减小变速变桨型风电机组载荷的控制策略研究论文_苏倩

摘要：空气动力学原理是在负荷优化模型的基础上建立的，优化的目的是尽量减少不平衡负荷之间的差异，并确保输出功率和额定功率限制在一定范围内;采用非线性最小二乘法，以均匀变离合器角为初始值，优化叶片最佳离合器角的计算;这个角度是独立检查可变离合器的参考。仿真结果表明，与传统的变速保护方法相比，该模型大大降低了不平衡载荷，同时保证了功率保持在标称值附近。

关键词：风电机组；变桨距控制；载荷

风能技术是技术最先进的可再生能源之一，具有最有利的运行条件和最有希望的商业前景。变距监测技术提高了高速风力涡轮机的效率，取代了目前占主导地位的固定距离风力涡轮机。CPC是工程领域中使用最广泛的，它以风速的上阶阶数为基准，对于所有叶片，每个组接收不同的阶数并发送到远程控制变量。随着风力涡轮机容量的增加和叶片长度的增加，叶片上的实时风速随着高度的增加而增加。换句话说，风的剪切作用更大，采用CPC控制导致叶片之间的力严重失衡，大大缩短风机的使用寿命。因此，对于大容量风力涡轮机，建议采用自变量执行器cpi控制方法分别控制，有效减少不平衡负荷，延长风机寿命。为了减少风切变引起的荷载不平衡，国内外研究人员常采用IPC方法进行监测。

一、独立变桨技术

目前，风轮机正朝大瓦特、横向移动。有两种控制叶轮的方法：对叶轮进行统一和独立的控制，大多数风力涡轮机都使用这一控制，但是，随着叶片的长度和功率的提高，以及叶片负载不平衡的减少，许多研究机构和计算机制造商正在研究独立等离子体控制技术。当发动机远离叶片时，叶片的角度保持不变，因为风不会在叶片上产生切削力，也不会产生气动扭矩。通过激活并行网络模式：当风速达到风机与风速之间的碰撞速率时，在没有任何故障的情况下，主控制中心会同时将指令发送到叶片之间的一个可变角度到控制系统。随着叶片间隔角的减少，叶片上空气流蚀刻角的增加，叶片作用风机扭矩的增加和涡轮机开始旋转。发电机的旋转速度以保持高于平行网络的速度。最大的风力捕获能量：当风力速度在输入速度和额定功率旋转速度之间时，统一的生产单元低于额定功率。主控制系统保持相邻于均匀比的最佳峰值速度调整角的斜坡，当发生器的输出功率大于额定功率单元时，轨道变量的主控制系统输出的夹紧角小于当前值变化的轨道间隔，减小了驱动角和叶片，从而能够捕捉风力涡轮机，反之可增加轨道角变量。

叶片负荷分为振荡负荷和挥发性负荷，由之角的三个分开的叶片调整叶片单元，三个叶片在同一负荷下摇摆，因此，板的曲率扭矩发生变化，温度调节组件是独立的，每一个叶片服务器控制系统与之角的每一个叶片分开，并有效地解决问题，特别是在时间和空间上的横轴叶轮叶片和校准均匀性方面，减少了叶片疲劳损伤的概率，并提供了稳定的输出功率单元。有效地减少大型风轮机的动态负荷，降低故障率组，提高关键元件、气缸和叶片的疲劳强度。

二、独立变桨距控制

1、变桨距控制模型。变桨距控制模型包括风机模型和变桨距机构模型。当自然风轴向流过风轮时，风轮从风能中捕获的气动功率和气动转矩分别为：

2、独立变桨距控制。CPC的控制框图，该CPC方法较为简单，通过采用不同控制器可实现输出功率的恒定。采用工程中常用的PID控制器对风机进行CPC控制，并在此基础上设计了IPCLO控制，如图所示。

统一控制可变角变量得到一个步态速度均匀B之间的差额调整实际功率和额定功率输出,然后以b为初始值计算速度相对应的自变量从叶片负荷优化模型距控制角β1 、β2 、β3 ，从而进行IPCLO控制。

三、基于载荷优化模型的独立变桨距控制

1、载荷的计算模型。风机主要是通过叶片捕获风能，所以叶片是风机主要受力元件，其他部件受力都与叶片受力有关。叶片上的空气动荷根据动量-叶素理论计算，可得合成风速v0时桨叶摆振方向的载荷Mxb即：

2、载荷优化模型。负荷优化问题可以通过计算叶片负荷与风机角度的关系，转化为寻找最优解的功能问题。目标函数是将叶片之间的气动载荷差降至最低，而为了使功率保持在标称值附近，必须将斜坡角度和功率视为应力。IPCLO的目标是根据负荷计算公式减少不平衡负荷，则载荷优化目标函数设计为：

3、载荷优化变桨距控制。由于相应叶片的方位角与实时风速的对应关系，通过方位角的划分将实时风速划分为区域，并对每个区域采用IPCLO控制方法[1]。基本叶片:叶片之间的最大风速,风速IPCLO叶片分开,以确保低叶片负荷之间的失衡,依靠这个方法统一集中桨角斜向叶片优化区域,其他区域的斜向角度变桨均匀,保证执行机构较少运动的方位0°至30°为例,该区叶片,速度差与不平衡的负担相对应。为了避免可变坡道机构的频繁作用，该区域的叶片通过计算荷载优化模型得到了最佳坡道角度，坡道1仍然使用均匀的可变坡道角度。因此，列车间距角为可变的均匀间距角b，即b1 = b，从中进行IPCLO控制，获得相应的负载和功率。

四、仿真

以某公司生产的NTK500/41型风机为例，对IPCLO进行了仿真。风机主要参数如下：额定功率为500kW，转速为27.1 r/min，空气密度为1.225 kg/m3，叶片数3个，轮毂高度为35.0 m，切入风速为4m/s，额定风速为13m/s，切出风速为25m/s。桨叶具体描述见表。

1、CPC 仿真结果。输入风速在5s时轮毂风速从11m/s 阶跃到15m/s。统一变桨距调整角度为6时，功率达到500kW，基本维持在功率附近，不同方位角下3个桨叶的载荷，经过一个旋转周期，CPC的不平衡载荷高达5400N·m，且每个桨叶的载荷幅值高达12000N·m以上，载荷波动较大。

2、IPCLO仿真结果。给定风速下的负荷和叶片的实时速度随方位角周期的变化而变化。例如，对于托盘1可以说所有托盘的负载、输出功率变化都是已知的。30°和90°内的叶片负荷的负载失衡的最大区别,因而叶片桨叶的1号和2号叶片负荷优化计算,分别确定了其初始值和6.8°56°。负载振幅小于11000 N·m和失衡的最大载荷应减少16.7%,增至4500 N·m;90°方位、负载不均衡为4700 N·m 减小到1900 N·m。此外，对于每个托盘，负载变化的范围大大减少，力也相对更均匀。如图。

结语：

为了纠正叶片负载失衡，开发了一种负载优化模型，根据该模型执行独立的桨距控制，该方法减少了叶片之间的负载失衡，并避免了叶片距离变化机构的频繁调整。在确保功率的同时，一种基于负载优化模型的独立轨道变换距离控制方法大大减少了不均匀的负荷，而距离变换机构不需要频繁的动作来降低风力剪切效应并延长风力剪切效应车轮寿命。

参考文献：

[1] 姚兴佳. 基于前馈补偿方位角权系数的分程独立变桨距控制研究[J]. 太阳 能学报，2017，33（4）.

[2] 马佳. 大型风力发电机组的独立变桨距控制技术研究[D]. 沈阳：沈阳工业大学电气工程 学院，2018.

[3]马晓岩，郭庆鼎，基于单神经元权系数的风电机组独立变桨控制[J]. 可再生能源，2017，28（3）：19-23.

（作者身份证号码:12022419870318XXXX）

论文作者:苏倩

论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期

论文发表时间:2020/4/30