大型风力发电机组变桨距控制系统探究

大型风力发电机组变桨距控制系统探究

宋德喜

（龙源陕西风力发电有限公司陕西西安710065）

摘要：随着可持续发展战略的提出，我国正在大力开发清洁能源，风力发电作为一种可持续发展的新能源，不仅可以节约资源，而且可以减少环境污染，保护生态环境，因此，风电产业得到了迅速的发展。本文针对大型风力发电机组变桨距控制系统进行了简单的探究，以提出对风力发电技术有用的建议。

关键词：风力发电机组；变桨距控制系统；探究

风力发电作为一种具有良好经济效益和社会效益的新能源，越来越受到各国的重视。变桨距控制技术成为了当前风力发电技术的发展趋势和方向。而变桨距控制系统作为大型风力发电机组控制系统的核心部分之一，对机组稳定、安全、高效的运行具有重要的作用，稳定的变桨距控制已成为了大型风力发电机组控制技术的研究热点和难点之一。本文主要讨论大型风力发电机组变桨距控制系统的详细情况，为我国风力发电机组变桨距控制系统的国产化研究提供一些设计思路和理论方法。

一、变桨距机构和变桨距控制策略

（一）变桨距机构

变桨距机构是通过改变安装在轮毂上的叶片桨距角的大小，使叶片剖面的攻角发生变化来迎合风速变化，从而改变叶片气动特性，使桨叶和整机的受力状况大为改善，变桨距机构的特点是：叶片的桨距角可以随时进行自动调节。风力发电机起动时，可以通过改变桨距角来获得足够的起动转矩；风速过高时，叶片可以沿纵轴方向旋转，改变气流对叶片的攻角，从而改变获得的空气动力转矩，控制吸收的风能，以保持一定的输出功率，同时减少风力对整个机组的冲击。在并网过程中，变桨距控制还可以实现快速无冲击并网。变桨距控制系统与变速恒频技术相结合，可以提高整个风力发电系统的发电效率和电能质量。

（二）变桨距控制策略

对于大型风力发电来说，控制策略的优越与否将决定风力发电的经济效益和社会效益。由于风能资源在不同的地域，因不同的海拔、温度以及地理环境下产生的气流速度是不一样的，因此，风能是一种稳定性较差的能源，随机变化的风速将对桨叶产生大小不断变化的气动力，导致风轮回转平面捕获到的风能的大小处于不断变化之中，风力机的输出功率也随着风速的变化而变化，当这种变化很剧烈时就会对风力发电机组的机械结构造成损伤，减少风电机组的工作寿命。因而要提高风电机组的功率调节能力。针对目前广泛使用的变桨距风力发电机组，其控制策略应以额定风速为界，在高于额定风速阶段通过调节桨叶的桨距角来限制风力机捕获的风能，使其输出功率稳定在额定功率附近；在低于额定风速阶段，保持桨距角为0，使风能利用系数为最大值，风力机的输出功率随风速变化而变化，因此要保持风力发电机组运行在最佳叶尖速比，跟踪最大功率点。

二、变桨距控制原理及运行过程

（一）变桨距控制原理

变桨距控制技术简单地说就是通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风能捕获的气动转矩和气动功率。目前国内外大型风力发电机组变桨距控制的方法有两种，一是统一变桨距控制，它的意思是说，风力机所以叶片的节距角均同时改变相同的角度，它是最先发展起来的变桨距控制方法，是目前应用最为成熟的方法；二是独立变桨距控制，它是指风力机的每支叶片根据自身的控制规律独立地变化节距角。

（二）变桨距控制系统的运行过程

根据风速的大小，变桨距的运行过程可分为4个阶段。在风速小于切入风速时，机组不产生电能，桨距角保持在90°；在风速高于切入风速时，桨距角转到0°，机组开始并网发电，并通过控制变流器调节发电机电磁转矩使风轮转速跟随风速变化，使风能利用系数保持最大，捕获最大风能；在风速超过额定值后，变桨机构开始动作，增大桨距角，减小风能利用系数，减小风轮的风能捕获，使发电机的输出功率稳定在额定值；在风速大于切除风速时，风电机组抱闸停机，桨距角变道90°以保护机组不被大风损坏。

三、大型风力发电机组变桨距控制的方式

目前大型风力发电机组的变桨方式可以分为两种，分别是液压变桨距系统和电动变桨距系统。液压变桨距系统用液体压力驱动执行机构；电动变桨系统用伺服电机驱动齿轮实现变距调节功能。

（一）液压变桨距系统

液压变桨距系统由电动液压泵作为工作动力，液压油作为传递介质，电磁阀作为控制单元，将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动，以此来实现桨叶的变桨距。液压变桨距系统是一个自动控制系统，它由桨距控制器、液压动力泵、数码转换器、变桨系统蓄压器、旋转接头和位移传感器等组成。由于驱动形式的不同，液压变桨距风机又可以分为叶片单独变距和叶片统一变距。

大型风力发电机组上的液压变桨距系统通常要完成3个任务：一是偏航制动。浆叶要保持迎风方向，根据风向随时调整，调整后要锁定，这要靠液压夹紧油缸完成，液压站要长时间保压,尽量减少启动次数。二是主轴制动。紧急情况下不需要主轴旋转，要依靠液压缸夹紧主轴，在布置上与偏航是一样的。三是桨叶变距。根据风速，调节桨叶的迎角，充分利用风力，风速过大时，要自动顺桨，甩掉负荷，避免风车被吹倒。因为随时风速都在变化，浆叶的迎角也要时刻微调，液压上依靠比例阀的调节频繁改变油缸推力和位移，通过机械机构放大，从而改变桨叶角度。

液压变桨距系统的工作过程是：控制系统根据当前的风速，通过预先编制的算法给出电信号，该信号经液压系统进行功率放大，液压油驱动液压缸活塞运动，从而推动推杆、同步盘运动，而同步盘则通过短转轴、连杆、长转轴推动偏心转动，偏心盘带动叶片进行变距。

（二）电动变桨距系统

电动变桨距系统主要由动力源电动机、控制模块、蓄电池与执行机构减速器、齿轮等组成，具有代表的厂商有GE、金风和华锐等。

（三）液压变桨距系统和电动变桨距系统的比较

液压变桨系统与电动变桨系统相比，虽然液压传动的单位体积小、重量轻、动态响应好、扭矩大并且无需变速机构，在失电时将蓄压器作为备用动力源对桨叶进行全顺桨作业而无需设计备用电源。但是，由于桨叶是在不断旋转的，必须通过一个旋转接头将机舱内液压站的液压油管路引入旋转中的轮毂，液压油的压力在20MPa左右，因此制造工艺要求较高，难度较大，管路也容易产生泄漏现象。再者，由于受液压油黏温特性的影响，液压变桨系统对环境温度的要求比较高，对于在不同纬度使用的风机，液压油需增加加热或冷却装置，因此，目前电动变桨距系统是大型风力发电机组的主流技术，它将成为变桨技术的发展趋势。

四、结语

随着全球经济的快速发展，对常规能源的需求将越来越大，能源短缺成为了一个困扰人类发展的问题，因此，可再生能源的开发利用显得日益迫切。风能作为一种取之不尽用之不竭的可再生能源，它不仅有利于缓解当前能源紧缺的问题，而且符合可持续发展的理念，因此，对其的开发利用成为了人们解决能源危机的良好办法。大型风力发电机组是开发和利用风能的最好工具，中国乃至全世界都在大力开发推广风力发电，风电成为了全世界增长速度最快的新型清洁电力。因此，我们要深入研究大型风力发电机组变桨距控制系统，为风能的开发利用和实现大型风电机组国产化提供一定的借鉴。

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