兆瓦级风力发电机变桨控制系统设计与应用研究

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1、上海电力2009年第3期兆瓦级风力发电机变桨控制系统设计与应用研究刘琳(上海电气输配电集团国家级技术研究中心，上海200050)摘要：通过分析风力机的空气动力学特性，对大型的变速恒频风力发电机进行了建模分析，设计了有效的变桨控制策略。以1．25MW风力发电机组为例，验证了设计的变桨控制器具有良好的快速性和稳定性。目前，该变桨控制器已经成功应用于工程实践。关键词：兆瓦级；风力发电机；变速恒频；变桨控制中图分类号：TK83文献标识码：B上海市经委重点项目：Mw级风电机组仿真及相关技术研究我国对风力发电的规模性应用起步较晚，特1．1风力机理论及其数学模型别是兆瓦级的风力发电技术研究，而在德国、丹麦在

2、讨论风力机的数学模型时，以下特性参数等国家其兆瓦级风力发电机组应用技术已经非常具有特别重要的意义嘲。成熟口]。“十一五”以来，国家对风力发电从市场(1)风能利用系数C运用到技术开发都出现了前所未有的扶持，从而C表示风力机从自然风中吸收能量的利用在国内掀起了一股风力发电的技术研发热潮。与1率大小，其值为：C一P／(~pv。s)(1)定桨距风力机组相比，变桨距风力机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，主要依靠叶片相式中P——风力机实际获得的轴功率，W；空气密匹配的叶片攻角来进行调节，从而提高了风力机度，kg／m。；S——风轮的扫风面积，m；风速，m／s。的风能转换效率同时保证了风力机输出功率平(

3、2)叶尖速比稳l_2]。在国内外对变桨距风力机组的研究中，提表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的出了一些先进的技术和方法，在工程实践中主要叶尖圆周速度与风速之比来衡量，其表达式为是采用PID控制器实现对桨距角的调节l3]。一一wRR本文在建立风力机模型，以及风力机与发电A——⋯—(2厶)，机传动链模型的基础上，设计了通过速度和桨距式中——风轮的转速，r／s；——风轮角频率；R——角调节的变桨控制系统，以1．25Mw风力发电机风轮的半径，rn。组的系统参数为例，对建立的模型和控制系统进(3)转矩系数C和推力系数C，行了测试验证，在工程实践应用中取得了良好的风作用在风轮上的力可由Euler理论写出

4、其控制效果。关系式：F=pSv(l—2)(3)1风力机的建模式中——风轮叶面的上游风速；——风轮叶面的下’庭也可实现的划时代小型风力发电设备．参考文献：[5]井上雅弘。樱井晃，大屋裕二．带沿扩散型风机的简易理论[1]大屋裕二，鸟谷隆，樱井晃．通过带沿扩风筒型风机使风力rJ]．涡轮机械，2002，30(8)：46—51．发电机实现高输出化[c]．日本航空宇宙学会论文集．2002，收稿日期：2009—05—175o(12)：477-482．[2]大屋裕二。鸟谷隆，樱井晃，井上雅弘．通过带沿扩风筒型风机使风力发电机实现高输出化一第2报告[c]，日本航空宇作者简介：大屋裕二(1952一)，男，日本九州

5、大学应用力学宙学会论文集，2004，52(5)：210-213．研究所教授，主要从事风力工程学特别专向于风力能源[3]大屋裕二．各种新型风机一聚风型风机一[J]．涡轮机械，利用及风场环境预测研究。2005，33(7)：59-62．(责任编辑：吕斌)[4]经济产业省，新能源产业技术综合开发机构(NEDO)。家～212一2009年第3期上海电力游风速。处轴向速度U一U(1-a)，令V一U，轴向速为了便于把气流作用下的风力机所产生的转度V=12r(1+a)，则实际流经风轮处的气流速矩和推力进行比较，常以为变量作为转矩T和度是W=V。+lv0(见图2)。推力F的变化曲线。因此，转矩和推力也要无因次化。

6、c一T一U(1-口)㈩一纛—ID。一恭‘㈤￡cos+Dsin巾式中T——风力机产生的转矩，N·rn；F——作用在风力机上的推力。针对变桨距风力发电机组，在某一风速下，风Dco妯轮角频率已知，则叶尖速比可以得到。另图2叶素上的空气三角形和空气动力分量外，风能利用系数C可以表示为叶尖速比和桨对于N个桨叶的风轮面来说，长度为dr的距角p的函数：C一CP(，p)(6)叶素上总的推力和扭矩分别为：式(6)表示的风能利用系数，主要由桨叶的气动特性决定，这里采用了叶素一动量理论来建立{ldF一寺NpcgreCdr㈩桨叶的气动模型。ldT一÷NpcW2Cdr1．2基于叶素一动■理论的桨叶气动模型l厶动量理论定

7、义了一个通过风轮平面的理想流式中～——风轮叶片数；——法向力系数；G——切管(见图1)，U。：、U，U，分别表示来流风速、流向力系数。过风轮风速、风轮后尾流速度。定义轴向诱导因为了计算风力机性能，必须计算风轮旋转面子口一(1一U)／u，切向诱导速a一／(212)，应中的轴向诱导因子a和轴向诱导因子a，这就需用动量方程和伯努力方程可以方便的推导出轴向要用到叶素动量理论。由叶素动量理论可得力和风轮转矩