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基于叶根载荷的独立变桨控制技术在大型风力发电机组上的应用

作者  刘进 付小林 冯永刚

成都阜特科技股份有限公司
 
摘要:风剪切、风湍流、塔影效应、偏航误差等因素,会在风力发电机组叶轮上产生不均衡载荷,且风轮直径越大越明显。这些不平衡载荷会给轮毂、主轴、偏航轴承、塔架等风机关键部件造成很大的疲劳载荷。本文通过光纤应变传感器测量叶根载荷实现的独立变桨控制技术,可以有效降低机组轮毂、主轴、偏航轴承、塔架等风机关键部件的载荷。
 
关键词:载荷测量系统;叶根载荷;独立变桨;传感器标定;疲劳载荷

作者简介: 
刘  进(1984-),男,控制工程师 parite@sc-forward.com
冯永刚(1986-),男,控制工程师 sky@sc-forward.com
付小林(1983-),男,技术副总监 jerryilike@sc-forward.com
 
 
0.引言
 
    风力发电具有低碳环保、系统控制可靠、单机容量大等特点,目前已成为电力系统新兴的重要发展趋势之一。随着风电技术的发展和风电机组单机容量的增加,如何进一步提高机组可靠性和降低机组制造成本,是当前大型风力发电机组面临的挑战。
 
    受风剪切、风湍流、塔影效应、偏航误差等因素的影响,会在风力发电机组叶轮上产生不均衡载荷,且风轮直径越大越明显。这些不平衡载荷会给轮毂、主轴、偏航轴承、塔架等风机关键部件造成很大的疲劳载荷。理论证明,采用独立变桨控制,可以有效降低叶轮上的不平衡载荷。通过减小风电机机组关键部件的载荷,以减轻这些关键部件的重量,并提高设备的可靠性和延长使用寿命,是降低风力发电机组成本的有效途径。
 
 
1.独立变桨控制技术
 
    独立变桨控制技术可基于不同载荷的测量实现,主要有基于叶根载荷、主轴载荷、轮毂载荷或塔架载荷实现。目前测量桨叶叶根载荷是最容易实现的,也是最直接的,同时也是研究最多的。本文基于叶根载荷测量实现的独立变桨控制技术,成功应用于兆瓦级风力发电机组。
 
    独立变桨控制的基本工作原理是在统一变桨控制得到的桨距角给定上增加三个不同的偏差桨角,然后再对各桨叶进行独立控制。由光纤载荷测量系统获得3个叶片根部平面My弯矩信号,通过坐标变换方法转换成倾覆和偏航方向的信号,再经过相关控制算法的就可获得独立变桨偏差桨角。控制框图如图1所示。
 
1.png
 
图1 基于叶根载荷的独立变桨控制器
 
     2.jpg分别为风轮的期望角速度和测量角速度;  3.jpg为统一变桨角。
    Coleman转换的公式为:0.jpg
     
    公式中: 4.jpg 为叶片根部上的测得的载荷力矩;  为变换到二相垂直的d-q轴上的倾覆力矩和偏航力矩。
    设定PI调节器的给定值为零,经过PI变换到d-q轴下的倾斜方向和偏航方向的变桨角 6.jpg  ,后经过Coleman反变换。即:7.jpg
        
    转换成各桨叶的微调的桨角8.jpg ,即实现了对独立变桨距控制。该控制方法在实现对桨叶载荷的降低有显著的成果,实现简单,具有一定的鲁棒性。
 
 
2. 光纤载荷测量系统
 
    光纤载荷监测系统主要包括光纤信号采集、光学数据处理、通讯、传感器串等。系统通过光学数据的处理,计算出被测量点的应变、温度。在每支叶片的叶根后缘(TE)、前缘(LE)、迎风面((CS)和背风面(SS)处安装一个应变和温度传感器,温度传感器用于对相应测量点的应变传感器的温度补偿。光纤载荷监测系统通过对粘贴安装在叶片根部的光栅应变传感器的光谱信号进行实时监测,通过传感器的波长变化可计算出叶根的载荷。叶根光栅传感器布局如图2所示。
 
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图2 叶根光栅传感布局
 
    光纤载荷测量系统设备包括一个光纤传感器解调仪,12个应变传感器和12个温度补偿传感器。
 
 
3. 叶根载荷测量系统安装
 
    独立变桨根据叶根My载荷进行控制,需要传感器位置安装的准确性和高标准的安装工艺来确保叶根载荷测量的精度和准度。同时受叶片合模缝的影响,考虑受力均匀,在叶根前缘和后缘位置需错开15~20°。标记距离叶根法兰面大概1米处的圆截面上的4个点,从轮毂方向看4个标记点分别处于LE105°、SS180°、TE285°及CS360°,传感器在叶根处安装位置如图3所示。
 
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图3 叶片光栅应变传感安装位置
 
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图4 叶根载荷测量系统现场安装情况
 
 
4. 光栅应变传感器标定
 
    光栅应变传感器安装后,由于不同叶片材料和刚度不同,在相同弯矩作用下,叶片根部产生的形变不同,因此传感器安装后,还需进行标定。
 
    为消除风载的影响,要求在风速小于5m/s的工况下,桨叶处于水平位置,锁定风轮,设置桨叶以稳定的速率如1deg/s运行360°,采集叶根TE、LE、CS和SS位置的波长变化,如图5所示。
 
9.jpg 
图5 叶根光栅应变传感器波长变化曲线
 
    根据叶根光栅应变传感器波长变化,可以标定光栅应变传感器的初始波长。如表1所示。
 
表1 桨叶1光栅应变传感器初始波长表
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    得到叶片的初始波长后,减去温度补偿传感器的影响,可以计算出叶片摆阵和挥舞方向的应变。如图6所示。
 
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图6  叶根摆阵和挥舞方向微应变曲线
 
    依次完成桨叶1、桨叶2和桨叶3的标定后,参考叶片的质量和和质心等参数,通过叶根摆阵和挥舞方向的应变可以计算出叶片根部摆阵和挥舞方向的弯矩。进而可以计算出叶片面内和面外方向的弯矩。如风轮面内面外弯矩图7、图8所示。
 
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图7  叶根风轮面内载荷
 
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图8  叶根风轮面外载荷
 
 
5.应用案例
 
    本文应用案例为某风电场运行的变速恒频双馈型风电机组,额定功率为1.5MW,发电机额定转速为1735 rpm。叶片长度为93m,齿轮箱变比为104.08。
 
5.1. 现场运行验证
 
    为了验证独立变桨的运行效果,本次测试选择风速相近的情况下投入和不投入独立变桨功能的运行数据。具体的运行效果如下。IPC为独立变桨控制,CPC为统一变桨控制。
 
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图9 风机风速信号对比
 
    正常状态下,当机组在额定风速以上运行时,独立变桨功能才投入使用,所以选取的是两段实际风速在额定风速以上的运行数据。现场测试时,如果风速达不到,也可以在较低风速下限功率运行对比。
 
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图10 风机发电机转速信号对比
 
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图11 风机桨角信号对比
 
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    由图11可知投入独立变桨功能后,变桨动作明显加剧。
 
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图12 风机桨角信号对比放大图
 
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图13 风机叶根面内载荷信号对比
 
    由图13可知独立变桨对风轮面内载荷基本无影响。
 
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图14 风机叶根面外载荷信号对比
 
    由图14可知,投入独立变桨后,机组叶轮面外载荷幅值变化下降明显,说明独立变桨功能降载效果明显。
 
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图15 风机桨角功率谱信号信号对比
 
    由图15可知,投入独立变桨后,变桨动作频率加剧,桨角的能量谱在1P处能量比较高,说明独立变桨会增加变桨轴承的疲劳载荷。
 
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图16 风机叶根面外载荷功率谱信号对比
 
    图16是在频域上分析独立变桨控制对机组叶轮载荷的影响。由图8可知机组运行在额定转速1735rpm。 所以 1P = 1735rpm / 104.078 / 60 = 0.28Hz, 2P = 0.56Hz, 3P = 0.83Hz。可知机组叶轮面外载荷在1P处能量下降明显。2P、3P处没变化。这是因为本次测试采用的是1P独立变桨,1P独立变桨控制主要用于削减旋转部件1P载荷分量和非旋转部件低频载荷分量。
 
 
6.总结
 
    由测试数据可知,机组投入独立变桨控制后,变桨动作频繁,这会加大变桨轴承的疲劳载荷,由于没有主轴、偏航、塔架等关键部位的载荷数据,无法验证独立变桨功能对这些部件的载荷影响。从风轮面外载荷大幅度减小和1P处面外载荷功率谱密度的明显下降来看,说明此次独立变桨功能测试对风力发电机机组降载明显,达到了预期效果。
 
    在统一变桨控制基础上发展起来的独立变桨控制系统,对每支叶片进行独立且有规律的桨角控制,可以有效解决桨叶、风轮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、可靠性高等优势,越来越受到国际风电市场的欢迎。兆瓦级变速恒频变桨距风电机组是目前国际上技术较先进的风力机型,从长期发展的看,独立变桨系统是今后一个时期内风电发展的必然趋势。
 
参 考 文 献
[1] Burton Tony,等[著],武鑫,等[译].风能技术[M].北京:科学出版社,2007,398-430.
[2] 应有,许国东.基于载荷优化的风电机组变桨控制技术研究[J].机械工程学报,2011,47(16):106-111.
[3] E. Bossanyi. Individual blade pitch control for load reduction[J]. Wind Energy,2003, 6:119-128.
[4] E. Bossanyi,A. Wright and P. Fleming,proc. Further progress with field testing of individual pitch control. European Wind Energy Conference 2010.