[发明专利]基于主控的兆瓦级风力机统一和独立变桨混合控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发电的控制方法，具体地说，是一种基于主控的兆瓦级水平轴风力机统一和独立变桨混合控制方法。

背景技术

风能是一种可再生能源，近年来，风能开发与利用已广泛受到高度重视。一般的，变速和变桨距调节方式是兆瓦级水平轴风力机风能收集和转换的两种主要功率调节方式。在风速低于额定风速的情况下，主要采用变速调节方式，即通过调节发电机转子转速，获得最大风能转换功率；当风速大于额定风速时，采用变桨距调节方式，即通过调节桨距角，使发电机输出功率基本上等于额定功率。

风力机变桨控制有统一变桨和独立变桨两种控制方式。统一变桨控制方式是指风力机每个桨叶接受风力机主控发出的一个大小相同的变桨命令进行功率调节。这种控制方式本质上是认为整个风轮扫掠面上风速等于轮毂处平均风速。显然统一变桨控制是一个比较理想化的控制方式，其优点是其控制策略简单易实现，变桨机构响应快，轮毂叶根处驱动齿轮无须频繁变动磨损较小，缺点是控制精度不高，桨叶载荷受力不平衡带来较严重的振动、疲劳、动力稳定性、使用寿命等问题。

实际中风力机受到风剪切、塔影效应、湍流、尾流和偏航等因素的影响，使得风速在整个风轮扫掠面上是处处不同的，从而加剧了桨叶在风轮扫掠面上所受到的空气动力载荷的周期性变化。由于作用于风轮桨叶上的周期性气动载荷会引起桨叶的动响应，而此响应又反馈于外部气动载荷，使得本就复杂的风力机振动、疲劳、动力稳定性、使用寿命等问题变得更加复杂且不容忽视。同时由于风速的这种周期性变化，对并网型的风力发电机组而言，其输出电压和输出功率也存在一定的波动，输出电能的品质也会产生一定影响。

独立变桨控制考虑到实际中风剪切、塔影效应、湍流、尾流和偏航因素对风力机的影响，变桨角度不仅与轮毂处平均风速有关，而且还与各桨叶在风轮扫掠面空间位置有关。这种控制方式优点是控制精度高，通过微调各桨叶桨距角，改善由风轮扫掠面上风速大小不同产生的不对称载荷对风力机振动、疲劳、动力稳定性、使用寿命的影响，其缺点是控制策略复杂，轮毂叶根处驱动齿轮频繁变动磨损较大，另外由于叶轮转动较快，例如对目前陆上2兆瓦风力机，变桨动作时风轮只须3～4秒旋转一圈，这对变桨机构精确快速响应提出了很高要求。

目前风力机变桨控制只采用单一的变桨控制策略，正如前文谈到的，不管是采用独立变桨还是统一变桨，二者都存在优点和不足，且随着风力机容量增大，这些优缺点表现的愈加显著。

海洋风资源丰富，不占用土地，机位选择空间大，有利于选择场地，受环境制约少，且海上风速高、湍流强度小、风电机组发电量多、风能利用更加充分，其能量收益沿海风资源丰富地区比陆地高20％～40％。而且海上风力机单机容量越来越大，风力机叶片越来越长，塔架越来越高，叶轮转速相比陆上风机相对较小，这些都有利于海上兆瓦级风力机独立变桨控制的应用。

实际中变桨控制系统一般是作为部件给风机整机配套的，接收风力机主控发出的变桨命令，驱动变桨机构完成变桨动作。风力机主控是各风力机厂家在整机设计时就开发完成的，是风力机整机控制的核心，变桨控制器如果脱离主控，不但要加大设计成本，更重要的是不能和主控连接，从安全性和可靠性的角度，风力机整机厂家不会轻易采用。

经对现有技术的文献检索发现，统一变桨控制相对比较成熟，差异较大和应用难点主要集中在独立变桨控制上。Bossanyi等在《Wind energy》（风能）（2005年，第8卷，第481--485页）上发表的“Further load reduction with individual pitch control”（独立变桨控制对减弱载荷的研究），该文中提出了一种由每个桨叶的挥舞方向载荷作为控制输入量，控制每个桨叶动作的独立变桨控制方法。该文中谈到的独立变桨控制方法虽然挥舞方向载荷有所减弱，但是存在的问题一是挥舞方向载荷需考虑哪些因素的影响和怎么计算没有明确给出，二是所构成的控制系统是开环的，无法保证系统的安全和稳定。