風電機組槳葉扭矩加載試驗淺析

（風力發(fā)電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江運達風電股份有限公司，浙江 杭州 310012）

（風力發(fā)電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江運達風電股份有限公司，浙江 杭州 310012）

槳葉在不同工況下的扭矩是變槳控制系統(tǒng)在驅(qū)動過程中的關鍵，直接影響變槳控制系統(tǒng)的性能。本文利用動量—葉素理論，通過Blade仿真系統(tǒng)得到了不同工況下槳葉扭矩的最大值和最小值。運用直接扭矩控制方式搭建了加載試驗系統(tǒng)。通過以上兩者的結(jié)合提出了風電機組槳葉扭矩加載試驗方法，其試驗結(jié)果和實現(xiàn)過程為工程運用中槳葉載荷分析、研究及變槳控制系統(tǒng)性能驗證作參考。

槳葉扭矩；動量—葉素理論；直接轉(zhuǎn)矩控制；加載試驗方法

0 引言

近年來，變速恒頻風電機組控制技術(shù)日趨完善，進而使機組性能完全處于可控狀態(tài)，并獲得最佳功率輸出。變槳控制系統(tǒng)與變速恒頻技術(shù)相結(jié)合，最終提高了整個風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質(zhì)量。

變槳控制系統(tǒng)一方面依據(jù)風速的變化實時調(diào)節(jié)槳距角，保證在相應控制策略下獲取最大能量。另一方面通過載荷優(yōu)化控制對整機動態(tài)載荷起到優(yōu)化作用，可實現(xiàn)無沖擊并網(wǎng)[1]。

本文采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式設計加載系統(tǒng)，通過與風電機組主控及變槳控制系統(tǒng)的有機結(jié)合，搭建了風電機組槳葉扭矩加載試驗系統(tǒng)。利用Blade仿真軟件建立了不同工況下各種槳葉扭矩的仿真模型。仿真和試驗結(jié)果表明，利用本方法可以將不同工況下各種槳葉的扭矩值轉(zhuǎn)化為加載試驗系統(tǒng)中電機的扭矩值，供實際工程運用中槳葉載荷分析、研究及變槳控制系統(tǒng)性能驗證作參考。

1 槳葉扭矩加載試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 槳葉扭矩加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

風電機組槳葉扭矩加載系統(tǒng)主要由電源、控制系統(tǒng)和仿真軟件、加載調(diào)速柜、加載電機、扭矩儀、變槳電機、變槳控制柜、風電機組主控等組成。圖1為風電機組槳葉扭矩加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

正常工作狀態(tài)下，電源負責給各設備供電?？刂葡到y(tǒng)和仿真軟件模擬通過建立不同槳葉在不同工況下的模型并計算出相應的數(shù)值給別給風電機組主控及加載調(diào)速柜發(fā)送相應的控制指令。風電機組主控以通信方式實現(xiàn)對變槳電機的控制，主要控制方式為槳距角和變槳速率[2]。加載調(diào)速柜由一套變頻交流調(diào)速系統(tǒng)組成[3]，通過全數(shù)字DTC直接轉(zhuǎn)矩控制方式實現(xiàn)對加載電機負載的控制。加載電機為一臺交流測功機構(gòu)成，用于模擬槳葉不同工況下的扭矩。扭矩儀將實際值反饋給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

1.2 槳葉扭矩加載試驗流程

1.2.1 Blade參數(shù)配置

在Blade仿真系統(tǒng)參數(shù)配置過程中，對機組功率、偏航角度、槳葉長度、各種工況等參數(shù)進行相應的設置。

1.2.2變槳電機的驅(qū)動

風電機組主控根據(jù)Blade系統(tǒng)中不同槳葉的不同工況，響應不同的槳距角與變槳速率。該信號通過Canopen通信方式由風電機組主控發(fā)送給變槳控制柜，變槳柜按照內(nèi)部程序驅(qū)動變槳電機動作，變槳電機的位置及轉(zhuǎn)速經(jīng)旋轉(zhuǎn)編碼器實時反饋給控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對變槳電機的精準控制。

1.2.3加載驗證

扭矩加載過程如下：

（1）各種槳葉在不同工況下經(jīng)Blade系統(tǒng)計算得出的扭矩值由倍?？刂葡到y(tǒng)以Canopen通信的方式發(fā)送給加載調(diào)速柜；

（2）加載調(diào)速柜采用全數(shù)字式直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)實現(xiàn)對加載電機的控制；

（3）扭矩加載值通過扭矩儀反饋到控制系統(tǒng)中形成閉環(huán)控制[4]；

（4）加載電機的轉(zhuǎn)速經(jīng)測速儀器反饋到控制系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)對加載電機的恒轉(zhuǎn)速控制；

（5）變槳電機與加載電機通過機械方式連接在一起，這樣變槳電機依照風電機組主控的給定拖著加載電機運行；

（6）加載電機在工況變化時，加載扭矩值可實現(xiàn)無擾動切換，從而實現(xiàn)了槳葉扭矩的加載試驗方法。

圖1 風電機組槳葉扭矩加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 扭矩加載試驗系統(tǒng)原理

2.1 控制系統(tǒng)槳葉扭矩計算原理

葉素理論的出發(fā)點是將風輪葉片沿展向分成許多微段，該微段稱為葉素。將作用在每個葉素上的力和力矩沿展向積分，以求得作用在風輪上的力和力矩。作用在風輪平面dr圓環(huán)上的軸向力可表示為：

作用在風輪平面dr圓環(huán)上的轉(zhuǎn)矩表示為

基于普朗特葉尖損失修正因子下法向力系數(shù)及切向力系數(shù)的求法如下：

這樣通過求出軸向誘導因子a和軸向誘導因子b，就可以得出葉素處入流角Φ，進而得出迎角α，就可根據(jù)翼型空氣動力特性曲線得到葉素的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd，最終求出dT、dM，積分后即可得出T、M值。

軸向誘導因子a和軸向誘導因子b的推倒公式，考慮到普朗特葉尖損失修正因子[5]：

其中：B—葉片數(shù)；ρ—空氣密度；c—葉素剖面弦長；V0—葉素處合成氣流速度；V1—風輪前來流速度；Cn—法向力系數(shù)；Ct—切向力系數(shù)；C1—升力系數(shù)；Cd—阻力系數(shù)；χ—風輪錐角；θ—幾何扭角；R—風輪半徑；r—風輪平面r處。

2.2 直接扭矩控制系統(tǒng)分析

為了適應變槳控制系統(tǒng)需要快速響應大慣量運動控制系統(tǒng)的特性，本系統(tǒng)采用數(shù)字式DTC系統(tǒng)。DTC系統(tǒng)主要采用定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩模型實現(xiàn)對電機的加載控制。

定子磁鏈模型采用3/2坐標變換：

結(jié)合電壓方程，經(jīng)移項、積分后得出定子磁鏈模型方程為：

其中：ψsα—α坐標下定子磁鏈；usα—α坐標下定子電壓；Rs—定子繞組電阻；isα—α坐標下定子電流 ；ψsβ—β坐標下定子磁鏈；usβ—β坐標下定子電壓；isβ—β坐標下定子電流。

轉(zhuǎn)矩模型由異步電機轉(zhuǎn)矩方程可得：

其中：Te—電磁轉(zhuǎn)矩；np—電機極對數(shù)；isβ—β坐標下定子電流；ψsα—α坐標下定子磁鏈；isα—α坐標下定子電流；ψsβ—β坐標下定子磁鏈。

考慮到電路的磁滯性，定子磁鏈模型運用帶有滯環(huán)的雙位控制器ΑΨR作為定子磁鏈調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)矩模型運用帶有滯環(huán)的雙位控制器ATR作為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，它們的輸出分別為定子磁鏈幅值偏差ΔΨs的符號函數(shù)sign（ΔΨs）和轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe的符號函數(shù)sign（ΔTe）。

定子磁鏈Ψs＊與實際轉(zhuǎn)速有關，P/N為給定轉(zhuǎn)矩極性鑒別器。P/N=1時，表示期望的電磁轉(zhuǎn)矩為正；P/N=0時，表示期望的電磁轉(zhuǎn)矩為負。

通過將定子磁鏈矢量空間按照控制器輸出P/N、磁鏈幅值偏差ΔΨs的符號函數(shù)sign（ΔΨs）、轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe的符號函數(shù)sign（ΔTe）劃分為不同的磁鏈扇區(qū)，實現(xiàn)對加載電機的轉(zhuǎn)矩大小及方向的快速和準確的控制[6]。

3 仿真結(jié)果及分析

利用Blade軟件，通過參數(shù)的設置對各種槳葉在不同工況下的扭矩值進行了數(shù)字仿真試驗。下表1為77、82、88槳葉在不同工況下Mz極性載荷。

從表1中得出，這三種槳葉的最大Mz值為77槳葉在“dlc6.2f1”風況下產(chǎn)生的106.3kNm折算到變槳電機側(cè)為79.72Nm與實際工程運用中1.5MW機組變槳電機最大扭矩值相近。

圖3為特定工況下，77、88槳葉在額定風速時，槳角從0°－90°變化時的加載系統(tǒng)扭矩仿真波形圖。從圖中看出：在0°－90°內(nèi)扭矩加載值隨著槳角的增大而有減小的趨勢。

圖2 數(shù)字式直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖

圖3 額定風速下仿真系統(tǒng)與加載電機響應波形

4 試驗驗證

根據(jù)所提出的槳葉扭矩加載試驗方法，以工業(yè)控制計算機、倍福控制模塊及VC編程監(jiān)控軟件組成控制系統(tǒng)，采用CIMR-HB4A0150變頻器為調(diào)速柜核心，運用三相異步交流測功機為加載終端，利用1.5MW變槳控制系統(tǒng)為輔助設備，結(jié)合HBM T40扭矩儀、光電編碼器等扭矩、轉(zhuǎn)速反饋器件，構(gòu)建了該加載試驗系統(tǒng)。

表1 不同工況下的槳葉Mz極值

試驗三相異步交流測功機參數(shù)如下：

額定功率：55kW；額定電壓：3＊380V；額定轉(zhuǎn)速/頻率：1480r/min/50Hz；額定扭矩：355N.m；加載特性：0－1480r/min/50Hz；恒扭矩：355N·m，1480r/min/50Hz－2960r/min/100Hz；恒功率：55kW；測量范圍：0－500N·m；測量精度：±0.4%F·S。

圖4為特定工況下，77、88槳葉在額定風速時，模擬槳葉從0°－90°旋轉(zhuǎn)90°加載系統(tǒng)響應波形。

從圖4中可以看出，本加載系統(tǒng)的實際加載值與控制系統(tǒng)的給定值之間的變化趨勢保持一致，并將給定值比較準確地反應到加載電機上，驗證了本系統(tǒng)加載工況可以跟隨控制系統(tǒng)給定指令的變換，實現(xiàn)扭矩加載的快速跟隨。

圖4 某工況下槳葉模擬旋轉(zhuǎn)90°加載系統(tǒng)響應波形

5 結(jié)論

基于葉素理論的Blade仿真得出了不同工況下槳葉Mz最大值和最小值，并通過直接轉(zhuǎn)矩控制加載系統(tǒng)準確地反饋到加載電機上。通過二者的有機結(jié)合，本文提出了風電機組槳葉扭矩加載試驗方法，其試驗結(jié)果及分析實現(xiàn)過程具有一定的普遍性和實際運用價值，可供工程運用中槳葉扭矩的分析、研究及變槳系統(tǒng)性能驗證做參考。

[1] 葉杭冶.風力發(fā)電機組的控制技術(shù)（第2版）[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[2] 王亞飛,趙斌,許洪華.風電機組電動變槳伺服系統(tǒng)的研究[J].可再生能源,2011,29(4):28-31.

[3] 孫剛. AB變頻器及其控制技術(shù)（第1版）[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2012.

[4] 顧德英, 羅云林, 馬淑華. 計算機控制技[ M] . 北京:北京郵電大學出版社,2007.

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[6] 陳伯時. 交流電機變頻調(diào)速講座[J].電力電子, 2008(3):55-59.

風電機組槳葉扭矩加載試驗淺析

史曉鳴，廖賴民，翁海平

Analysis of Loading Method for Wind Turbine Blade Torque

Shi Xiaoming, Liao Laimin, Weng Haiping
(State Key Laboratory of Wind Power System ,Zhejiang Windey Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310012, China)

The torque of Blade under different load case is critical in pitch system in the process of driving, which impacted on the performance of pitch system directly. In this paper, using the momentum-Blade theory, the maximum and minimum value of Blade torque is obtained under di ff erent load case by Blade simulation system. The loading test system was built through the direct torque control mode. A wind Blade torque motor unit loading test system is proposed by the combination of the above two points, which test results and the realization process for analyzing of engineering application of Blade load and validation of pitch control system performance as reference.

Blade torque; momentum-Blade theory; direct torque control; loading method of torque

TM921.51

B

1674-9219(2013)07-0062-04

2013-05-17。

史曉鳴（1982-），男，本科， 工程師，主要從事風電機組的電氣設計工作。

廖賴民（1986-），男，本科， 助理工程師，主要從事風電機組的數(shù)據(jù)分析工作。

翁海平（1980-），男 ，碩士，工程師， 主要從事風電機組載荷計算和強度分析方面的研究。