直驅式風力發電機組變槳系統控制模型2008-11-1810:19:50世界風力發電網信息中心摘要：對直驅式風力發電機組變槳進行特性分析，進一步的討論變槳控制模型。關鍵詞：直驅式發電機，變槳，調節控制0引言直驅式風力發電機組在我國是一種新型的產品，但在國外已經發展了很長時間。目前我國在直驅式風機中系統的研究相對傳統機型較少，但開發直驅式風力發電機組也是我國日后風機制造的趨勢之一。這里我們對直驅風力發電機組的變槳系統控制的模型進行探討。1直驅式風力發電機組簡介直驅永磁風力發電機取消了沉重的增速齒輪箱，發電機軸直接連接到葉輪軸上，轉子的轉速隨風速而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網同頻率的交流電輸出。國際先進的無齒輪箱直驅風力發電機，多沿用低速多極永磁發電機，并使用一臺全功率變頻器將頻率變化的風電送入電網。直接驅動式風力發電機組由于沒有齒輪箱，零部件數量相對傳統風電機組要少得多。其主要部件包括：葉輪葉片、輪轂、變槳系統、發電機轉子、發電機定子、偏航系統、測風系統、底板、塔架等（如圖1.1所示）。

1.葉片2.恰掇3.變槳系統4,發電機轉于 5.冷電機定于6,偏航系統 7,測成系統8.底板9.塔架國1.1直驅型汛方發電機組結構1.1直驅型風力發電機總體設計方案直驅型風力發電機組采用水平軸、三葉片、上風向、變槳距調節、直接驅動、永磁同步發電機并網的總體設計方案，相對于傳統的異步發電機組其優點如下［1］：1（1）由于傳動系統部件的減少，提高了風力發電機組的可靠性和可利用率；2（2）永磁發電技術及變速恒頻技術的采用提高了風電機組的效率；3（3）機械傳動部件的減少降低了風力發電機組的噪音；4（4）可靠性的提高降低了風力發電機組的運行維護成本；5（5）機械傳動部件的減少降低了機械損失，提高了整機效率；6（6）利用變速恒頻技術，可以進行無功補償；7（7）由于減少了部件數量，使整機的生產周期大大縮短。2直驅風力發電機組變槳特性敘述直驅型風力發電機組為變槳距調節型風機，葉片在運行期間，它會在風速變化的時候繞其徑向軸轉動。因此，在整個風速范圍內可能具有幾乎最佳的槳距角和較低的切入風速。在高風

速下，改變槳距角以減少功角，從而減小了在葉片上的氣動力。這樣就保證了葉輪輸出功率不超過發電機的額定功率。對于變槳距調節后對的功率特性的影響等等問題，這里我們將對機組葉片上的氣動性能進行分析，從而進一步的了解變槳后，對風力發電機組的性能影響2.1不同變槳角度下的特性根據葉素理論，當一個葉素在流暢中運動時，葉素的上表面是負壓力（吸力）；下表面是正壓力。由于壓力分布在葉素上而產生的載荷，可以用兩個力（升力L垂直于風向V；阻力D平行于風向并與升力垂直）和一個力矩（俯仰力矩M）來表示。[2]對于變槳距風力機來說，調節變槳也同時意味著調節功角的大小。變槳距風力機的實際工作中，往往也通過軸承機構轉動葉片來減小功角a，以此來減小CL，減小升力，扭矩和功率。這里我們分析變槳距風機在不同變槳角度下的特性。1.首先我們先舉例一個風機的電機的功率曲線圖。如圖2.1所示：圖I.I：變槳旋況機電機的功率曲皴2.我們根據此風力發電機的葉片特性，描繪出該風機變槳角度是0°時，在不同的風速下，葉輪對電機的驅動功率的大小。如圖2.2所示：

Power[kW]弓企仲』閔w圖2.2Power[kW]弓企仲』閔w圖2.2變槳距M機交葬鹿為/時的特性曲線Rato<Speed[RPM]2.3.在上述的圖表中只列出了變槳角度為0°時的風機的特性曲線，我們再繼續描繪變槳角度在10°和20°的情況下，變槳距風機的特性曲線。如圖2.3所示：Power[kW]Grib知g器Power[kW]Grib知g器2.3變槳距風機變架角為/.W.2^時的特性曲城Rolor枷atf|RPM]圖2.3變槳距風機變槳角為0°,10°,20°時的特性曲線在圖中我們很清楚的看到在變槳角分別為10°和20°時，葉輪在不同的風速下對電機的驅動功率。為了使葉輪對電機的驅動功率能夠滿足電機的所能承受的狀態。根據圖2.3我們便需要在不同的風速條件下設定其合適的變槳角度。以滿足發電機所處的工作狀態再最優狀態。例如：在風速為10m/s的狀態下，通過變槳角度分別為0°和10°兩個特性曲線的對比。當變槳為10°時，此時曲線與電機功率曲線交點在：葉輪轉速為17RMP，電機功率約為350kW處。此時的變槳角度如果為0°時，曲線與電機功率曲線的交點為：葉輪轉速為8RMP，電機功率約為100kW處。由此可見，通過變槳距的調節，能夠有效的改善風力發電機組的氣動性能。根據圖2,3,該風機的也不同的困速條件下的變槳肩度，可以設定如下W2.4所示*鳳速691012U16197022242￡葉輪轉速(RMP)59171922252921232527變柴角度-)0101010101020202020吏24支槳距風祝在不同M速下的爽槳角度表2.4變槳距風機在不同風速下的變槳角度注：此表沒有考慮到該風機的最大切出風速。實際的風機設計中，要將變槳角在不同角度下的特性曲線細化，選出其在不同風速下最優化的變槳角度值。利用對風機在不同變槳角度的特性。在設計風力發電機組的時候，可以結合到以下3點：保護風力發電機組，防止過載。最小化風機的結構載荷。優化控制模擬的變槳區域。3針對直驅型風力發電機組的變槳控制模型這里我們采用閉環控制用于風機正常運行時控制葉片槳矩角，或者變速風機的葉輪轉速。在變速變槳矩調節的控制器的類型：變頻器在使葉輪轉速通過控制發電機的反作用力矩改變的同時，把發電機與電網分離。在高風速時，該力矩保持在額定水平而用槳距控制來調節葉輪的轉速進而也就是功率輸出。3.1變速槳距調節控制器這種控制器模型適用于變速風力機，該類機器使用變頻器將發電機轉速從電網的固定頻率中分離出來，并用槳距控制來限制超過額定風速時的功率輸出。其控制回路圖示于圖3.1。

3.2穩態參數穩態運行曲線可以用圖3.2所示的扭矩-轉速圖來描述。低于額定轉速時，也既從點A到H。然而在額定轉速以上，葉片槳距被調節到并保持在所選定的由L標明的運行點。事實上，變化著的槳距變更了定風速的曲線，迫使其通過需要的運行點［3］。一旦在H點達到額定扭矩，在所有更高的風速中，扭矩需求量保持常數，并由槳距控制來調節葉輪的轉速。在點H（此處扭矩達到最大值）與（此處開始槳距控制）L之間允許有一小段余量，以防在低于和高于額定扭矩的控制模式之間作過度頻繁的模式切換。然而，可能不需要這個余量，此時點H與L重合。與使用失速調節控制器的情形一樣，假如需要線段可能會收縮為一點。很明顯，確定穩態運行曲線所需的參數有：?最小速度，S1?定葉尖速比模式中的最大速度，S4?高約定速度（S5）的速度設置點。它可能與S4相同。?最高穩態運行速度。它通常與S5相同。?高于額定值的扭矩設置點，QR。定義恒定尖速比曲線BG的參數K入，或一個查驗表。3.3動態參數為了與測算控制回路的動態特性，必須規定速度傳感器和槳距傳感器的動態響應，以及控制器的實際算法，該算法用來計算響應測得的轉速信號的槳距和發電機扭矩需要量。圖3.3顯示了用于產生槳距和扭矩需要量的控制回路。在額定值以下扭矩需要量回路有效，反之則槳距需要量回路有效。

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捽制器PT

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控制器,發m機同距悸求圖33:交速槳距調節控制環低余額定值時，速度設置點在S1與S4之間切換。在低風速情況下，該點在S1,而扭矩需要量輸出被限定在一個最大值上，該最大值由最佳葉尖速比曲線BG給出。這使得運行點循著軌跡ABG移動。高風速情況下，設置點變到S4,而扭矩需要量輸出被限定到一個最小值上，該最小值也由最佳葉尖速比曲線給出，同時使運行點循著軌跡BGH移動，并導致QR的最大值。當達到H點時，隨著槳距控制回路在速度超過S5時變為有效，扭矩保持恒定。結論與展望這里簡單的對直驅型發電機組變槳控制模型進行探討。此控制模型在直驅式風力發電機組概念設計中的一部分。由于直驅式發電機組在我國目前還沒有形成大規模的產業化。我們對直驅型的風機設計還在不斷的進行探討和