大型风机异步变桨技术的研究项目摘要

风机工作中，由于高度方向的风切变、对风误差和塔影效应等因素造成桨叶旋转过程中气动不平衡，由此产生桨叶振动和扭矩波动。振动可能对风机的转速工作点和最大风能俘获区间产生影响，降低了机组发电量；扭矩的波动可能导致其输出功率的波动，对发电质量和风机的机械寿命产生不利影响。.变桨风机已是当前的主流机型，同步变桨技术较成熟，已商业化应用，其三个桨距角按照同一目标调节。异步变桨技术中，三个桨叶按照各自不同的目标桨距角调节，可以减弱气动不平衡的影响。异步变桨技术的研究在国外也尚处于起步阶段，是变桨技术发展的方向。计划研究内容如下：.1）异步变桨的理论研究：高度方向风切变、对风误差和塔影效应对桨叶力矩波动和电能质量影响的研究，探讨异步变桨原则和规律。.2）异步变桨相关的关键物理量的检测方法：特定振动信号的检测、低速轴和高速轴扭矩的检测。.3）异步变桨策略与风力机组各个运行阶段控制目标有机结合的研究。

本项目首先对造成风机扭矩波动的因素进行了分析，建立了风剪切效应、塔影效应、湍流效应下的风速模型；对基于动量－叶素理论的风机气动建模方法进行了改进，考虑风轮的旋转尾流，引入风轮的轴向诱导因子和周向诱导因子，对叶尖损失和轮毂损失进行修正，运用迭代法求解诱导因子，同时还对翼型中截面个数进行优化；基于风力机坐标系计算出风机在各种气动效应下所受气动载荷，将其与权威软件相比较，证明了计算的准确性；推导出风剪切、湍流和塔影效应对风轮气动载荷的影响规律，为异步变桨控制策略研究提供理论支持。提出了一种基于电功率的传动链扭矩间接估算方法，即根据发电机转速、风轮转速以及发电机的定子电流电压间接计算传动链扭矩和风轮转矩，为风机异步变桨多输入多输出控制系统的建立打下基础。 本项目在异步变桨控制策略研究方面首先建立了异步变桨的大型风力发电机组的线性数学模型，利用Coleman变换将风机的线性时变转换为固定轮毂坐标系上的线性定常系统；通过桨叶载荷分析，推导出桨叶上的气动转矩是引起风轮转矩波动的主要来源；分析了影响风轮气动弹性效应的因素；提出基于摆振力矩反馈的异步变桨控制策略，即通过采用基于方位角的多段动态权系数分配和单神经元自适应PID实现异步变桨；比较发现这两种基于摆振力矩的异步变桨控制策略各有优劣，基于单神经元自适应PID的异步变桨控制策略对桨叶摆振力矩波动的控制效果更好。为了兼顾风轮转矩波动控制、俯仰力矩和偏航力矩控制，提出了一种基于摆振力矩和挥舞力矩反馈控制的异步变桨控制策略，利用摆振权系数和挥舞权系数得到桨叶的桨距角。最后以永磁直驱的三桨叶的风电机组为研究对象，分别在风剪切、塔影效应、风剪切和塔影效同时影响下的湍流风速和阶跃风速这两种风况下，比较了基于摆振力矩反馈的异步变桨控制、基于挥舞力矩反馈的异步变桨控制、基于摆振力矩和挥舞力矩反馈的异步变桨控制的性能，发现三种控制策略各有优势，其中基于摆振力矩和挥舞力矩反馈的异步变桨控制综合了基于挥舞力矩反馈的异步变桨控制和基于挥舞力矩反馈的异步变桨控制的优点，对桨叶的摆振力矩和挥舞力矩、风轮的俯仰力矩和偏航力矩、风轮转矩、传动轴扭矩、发电机扭矩、风电机组的电功率输出的波动有明显的控制效果，有效降低了桨叶、风轮主轴，传动链、变桨轴承、轮毂、偏航轴承和塔架的疲劳载荷，可提高设备可靠性和延长设备使用寿命，降低运维成本。 2100433B

液压变桨系统由电动液压泵作为工作动力，液压油作为传递介质，电磁阀作为控制单元，通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距。

先来了解一下液压变桨系统的结构。

变桨距伺服控制系统由信号给定、比较器、位置（桨距）控制器、速率控制器、D/A转换器、执行机构和反馈回路组成。

液压变桨执行机构由油箱、液压动力泵、动力单元蓄压器、液压管路、旋转接头、变桨系统蓄压器以及三套独立的变桨装置组成

液压变桨系统与电动变桨系统相比，液压传动的单位体积小、重量轻、动态响应好、扭矩大并且无需变速机构，在失电时将蓄压器作为备用动力源对桨叶进行全顺桨作业而无需设计备用电源。由于桨叶是在不断旋转的，必须通过一个旋转接头将机舱内液压站的液压油管路引入旋转中的轮毂，液压油的压力在20MPa左右，因此制造工艺要求较高，难度较大，管路也容易产生泄漏现象。液压系统由于受液压油黏温特性的影响，对环境温度的要求比较高，对于在不同纬度使用的风机，液压油需增加加热或冷却装置。2100433B

随着我国风电行业的快速发展， 风电行业朝着大型化发展，而风电发展初期的定桨距风力发电机型实际运行情况关注度越来越低，据不完全统计，定桨距风电机组国内存量约万台 ，大部分定桨距风电项目地处高原地区，高原地区年空气密度普遍较低，远低于标准空气密度 1． 225 kg /m3，加之桨叶表面老化引起发电性能下降，导致多数高原地区定桨距机组长期处于欠发状态 ，远低于设计要求。为充分利用风资源， 提出定桨距风电机组发电性能提升技术研究， 提高机组发电效率，实现经济效益的提升。

国际知名整机制造商 Gamesa、Vestas、Suzlon、Siemens 和 Clipper 对风力发电机组的发电性能提升技术

( 桨叶加装加长节、加装涡流发生器等) 进行了技术研究 ，国内研究现状主要是哈尔滨工业大学对桨叶加长节技术的可行性研究 ， 曹瑞对加装涡流发生器技术进行了深入研究。目前，国内外对定桨距发电机组发电性能提升技术仅停留在理论计算和实验室阶段， 还未系统地开展技术论证和效果验证。 2100433B

西门子S7-313及其配件（1套）、S7-214XP（1台） 变桨角度0-90°/风向跟踪0-377°。