兆瓦级风电机组变桨系统设计与实现

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1、研究与开发兆瓦级风电机组变桨系统的设计与实现李晓斌李国成2(1．武汉数字工程研究所，武汉430074；2．湖北宜昌供电局，湖北宜昌443003)摘要本文详细分析了变桨距系统的设计原理和组成，并在此基础上以非线性PID算法为控制核心，以Profibus总线和CAN总线作为通信，以超级电容作为后备电源，设计了兆瓦级风电机组变桨距系统，对变桨系统软件开发所涉及的运行模式划分为五类，并将研究结果应用于国内某风场，结果表明该系统满足风电机组对变桨系统位置和精度控制的要求。关键词：风电机组；变桨控制；超级电容DesignandRealizationofMW-GradeWindTurb

2、inePitchSystemLiXiaobinLiGuocheng(1．WuhanDigitalEngineeringInstitute，Wuhan430074；2．YichangPowerSupplyBurea，Yichang，Hubei443003)AbstractDesignprincipleandconstitutionofpitchsystemareanalyzedindetailinthispaper．MW-gradepitchsystemisdesignedbasedonkernelcontrolalgorithmofnonlinerPIDalgorithm

3、，buscommunicationofProfibusbusandCANbus，backuppowerofsupercapacitor．Systemoperationmodelisdividedinto5modularforsystemsoftwaredevelopment．Researchachievementissuppliedonsomewindfieldinourcountry．Itistestifiedthatpitchsystempositionandspeedprecisiondemandcompliedwiththerequirementsofwindtu

4、rbine．Keywords：windturbine；pitchcontrol；super—capacitor风力发电作为一种成熟的新型清洁能源，已经eot=CpApV。(1)更多地被实际电网所吸纳。但由于风能具有动态和不确定性，因此要求风力发电机组对所获取的风能式中，Po为风机所捕获的风能功率，Cp为风力发进行实时控制，风电变桨距系统用来对风能进行控电机的功率系数，为风力发电机组叶片所扫过的制，如何设计快速响应、高效可靠的变桨距系统就面积，P为空气密度，为风速。成为整机设计和运行的关键所在。为了保障风力发由上述公式所知，在一定风速的情况下，要改电机组运行的安全，风电机组

5、必须对获取的风能进变所获取风能的输出功率，只有改变风力发电机的行控制，传统定桨距风机是通过设计变桨叶片的失功率系数，见式(2)；也就是改变叶片角度和叶尖速特性来控制风机对风能的获取。随着风机向大型速比，见式(3)。化方向发展，现场总线控制技术、交直流电机数字：F(2，0)(2)控制技术的发展，风电机组风能获取控制已逐步转向为变桨距，即由过去的定桨失速控制转为变桨变caR(3)：=————j／速控制，变桨距控制技术已经成为大型风电机组控V制的主流技术。式中，为叶尖速比，为风力发电低速轴机械角速度，0为叶片桨距角度，为叶片旋转时所成外l风电变桨距系统原理圆的半径。根据空气动力

6、学，风力发电机组所吸收风能的由图1可知，通过改变发电机转速调节叶尖速功率可用如下算式(1)进行计算：比，可以实现Cn值最大，从而保证风机获取最大风I2015年第1期电曩麓litl23研究与开发能。通过改变气流对桨叶的攻角，实现风电机组功面每个变桨距柜安全链OK信号会通过3个柜体串率控制。一方面在同一风速和主轴转速的情况下，联成硬的无源触点接入到主控安全链输入模块，‘可以通过改变叶片角度来改变风力机的功率系数；旦主控没有检测到变桨安全链OK输入信号，系统另一方面也可在不同风速的情况下，通过改变叶片整个安全链就报变桨安全链故障。角度，调节主轴转速来改变风力机的功率系数。主控(

7、滑环)绝对值编码器变桨控制柜——_-(r电—乜亟叶片lL一叵固图1表示风力发电机组的cn曲线I]此外，为确保三个叶片变桨角度的一致性，在实现变桨距系统时，必须确保三个叶片的位置环和速度环具有控制精度高、响应快、系统稳的特点，避免因为三个叶片的不一致性加剧主轴轴承的不均I1L—圃叶片2匀载荷，影响机组的使用寿命。lL一匦圃现以某1．5MW风电机组变桨距要求为例，根据I整机机组设计，得到该变桨系统具体实现参数如下：1)额定力矩：25N·m。2)最大驱动力矩：105N·m。3)制动力矩：90N·m。IL——-_1董丝薹I4)低速变桨