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兆瓦级风电机组变桨距系统设计

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66

兆瓦级风电机组变桨距系统设计2018

.JVM

兆瓦级风电机组变桨距系统设计

吴光宇

(

哈电发电设备国家工程研究中心有限公司，哈尔滨150040)

[

摘要]

本文通过研究风电机组变桨控制理论，结合实际运行工况提出了风电机组变桨控制策略，设计

了用于1.5MW

风电机组的变桨控制系统硬件，提出分段PID

软件算法，并将此系统运用于工程实践中。

[

关键词]

风电机组；变桨系统；控制策略；分段PID

算法

[

中图分类号]TM315 [

文献标志码]A [

文章编号]1000-3983(2018)04-0066-06

Design of Variable Pitch System for Megawatt Wind l\irbine

WU Gangyu

(National Engineering Research Center-power Equipment Company Ltd., Harbin 150040, China)

Abstract: Through the research of wind turbine pitch control theory, and combined with the

actual operating conditions, the control strategy of variable pitch wind turbine is put forward. The

variable pitch control system hardware for 1.5MW wind turbine is design, PID software algorithm

is proposed, and this system is used in engineering practice.

Key words: wind turbine; pitch system; control strategy; segmented PID algorithm

〇前目

风电变桨系统是风电控制系统的重要组成部分，

承担着风电机组转速控制，发电功率调节，保证运行

安全稳定，实现风能利用率最大化等重要功能。变桨

控制技术的发展一直伴随着风电系统技术的发展。本

课题依托于哈电发电设备国家工程研究中心1.5MW

型风电机组，对变桨控制理论深人研究，针对风电系

统风速变化快，转速波动大，运行环境恶劣等特点进

行分析，提出变桨系统设计方案并实施，实现了变桨

系统的自主设计研发，并应用于工程实践中。

1变桨控制策略研究

贝兹理论是风轮机风能利用效率的基础理论，在

设计变桨系统时要利用贝兹理论中的几个关键量：

风能利用率系数G :

不同的风速下的叶尖速比2 :

.2iiRn wR

义=—=— (2)

V

V

风能作用于风轮机输出功率为：Pm = X-pKvZCp{k,p)

(3)

其中，p为空气密度，为风轮机扫风面积，v为

风速；

风轮机吸收的能量为：

Pm -

M

co-P

(4)

M是风轮机输出扭矩；co是风轮机旋转角速度。

cd = ^P

kC

pR2

v3/M

(5)

当p,S,v为某一特定值时，风轮机的机械功率只

取决于风能利用系数是桨距角，与叶尖速比

乂的函数，为2)。在一个特定风速下，如果桨

距角;^固定不变，那么仅由叶尖速比;I决定。此时，

存在最优叶尖速比；与最大风能利用系数cpmax相

对应。所以，变桨系统需控制叶片角度和风轮机转速

维持I，捕获得最大风能[1]。

由式（3

)和（5

)可知，风轮机输出的最大功率

和风轮机转速®的关系为：

(

6)

^opt

如图1

曲线为不同的风速< v2

< v3)

下的风轮

机功率曲线。在恒定的风速下，风轮机吸收功率随风2018.

Ka4

大电机技术67

发

电

机^构调节器轮机转速变化而变化。风速为Vi时，风轮机转速小于

A时，兄随着转速增加而增加，转速达到®时，八

到1 达最大i

a点，风能利用效率最大。如果jk轮机4

速继续增加，风能利用效率会下降，导致，降低[2]。

图1

风轮机输出功率特性曲线

因此可得一组最大功率点B点、C点等，把各点连

成一条曲线，即为不同风速下最佳功率曲线。为

了使风电机组在不同风速下按最大功率曲线运行，风

轮机转速必须与风速相匹配，机组发电效率最高，变

铪定转速

〇9

〇桨控制系统可根据当前风速快速调节叶片来改变风轮

机转速，实现发电效率最大化，这是变桨系统的主要

控制策略[3_4]。

根据变桨控制基本策略和机组的运行工况，变桨

系统主要有两个运行阶段。

1.1起动阶段变桨控制

风电机组起动前，对各设备和传感器进行检测，

达到起动要求后，进人待机状态，变桨系统等待主控

制系统下达变桨命令。风速在起动风速以下时，桨距

角为90。，

桨叶相当于阻尼板[5_6]，

风电机组不起动。

当风速V超过起动风速3m/s时，主控系统下达启

机命令，进行偏航对风，变流器网侧并网，网侧并网

完成后下达变桨指令，当桨叶到达30。左右时，气流对

叶片产生较大的推力，风轮机转速开始上升，转速为

，当®>3r/min,变桨系统根据并网转速控制桨距角,

使风轮机逐渐升速，此过程桨距角逐渐减小，风机转

速逐渐上升，当机组转速达到并网转速（6r/min)左右

时，变流器机侧并网，机组开始发电，此过程控制框

图如图2所7K。

发电机转速

c-►

图2

起动阶段变桨变速控制框图

1.2 并网后变奖控制

在额定风速以下，风电机组桨距角通常在0°附近

运行，此时风能利用率最高。但在超额定风速状态下，

由于机组机械结构和强度的限制，风轮机转速必须低

于某一极限转速。以该1.5MW机型为例，额定转速为

18.6r/min,转速保护上限为20r/min,额定功率为

1.5MW,功率保护上限为1.7MW。当运行状态超过保

护上限时，机组各部件的机械性能降低，疲劳强度加

大，严重可引发安全问题。所以，在额定风速以上的

运行工况时，必须降低风能利用率，采用变桨距控制

来调节叶尖速比以控制风能的获取，使机组的转速和

功率在额定值附近波动。

在额定风速以上时，主控制系统根据发电机输出功率控制变桨角度，功率输出大于额定功率时，桨叶

进行收桨控制，反之则进行开桨控制，由于风速波动

很大，风电功率正比于风速的三次方，桨距角和风速

为非线性关系。所以，在不同的初始桨距角位置，即

使变桨角度差值相同，功率变化差别也会很大。从工

程实现考虑采用分段PID算法[7]，每段单独设定PID

参数，见表1。

表1分段PID参数

麵角

0610152025

比例增益

1.61.2

0.80.40330.24

积分增益

3.83.52.92.31.91.6

微分增益

0.50.460.380.290.220.18风

轮

机68

兆瓦级风电机组变桨距系统设计2018.

M4

PID控制器包括比例项P，积分项I，微分项D，

PID算法为三项求和。比例项和控制误差成比例，积

分项与控制误差的积分成正比，消除稳态变化过程中

产生的误差，微分项与控制器的变化误差率成正比。

根据拉普拉斯算子心从测量信号X,到控制信号可

以写成表达式⑴：y

= (K

p+^- + ^-)x (7)

P

5 l+sT/

上式中，；，疋，心为比例、积分和微分增益。

理论上，通过PID控制算法能有效实现额定风速以上

的恒功率控制，控制流程如图3所示。

变楽电机

变桨舰机

变雜制柜

变楽齿圈

图功率

控制

器

nit -

主要功能是监测变

，翻獅角位置

控制器控制变桨驱爾疋

限制

转速

调节

器

发电机转速

图3

恒功率控制框图

2变桨系统的硬件设计

如图5所示。

变桨系统硬件装置一般采用电动变桨方案，■

有成本较低，适用性广，结构简单，维护性能良好等

优点，理论上三叶片风机从气动力学角度tf售，只要

有一支桨叶在90。附近即可保证机组安全關，因此，变

桨系统设计时采用三套完全独立的软、硬件，即每个

桨叶上均安装一台变桨电机、变桨减速机、变桨驱动

器和后备电源。当变桨系统外部供电故障时，后备电

源能持续提供5min电力供应，保证变桨系统可以完成

收奖停机工作，系统实物如图4所示。

变桨系统中，主要有变桨控制器、变桨驱动器、

变楽减速机和电机，以及备用电源等部件。控制回路图4

变桨系统实物丨

图5

变桨系统硬件控制回路

变桨控制器硬件有两部分，其中一部分布置在塔

底主控制器中，主要功能是计算最优化的目标楽距角，

是变桨系统的运算核心部分。主控制器根据风速、转

速和发电功率等参数，计算后获得最优化的桨距角位

置，并将该奖距角通过总线通信传到轮毂内变桨控制器中。

另一部分布置在机组轮毂中，

桨驱动器和电机的状态量和故障点

反馈，以及接受主控制器的桨距角

控制器下发的桨距角命令后，轮毂ISS桨叶风

轮

机I

_V

-定

定

率给

额

功

变

频

器发

电

机

合集下载

基于模糊算法的智能变桨距控制技术

基于模糊算法的智能变桨距控制技术

・７８・　兵工自动化　Ｏｒｄｎａｎｃｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　２０１１－０＆　３０（８￣　

ｄｏｉ：１　Ｏ．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１　００６一ｌ　５７６．２０１　１．０８．０２３　

基于模糊算法的智能变桨距控制技术　

倪焕山，康戈文　（电子科技大学自动化工程学院，成都６１１７３１）　

摘要：针对兆瓦级风电机组特性以及功率输出要求，详细分析变速变桨距控制原理，提出模糊智能交桨距控制　算法。对双馈风力发电控制系统和模糊控制器的设计进行介绍，以１．５　ＭＷ风力发电机为仿真对象，利用风力发电　领域的权威仿真软件ＧＨ　Ｂｌａｄｅｄ对模糊算法进行仿真验证　仿真结果表明，该算法具有良好的快速性和稳定性，在　

高风速下，能使输出功率稳定在额定功率附近。　关键词：变速变桨距；双馈电机；稳定性；模糊算法　中图分类号：ＴＰ２７３　．５　文献标志码：Ａ　

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｆｅａｔｈｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｆｕｚｚｙ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　

Ｎｉ　Ｈｕａｎｓｈａｎ，Ｋａｎｇ　Ｇｅｗｅｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６　１　１　７３　１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｓａｔｉｓｆｙ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ・ｏｕｔｐｕｔ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｏｆ　ｍｅｇａｗａｔｔｓ　ｌｅｖｅｌ，　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｂｏｕｔ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｐｅｅｄ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｐｉｔｃｈ　ｖｅｒｙ　ｃｌｏｓｅｌｙ　ａｎｄ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｆｕｚｚｙ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｆｅａｔｈｅｒ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｉｔ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ—ｆｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｅ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　１．５　ＭＷ　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｂｊｅｃｔ，ｉｔ　ｓｉｍｕｌａｔｅｓ　ａｎｄ　ｖａｌｉｄａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｆｕｚｚｙ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＧＨ　Ｂｌａｄｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒｉｔａｔｉｖｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｎ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｑｕｉｃｋｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ｗｉｎｄ，ｉｔ　ｃａｎ　ｋｅｅｐ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ－ｏｕｔｐｕｔ　ｎｅａｒｂｙ　ｔｈｅ　ｒａｔｅｄ　ｐｏｗｅｎ　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｐｅｅｄ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｐｉｔｃｈ；ｄｏｕｂｌｅ—ｆｅｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｆｕｚｚｙ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　

兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统

兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统

喀札与粒制应田２００７，３４（１１）　发电机组及控制　Ｅ辨ｃＡ　

兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统　

惠　晶　，　顾　鑫　，　杨元侃　

（１．江南大学电气自动化研究所，江苏无锡２１４１　２２；　

２．无锡宝南机器制造有限公司风能研发部，江苏无锡２１４１　１　１）　

摘要：介绍了兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统的工作原理，选择永磁同步电机作为电动变桨距系　统的执行电机。在分析伺服变桨距系统控制原理的基础上，设计了以伺服驱动器为核心的电动变桨距伺服控制　系统。试验结果验证了理论分析和系统设计的正确性，为工程设计和实际应用提供了参考依据。　关键词：风力发电机；电动变桨距；伺服控制；永磁同步电机　中图分类号：ＴＭ３０１．２：ＴＭ３１５文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－６５４０（２００７）１１－００５１－０４　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｉｔｃｈ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｍｅｇａｗａｔｔ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　

Ｊｉｎｇ　，ＧＵ　Ｘｉｎ　，＿．ＹＡＮＧ　Ｙｕａｎ．ｋａｎ　＇　

（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈｅｒｎ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ　２１４１２２，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｗｉｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ，Ｗｕｘｉ　Ｂａｏｎａｎ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｕｘｉ　２１４１　１　１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｉｔｃｈ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｍｅｇａｗａｔｔ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ａｎｄ　ｔｈｒｅｅ·ｐｈａｓｅ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔｉｓｍ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｉｓ　ｃｈｏｓｅｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｅｘｅｃｕｔｉｖｅ　ｍｏｔｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　

基于实时以太网的兆瓦级风电机组电动变桨距系统

基于实时以太网的兆瓦级风电机组电动变桨距系统

２０１１年３月　江苏电机工程　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　第３０卷第２期　１　

・专论与综述・　

基于实时以太网的兆瓦级风电机组电动变桨距系统　

田炜，汪海波，鲁斌，刘剑　

（国网电力科学研究院清洁能源发电研究所，江苏南京２１０００３）　

摘　要：工业以太网是控制网络的发展方向，Ｅｔｈｅｍｅｔ　ＰＯＷＥ１ＬＬＩＮＫ（ＥＰＬ）是一种可满足最苛刻实时要求（４级）、并　已投入到工业自动化及运动控制系统应用的工业以太网　主要探讨应用Ｅｔｈｅｍｅｔ　ＰＯＷＥＲＬＩＮＫ于即时运动控制系统　的方案．以及实现一个以实时以太网为基础的ＭＷ级风电机纽电动变桨距系统．并引入了基于模拟负载的变桨距试　验平台方案。在该平台上进行了地面功能测试．给出了测试结果　关键词：工业以太网；风电机组：电动变桨距系统：实时　

中图分类号：ＴＭ６１４　文献标志码：Ａ　文章编号：１００９—０６６５（２０１１）０２—０００１—０４　

在风力发电机组的各项部件中．最关键的部件　

决定整个机组的结构完整性　因为这个原因．负责调　节叶片桨距角的变桨距机构是一个非常关键的部　

件　桨距角的微小变化对风电机组的气动载荷有显　

著的影响．从而可以调节机组的功率输出．而且变桨　距机构还可以作为气动刹车使用　通过改变桨距角．　

变桨距机构对风轮面和叶片迎风面之间的风轮实度　

造成了影响　这一变化是一个动态过程．随着风速的　变化调节桨距角．从而调节了发电机的功率输出　风　轮实度和风轮推力和塔架负载有关．因此变桨距机　构直接影响到整个机组的负载＿】］　一个成功的变桨　

距控制系统，在于将系统各组成部件，减速器、电动　

机、电池、线缆和电力电子装置等进行完美的动态匹　

配．而且能符合当前客户和风电市场的需求　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ由于价格便宜、传输速度快及可靠性高已　

成为商用网络应用的主要选择，Ｅｔｈｅｒｎｅｔ目前也逐　

渐应用于工业自动化及运动控制系统　主要探讨应　用Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ＰＯＷＥＲＬ１ＮＫ于即时运动控制系统的方　

基于能量传递函数法的风电机组液压变桨距系统的建模及仿真

基于能量传递函数法的风电机组液压变桨距系统的建模及仿真

基于能量传递函数法的风电机组　

液压变桨距系统的建模及仿真　

刘　玮，董慕杰，万　伟，张小勇　

（国核电力规划设计研究院，北京　１０００９４）　

摘要：液压变桨距系统作为风力发电机组的重要组成部分，对保证风电机组的正常运行起着至关重要的作　

用。能量传递函数法是在功率键合图基本理论基础上，提出的一种对多能量耦合系统进行建模的方法。本文　

利用能量传递函数法对变桨距液压系统进行建模，为风电机组变浆距控制策略的研究以及控制算法的改进提　

供了精确的对象模型。通过对仿真结果的分析，证明了这种建模方法的正确性和有效性。　

关键词：风力发电：变桨距；功率键合图；能量传递函数；仿真。　

中图分类号：ＴＭ３　１５　文献标志码：Ｂ文章编号：１６７１—９９１３（２０１０）０５—００６９—０５　

Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｅｍｕｌａｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　

Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ　Ｐｉｔｃｈ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｗｉｎｄ—ｄｒｉｖｅｎ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ’Ｓ　

ＬＩＵ　Ｗｅｉ，ＤＯＮＧ　Ｍｕ－ｊｉｅ，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｙｏｎｇ，ＷＡＮ　Ｗｅｉ　

（Ｓｔａｔｅ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　０００９４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ　ｐｉｔｃｈ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｗｉｎｄ—ｄｒｉｖｅｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　

ｆｏｒ　ｗｉｎｄ—ｄｒｉｖｅｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ’Ｓ　ｎｏｎｎａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｍｕｌｔｉ—ｅｎｅｒｇｙ　

ｓｙｓｔｅｍｓ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｂｏｎｄ　ｇｒａｐｈ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｂｕｉｌｄ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ