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1、风力发电机组变桨矩控制系统的研究摘要由于石油资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，风能作为可再生绿色能源以其突出的优点成为全世界普遍重视的能源。风能开发的重要性已无可争辩，风力发电技术也随之得到迅猛开展。风力发电技术是涉及空气动力学、机械、电机学和自动控制理论等综合性的学科。而进行大规模风能开发首先必须解决一系列关键技术问题，其中，风力发电机的变桨矩控制是一个极具挑战性的控制问题，对其进行深入研究具有十分重要的现实意义。通过阅读大量国内外文献资料，研究风力发电机工作原理，论文首先对变桨矩驱动装置的选择进行比拟，最终确定本变桨矩控制系统采用独立电动变桨的方式。分析了风力电机的空气动力学特
2、性，在此根底上设计了风力发电机组在不同风速段下的控制策略。由于PID控制稳定性好、控制算法简单、响应速度快且能实现无差调节，论文采用PID控制算法。由于PLC在工业控制上有许多优势，且价格合理，综合各方面因素，本文选择S7-200作为控制器。随后，设计了基于PID控制的变桨矩控制器的控制框图和硬件电路图。基于V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6软件设计了变桨矩控制器相应的软件。关键词：风力发电机组；电动变桨矩控制；变速恒频；PLCThe wind turbine pitch control systemAbstractWith the increasing depletion of
3、 oil resources and the concerning human pay attention to global environmental degradation. Wind power as renewable green energy for its outstanding advantages becomes the worlds oriented energy. The importance of wind energy development is indisputable so that the wind power technology will be rapid
4、 development. Wind power technology involves the disciplines of aerodynamics, mechanical, electrical and automatic control theory. It is important to resolve a number of key techniques for large-scale development of wind energy. Wind turbine pitch control is a challenging problem and in-depth study
5、has important practical significance.Reading a large number of domestic and foreign literatures to study working principle and to compare the pitch drives, and ultimately determine the pitch control system which is independent electric pitch in this paper. Design the control strategy of wind turbine
6、s on different wind speeds which based on the analysis of the wind motor aerodynamics,. The control stability of PID is good and the control algorithm is simple, fast response and can achieve without different adjustment, so this paper uses the PID control algorithm. PLC has many advantages in indus
7、trial control and reasonable price. Concerning about all round factors, we have chosen the S7-200 as a controller in this paper. Subsequently, control hardware blocks diagram and schematic of the pitch controller based on PID control were designed. Based on the V4.0 STEP 7 Micro WIN SP6, we design t
8、he pitch controller software.Key words: Wind turbine; Blade pitch control; VSCF; PLC目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1论文的研究背景和意义11.1.1 论文的研究背景11.1.2 选题的意义21.2 风力发电变桨控制系统国内外的研究现状21.3 本论文主要工作3第二章 风力发电机组的根本组成、根本理论与变桨矩系统42.1风力发电机组的根本组成4桨叶系统5齿轮箱系统6发电机系统7控制系统7偏航系统8塔架9制动系统92.1.8 UPS供电系统92.2空气动力学原理10叶素理论10风能计算10风能利用
9、系数与贝兹理论112.3风速特性分析14风切变效应14塔影效应142.4变桨矩风力机组的运行状态15启动状态15欠功率状态16额定功率状态162.5变桨矩系统的原理与结构17变桨矩调节原理17变桨矩系统分类192.6 风力发电机组变桨矩驱动装置比拟和选择212.6.1 液压变桨与电动变桨技术比拟212.6.2 液压变桨与电动变桨供给链分析222.7本章小结24第三章 变桨系统设备选型与硬件电路设计253.1变桨系统设备选型25伺服电机的选型25控制器的选型26各种传感器的选型27控制算法的选择313.2变桨矩控制系统323.3本章小结35第四章 变桨系统软件设计364.1 PLC的介绍和选择3
10、64.1.1 PLC的定义、特点及组成364.1.2 PLC的根本工作原理384.1.3 PLC主要部件的选择394.2 编程条件设计394.3控制流程图设计424.4变桨矩系统程序设计43第五章 总结与展望44参考文献：45附录A47附录B53致 谢70 第一章 绪论1.1论文的研究背景和意义1.1.1 论文的研究背景在21世纪的今天，能源、环境已成为人类生存和开展所要解决的紧迫问题，常规能源以煤、石油、天然气为主。它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用受到世界各国的高度重视。日前风能是具有大规模开发利用前景的可再生能源之一。从全球范围来看，风力发电已经从试验
11、研究阶段迅速开展为一项成熟技术。现代风电技术面临的挑战主要包括进一步提高可靠性、提高效率和降低本钱。中国拥有着辽阔的地域、狭长的海岸、风能资源极其丰富。根据不完全数字统计，在全国陆地上风能的技术可开发量共计约2.53亿千瓦根据地面以上10m高度的风力资料计算得出，在海上可开发利用的风能资源约7.5亿千瓦，风能资源的总量高达10亿千瓦，所以我国开发和利用风能的潜力非常大1。截止到2021年12月底，全球的风电机组总装机容量已经超过了2.2亿千瓦；国内已有25个省、市、自治区已具有风电装机，风力发电机组总的装机容量到达6500万千瓦。?全球风能展望2021?报告称，2021年，在每3台安装完成的风
12、电机组中，就有1台安装在中国。到2021年，中国的风电机组总装机容量有可能到达现在的10倍，届时风力发电可解决全球约12%的电力需求量，到2030年可到达22%。随着风力发电产业技术的不断成熟和开展，变桨矩风力发电机的优越性越来越突显；于是风力机运行的可靠性有了大大的提高；再加上拥有高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线；进而由于叶轮的重量有所减轻，因此风力机的受力状况有了极大的改善，这就使风力机在不同的风速下运行时，始终保持着最正确的转换效率，从而获得最大的输出功率，提高风能利用率。当前，单机容量越来越大，兆瓦级别的机组占据了主要位置，变桨矩技术已经成为了风电的开展趋势。1.1.2 选题的
13、意义变桨矩风力发电机组有很多的优越性，变桨矩风力发电机组将会成为大型风力发电机组开展的主流2。而变桨矩风力发电机组核心之一就是变桨矩系统，其中的变桨矩控制器是非常重要的，合理控制桨叶角度，在额定风速以下运行时与变速恒频技术结合以最大限度的获取能量，在额定风速以上运行时能够得到稳定的功率输出。控制器设计的是否合理直接关系到变桨矩风力发电机组是否能够正常、可靠、平安的运行。我国幅员辽阔，蕴藏着丰富的风力资源。为了开发利用我国的风力资源，应尽快研制生产具有自主知识产权的风电设备，以减少对进口设备的依赖，降低风电的制造本钱对我国的新能源产业开展具有极其重要的意义。本课题对变桨矩风力发电机组的变桨矩控制
14、系统进行研究，希望对我国变桨矩控制系统的国产化提供有益参考，具有重要的现实意义。1.2 风力发电变桨控制系统国内外的研究现状 风力发电开展到20世纪80年代，风力发电机装机还比拟少，技术也不够成熟，开展到90年代中期，世界风力发电技术取得了突飞猛进的开展，设计、制造技术日趋成熟，产品进入商品化阶段，功率等级从几十千瓦到几百千瓦，逐渐开展为兆瓦级。同时，也对风电并网技术的开展起到了促进作用，而且风电场的建设和管理水平以及规模也上升到崭新的阶段。国外最早的风力发电机主要采用定桨矩系统3。国内如新疆金风科技早期主要研发和制造定桨矩风力发电机。对于定桨矩风力发电机组，在低风速段的风能利用系数高，而当风
15、速接近额定点，风能利用系数开始大幅度下降，这时随着风速的升高，功率上升己趋缓，而过了额定点后，桨叶已开始失速，风速升高，功率反而有所下降。所以定桨矩风力发电机组对风能利用效率不高。目前世界上风力发电机上大多采用变桨矩控制系统。其特点是:变桨矩风力发电机的整个叶片攻角在一定范围绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角在一定范围内(一般为00一900)变化，以调节输出功率不超过设计的容许值4。变桨系统按照原理有分为电动变桨和液压变桨两种，主要是动力不一样，电动变桨用伺服电机驱动，液压变桨用液压缸驱动。世界上的风力发的厂家和开展情况如下:世界风电厂家Vestas，Aeciona，Enercon，Gamesa，D
16、ewind，GE，三菱重工等。Vestas所占份额最大，超过百分之三十，他连同Gamesa都主要采用液压变桨系统5。其余的厂家多采用电动变桨系统。我国早在上个世纪七八十年代开始研制风力发电机组，但直到90年代，风力发电才真正从科研走向市场。初期研制成功的主要是额定功率为600KW以下的风力发电机组，近年来开始研制兆瓦级风力发电机组，并且已经取得成功，其制造技术已根本掌握。虽然我国近几年风电开展快，但是相比国外，我国在风力发电技术上的研究比拟落后。主要是工艺技术落后，零部件以及大容量的风力发电装置大多数依靠进口，因此，我国风电行业有很长的路要走。1.3 本论文主要工作随着常规能源的消耗越来越大，
17、越来越多的国家都在加快风力发电的步伐，尤其是中国这样的大国，能源消耗特别大，所以要积极开发新能源、绿色能源。由于我国风力发电起步慢，技术相对落后，在加快开展规模的同时，要引进国外技术，学习欧洲国家的先进技术。随着我国对风电的越来越重视，我国的风电产业将会快步前进。从开展趋势来看，风力机将会向单机容量大、变桨矩、变速恒频和智能控制等方向开展。本文的主要研究工作有以下几点：1查阅大量相关风力发电的国内外相关资料，了解风力发电技术的开展趋势和最新动态。2讨论了电动变桨矩系统与液压变桨矩系统的优缺点，对独立变桨矩和统一变桨矩进行了分析。3对风力发电机的空气动力学特性进行分析，确定不同风速段的不同控制策
18、略。4变桨矩控制系统设备选型，基于S7-200 PLC采用PID算法控制设计了控制框图和硬件电路图，及其控制程序。5对本次设计进行思考和总结。第二章 风力发电机组的根本组成、根本理论与变桨矩系统随着风力发电机组的单机容量的不断增大，在额定风速下能提高捕获风能效率，在额定风速以上能保持额定功率稳定输出成为迫切需要解决的问题。变桨矩调速方式和变速恒频技术，在捕获风能效率和稳定输出功率等问题上显示出优势，逐渐占据了风力发电技术的主导地位。变桨矩控制是保持功率稳定输出的主要手段，因此本章介绍了风力发电机组的根本组成，基于风机空气动力学原理、变桨矩系统原理与结构，以及变桨矩风力机组的运行状态，风力发电机
19、组变桨矩驱动装置比拟和选择，为本文的变桨矩控制提供了理论根底。2.1风力发电机组的根本组成目前，风力发电机组系统有常见的几种结构形式如异步感应风力发电机系统，同步风力发电机系统和双馈风力发电机系统。目前研究最多的也是双馈感应风力机系统，与传统的恒速恒频风力发电系统相比，采用双馈电机的变速恒频风力发电系统具有风能利用系数高，能吸收由风速突变所产生的能量波动以防止主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力，以及可以改善系统的功率因数等但无论哪种结构形式，风力发电机系统根本包括以下几个组成局部：风力机桨叶系统，齿轮箱系统永磁直趋式风力发电机那么无齿轮增速箱，见图2.1所示发电机系统，控制系统，偏航系统，刹车
20、系统等。6图2.1 永磁直驱式风力发电机2.1.1桨叶系统风轮是吸收风能并将其转换成机械能的部件，风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变为机械能，进而通过增速器驱动发电机。风能是随机性能源，当风力变化时，风力机轴上输出功率也将随之发生变化，因此如何调节风力机的输出功率对并网运行的风力发电机而言是十分重要的关键技术之一。对于水平轴风力机，功率调节方式可分为两类，即变桨矩功率调节与定桨矩失速功率调节。(1)定桨矩系统对于定桨矩系统，其桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之改变。就是根据计算所得的实际安装角将其固定到轮毂上，不能变动叶片安装角
21、。这一特点，给定桨矩风力发电机组提出了两个必须要解决的问题，一是当风速高于风轮额定风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。称桨叶的这一特性为自动失速性能。二是运行中的风力发电机组在突然失去电网的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下平安停机。为解决这样的问题，制造商家通过改善叶轮的制造材料，采用加强玻璃塑料、碳纤维强化塑料、钢和铝合成。另外在桨叶尖部安装叶尖扰流器，在需要制动时翻开。由于叶尖局部处于矩离轴的最远点，整个叶片作为一个长的杠杆，扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力机在几乎没有任何磨损的情况下迅速减速，这
22、一过程即是桨叶空气动力刹车。 (2)变桨矩系统就是叶片用可转动的轴安装在轮毂上，轮毂上安装的几个叶片可同步转动以改变叶片的安装角，即同步改变叶片的迎角以满足不同的风速条件下风力发电机得到最大功率。随着风力机单机容量的不断增加，风力机发电效率和可靠性的不断改善，大中型风力机的叶片材料逐渐由玻璃纤维增强树脂开展为强度高、质量轻的碳纤维。72.1.2齿轮箱系统由于风力发电机桨叶的转速达不到发电机所需的同步转速，这就需要增速齿轮箱。增速箱的低速轴接桨叶，高速轴连接发电机直驱式风力发电机那么没有齿轮箱机构齿轮箱系统的特点是：1低速轴采用行星架浮动，高速轴采用斜齿轮螺旋齿轮浮动，这种两级或者三级的复合齿轮
23、形式，使结构简化而紧凑，同时均载效果好。2输入轴的强度高、刚性大、加大支承，可承受大的径向力、轴向力和传递大的转矩，以适应风力发电的要求。在大型风力发电机中，发电机的极数愈多，增速箱的传动比就可以越小。国外一般采用2-4极的发电机。风力发电机组的设计通常要求在无人值班运行条件下工作长达20年之久，因此齿轮箱的轴承在此受到了真正的考验。近年来国内外风力发电机组故障率最高的部件当数齿轮箱，而齿轮箱的故障绝大多数是由于轴承的故障造成。在齿轮箱的使用中，应根据使用地点的不同添加润滑油冷却或加温机构，以确保齿轮箱的润滑，增加其使用寿命。 与传统的风力发电机系统相比，直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮
24、箱，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率，降低了制造和维护本钱，减小了机械效率损失，提高了运行效率。开发直驱式风力发电机组是我国日后风力发电机制造的趋势之一。图2.2示为1.5WM风力机齿轮箱结构图。该齿轮箱系统是一个3级行星/螺旋斜齿轮复合机构。图2.2 齿轮箱结构图2.1.3发电机系统现今，风力发电机的单机容量越来越大。风力发电机所用的发电机一般采用异步发电机，对于定桨矩风力发电机组，一般还采用单绕组双速异步发电机，这一方案不仅解决了低功率时发电机的效率问题，而且还改善了低风速时的叶尖速比。由于绕线式异步发电机有滑环电刷，这种摩擦接触式结构在风力发电恶劣的运行环境中较易出现故障。所以，有些
25、风力发电系统采用无刷双反应电机，该电机定子有两套极数不同的绕组，转子为笼型结构，无须滑环与电刷，可靠性高。目前，这种发电机形式成为各风电制造厂商生产的主流形式。但对于直驱式风力发电机系统，采用的是永磁同步发电机形式。这种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。直驱式风力发电机组在我国是一种新型的产品，但在国外已经开展了很长时间。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。图2.3为双反应异步感应电机系统，通过轴承与齿轮箱机构连接。图2.3 双反应异步感应发电机系统结构图2.1.4控制系统与一般工业控
26、制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网状况和机组运行参数，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。定桨矩风力发电机组主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的平安性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最根本的问题。定桨矩风力机控制系统由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制的，桨叶的节矩角在安装时已经固定；发电机的转速那么是由电网频率限制。所以，在允许的风速范围内，该形式的控制系统在运行过程中对由于风速的变化引起输出量的变化是不作任何控制的。变桨矩风力发电机
27、组，那么在控制性能方面，大大改善，不但在起动时可对转速进行控制，在并网后那么可对功率进行控制。相对于定桨矩风力发电机组来说，变桨矩风力发电机组的液压系统也不再是简单的执行机构，作为变矩系统，它自身是一个闭环控制系统，采用了电液比例阀或驱动电机，控制系统水平得到了极大的改善和提高，并逐渐开展成熟。使控制系统的水平提高到一个新的阶段。2.1.5偏航系统由于风向经常改变，偏航系统是用来调整风力机的风轮叶片旋转平面与空气流动方向相对位置的机构，因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大。风向标是偏航系统的传感器，将风向信号发给控制器，经过与机舱
28、的方位进行比拟后，发出指令给偏航电机，驱动小齿轮沿着与塔架顶部固定的大齿圈移动，经过偏航轴承使机舱转动，直到机舱对准风向后停止。自然界中的风是一种不稳定的资源，它的速度与风向是不定的。由于风向的不确定性，风力发电机就需要经常偏航对风，而且偏航的方向也是不确定的，由此引起的后果是电缆会随风力发电机的转动而扭转。如果风力发电机屡次向同一方向转动，就会造成电缆缠绕，绞死，甚至绞断，因此必须设法解缆。不同的风力发电机需要解缆时的缠绕圈数都有其规定。当到达其规定的解缆圈数时，系统应自动解缆，此时启动偏航电机向相反方向转动缠绕圈数解缆，将机舱返回电缆无缠绕位置。假设因故障，自动解缆未起作用，风力发电机也规
29、定了一个极值圈数，在纽缆到达极值圈数左右时，纽缆开关动作，报纽缆故障，停机等待人工解缆。在自动解缆过程中，必须屏蔽自动偏航动作。2.1.6塔架用来支撑风力机及机舱内各种设备，并使之离开地面一定高度，以使风力机能处于良好的风况环境下运转。根据风力机容量的大小，塔架可以制成实心铁柱式，也可以制成钢材塔架结构或柔性塔架。2.1.7制动系统其功能是当风力机需要停止运转或在大风时使风力机停止运转以到达维修或保护风力机的目的。在小型风力机中多采用机械抱闸刹车方式实现制动停车，可以手动也可自动实现停车;在大中型风力机中多采用液压或电气制动方式实现抱闸停车。2.1.8 UPS供电系统风力发电机组离开电网的支持
30、是无法工作的，一旦有突发故障而停电时，控制计算机由于失电会立即终止运行，并失去对风机的控制，控制叶尖气动刹车和机械刹车的电磁阀就会立即翻开，液压系统会失去压力，制动系统动作，执行紧急停机。紧急停机意味着在极短的时间内，风机的制动系统将风机叶轮转数由运行时的额定转速变为零。大型的机组在极短的时间内完成制动过程，将会对机组的控制系统、齿轮箱、主轴和叶片以及塔架产生强烈的冲击。紧急停机的设置是为了在出现紧急情况时保护风电机组平安的。然而，电网故障无须紧急停机；突然停电往往出现在天气恶劣、风力较强时，紧急停机将会对风机的寿命造成一定影响；风机主控制计算机突然失电就无法将风机停机前的各项状态参数及时存储
31、下来，这样就不利于迅速对风机发生的故障做出判断和处理。针对上述情况，对控制电路作了相应的改良。在控制系统电路中加设了一台在线UPS后备电源，这样当电网突然停电时，UPS急时投入，为风机的控制系统提供足够的动力，使风机制动系统按正常程序完成停机过程。1. UPS 储能元件有蓄电池和超级电容2种2. 超级电容作为一种新型储能装置，具有以下特点：1) 电阻很小，寿命超长。2) 可靠性高。3) 储能巨大。4) 充电速度快。5) 充放电能力强，对充放电电路要求简单。它兼具传统电容器的大电流快速充放电特性与电池的储能特性。2.2空气动力学原理2.2.1叶素理论叶素理论将叶片等效为假设干个根本单元进行研究，
32、将每个根本单元称作叶素。叶片翼型弦线与风轮扫掠面的夹角，称作桨矩角。风轮旋转角速度为，那么半径为处叶素的圆周速度为，而风轮平面的绝对风速为，叶片的相对风速和风轮的圆周速度三者之间的关系是。功角是弦线与气流速度矢量之间的夹角。是和风轮扫掠面的夹角，称作入流角。如图2.4所示，气流流经叶素，会对其产生气动力作用，在垂直于气流方向产生一个气动力，即升力，同时，还会在气流方向产生一个阻力。单个叶素受到的升力和阻力可以表示为升力系数和阻力系数的函数8：图2.4 叶素受力分析 式(2.1) 式(2.2) 其中: 为叶素弦长，为空气密度。2.2.2风能计算由流体力学理论可知，流动气体所含有的动能可以表示为9
33、： 式(2.3)式中: 为气体质量。假设单位时间内流经截面积为的气体体积为，那么有： 式(2.4)该体积的空气质量为： 式(2.5)那么气流所具有的动能为： 式(2.6)2.2.3风能利用系数与贝兹理论风轮作为风电机组的能量捕获和转换部件，将风能转换为主轴旋转机械能，该能量经过齿轮箱传递到发电机。依据贝兹(Betz)理论，流过风轮的气流速度不可能为零，因此，只有局部风能能够被转换为机械能10。贝兹理论假定风轮是一个平面桨盘(即无轮毂，叶片无穷多)，经过风轮的气流没有阻力，且整个风轮扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向在通过风轮前后都平行于风轮轴线。图2.5为气流流过理想风轮旋转面所形成风廓线
34、和通过前后风速和压力的变化。由于风轮的旋转，在靠近风轮处及风轮后某距离处的气流速度均有所降低，同时，气流通过风轮前到达靠近风轮处时，空气压力升高，而通过风轮后压力急剧下降，形成某种程度的“真空，之后“真空程度逐渐减弱，直到恢复原来的压力11。设为通过风轮截面的实际风速，为风轮前方远处的风速，在单位时间内，从风轮前到风轮后气流动能的变化量就是为风轮所吸收并使风轮旋转的风能，即： 式(2.7)图2.5 空气流过风轮旋转面及其前后的状况假设风速己知，而可以看成是v2的函数，按照求解一元函数极值方法，得到风轮吸收风能最大值为： 式(2.8)定义单位时间内风轮吸收的风能E与通过风轮旋转面的全部风能之比为
35、风能利用系数，即： 式(2.9)由贝兹理论可知，理想风轮的最大理论效率，就是说即使转化风能过程无损耗，也只能有的风能可以为风力发电机组所用。贝兹理论中，没有考虑涡流损失，而是假设在叶尖速比时，叶片翼形优化，涡流损失很小。叶尖速比是旋转风轮的叶尖速度与风速之比，是风力发电机组的一个重要设计参数，表示为： 式(2.10)其中: 为风轮半径；叶尖速比直接影响叶片的能量捕获，影响风能利用系数，如图2.6所示，在实际中常用风能利用系数对叶尖速比入的变化曲线表示该风轮的空气动力特性12。图2.6 风能利用系数与叶尖速比的关系曲线风能利用系数在叶尖速比为，时取到最大值。恒速运行的风力发电机组，风轮转速恒定，
36、而风速一直变化，因此不可能保持在最大值，这样一来，风力发电机组的运行效率通常不高。变速运行的风力发电机组，可以使机组在叶尖速比恒定的情况下运转，从而使在较大风速范围内保持最大值。对于变速变桨矩风电机组来说，是叶尖速比和桨矩角的函数，风能利用系数可以表示为13： 式(2.11)对于不同桨矩角，风能利用系数与叶尖速比入的变化曲线如图2.7所示14，可以看出：对于某一固定桨矩角，对应存在风能利用系数的唯一最大值。对于任意叶尖速比，叶片桨矩角时的风能利用系数相对较大，而随着桨矩角增大，风能利用系数变小，这为风电机组的运行控制提供了理论依据。图2.7 不同桨矩角条件下，风能利用系数与叶尖速比的关系曲线2
37、.3风速特性分析上文对于风速的空气动力学的分析是基于风速在空间均匀分布，不随时域变化的前提条件下的。然而，自然界的风在时间和空间上都是变化的，因此，风轮平面内风速分布是不均匀的。影响风速的因素有很多，其中作用最为显著的是高度，尤其随着风机的大型化，风轮直径的增加，高度对于风轮平面内风速的影响就越来越明显，而其它随机干扰反而可能会因为叶片长度的增加相互抵消而减弱。风速在竖直方向上的变化主要是由风切变和塔影效应导致的。2.3.1风切变效应风切变是稳定平均风速随着空间高度发生的变化，也就是风速会随高度的增加而增加，这种现象被称为风切变效应15。假设以地面为零风速参考平面，那么风切变经验公式为： 式(
38、2.12)式中: 为风速测量点高度，单位；为风速计算点高度，单位；为离地参考高度处的风速，即测量点风速，单位；为离地参考高度处的风速，即计算点风速，单位；为风剪切指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度。2.3.2塔影效应因为塔架对气流的阻碍，所以在塔架的长游和下游都将使气流速度减小，这种效应称为塔影效应16。气流的塔影效应描述如图2.8所示。图2.8 塔影效应对于气流的影响对于上风向机组来说，在塔影坐标系下某点处垂直于风轮旋转平面的风速可以表示为： 式(2.13)式中：为塔架半径，随塔架高度变化；为塔架某点的塔架高度；为塔架半径修正因子；(，)为塔架坐标系下的水平两个方向坐标。假设该点的桨叶方位
39、角在风轮旋转平面下沿中心相对于轮毂中心在600之间，即叶片处于方位角为1200到2400的范围那么上式成立，如图2.9所示。塔影效应引起的叶片载荷变化比风切变效应等其他因素导致的载荷变化更容易引起风轮叶片的振动。图2.9 风轮平面内风速影响区域分布2.4变桨矩风力机组的运行状态根据风机所处的状态以及变桨矩系统所起的作用，变桨矩风力发电机组大致可以分为3种运行状态，即启动状态、欠功率状态和额定功率状态17。2.4.1启动状态变桨矩风力发电机在停机状态的时候，叶片的桨矩角为900，此时气流对桨叶不产生切向力也没有转矩，整个桨叶实际上相当于一块阻尼板。当风速到达启动风速的时，变桨矩机构控制桨叶向00
40、方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮由于桨叶受力开始转动。在发电机并入电网之前，发电机转速信号作为变桨矩系统的桨矩角的主要控制量。转速控制器按照一定的速度上升斜率给出速度的参考值，变桨矩系统根据给定的速度参考值，进而调整桨叶的桨矩角，进行速度控制。为了确保并网平稳及稳定性，对电网产生尽可能小的冲击，变桨矩系统可以在一定时间内，保持发电机的转速在同步转速附近，以便寻找最正确并网时机。为了使控制过程简单化，早期的变桨矩风力发电机在风轮转速到达发电机同步转速前采用不控制桨叶的桨矩角的方式。在这种情况下，桨叶的桨矩角一直保持在同步转速对应的角度。直到发电机转速上升到同步转速后，变桨系统才开始投
41、入工作。转速控制的给定值是恒定的，即同步转速。然后，转速反应信号与给定值进行比拟，当转速超过同步转速的时，桨叶的桨矩角就向迎风面积减小的方向转动一定的角度；反之，桨叶向迎风而增大的方向转动一个角度。当转速在同步转速附近保持一段时间后，发电机才并入电网。2.4.2欠功率状态欠功率状态是指发电机并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机的输出功率在额定功率以下运行方式。与转速控制方式同理，在早期的变桨矩风力发电机组中，对于欠功率状态是不进行控制的。这时变桨矩风力发电机组和定桨矩风力发电机组相同，它的功率完全取决于桨叶的气动特性。现在多采用的双馈异步发电机的风力发电机在该状态能够通过风速采集的低频分量
42、为参数调整发电机转差率，使其运行在最正确叶尖速比，进而到达对风能的最大利用率。2.4.3额定功率状态在风速到达或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率运行状态。这时风力发电机组运行方式从转速控制切换到功率控制，变桨矩系统开始根据发电机的功率信号进行控制。控制信号的给定值是恒定的，即额定功率。功率反应信号与给定值进行比拟，当功率超过额定功率的时，桨叶就向着迎风面积减小的方向转动一个角度，反之那么向着迎风面积增大的方向转动一个角度。2.5变桨矩系统的原理与结构2.5.1变桨矩调节原理变桨矩风机的叶片与轮毂之间采用非刚性联结方式，这时叶片可以绕叶片纵梁进行桨矩调节，使得叶片相对于风向有不同的攻角。
43、当风速持续变化时，叶片的桨矩角始终保持在最正确的角度，从而使风电机组在不同风速下始终保持其风轮的最正确转换效率，使输出功率到达最大值。风机吸收风能产生的输出功率为： 式(2.14)式中：为输出功率；价为风能利用系数；为空气密度；为风轮半径；为风轮正面风速。风机将产生的能量转换为机械能传递给负载，机械能表达式为 式(2.15)式中：为机械能；为风机扭矩；为风机角速度。这里的扭矩是由负载决定的。这样由式(2.14)和(2.15)得 式(2.16)当风机处于一定的风速下，对于一定的负载，、亦为常数量，那么转速就取决于风能利用系数的大小。那么有 式(2.17)根据叶素理论特性，根据风轮起动后以某种速度
44、稳定旋转时叶片的受力情况，得出理想情况下气流与叶片角的关系 式(2.18) 式(2.19)式中：为攻角；为桨矩角；为入流角；为叶尖速比。根据力的平衡关系，叶片的扭矩为 式(2.20) 式(2.21) 式(2.22)式中：为扭矩系数；为风轮的迎风面积；为风轮半径；为叶片的相对风速。由图2.10可知，升力系数和升阻比/随攻角的变化而变化。对于在一定转速下运转的风机，当风速和风向一定时，和为定值。如果增大攻角，升力系数将增大，升阻比/。也将增大，由式(2.22)可知扭矩系数也会增大。又由(2.17)和(2.20)可以得到 式(2.23)所以有 式(2.24)式中：为风机叶片受力平衡时的叶尖速比。图2.10 i和CL与CL与CD的关系由式(2.20)可得正比于，所以当攻角增大时，风能利用系数增大；反之当攻角减小时，风能利用系数减小。又由式(2.17)可知，当风速和风机负载一定时，当攻角增大，风机转速增大；反之，当攻角减小，值减小，风机转速减小。再由式(2.19)，这里增大，将减小;如果减小，将增大。为了直观起见，通常用桨矩角来说明上面的关系，即当增大时，风机速度下降;当减小时，风机转速增加。2.5.2变桨矩系统分类1变桨矩的执行机构大致分为电液伺服系统和电动伺服系统两类18。a) 液压变桨矩 b) 电动变桨矩图2.8 变桨矩系统的轮毂照片 1液压伺服变桨矩系统。液压伺服变桨矩系统具有