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直驱式风力发电机组变桨系统控制模型

2008.12.17阅读 12815

  摘要:对直驱式风力发电机组变桨进行特性分析,进一步的讨论变桨控制模型。
  关键词:直驱式发电机,变桨,调节控制
  0 引言
  直驱式风力发电机组在我国是一种新型的产品,但在国外已经发展了很长时间。目前我国在直驱式风机中系统的研究相对传统机型较少,但开发直驱式风力发电机组也是我国日后风机制造的趋势之一。这里我们对直驱风力发电机组的变桨系统控制的模型进行探讨。
  1 直驱式风力发电机组简介
  直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱,发电机轴直接连接到叶轮轴上,转子的转速随风速而改变,其交流电的频率也随之变化,经过置于地面的大功率电力电子变换器,将频率不定的交流电整流成直流电,再逆变成与电网同频率的交流电输出。国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机,多沿用低速多极永磁发电机,并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。
  直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱,零部件数量相对传统风电机组要少得多。其主要部件包括:叶轮叶片、轮毂、变桨系统、发电机转子、发电机定子、偏航系统、测风系统、底板、塔架等(如图1.1 所示)。


  1.1 直驱型风力发电机总体设计方案
  直驱型风力发电机组采用

水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网的总体设计方案,相对于传统的异步发电机组其优点如下[1]:
  1(1)由于传动系统部件的减少,提高了风力发电机组的可靠性和可利用率;
  2(2)永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率;
  3(3)机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音;
  4(4)可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本;
  5(5)机械传动部件的减少降低了机械损失,提高了整机效率;
  6(6)利用变速恒频技术控制工程网版权所有,可以进行无功补偿;
  7(7)由于减少了部件数量,使整机的生产周期大大缩短。
  2 直驱风力发电机组变桨特性叙述
  直驱型风力发电机组为变桨距调节型风机,叶片在运行期间,它会在风速变化的时候绕其径向轴转动。因此,在整个风速范围内可能具有几乎最佳的桨距角和较低的切入风速。在高风速下,改变桨距角以减少功角,从而减小了在叶片上的气动力。这样就保证了叶轮输出功率不超过发电机的额定功率。
  对于变桨距调节后对的功率特性的影响等等问题,这里我们将对机组叶片上的气动性能进行分析,从而进一步的了解变桨后控制工程网版权所有,对风力发电机组的性能影响
  2.1 不同变桨角度下的特性
  根据叶素理论,当一个叶素在流畅中运动时,叶素的上表面是负压力(吸力);下表面是正压力。由于压力分布在叶素上而产生的载荷,可以用两个力(升力L 垂直于风向V;阻力D 平行于风向并与升力垂直)和一个力矩(俯仰力矩M)来表示。[2]
  对于变桨距风力机来说,调节变桨也同时意味着调节功角的大小。变桨距风力机的实际工作中,往往也通过轴承机构转动叶片来减小功角α,以此来减小CL,减小升力www.cechina.cn,扭矩和功率。
  这里我们分析变桨距风机在不同变桨角度下的特性。
  1.首先我们先举例一个风机的电机的功率曲线图。如图2.1 所示:


  2.我们根据此风力发电机的叶片特性,描绘出该风机变桨角度是0°时,在不同的风速下,叶轮对电机的驱动功率的大小。如图2.2所示:


  2.3.在上述的图表中只列出了变桨角度为0°时的风机的特性曲线,我们再继续描绘变桨角度在10°和20°的情况下CONTROL ENGINEERING China版权所有,变桨距风机的特性曲线。如图2.3 所示:


  图 2.3 变桨距风机变桨角为0°,10°,20°时的特性曲线在图中我们很清楚的看到在变桨角分别为10°和20°时,叶轮在不同的风速下对电机的驱动功率。
  为了使叶轮对电机的驱动功率能够满足电机的所能承受的状态。根据图2.3 我们便需要在不同的风速条件下设定其合适的变桨角度。以满足发电机所处的工作状态再最优状态。例如:在风速为10m/s 的状态下,通过变桨角度分别为0°和10°两个特性曲线的对比。当变桨为10°时,此时曲线与电机功率曲线交点在:叶轮转速为17RMP ,电机功率约为350kW 处。此时的变桨角度如果为0°时,曲线与电机功率曲线的交点为:叶轮转速为8RMP ,电机功率约为100kW 处。由此可见,通过变桨距的调节,能够有效的改善风力发电机组的气动性能。


  表 2.4 变桨距风机在不同风速下的变桨角度注:此表没有考虑到该风机的最大切出风速。
  实际的风机设计中CONTROL ENGINEERING China版权所有,要将变桨角在不同角度下的特性曲线细化,选出其在不同风速下最优化的变桨角度值。利用对风机在不同变桨角度的特性。在设计风力发电机组的时候,可以结合到以下3 点:
  保护风力发电机组,防止过载。
  最小化风机的结构载荷。
  优化控制模拟的变桨区域。
  3 针对直驱型风力发电机组的变桨控制模型
  这里我们采用闭环控制用于风机正常运行时控制叶片桨矩角,或者变速风机的叶轮

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