风力机变桨系统PID控制与应用

摘要：随着中国风电场的迅速发展，中国在大型风电机组产业化方面取得了一定的进步，掌握了部分关键技术，涌现出一批优秀的企业和科研单位。可是与中国广大的风电市场空间相比，中国的大型设备制造业和服务业还相对落后。本文主要探讨风力机变桨系统PID控制与应用。

关键词：风力机；变桨系统；PID控制

中图分类号：TM614

进行海上风力机变桨柜设计时，首先需要考虑的就是变桨系统的工作环境，海上风力机变桨系统的工作环境与陆上风力机相差很大，比陆上风力机复杂很多，这也决定了其柜体设计要比陆上风力机的变桨柜复杂很多。变桨距系统安装在离地面60m以上且时刻旋转的轮毂内，由于风况随机变化而使变桨距系统产生各种变化的冲击载荷、离心力和共振等，会致使风力机变桨距系统机械部件磨损、疲劳、材料缺陷、温度变化、振动和过载等导致系统故障，严重时会损坏风力发电整机。在运输与吊装过程中也会不可避免地遭受到振动与冲击。由于安装高度较高，变桨距系统还需要考虑防雷击的因素。这些因素都是在进行变桨柜设计时必须考虑的。

1风力机变桨系统概述

在过去十几年里，中国的风电产品及技术长期依赖进口，由于设备价格高，加上海外国际长途运输致使中国的风电项目成本居高不下，给风电产业带来了严重影响，这一现实与国家进一步要求降低电价形成矛盾。另外，进口设备在中国气候条件下不适应等问题更阻碍了中国风电产业的健康发展，因此开发中国特色的本土化的海上风电设备一方面会推动中国风电产业的发展，另一方面将促进中国经济的快速发展。风力发电机组，尤其是双馈型风力机，抵抗电网电压跌落的能力本身较差。当发生电网电压跌落时，从前的做法是让风力机从电网切出。当风力机在电网中所占比例较小时，这种做法对电网的影响还可以忽略不计。但是，随着在网运行风力机的数量越来越大，尤其是在风力发电集中的地区，如国家规划建设的六个千万千瓦风电基地，这种做法会对电网造成严重影响，甚至可能进一步扩大事故。欧洲很多国家，如德国、西班牙、丹麦等国家早就出台了相关标准，要求在这种情况下风力机能保持在网运行以支撑电网。风力机具有的这种能力称为低电压穿越运行能力（LVRT），有的国家甚至要求当电网电压跌落至零时还能保持在网运行。我国也于2009年8月由国家电网公司出台了《风电场接入电网技术规定》，规定了我国自己的低电压穿越技术要求，明确要求风电机组在并网点电压跌落至20%额定电压时能够保持并网运行625ms、当跌落发生3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电机组保持并网运行的低电压穿越运行要求。应该说这还只是一个初步的、相对较低的运行要求，在今后可能还会出台更为严格的上网限制措施。这些要求的实现主要靠控制系统中变频器算法及结构的改善，当然和主控和变桨系统也有密切联系。③实现在功率预估条件下的风电场有功及无功功率自动控制目前，风电机组都是运行在不调节的方式，也就是说，有多少风、发多少电，这在风电所占比例较小的情况下也没有多大问题。但是，随着风电上网电量的大幅度增加，在用电低谷段往往是风力机出力最大的时段，造成电网调峰异常困难，电网频率、电压均易出现较大波动。当前，电网对这一问题已相当重视，要求开展建设风电场功率预测系统和风电出力自动控制系统，实现在功率预测基础上的有功功率和无功功率控制能力。实际上，这个系统的建设不是一件容易的事情，涉及很多方面的技术问题，但无论如何序幕已经拉开。

2风力机变桨系统PID控制与应用

变桨机构有液压变桨和电动变桨两种结构类型。

（1）液压变桨 又可分为液压驱动机械变桨和三叶片独立液压变桨两种。1）在百千瓦级的液压变桨系统中，多采用液压驱动机械变桨结构。安装在机舱后部的一个变桨液压缸，通过一根穿过主轴和齿轮箱的变桨杆驱动安装在轮毂内的曲柄滑块机构，带动3个叶片同步转动。叶片的角度由液压缸的位置决定。这种控制方式较为简单，但是变桨机构中任何一个叶片的传动机构或变桨轴承损坏卡死后，将造成3个叶片都无法变桨。2）兆瓦级机组多采用3叶片独立液压变桨机构，3个叶片由安装在轮毂内3个液压缸分别控制，通过控制系统控制3个叶片的同步变桨。其液压和变桨控制系统都很复杂，并安装在轮毂内。但任何一个叶片的变桨机构故障后，其余两个叶片的变桨机构仍能正常工作，保障机组的安全。

液压变桨通过比例阀或伺服阀配合伺服液压缸或线性传感器组成的闭环控制系统对变桨速度和变桨角度分别进行闭环控制。海上风电场的初装成本中的基础建设、并网接线和安装等费用在总投资成本中所占的份额要比陆上风电场高，其成本占比随着风电场的离岸距离和水深程度情况大幅变动，其维修费用和折旧费用占运营成本比例远大于陆上风电场，较高的风电收益不能完全平衡投资费用和生产成本的增加。海面的粗糙度比陆上小得多，海上风切变小，可在较低的高度获得更大的风速，相对于海面上空高度的风速变化不大，支撑风力机的塔柱不必太高，造价、安装维护费用可减小。①柜体的设计要便于主要控制部件（如驱动器、控制器、电机等）的安装、运行；②采用具有防松和防腐蚀能力强的螺钉对柜体部件进行固定。

（2）电动变桨通过伺服电动机经减速器减速后，通过开式齿轮传动带动变桨轴承变桨。电动变桨具有结构简单、没有漏油等特点。最早的变桨机构就是电动变桨，但由于当时伺服技术不够完善，经常出现灾难性的事故。随着现代伺服技术的发展，电动变桨有取代液压变桨的趋势。

结论

海上风电场风力机的优化布置对降低风电场建设成本、减少对环境的负面影响具有重要意义。同容量装机，海上比陆上成本增加60%左右，电量增加50%以上。可见，如何降低海上风电场的建设成本是我们面临的主要问题。

参考文献：

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