變槳系統(tǒng)由電網(wǎng)400V AC 供電，根據(jù)設(shè)定的特定變槳速度進(jìn)行順槳操作，使變槳系統(tǒng)運(yùn)行至安全位置，處于安全狀態(tài)；當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入LVRT 運(yùn)行模式，LVRT運(yùn)行模式和正常工作模式類似，不同的是變槳驅(qū)動(dòng)器供電依靠超級(jí)電容來(lái)提供，LVRT 運(yùn)行模式，變槳系統(tǒng)還是按照主控設(shè)定的變槳位置和速度進(jìn)行變槳，確保風(fēng)電機(jī)組能夠正常運(yùn)行而不脫網(wǎng)；強(qiáng)制手動(dòng)和現(xiàn)地手動(dòng)主要用于變槳系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)使用。正?，F(xiàn)地手動(dòng)模式屏蔽遠(yuǎn)程控制變槳系統(tǒng)功能，在葉片處于2°～88°之間，變槳安全鏈正常的情況下，可以通過(guò)手動(dòng)選擇順槳或逆槳按鈕改變?nèi)~片角度；強(qiáng)制手動(dòng)模式是在葉片處于非正常行程（2°～88°）之外，變槳安全鏈不正常的情況下，依靠強(qiáng)制手動(dòng)將改變?nèi)~片位置，使葉片處于正常行程（2°～88°）之中。強(qiáng)制手動(dòng)和現(xiàn)地手動(dòng)一般用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和葉片維護(hù)時(shí)使用。

4 結(jié)論

本文對(duì)自行研發(fā)的變槳系統(tǒng)從工作原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及算法方面進(jìn)行了介紹，并將該變槳距系統(tǒng)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示該變槳系統(tǒng)滿足實(shí)際速度和位置調(diào)節(jié)要求，并具備了低電壓穿越功能，實(shí)現(xiàn)了變槳系統(tǒng)的低風(fēng)速下轉(zhuǎn)矩控制和高風(fēng)速下的功率控制，可實(shí)際應(yīng)用于國(guó)內(nèi)1.5MW 和2MW 變速變頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組。風(fēng)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果如圖7所示。風(fēng)場(chǎng)應(yīng)用證明該系統(tǒng)控制精度高，且3 個(gè)槳葉角度變化一致，同步性好。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果截圖

[1] 王鵬,王晗. 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014(10): 1528-1537.

[2] 馬忠鑫,潘庭龍. 風(fēng)電系統(tǒng)獨(dú)立變槳距控制綜述[J].微特電機(jī),2011(12): 60-63.

[3] 侯世英,房勇,曾建興. 應(yīng)用超級(jí)電容提高風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越能力[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2010,14(5): 26-34.

[4] 宋建秀,吉天平,許力偉. 兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)[J]. 大功率變流技術(shù),2011(1): 31-35.

[5] YILMAZ A S,0ZER Z. Pitch angle control in wind turbines above the rated wind speed by multi-layer perceptron and radial basis function neural networks[J]. Expert Systems with Applications,2009,36(6): 9767-9775.