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风力发电机组的变桨距系统


风力发电机组的变桨距系统
宋小敬,于冬宁,许家群 (北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京100124)

摘要:采用变桨距系统是提高风力发电机组性能的关键技术。介绍了变桨距系统的结构和T.作原理, 说明了变桨距系统的技术现状。重点讨论了电动变桨距系统的关键技术,并预测了该技术的发展趋势。 关键词:风力发电;变桨距;电动变桨;变桨距控制 中图分类号

:TK8 文献标识码:A

Variable Pitch System for

Wind

Turbine

SONG

Xiaoojing,YU

Dong-ning,XU Jia-qun

(SchoolofElectricInformationandControlEnginieering,Beijing UniversityofTechnology,Beo'ing 100124,China)

Abstract:The variable

pitch technology
are

is

very

important

to

improve

performance

of wind

turbine

Configuration and operating principle

introduced,and the present
arc

state

of variable pitch system is described

Key technologies and the trend of electric pitch system

illustrated.

Key words:wind power;variable pitch;electric pitch;variable pitch control



引言
作为现代大型风电机组的核心系统之一,变

2变桨距系统
变桨距是指安装在轮毂上的叶片通过控制 可以改变其桨距角的大小14】。在运行过程中,当 输出功率小于额定功率时,桨距角保持在O。位置 不变;当发电机输出功率达到额定功率以后,根 据输出功率的变化调整桨距角的大小,使发电机 的输出功率保持在额定功率。 变桨距机构通过改变叶片桨距角的大小,从 而改变叶片气动特性,使桨叶和整机的受力状况 大为改善15】。发电机起动时,通过改变桨距角获 得足够的起动转矩;风速过高时,叶片旋转以保 持一定的输出功率(额定功率),同时减少对机 组的冲击;还可以实现快速无冲击并网。变桨距 控制与变速恒频技术相结合,可以提高风力发电 系统的效率和电能质量。目前变桨机构有液压和 电动两种。 2.1液压变桨距机构 液压变桨距机构的桨叶通过机械连杆机构与

桨距系统的应用可以获取最大能量和实现机组快 速无冲击并网,并可在超高风速下实现紧急顺桨 以保证风机安全运行。新型的变桨距控制系统可 以使桨叶和整机的负载受力的状况大为改善。变 速恒频技术与变桨距控制系统相配合,可以提高 机组的发电效率和电能质量Il'2J。 风力发电机向着大型化的方向发展,变桨距 控制技术已经成为风力发电的关键技术之一。目 前,我国Mw级变速恒频风电机组电动变桨距系 统产品一直依赖进口,国外比较有代表性的有德 国LUST、SSB、美国GE公司的产品13】,其高昂 的产品价格和对关键技术的封锁严重影响了我国 风电产业的健康快速发展。因此,掌握具有自主 知识产权的电动变桨距技术有助于改变国外公司 的技术垄断现状,对于降低风力发电的成本,扩 大风电发展规模具有重要意义。

作者简介:宋小敬(1983一),女,硕士研究生,Email:sxjrun@emails.bjut.edu.cn

液压缸相连接,节距角的变化同液压缸位移成正 比,液压缸的位移由电液比例阀精确控制。在负 载变化不大的情况下,电液比例阀的控制电压与 液压缸的位移变化量(流量)成正比,为进行精 确的液压缸位置控制,必须引入液压缸位置检测 与反馈控制。当故障出现需紧急制动时,立即断 开电源,液压泵紧急关闭,顺桨的油液由储能装

一样,显然对三个叶片进行独立控制更加合理。 通过独立变桨控制,可以大大减小风机叶片负载 的波动及转矩的波动,进而减小传动机构和齿轮 箱的疲劳度以及塔架的振动,输出功率能基本恒 定在额定功率附近。

目前的基本控制方法是当风速变化时通过
调节发电机电磁力矩或风力机桨距角实现风能的 最大捕获。对于随机扰动大、不确定冈素多、非 线性严重的风电系统,传统控制方法会产生较大 误差,因此近些年一些新的控制手段,如自抗扰 控制、滑模变结构控制、模型参考自适应控制等 开始应用于风电机组系统,使风机控制向着更加 智能的方向发展… ̄1引。 3
3.1

置单独提供。若桨叶未达到顺桨位置时,由风力
将桨叶自动调到顺将状态【6'71。 液压变桨控制机构具有传动力矩大、刚度 大、定位精确、执行机构动态响应速度快等优点, 能够保证快速、准确地把叶片调节至预定节距 p岿j。目前如丹麦VESTAS的V80.2.0MW风机等 产品采用了液压变桨机构【9】。 2.2电动变桨距机构 电动变桨距机构可采用伺服电机对每个桨 叶进行单独调节。伺服电机通过主动齿轮与桨叶 轮毅内齿圈相啮合,直接对桨叶的节距角进行控 制。位移传感器采集桨叶节距角的变化从而构成 闭环控制。在系统出现故障或控制电源断电时, 电机由蓄电池等储能装置供电将桨叶调为顺桨 位置。 电动没有液压变桨机构那么复杂,也不存在 漏油、卡塞等现象发生,目前受到了许多厂家的 关注,并得到了应用。例如GE WindPower公司 的3.6 MW风机机组、Enercon公司的E.112型风 机机组、Suzlon公司的2MW风机机组、REpower 公司的5 MW风机机组、Nordex公司的N90风 机机组、Siemens公司的3.6MW风机机组等都应 用了电动变桨距系统15】。 2.3变桨距系统的控制 目前,国内外风电变桨距控制主要有两种方 法,即统一变桨距控制和独立变桨距控制【l叭。统 一变桨距控制是最先发展起来的变桨距控制方 法,是指风力机所有叶片的节距角均同时改变相 同的角度,目前应用最为成熟。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方法。 目前,兆瓦级风力机已经成为市场上的主流 机型,国外海上风电场广泛采用2—5 MW的风电 机组,变桨距风机大多采用三个桨叶统一控制的

电动变桨距系统
电动变桨距系统总体结构 电动变桨距系统允许三个桨叶独立实现变

桨,一般包括变桨距伺服电动机,伺服驱动器,

独立的控制系统,电源,减速箱,齿盘,传感器、
主控制器等组成,结构如图1所示。

图l Fig.1。The

电动变桨距系统结构
structure of

electric

pitch

system

传感器部分包括位置传感器和两个限位开 关(00和900)。三套电源和轴控制柜以及伺服 电机和减速机放置于轮毂处,每支桨叶一套,整 个系统的通讯总线和电缆靠滑环与机舱的主控制 器连接。主控制器与轮毂内的轴控制柜通过现场 总线通讯以控制三个独立的变桨距装置。 3.2伺服电机系统 在电动变桨距系统中,直流电机、感应电机 和永磁同步电机伺服系统都有应用,具体选择应 综合考虑系统成本、功率密度、速度范围、惯量、

方式。但由于现代大型风力机叶片尺寸和质量较
大,叶片的扭矩波动影响传动机构的机械应力及 疲劳寿命,并且叶片在不同位置的受力状况也不


转矩密度、损耗及位置传感器等指标。 具有代表性的电动变桨伺服系统是路斯特 公司的PITCHmaster系列,伺服电机类型及其控 制模式可按需要选择【l 91。伺服驱动器、电机以及 限位开关、传感器、配电柜等构成整个系统,通 过滑环与电网及上位控制系统连接。 矢量控制技术使交流伺服驱动系统的性能 可与直流系统相媲美。基于兆瓦级风力发电机组 电动变桨距系统的特点及安全要求【2们,并综合 电机系统结构、效率与冷却、转矩及功率密度、 易维护性等等方面考虑,以永磁同步电机为代表 的交流伺服系统将会成为电动变桨距系统中的 主流。 3.3储能装置与主控制器 电动变桨距系统的供电采用三相四线制 380V电源,为实现断电后的紧急变桨功能,需 要储能装置作为变桨系统的后备电源。储能装 置一般采用蓄电池,但近期超级电容已成为更 具竞争力的选择。超级电容充放电速度快、效 率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度 范围宽、安全性高等特点使其在风电领域很有 发展前景【2¨。 控制器是电动变桨距系统的核心部件,可采 用专门设计的工业计算机或可编程控制器
(PLC)lz 2|。采用PLC的系统硬件可靠性和稳

动变桨距系统的功能框图如图2所示。

图2
Fig.2

电动变桨距系统功能框图
system

Functional block diagram of electric pitch

上述功能通过3个独立电动变桨系统实现, 每个电动变桨系统工作的流程如图3所示。接收 到主控制器的指令后,系统首先处理内部的继电 器开关状态等数字量信息以及供电电压等模拟量 信息,然后检测桨叶位置信息,该信息由安装于 伺服电机上的传感器获得,SSI绝对值编码器是 伺服电机通常采用的角度反馈传感器[5】。按照主 控制器的工作模式和桨叶位置指令,控制相应回 路的继电器状态(数字量输出),并通过伺服驱动 器控制电机转速(模拟量输出),经减速机带动桨 叶转动到指定位置。

定性好,PLC模块化的结构方便组成各种单元, 控制器之间的联接也很方便,易于构成主从式分 散控制系统。
3.4

电动变桨距系统的控制 主控制器根据风速、发电功率和转速等信息

向电动变桨距系统发送命令,同时接收来自电动 变桨距系统的实际值和运行状况反馈,从而使变 桨距系统带动风机桨叶旋转。 当满足风力机启动条件时,主控制器发出指 令使叶片桨距角从900匀速减小;当发电机并网 后主控制器根据反馈功率进行功率调节;有故障 停机或紧急停机信号时,主控制器控制执行电机, 使得叶片迅速变到900位置。 电动变桨距系统必须能够快速响应主控制 的命令,应具备如下基本功能:正常工作时可实 现自动闭环角度跟踪;掉电状态下可实现紧急变 桨,即由备用电源供电把桨叶转到初始位置;若 在紧急变桨过程中未转到初始位置时就已恢复正

常供电,则系统应能自动恢复到掉电前的工作状
态;另外,系统还能实现自动开环速度跟踪。电
Fig.3

图3

独立电动变桨距系统工作流程
electric pitch

Flow chart of the independent



4枝术展望
近年来风力机变檠距控制技术及变桨距风 力机结构研究取得r很大进晨,目前研究人员主 要致力于解决通过控制桨距角使输出功率平稳、 减小转矩振荡、减小机舱振荡等问题。Vesms公
司推出了0piTip(最佳桨距角)风力发电机组,

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不但优化了输m功率,而且有救的降低的噪音”l。 2006年BcckHoff公司TwinCAT自动化软件PLC 引领风电技术新方向8”。 随着电机伺服系统、储能元件、可编程榨制 器和系统控翩技术的不断进步.风电鸾桨系统在 性能上向着更加安全可靠的方向发展。采用“交 流伺服系统+超级电容”的结构有望成为电动变桨
距系统的主流技术。

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