王艷領(lǐng)，鄭衛(wèi)紅，李朝鋒，趙瑞杰

（許昌許繼風(fēng)電科技有限公司 河南 許昌 461000）

大型風(fēng)電機(jī)組變槳仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

王艷領(lǐng)，鄭衛(wèi)紅，李朝鋒，趙瑞杰

（許昌許繼風(fēng)電科技有限公司 河南 許昌 461000）

變槳系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的核心組成部分，通過控制葉片的角度來控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而協(xié)調(diào)控制風(fēng)機(jī)的輸出功率，同時(shí)也是風(fēng)機(jī)的一級安全制動裝置，在緊急情況下，控制葉片快速收槳，通過空氣動力制動的方式使風(fēng)機(jī)安全停機(jī)，變槳系統(tǒng)的可靠運(yùn)行直接影響風(fēng)機(jī)的發(fā)電量和使用壽命。針對大型風(fēng)機(jī)電動變槳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)及廠內(nèi)測試檢驗(yàn)，研究并實(shí)現(xiàn)了變槳仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，解決了變槳系統(tǒng)現(xiàn)場無法全工況測試、測試周期長、故障再現(xiàn)難等問題，實(shí)現(xiàn)了電動變槳系統(tǒng)的室內(nèi)全面仿真運(yùn)行檢驗(yàn)，對大型風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場可靠運(yùn)行具有重要意義。

風(fēng)電機(jī)組；變槳系統(tǒng)；仿真試驗(yàn)；載荷；工況

變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流方向，變槳控制系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，用于調(diào)整風(fēng)機(jī)槳葉的角度，是風(fēng)機(jī)的主要安全控制裝置。深入研究風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)機(jī)槳葉的運(yùn)行特性和規(guī)律對于變槳系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)具有十分重要的指導(dǎo)意義，變槳系統(tǒng)的性能優(yōu)劣對風(fēng)機(jī)運(yùn)行的效率和使用壽命有至關(guān)重要的影響。

我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，目前對變速變槳風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性及規(guī)律缺乏深入研究，在變槳系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中，缺乏最優(yōu)的控制策略依據(jù)和完善的室內(nèi)試驗(yàn)條件。在風(fēng)電場的實(shí)際運(yùn)行中，由于風(fēng)的隨機(jī)性導(dǎo)致風(fēng)電場同一風(fēng)況再現(xiàn)周期長、再現(xiàn)故障難、全部工況測試難以及測試費(fèi)用高等原因限制了風(fēng)電場發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的研究開發(fā)及運(yùn)行檢驗(yàn)，因此研究和實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)電機(jī)組變槳仿真試驗(yàn)系統(tǒng)具有重要意義。

文中所述的變槳仿真試驗(yàn)系統(tǒng)是針對電動變槳系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行的開發(fā)設(shè)計(jì)，變槳系統(tǒng)實(shí)物是被檢測對象。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)原理，將槳葉系統(tǒng)用仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的載荷模擬設(shè)備來替代，通過仿真軟件和運(yùn)行控制系統(tǒng)軟件與物理載荷設(shè)備的有機(jī)結(jié)合，產(chǎn)生槳葉的擾動力矩進(jìn)行變槳系統(tǒng)的運(yùn)行試驗(yàn)研究，槳葉擾動力矩可以根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)直接輸入仿真試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)動控制單元，也可以按照風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)建立風(fēng)速模型和風(fēng)機(jī)模型直接產(chǎn)生。

1 變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)安裝在風(fēng)機(jī)輪轂內(nèi)，主要由電控驅(qū)動系統(tǒng)和后備電源組成，是風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要功能是依據(jù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)槳距角，控制風(fēng)能的吸收，保證獲取最大的能量，并減少風(fēng)力對風(fēng)電機(jī)組的沖擊，同時(shí)在并網(wǎng)過程中，變槳控制還可以實(shí)現(xiàn)快速無沖擊并網(wǎng)。變槳控制系統(tǒng)與變速恒頻技術(shù)相配合，提高了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質(zhì)量。變槳系統(tǒng)接收風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的控制命令，控制風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)到設(shè)定的角度，通過控制葉片的角度來控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)的輸出功率；變槳系統(tǒng)也是風(fēng)機(jī)的氣動剎車，在緊急的情況下，控制葉片快速收槳，通過空氣動力制動的方式使風(fēng)機(jī)安全停機(jī)，達(dá)到保護(hù)機(jī)組安全的目的。

以許繼FJK-520 2.0 MW風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)為例，如圖1變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖所示，變槳系統(tǒng)主要由驅(qū)動控制單元、變槳電機(jī)和后備電源組成。

圖1 變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

驅(qū)動器是變槳驅(qū)動控制單元的核心控制部件，集通信與各項(xiàng)控制功能于一體，用于驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)與主控系統(tǒng)間的現(xiàn)場總線通信。

驅(qū)動控制單元接受風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)命令驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行，控制電機(jī)的運(yùn)行速度和運(yùn)行方向，同時(shí)采集變槳系統(tǒng)狀態(tài)信息，反饋給風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)。變槳電機(jī)是變槳系統(tǒng)的槳葉驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過變槳減速箱小齒輪與變槳軸承內(nèi)齒嚙合聯(lián)動，進(jìn)而驅(qū)動控制風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)動。電網(wǎng)供電故障時(shí)，變槳系統(tǒng)由后備電源供電執(zhí)行變槳操作，確保低電壓穿越運(yùn)行和機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重故障或重大事故的情況下安全可靠停機(jī)。

2 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組變槳仿真試驗(yàn)系統(tǒng)由物理實(shí)物（系統(tǒng)硬件）、仿真及運(yùn)動控制程序（系統(tǒng)軟件）和被控對象（變槳系統(tǒng)）有機(jī)結(jié)合組成。系統(tǒng)硬件主要包括控制單元（PLC控制器及相關(guān)輔助部件）、力矩驅(qū)動單元（電機(jī)驅(qū)動器）、力矩輸出裝置（載荷電機(jī)）、力矩測量儀器、電源控制裝置和能量回饋單元；系統(tǒng)軟件主要包括仿真模塊和運(yùn)動控制模塊，仿真試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

變槳仿真試驗(yàn)系統(tǒng)主要工作過程：依據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)要求IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)資源進(jìn)行建模、依據(jù)風(fēng)電機(jī)組原理對風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模，風(fēng)資源模型將風(fēng)況數(shù)據(jù)傳送給風(fēng)機(jī)模型，風(fēng)機(jī)模型依據(jù)空氣動力學(xué)原理計(jì)算出槳葉的擾動力矩，結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)槳距控制策略計(jì)算目標(biāo)變槳位置和目標(biāo)變槳速度。槳葉擾動力矩信息傳遞給仿真系統(tǒng)力矩驅(qū)動單元產(chǎn)生實(shí)時(shí)動態(tài)擾動力矩，目標(biāo)變槳位置和目標(biāo)變槳速度通過現(xiàn)場總線傳遞給變槳系統(tǒng)，驅(qū)動變槳電機(jī)執(zhí)行變槳動作，變槳系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線通信將實(shí)際的槳葉位置、變槳速度、變槳力矩反饋給仿真系統(tǒng)。力矩輸出裝置的載荷控制與變槳電機(jī)的運(yùn)動同步進(jìn)行，力矩測量儀器測量連接軸的力矩和轉(zhuǎn)速，對變槳系統(tǒng)的力矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行校對確認(rèn)。當(dāng)力矩輸出裝置處在發(fā)電狀態(tài)時(shí)能量回饋單元把產(chǎn)生的再生電能回饋到電網(wǎng)。電源控制裝置通過模擬電網(wǎng)故障檢測變槳系統(tǒng)的抗電網(wǎng)擾動性能和低電壓穿越性能。

圖2 變槳仿真試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動控制單元

變槳仿真試驗(yàn)系統(tǒng)驅(qū)動控制單元主要由PLC控制器、力矩驅(qū)動單元、力矩輸出裝置和力矩測量儀器組成。PLC控制器執(zhí)行整套系統(tǒng)的仿真計(jì)算、通信和控制功能，通過現(xiàn)場總線與力矩驅(qū)動單元、變槳系統(tǒng)進(jìn)行通信，通過以太網(wǎng)與操作電腦和人機(jī)界面進(jìn)行通信，通過24 V信號執(zhí)行電源控制裝置和能量回饋單元的工作狀態(tài)控制，通過4～20 mA模擬量信號采集力矩測量儀器的力矩、速度信息；力矩驅(qū)動單元根據(jù)PLC控制器的輸出控制信息驅(qū)動控制力矩輸出裝置的輸出載荷，力矩測量儀器作為第三方標(biāo)準(zhǔn)測量儀器實(shí)時(shí)采集驅(qū)動軸的力矩載荷和變槳轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，確保力矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的正確性。變槳仿真試驗(yàn)系統(tǒng)通信控制示意圖如圖3所示。

圖3 變槳仿真試驗(yàn)系統(tǒng)通信控制示意圖

3.2 電源控制裝置

電源控制裝置主要采用變頻設(shè)備依據(jù)《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》模擬電網(wǎng)故障，從而檢測在工作電源發(fā)生異常的情況下變槳系統(tǒng)能夠維持正常的工作狀態(tài)，不影響風(fēng)機(jī)的運(yùn)行和槳葉的調(diào)節(jié)。電源控制裝置的主要作用包括：1）低電壓穿越功能測試：當(dāng)電網(wǎng)電壓跌至對低電壓穿越要求的電壓時(shí)，在規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，與機(jī)組主控系統(tǒng)配合，保證風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行；2）電網(wǎng)波動仿真測試：電力系統(tǒng)規(guī)定的正常范圍內(nèi)電壓、頻率波動，變槳系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，不出現(xiàn)故障或緊急收槳現(xiàn)象。電源控制裝置的正常供電狀態(tài)和故障模擬狀態(tài)由PLC控制單元根據(jù)測試項(xiàng)目需求進(jìn)行控制。

3.3 能量回饋單元

能量回饋單元是在擾動力矩模擬情況下，力矩輸出裝置被變槳電機(jī)拖動過程中，力矩輸出裝置處在發(fā)電狀態(tài)，使發(fā)出的電能回饋到電網(wǎng)的裝置，主要采用逆變設(shè)備進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。但目前市場上性能較好的逆變裝置大都價(jià)格昂貴，且體積龐大，考慮到是實(shí)驗(yàn)設(shè)備持續(xù)工作時(shí)間短，且在系統(tǒng)中為非關(guān)鍵設(shè)備，基于降低成本，減小試驗(yàn)場地使用面積，可以將能量回饋單元用大功率電阻代替。

4 仿真模型設(shè)計(jì)

4.1 風(fēng)資源模型設(shè)計(jì)

風(fēng)能是低密度能源，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)具有不穩(wěn)定性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，但從長期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，風(fēng)資源的變化仍具有一定的分布規(guī)律，并結(jié)合風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，形成了典型的風(fēng)機(jī)工作風(fēng)況。按照IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的湍流強(qiáng)度，根據(jù)風(fēng)速隨機(jī)性特點(diǎn)通過傅里葉反變換可生成風(fēng)速模型[1]。

4.2 風(fēng)機(jī)模型設(shè)計(jì)

鑒于研究變槳距系統(tǒng)的需要，對整個(gè)風(fēng)電機(jī)組模型進(jìn)行簡化，傳動系統(tǒng)[2]和發(fā)電機(jī)由簡化為剛性模型來代替。風(fēng)力機(jī)建模常見的主要有兩種方法：一種是基于經(jīng)典動量-葉素理論的建模[3]，另一種是基于氣動設(shè)備子模型的建模。其中后者的前提條件是已知風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，雖然與前者相比模型簡單、不需要迭代，計(jì)算速度快，但需要測得大量特征數(shù)據(jù)，同時(shí)槳葉翼型改變將直接影響轉(zhuǎn)矩系數(shù)。而經(jīng)典動量-葉素理論假設(shè)：1）定義了一個(gè)通過風(fēng)輪平面的理想的流管；2）槳葉為無限長，氣流沿軸向流動。該假設(shè)中風(fēng)速分布情況雖然對給定風(fēng)電場中的風(fēng)機(jī)年發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測已經(jīng)足夠，但實(shí)際由于大氣湍流、風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)會引起流經(jīng)風(fēng)輪的氣流不穩(wěn)定性，分析還有缺陷。為了克服上述的缺陷，采用非定常葉素動量模型——動態(tài)尾流模型[1，4]，并根據(jù)葉柵理論考慮因槳葉弦長和厚度造成的損失、Prandtl的葉尖葉根損失[5]、Glauert空載損失、啟動損失。其中風(fēng)力機(jī)啟動損失是由于風(fēng)力機(jī)啟動時(shí)部分氣流從葉片之間直接穿過，只有部分氣流做功，當(dāng)啟動時(shí)攻角大于下式時(shí)攻角用下式的值進(jìn)行修正[6]。

其中Z為葉片數(shù)，r為葉素到葉根的距離，R為風(fēng)輪半徑。

另外對于上風(fēng)向風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的仰角和錐角在風(fēng)速向葉素折算時(shí)也必須考慮進(jìn)去[3]。圖4是2.0 MW風(fēng)機(jī)模型穩(wěn)態(tài)性能曲線圖。

為了更好的研究變槳力矩的變化規(guī)律，在計(jì)算變槳擾動力矩時(shí)需要把槳葉的自身特性及工作環(huán)境條件考慮在內(nèi)，如：質(zhì)心及氣動中心與變槳軸偏離、槳葉的受力扭轉(zhuǎn)、流過槳葉的空氣質(zhì)量及粘性影響、槳葉的重量、轉(zhuǎn)動慣量的影響等[7]。

圖4 穩(wěn)態(tài)性能曲線

5 仿真試驗(yàn)項(xiàng)目及仿真結(jié)果

如圖5風(fēng)電機(jī)組工況分類所示，依據(jù)IEC 61400-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工況進(jìn)行仿真測試工況設(shè)定，根據(jù)圖6變槳仿真試驗(yàn)項(xiàng)目分類展開測試，根據(jù)需求完成變槳系統(tǒng)的性能及功能測試。

圖5 風(fēng)電機(jī)組工況分類

現(xiàn)具體以運(yùn)行工況仿真測試中的某項(xiàng)測試為例進(jìn)行說明，其它測試項(xiàng)目限于篇幅不再展開說明。運(yùn)行工況仿真測試的主要目的是考察變槳系統(tǒng)在實(shí)際工況下長期帶載運(yùn)行的可靠性，主要考察指標(biāo)為變槳驅(qū)動器溫升、變槳電機(jī)溫升、變槳速度響應(yīng)的實(shí)時(shí)性和同步性、變槳系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的無故障工作狀態(tài)。

仿真運(yùn)行工況測試參數(shù)設(shè)定：

1）平均風(fēng)速：15 m/s；

2）湍流強(qiáng)度：參照GL標(biāo)準(zhǔn)，選取湍流強(qiáng)度等級值為A；

3）極端運(yùn)行陣風(fēng)（EOG）：參照GL標(biāo)準(zhǔn)，選取復(fù)現(xiàn)周期為1年的運(yùn)行陣風(fēng)；

測試方法說明：測試風(fēng)速點(diǎn)疊加上對應(yīng)的湍流強(qiáng)度（持續(xù)）和對應(yīng)的一年一遇的極端運(yùn)行陣風(fēng)（風(fēng)速每周期疊加一次），作為要測試的風(fēng)況。通過blade軟件仿真計(jì)算得出葉根部的轉(zhuǎn)矩曲線，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為變槳電機(jī)處的轉(zhuǎn)矩曲線作為負(fù)載力矩給定。通過bladed軟件仿真典型DLC（NTM15）下風(fēng)機(jī)的開機(jī)、發(fā)電和停機(jī)過程，變槳系統(tǒng)按照仿真結(jié)果控制變槳角度和變槳速度、力矩輸出裝置根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行加載。

仿真位置和載荷波形如圖7所示，變槳實(shí)際力矩波形如圖8所示。

圖6 變槳仿真試驗(yàn)項(xiàng)目分類

圖7 變槳角度和載荷力矩仿真波形

圖8 變槳力矩實(shí)際波形

根據(jù)以上仿真試驗(yàn)結(jié)果，可以比較客觀的觀察和分析變槳系統(tǒng)的速度響應(yīng)性能和動態(tài)載荷響應(yīng)性能[8]。

6 結(jié)論

本仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)，能夠?qū)Υ笮惋L(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)進(jìn)行全面動態(tài)性能及各項(xiàng)功能的室內(nèi)檢驗(yàn)測試，經(jīng)大型風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐，其能夠達(dá)到以下目的：

1）把風(fēng)場調(diào)試工作搬進(jìn)室內(nèi)，大量節(jié)約了后期風(fēng)場的系統(tǒng)調(diào)試成本；

2）使變槳系統(tǒng)測試工作擺脫了自然風(fēng)況的各種限制，節(jié)約了產(chǎn)品的測試時(shí)間，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期；

3）測試過程中如發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，防止重大問題的流出；

4）風(fēng)場實(shí)際運(yùn)行問題室內(nèi)再現(xiàn)，縮短了問題的解決處理時(shí)間，增強(qiáng)了客戶的產(chǎn)品認(rèn)可度；

總之，經(jīng)過嚴(yán)格全面的測試，確保了變槳系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而增強(qiáng)了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率和使用壽命，因此研究和實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)電機(jī)組變槳仿真試驗(yàn)系統(tǒng)具有重要意義。

[1]Hansen.OL M，Aerodynamics of Wind Turbines[M].Earthscan in the UK and USA，2008.

[2]王振蛟，唐西勝，風(fēng)力發(fā)電的數(shù)?；旌夏M平臺研究與實(shí)現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2009，43（11）：28-30.

[3]寧祎，李紅剛.大型變速變槳距風(fēng)機(jī)風(fēng)輪的建模與仿真[J]，太陽能學(xué)報(bào)，2012，33（6）：1010-1014.

[4]陳嚴(yán)，劉雄.動態(tài)尾流模型在水平軸風(fēng)力機(jī)氣動性能計(jì)算中的應(yīng)用[J].太陽能學(xué)報(bào)，2008，29（10）：1297-1302.

[5]Prandtl L，Tietjens O G.Applied hydro and aeromechanics [M].Dover Publications，1957.

[6]廖明夫，Gasch R，Twele J，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[7]Siegfried Heier.Grid integration of wind Energy converssion systems[J].Journal of Endo crinology，2011，209（1）：45-54.

[8]陳衡，馮凱平.Multisim環(huán)境下ROM仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（14）：46-49.

Research and implementation of the pitch simulation test system for large wind turbine

WANG Yan-ling，ZHENG Wei-hong，LI Chao-feng，ZHAO Rui-jie
（XJ Windpower Technology Company，Xuchang 461000，China）

The pitch system is the core component of the control system of the wind turbine，which control the rotational speed of the wind turbine by controlling the angle of the blade，and then coordinate control the output power of the wind turbine，and it is also a safety brake device of the wind turbine，in case of emergency，control blade rapid regression，and then wind turbine is safely stopped by the way of the air power brake，the reliable operation of the pitch system directly affects the power generation and service life of the wind turbine.For design development and testing of pitch system in the factory，research and implementation of the pitch simulation test system，solve the problems that the pitch system can not be tested by full working condition in the field and long test cycle and difficult to reproduce problem，the indoor simulation run test of the electric pitch system is realized，has important significance for development and design and reliable operation of pitch system of large wind turbine.

wind turbine；pitch system；simulation test；load；working condition

TN06

A

1674－6236（2016）15-0052-04

2015-08-03 稿件編號：201508007

王艷領(lǐng)（1984—），男，河南許昌人，工程師。研究方向：風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)、電氣控制技術(shù)。