载荷优化的风电机组变桨控制技术研究

毛江，雷肖，杨张斌，蔡国洋，刘剑

（1.中国长江三峡集团有限公司，四川 成都 610000；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210061）

随着世界能源资源的不断消耗，很多国家都开始对绿色清洁能源进行了相应的探索。其中风能就是主要探索的绿色清洁能源之一，风能已经成为我国主要发展的方向，而且在我们的很大一部分区域内，都有着丰富的风能资源，主要的利用形式就是将风能转化为电能再提供给我们利用。我国在现代风力发电机的设计上越来越先进，并且如果能够将变桨距控制技术利用在大型风电机组中，就能将风电机组的性能提升到一个新的高度。也正因为这样，变桨距控制技术成为大型风力发电机的主要配备的一个内部系统。

采用独立驱动的协同变桨控制技术，可以让风电机组的三片桨叶宛如一体，它们将能接收到来自变桨驱动系统发出的统一控制指令信号，让三片桨叶在工作的过程中保持高度的统一性，而且保证了三叶片的节距角变化程度是相同的。而我国对独立变桨技术的研究还处于初步的发展阶段，所以我国的大型发电机组一般采用的独立变桨控制技术均是由国外引进，所以我们现在应该针对独立变桨控制技术进行开发与研究，促进我国在风能发电上的技术水平。本文就在理论的方面上研究了大型风力发电机组独立变桨控制技术，着重强调了协同变桨控制过程和偏差变桨控制过程。值得一提的是，偏差变桨控制系统是更加复杂的系统，所以我们在进行操控偏差变桨控制系统的时候会显得更加困难，在控制算法以及系统操作上仍然处于不了解的初期。但是，如果能够掌控偏差变桨控制技术，那么一定能够加大我国在风力发电机组方面的研究。

1 独立变桨控制理论分析

1.1 协同变桨控制理论分析

在进行独立变桨控制理论分析的过程中，实现最大化风能利用率以及降低风电机组内部的载荷情况是我们所需要攻克的两大难题。通过我们的调查研究数据可以发现，协同变桨控制技术在风能捕获的功率上与空气密度，风轮面积，风速，节距角和尖速比等多个因素有关。而且在进行理论公式计算的过程中，风能利用系数也发挥着一定的决定性作用。而且风能利用系数与节距角，尖速比呈非线性关系，要想完全掌控风能利用系数对于我国当前的技术来说仍然是有着较大的挑战性的。虽然想完全掌控风能利用系数有着较高的难度性，但是可以通过改变尖速比，保持节距角度不变，通过多次实验就可以寻找出一个风能利用系数最大的情况，从而寻找出一个最佳的尖速比数据。最后，可以总结经验得出，如果通过协同变桨控制技术控制风电机组的各叶片节距角度始终处于0度，并且确保风电机组始终能够运行在最佳尖速比附近，就能够实现最大风能的捕获程度。

1.2 偏差变桨控制理论分析

在实际风能捕获得过程中，实际的情况并不会像理论技术那样那么符合理想标准，可能会出现风剪切等因素的影响，从而导致了实际过程中的应用会与理论设计方面上的结果可能会有所不同。偏差变桨控制技术就是由于风轮扫风面内的实际风速分布是不均匀的而研发出来的技术，也是传统技术运用在实际过程中的改良与提升。在风轮转动的过程中，桨叶会受到各个不同方位上吹来的风所影响自身的旋转速度，同时也会造成桨叶根部载荷变化波动较大，这也是造成风电机组关键部位出现载荷现象的主要原因之一。由于风轮扫风面内的实际风速分布不均匀，所以三个桨叶上的风速也会不同，甚至可能会出现风速差距较大的情况，这会给叶轮造成较大的不平衡载荷。这时候就需要对各桨叶的节距角分别进行一些调整，通过截距角的调整，可以将各桨叶之间的载荷波动降低在一定范围内，防止出现较大差距的不平衡载荷。

2 独立变桨系统设计

独立变桨控制系统主要由叶片根部得荷载传感器、主控制器等多个系统组成。对于我国目前大部分的大型风力发电机组，载荷传感器是目前最核心的设计之一。独立变桨系统中的每个桨叶都采用直流电动机进行单独的调节，这样才可以保证系统中的每个桨叶在面对不同风速的过程中可以调整自身的节距角，形成一个独立的驱动系统。在独立变桨系统的设计过程中，还应该设置一个减速箱，通过这个减速箱可以让桨叶的转动速度减速下来，然后并通过主动齿轮与桨叶内齿轮齿圈相互咬合，由主动齿轮来带动桨叶的转动，通过这样的方法也可以达到调节桨叶节距角的目的。在进行独立变桨系统设计的过程中，还能够利用传感器的特性达到非接触式调节节距角的目的，位移传感器在采集节距角的变化信号，然后再将这些采集的信号传输到主控制器中，让主控制器下达指令调整独立变桨系统的运行状态。在独立变桨系统中还有一个重要的部位就是电气板，整个系统的控制电路以及蓄电池都会安装在电气板上。当风电机组能够正常运行时，独立变桨系统就由电网供电，执行正常的独立变桨系统日常工作。一旦发生意外，电网出现某些故障无法进行持续供电的时候，电气板上的蓄电池就会发挥出它的作用，整个系统的供电就会从电网转移到蓄电池供电，保证独立变桨系统能够在紧急情况下正常地运行。

3 独立变桨过程

3.1 协同变桨控制过程

协同变桨控制过程主要会分为低于额定风速和高于额定风速两种工作情况。首先，我们去分析风速较小的情况，由于产生的风速较小，发电机的输出功率达不到正常指定的标准，在这种情况下，要想将风能全部转化为输出的电能是较为困难的。但是，由于风电机组的输出功率还达不到额定功率的标准，所以在其他方面上的能量消耗也是不明显的。所以，要想尽可能地将风能转化为输出的电能，就要将桨叶节距角度调整到0度，当尖速比达到一定数值时，风能利用系数就会达到最大。风能利用的系数越大，就会使得更多的风能转化为输出的电能。通过这样的方法，就可以保证在风速不够的情况下，使风力发电机的工作状态一直保持在最佳的功率，充分地利用每份风能资源。

3.2 偏差变桨控制过程

偏差变桨控制技术的最主要目标就是减小叶轮上的不平衡载荷，从而提高风电机组的使用寿命和载荷优化。在前文已经讲过，偏差变桨控制系统是一个多变量输入输出的系统，因此我们不能简单地对偏差变桨控制过程进行分析，而且传统的经典控制器已经不能够满足偏差变桨控制过程中的复杂情况，而是需要现代控制理论来设计更复杂的控制器。但是，如果我们想针对大型风力发电机进行精确的建模，那么工作量以及工作难度是十分巨大的，所以我们使用现代控制理论设计控制器也比较能实现，而且实用性能还极不稳定。叶片的根部会安装一些载荷传感器，一旦将叶片根部的载荷情况出现一定的差异和波动，就会立即将数据收集起来然后再将数据信息传送到主控制器，主控制器针对数据进行分析后通过计算得出偏航力矩等一系列数据，通过这些数据可以针对每个桨叶进行精确的节距角调节。在选择控制算法的方面上，偏差变桨控制系统与系统变桨控制所采用的PID控制算法也有所不同,因为风电机组在实际工作的过程中，并不是每时每刻都属于稳定系统状态，所以如果只有一组PID控制算法是很难满足偏差变桨控制的整个过程的。

4 结语

总之，独立变桨控制系统对我国今后在风能发电方面的进展有着深刻的重要意义。只有真正地掌控了独立变桨控制的技术，能够让我国在风电机组的研究方面走得更远。使用独立变桨控制技术可以加快执行机构的行动速度，但是也可能会出现载荷超标的情况，除此之外，还有着其他的一些问题，这些都有待我们进一步地研究。