大型風電機組變槳仿真試驗系統的研究與實現

王艷領，鄭衛紅，李朝鋒，趙瑞杰

（許昌許繼風電科技有限公司 河南 許昌 461000）

大型風電機組變槳仿真試驗系統的研究與實現

王艷領，鄭衛紅，李朝鋒，趙瑞杰

（許昌許繼風電科技有限公司 河南 許昌 461000）

變槳系統是風電機組控制系統的核心組成部分，通過控制葉片的角度來控制風輪的轉速，進而協調控制風機的輸出功率，同時也是風機的一級安全制動裝置，在緊急情況下，控制葉片快速收槳，通過空氣動力制動的方式使風機安全停機，變槳系統的可靠運行直接影響風機的發電量和使用壽命。針對大型風機電動變槳系統的設計開發及廠內測試檢驗，研究并實現了變槳仿真試驗系統，解決了變槳系統現場無法全工況測試、測試周期長、故障再現難等問題，實現了電動變槳系統的室內全面仿真運行檢驗，對大型風電機組變槳系統的開發設計及現場可靠運行具有重要意義。

風電機組；變槳系統；仿真試驗；載荷；工況

變速變槳風力發電機組是風力發電技術發展的主流方向，變槳控制系統是風電機組的關鍵部件之一，用于調整風機槳葉的角度，是風機的主要安全控制裝置。深入研究風電機組及風機槳葉的運行特性和規律對于變槳系統的分析與設計具有十分重要的指導意義，變槳系統的性能優劣對風機運行的效率和使用壽命有至關重要的影響。

我國風電產業起步較晚，目前對變速變槳風電機組的運行特性及規律缺乏深入研究，在變槳系統的產業化項目中，缺乏最優的控制策略依據和完善的室內試驗條件。在風電場的實際運行中，由于風的隨機性導致風電場同一風況再現周期長、再現故障難、全部工況測試難以及測試費用高等原因限制了風電場發電機組變槳系統的研究開發及運行檢驗，因此研究和實現大型風電機組變槳仿真試驗系統具有重要意義。

文中所述的變槳仿真試驗系統是針對電動變槳系統的室內試驗進行的開發設計，變槳系統實物是被檢測對象。根據風電機組結構原理，將槳葉系統用仿真試驗系統的載荷模擬設備來替代，通過仿真軟件和運行控制系統軟件與物理載荷設備的有機結合，產生槳葉的擾動力矩進行變槳系統的運行試驗研究，槳葉擾動力矩可以根據現場運行數據直接輸入仿真試驗系統運動控制單元，也可以按照風電機組設計要求IEC61400-1標準建立風速模型和風機模型直接產生。

1 變槳系統結構原理

風電機組變槳系統安裝在風機輪轂內，主要由電控驅動系統和后備電源組成，是風機控制系統的重要組成部分，主要功能是依據風輪轉速的變化實時調節槳距角，控制風能的吸收，保證獲取最大的能量，并減少風力對風電機組的沖擊，同時在并網過程中，變槳控制還可以實現快速無沖擊并網。變槳控制系統與變速恒頻技術相配合，提高了整個風力發電系統的發電效率和電能質量。變槳系統接收風機主控系統的控制命令，控制風機葉片旋轉到設定的角度，通過控制葉片的角度來控制風輪的轉速，進而控制風機的輸出功率；變槳系統也是風機的氣動剎車，在緊急的情況下，控制葉片快速收槳，通過空氣動力制動的方式使風機安全停機，達到保護機組安全的目的。

以許繼FJK-520 2.0 MW風電機組變槳系統為例，如圖1變槳系統結構原理圖所示，變槳系統主要由驅動控制單元、變槳電機和后備電源組成。

圖1 變槳系統結構原理圖

驅動器是變槳驅動控制單元的核心控制部件，集通信與各項控制功能于一體，用于驅動電機運行和實現與主控系統間的現場總線通信。

驅動控制單元接受風機主控系統命令驅動電機運行，控制電機的運行速度和運行方向，同時采集變槳系統狀態信息，反饋給風機主控系統。變槳電機是變槳系統的槳葉驅動執行機構，通過變槳減速箱小齒輪與變槳軸承內齒嚙合聯動，進而驅動控制風機葉片的轉動。電網供電故障時，變槳系統由后備電源供電執行變槳操作，確保低電壓穿越運行和機組發生嚴重故障或重大事故的情況下安全可靠停機。

2 仿真試驗系統整體設計

風電機組變槳仿真試驗系統由物理實物（系統硬件）、仿真及運動控制程序（系統軟件）和被控對象（變槳系統）有機結合組成。系統硬件主要包括控制單元（PLC控制器及相關輔助部件）、力矩驅動單元（電機驅動器）、力矩輸出裝置（載荷電機）、力矩測量儀器、電源控制裝置和能量回饋單元；系統軟件主要包括仿真模塊和運動控制模塊，仿真試驗系統結構原理圖如圖2所示。

變槳仿真試驗系統主要工作過程：依據風機設計要求IEC61400-1標準對風資源進行建模、依據風電機組原理對風機進行建模，風資源模型將風況數據傳送給風機模型，風機模型依據空氣動力學原理計算出槳葉的擾動力矩，結合風力發電機組主控系統槳距控制策略計算目標變槳位置和目標變槳速度。槳葉擾動力矩信息傳遞給仿真系統力矩驅動單元產生實時動態擾動力矩，目標變槳位置和目標變槳速度通過現場總線傳遞給變槳系統，驅動變槳電機執行變槳動作，變槳系統通過現場總線通信將實際的槳葉位置、變槳速度、變槳力矩反饋給仿真系統。力矩輸出裝置的載荷控制與變槳電機的運動同步進行，力矩測量儀器測量連接軸的力矩和轉速，對變槳系統的力矩和轉速數據進行校對確認。當力矩輸出裝置處在發電狀態時能量回饋單元把產生的再生電能回饋到電網。電源控制裝置通過模擬電網故障檢測變槳系統的抗電網擾動性能和低電壓穿越性能。

圖2 變槳仿真試驗系統結構原理圖

3 系統硬件設計

3.1 驅動控制單元

變槳仿真試驗系統驅動控制單元主要由PLC控制器、力矩驅動單元、力矩輸出裝置和力矩測量儀器組成。PLC控制器執行整套系統的仿真計算、通信和控制功能，通過現場總線與力矩驅動單元、變槳系統進行通信，通過以太網與操作電腦和人機界面進行通信，通過24 V信號執行電源控制裝置和能量回饋單元的工作狀態控制，通過4～20 mA模擬量信號采集力矩測量儀器的力矩、速度信息；力矩驅動單元根據PLC控制器的輸出控制信息驅動控制力矩輸出裝置的輸出載荷，力矩測量儀器作為第三方標準測量儀器實時采集驅動軸的力矩載荷和變槳轉速數據，確保力矩和轉速數據的正確性。變槳仿真試驗系統通信控制示意圖如圖3所示。

圖3 變槳仿真試驗系統通信控制示意圖

3.2 電源控制裝置

電源控制裝置主要采用變頻設備依據《風電場接入電網技術規定》模擬電網故障，從而檢測在工作電源發生異常的情況下變槳系統能夠維持正常的工作狀態，不影響風機的運行和槳葉的調節。電源控制裝置的主要作用包括：1）低電壓穿越功能測試：當電網電壓跌至對低電壓穿越要求的電壓時，在規定的持續時間內，與機組主控系統配合，保證風機不脫網運行；2）電網波動仿真測試：電力系統規定的正常范圍內電壓、頻率波動，變槳系統能夠正常運行，不出現故障或緊急收槳現象。電源控制裝置的正常供電狀態和故障模擬狀態由PLC控制單元根據測試項目需求進行控制。

3.3 能量回饋單元

能量回饋單元是在擾動力矩模擬情況下，力矩輸出裝置被變槳電機拖動過程中，力矩輸出裝置處在發電狀態，使發出的電能回饋到電網的裝置，主要采用逆變設備進行實現。但目前市場上性能較好的逆變裝置大都價格昂貴，且體積龐大，考慮到是實驗設備持續工作時間短，且在系統中為非關鍵設備，基于降低成本，減小試驗場地使用面積，可以將能量回饋單元用大功率電阻代替。

4 仿真模型設計

4.1 風資源模型設計

風能是低密度能源，在一定的時間范圍內具有不穩定性和隨機性的特點，但從長期的統計結果來看，風資源的變化仍具有一定的分布規律，并結合風機的特點，形成了典型的風機工作風況。按照IEC61400-1標準規定的湍流強度，根據風速隨機性特點通過傅里葉反變換可生成風速模型[1]。

4.2 風機模型設計

鑒于研究變槳距系統的需要，對整個風電機組模型進行簡化，傳動系統[2]和發電機由簡化為剛性模型來代替。風力機建模常見的主要有兩種方法：一種是基于經典動量-葉素理論的建模[3]，另一種是基于氣動設備子模型的建模。其中后者的前提條件是已知風力機的轉矩系數，雖然與前者相比模型簡單、不需要迭代，計算速度快，但需要測得大量特征數據，同時槳葉翼型改變將直接影響轉矩系數。而經典動量-葉素理論假設：1）定義了一個通過風輪平面的理想的流管；2）槳葉為無限長，氣流沿軸向流動。該假設中風速分布情況雖然對給定風電場中的風機年發電量進行預測已經足夠，但實際由于大氣湍流、風剪切和塔影效應會引起流經風輪的氣流不穩定性，分析還有缺陷。為了克服上述的缺陷，采用非定常葉素動量模型——動態尾流模型[1，4]，并根據葉柵理論考慮因槳葉弦長和厚度造成的損失、Prandtl的葉尖葉根損失[5]、Glauert空載損失、啟動損失。其中風力機啟動損失是由于風力機啟動時部分氣流從葉片之間直接穿過，只有部分氣流做功，當啟動時攻角大于下式時攻角用下式的值進行修正[6]。

其中Z為葉片數，r為葉素到葉根的距離，R為風輪半徑。

另外對于上風向風機，風機的仰角和錐角在風速向葉素折算時也必須考慮進去[3]。圖4是2.0 MW風機模型穩態性能曲線圖。

為了更好的研究變槳力矩的變化規律，在計算變槳擾動力矩時需要把槳葉的自身特性及工作環境條件考慮在內，如：質心及氣動中心與變槳軸偏離、槳葉的受力扭轉、流過槳葉的空氣質量及粘性影響、槳葉的重量、轉動慣量的影響等[7]。

圖4 穩態性能曲線

5 仿真試驗項目及仿真結果

如圖5風電機組工況分類所示，依據IEC 61400-1標準規定工況進行仿真測試工況設定，根據圖6變槳仿真試驗項目分類展開測試，根據需求完成變槳系統的性能及功能測試。

圖5 風電機組工況分類

現具體以運行工況仿真測試中的某項測試為例進行說明，其它測試項目限于篇幅不再展開說明。運行工況仿真測試的主要目的是考察變槳系統在實際工況下長期帶載運行的可靠性，主要考察指標為變槳驅動器溫升、變槳電機溫升、變槳速度響應的實時性和同步性、變槳系統連續運行的無故障工作狀態。

仿真運行工況測試參數設定：

1）平均風速：15 m/s；

2）湍流強度：參照GL標準，選取湍流強度等級值為A；

3）極端運行陣風（EOG）：參照GL標準，選取復現周期為1年的運行陣風；

測試方法說明：測試風速點疊加上對應的湍流強度（持續）和對應的一年一遇的極端運行陣風（風速每周期疊加一次），作為要測試的風況。通過blade軟件仿真計算得出葉根部的轉矩曲線，進一步轉化為變槳電機處的轉矩曲線作為負載力矩給定。通過bladed軟件仿真典型DLC（NTM15）下風機的開機、發電和停機過程，變槳系統按照仿真結果控制變槳角度和變槳速度、力矩輸出裝置根據仿真結果進行加載。

仿真位置和載荷波形如圖7所示，變槳實際力矩波形如圖8所示。

圖6 變槳仿真試驗項目分類

圖7 變槳角度和載荷力矩仿真波形

圖8 變槳力矩實際波形

根據以上仿真試驗結果，可以比較客觀的觀察和分析變槳系統的速度響應性能和動態載荷響應性能[8]。

6 結論

本仿真試驗系統的開發，能夠對大型風電機組變槳系統進行全面動態性能及各項功能的室內檢驗測試，經大型風機變槳系統的研發設計和現場應用實踐，其能夠達到以下目的：

1）把風場調試工作搬進室內，大量節約了后期風場的系統調試成本；

2）使變槳系統測試工作擺脫了自然風況的各種限制，節約了產品的測試時間，縮短了產品的開發周期；

3）測試過程中如發現問題，及時對產品進行改進優化，防止重大問題的流出；

4）風場實際運行問題室內再現，縮短了問題的解決處理時間，增強了客戶的產品認可度；

總之，經過嚴格全面的測試，確保了變槳系統的產品質量，進而增強了風電機組的發電效率和使用壽命，因此研究和實現大型風電機組變槳仿真試驗系統具有重要意義。

[1]Hansen.OL M，Aerodynamics of Wind Turbines[M].Earthscan in the UK and USA，2008.

[2]王振蛟，唐西勝，風力發電的數?；旌夏M平臺研究與實現[J].電力電子技術，2009，43（11）：28-30.

[3]寧祎，李紅剛.大型變速變槳距風機風輪的建模與仿真[J]，太陽能學報，2012，33（6）：1010-1014.

[4]陳嚴，劉雄.動態尾流模型在水平軸風力機氣動性能計算中的應用[J].太陽能學報，2008，29（10）：1297-1302.

[5]Prandtl L，Tietjens O G.Applied hydro and aeromechanics [M].Dover Publications，1957.

[6]廖明夫，Gasch R，Twele J，風力發電技術[M].西安:西北工業大學出版社，2009.

[7]Siegfried Heier.Grid integration of wind Energy converssion systems[J].Journal of Endo crinology，2011，209（1）：45-54.

[8]陳衡，馮凱平.Multisim環境下ROM仿真實驗教學實踐[J].電子設計工程，2014，22（14）：46-49.

Research and implementation of the pitch simulation test system for large wind turbine

WANG Yan-ling，ZHENG Wei-hong，LI Chao-feng，ZHAO Rui-jie
（XJ Windpower Technology Company，Xuchang 461000，China）

The pitch system is the core component of the control system of the wind turbine，which control the rotational speed of the wind turbine by controlling the angle of the blade，and then coordinate control the output power of the wind turbine，and it is also a safety brake device of the wind turbine，in case of emergency，control blade rapid regression，and then wind turbine is safely stopped by the way of the air power brake，the reliable operation of the pitch system directly affects the power generation and service life of the wind turbine.For design development and testing of pitch system in the factory，research and implementation of the pitch simulation test system，solve the problems that the pitch system can not be tested by full working condition in the field and long test cycle and difficult to reproduce problem，the indoor simulation run test of the electric pitch system is realized，has important significance for development and design and reliable operation of pitch system of large wind turbine.

wind turbine；pitch system；simulation test；load；working condition

TN06

A

1674－6236（2016）15-0052-04

2015-08-03 稿件編號：201508007

王艷領（1984—），男，河南許昌人，工程師。研究方向：風電機組控制技術、電氣控制技術。