智慧變槳距系統(tǒng)在中小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中的應(yīng)用

楊蘭萍

1 前言

隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)重化，人們逐漸認(rèn)識(shí)到自然環(huán)境對(duì)人類生產(chǎn)生活的影響，節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的呼聲越來越高，更多的清潔能源被開發(fā)利用，其中風(fēng)力發(fā)電就占據(jù)著一定的地位。與光伏發(fā)電相比，小型風(fēng)力發(fā)電具有獨(dú)有的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，按單位輸出功率測(cè)算，其風(fēng)機(jī)的價(jià)格只有太陽(yáng)能電池的1/4～1/5，但由于其可靠性太差，現(xiàn)在國(guó)家實(shí)施“送電到鄉(xiāng)”工程，大量采用的是光伏電站，而不是風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

2 智慧變槳距控制系統(tǒng)方案

2.1 智慧變槳距系統(tǒng)可行性分析

風(fēng)力機(jī)是復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，作為風(fēng)力機(jī)工作介質(zhì)的風(fēng)，是既有大小、又有方向的矢量,而且風(fēng)速和風(fēng)向這兩個(gè)特征參數(shù)，均隨季節(jié)、時(shí)間而變化，具有瞬間就可能發(fā)生爆發(fā)性變化的特點(diǎn)。

目前小型風(fēng)力發(fā)電主要有風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，改變?cè)械男⌒惋L(fēng)機(jī)的控制方式，采用大型風(fēng)電機(jī)組普遍應(yīng)用的變槳技術(shù)，提高風(fēng)機(jī)的可靠性，發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn)。同時(shí)采用靈活多變的應(yīng)用方式，如孤島發(fā)電、智能微型發(fā)電網(wǎng)技術(shù)等，使得小型風(fēng)機(jī)重新顯現(xiàn)身手。為使小型風(fēng)機(jī)重新找回自己在綠色能源中的位置，需改變其控制結(jié)構(gòu)，增加智慧變槳系統(tǒng)，提高其可靠性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體系統(tǒng)如圖1所示。

2.2 智慧變槳距系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

葉片的變槳機(jī)械結(jié)構(gòu)為:電機(jī)帶動(dòng)絲杠水平移動(dòng)，拉動(dòng)輪彀內(nèi)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，完成改變槳葉受風(fēng)角度，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)調(diào)速的目的。葉片的變槳距依賴變距驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其變距方式為全翼展同步電動(dòng)變距，由主控系統(tǒng)統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)控制，完成電動(dòng)變槳。葉片變距最大速率為6°/s、變距角度為0°～90°。在正常情況下，變距系統(tǒng)自動(dòng)完成葉片的變距，葉片的變距也可以由人工手動(dòng)操作。變距系統(tǒng)包括葉片軸承、變距減速機(jī)和變距驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。

變距減速機(jī)型式為渦輪渦桿減速機(jī)，傳動(dòng)比為1∶8。變距減速機(jī)可以提供足夠的扭矩，克服葉片變槳阻力矩。驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率1.5 kW，額定電壓400 V，頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)速1 425 r/min。另外系統(tǒng)還配置0°、90°、95°位置開關(guān)，配置角度和速度編碼器，用于角度計(jì)算與監(jiān)測(cè)。

2.3 智慧變槳距控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.3.1 智慧變槳距控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)選擇西門子ET200SP遠(yuǎn)程站，采集機(jī)艙所有數(shù)據(jù)，執(zhí)行主控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制指令。變槳控制系統(tǒng)包含除主控制器外的重要部件，包含變槳驅(qū)動(dòng)器和安全鏈。選用西門子MM440系列，220 V變頻器作為變槳驅(qū)動(dòng)器，并為該驅(qū)動(dòng)器配置專用后備電源，確保變槳距系統(tǒng)的安全可靠。安全鏈控制器選擇Pilz安全繼電器作為主要檢測(cè)與控制部件，完成危機(jī)自動(dòng)硬件連鎖收槳。硬件系統(tǒng)配置如圖2所示。

2.3.2 智慧變槳距控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

圖2 智慧變槳距硬件系統(tǒng)配置

每種葉片出廠都會(huì)對(duì)應(yīng)其固有的風(fēng)能利用系數(shù)，因此對(duì)應(yīng)每種葉片的風(fēng)機(jī)其風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的曲線都是風(fēng)機(jī)控制的重要依據(jù)。風(fēng)能利用系數(shù)=轉(zhuǎn)矩系數(shù)×葉尖速比，Cp=Ct×λ。轉(zhuǎn)矩系數(shù)是葉尖速比的多項(xiàng)式函數(shù)，根據(jù)風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的曲線，得出轉(zhuǎn)矩系數(shù)，結(jié)合發(fā)電機(jī)功率曲線，進(jìn)而得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率曲線，即風(fēng)電機(jī)組凈電功率輸出與風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 風(fēng)速與葉片吸收風(fēng)能功率曲線

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速2.5 m/s時(shí)，變槳距系統(tǒng)控制葉片轉(zhuǎn)到一定角度，使得風(fēng)力以一定的角度切入，推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)；隨后待風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，逐漸將葉片打開到啟動(dòng)角度，使主軸升速，以達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速；當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時(shí)，全部打開葉片，以盡可能的吸收風(fēng)能；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速以上時(shí)，變槳距系統(tǒng)就需要根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速，與風(fēng)力機(jī)組的功率曲線，運(yùn)用智慧神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，并結(jié)合發(fā)電功率、主軸轉(zhuǎn)速、風(fēng)速變化率及葉片開度的反饋數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)出葉片的實(shí)時(shí)受風(fēng)角度與執(zhí)行運(yùn)轉(zhuǎn)角速度，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)葉片開度；當(dāng)風(fēng)速接近或根據(jù)風(fēng)速趨勢(shì)預(yù)計(jì)風(fēng)速達(dá)到25 m/s時(shí)，快速執(zhí)行收槳停機(jī)。

葉片運(yùn)行在0°～90°時(shí)，對(duì)應(yīng)渦輪渦桿直線行程為0～260 mm，根據(jù)渦輪渦桿的減速機(jī)變換關(guān)系與執(zhí)行角速度，計(jì)算出渦輪渦桿的線速度。由于電機(jī)做圓周運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)渦桿轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，利用角速度與線速度轉(zhuǎn)換函數(shù)關(guān)系：ω/s弧度/秒＝（2π×r/min）/60（其中ω/s為角速度，r/min為電機(jī)速度），計(jì)算出電機(jī)的運(yùn)行速度和運(yùn)行方向。主控制器計(jì)算出的變槳距系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制參數(shù)，通過PROFIBUS通訊方式發(fā)送給驅(qū)動(dòng)裝置MM440，遙控變槳距系統(tǒng)完成對(duì)葉片的實(shí)時(shí)閉環(huán)智慧調(diào)節(jié)。

軟件的實(shí)現(xiàn)，由于算法比較復(fù)雜，選用西門子SCL語言，采用結(jié)構(gòu)化編程，可讀性高、便于維護(hù)。

3 結(jié) 語

結(jié)合100 kW小型發(fā)電機(jī)組在某省級(jí)智能微網(wǎng)試點(diǎn)工程中的應(yīng)用，其切入風(fēng)速2.5 m/s，額定風(fēng)速10 m/s，實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電功率105 kW，風(fēng)能利用效率＞94%，完全符合國(guó)際上通行的做法，微風(fēng)即可啟動(dòng)，大風(fēng)過載可控，安全可靠。