文 献 综 述

1课题背景及意义

可再生能源长期推动因素主要来源于传统能源的枯竭和环保要求，风电是目前除水电外成本最为接近传统能源的可再生能源，金融危机导致的全球经济增长减缓并未改变推动风电长期发展的驱动力因素；石油等传统需求的暂时放缓，仅仅对传统能源可使用年限的轻微延展，并未改变寻求替代能源的必然选择；其次，从”巴厘岛路线图”看，全球各国对于后《京都议定书》时代的环保要求更为迫切和明确，清洁能源的发展空间更加确定。目前来看，海上风能储量大大优于陆上，因此，海上风电发展将会是未来风电发展的主要方向。

近年来我国新增风电装机容量迅猛发展 , 但风 电开发主要集中在陆地 , 海上风电资源开发则刚刚起步 。我国海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域 , 而且距离电力负荷中心很近 , 加之 , 海上风电年利用小时长、风速高、 风资源持续稳定 、 机组发电量高、 不受土地限制 、 视觉及噪音影响少等优势 , 使得海上风力发电技术成为近来研究和应用的热点[1]。变桨距型风力发电机组以其优越性能越来越受到人们的青睐。而变桨距系统是变距型风力发电机组的关键部分，为了使变桨距系统能安全，稳定的运行，必须在变桨距系统实际立机运行前对其运行特性控制规律有充分的了解[2]。对于大型风力发电机组来说，都是采用主动变桨距。变桨距系统应用在起动、功率调节和制动三种场合[3]。变桨系统的主要功能是通过调节桨叶对气流的攻角，改变风力机的能量转换效率从而控制风力发电机组的功率输出，变桨系统还在机组需要停机时提供空气制动。变桨执行机构是变速恒频风力发电机组控制系统的一个重要组成部分，通常采用液压驱动或动驱动，在设计阶段需要考虑两种方式的优点和缺点[4]。随着风电技术的不断成熟与发展，变桨距风力发电机的优越性显得更加突出：既能提高风力机运行的可靠性，又能保证高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线[5]。采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，使整机的受力状况大为改善，使风电机组有可能在不同风速下始终保持最佳转换效率，使输出功率最大，从而提高系统性能。随着风电机组功率等级的增加，采用变桨距技术已是大势所趋[6]。目前变桨执行机构主要有两种：液压变桨距和电动变桨距，按其控制方式可分为统一变桨和独立变桨两种[7]。在统一变桨基础上发展起来的独立变桨距技术，每支叶片根据自己的控制规律独立地变化桨距角，可以有效解决桨叶和塔架等部件的载荷不均匀问题，具有结构紧凑简单、易于施加各种控制，越来越受到人们的青睐[8]。兆瓦级变速恒频变桨距风电机组是目前国际上技术比较先进的风力机型，从今后的发展趋势看，必然取代定桨距风力机而成为风力发电机组的主力机型[9]。其中变桨距技术在变速恒频风力机研究中占有重要地位，是变速恒频技术实现的前提条件。研究这种技术，提高风电机组的柔性，延长机组的寿命，是目前国外研究的热点，但是国内对此研究甚少，对这一前瞻性课题进行立项资助，掌握具备自主知识产权的独立变桨控制技术，对于打破发达国家对先进的风力发电技术的垄断，促进我国风力发电事业的进一步发展具有重要意义[10]。

2 变桨距系统的组成：

2.1变桨距系统的介绍

变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。 变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。 风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动[11]。 风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置（执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置）[12]。 变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作（比如变桨系统的主电源供电失效后），因此变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机（叶片顺桨到91度限位位置）。此外还需要一个冗余限位开关（用于95度限位），在主限位开关（用于91度限位）失效时确保变桨电机的安全制动[13]。 由于机组故障或其他原因而导致备用电源长期没有使用时，风机主控就需要检查备用电池的状态和备用电池供电变桨操作功能的正常性。 每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在电机的非驱动端（电机尾部），还配有一个冗余的绝对值编码器安装在叶片根部变桨轴承内齿旁，它通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动记录变桨角度。 风机主控接收所有编码器的信号，而变桨系统只应用电机尾部编码器的信号，只有当电机尾部编码器失效时风机主控才会控制变桨系统应用冗余编码器的信号[14]。

变浆系统的作用 根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90#176;与风向平行，使风机停机[15]。

2.2 变桨距控制系统

ＰＩ控制方法简单，原理清晰，易于实现，但是采用ＰＩ控制方式有可能出现大超调现象，而且风力发电机变桨距系统是一个大惯性系统，响应时间慢[16]，采用ＰＩ控制的滞后环节会使系统不稳定，很难得到满意的控制效果 ． 为此采用 ＰＤ 控制，并且为了克服风力机模型的非线性特点，加入了增益调度控制[17]，通过仿真研究验证了其控制策略的可行性[18]．