0．引言
風(fēng)力發(fā)電具有低碳環(huán)保、系統(tǒng)控制可靠、單機容量大等特點，目前已成為電力系統(tǒng)新興的重要發(fā)展趨勢之一。隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展和風(fēng)電機組單機容量的增加，如何進一步提高機組可靠性和降低機組制造成本，是當前大型風(fēng)力發(fā)電機組面臨的挑戰(zhàn)。
受風(fēng)剪切、風(fēng)湍流、塔影效應(yīng)、偏航誤差等因素的影響，會在風(fēng)力發(fā)電機組葉輪上產(chǎn)生不均衡載荷，且風(fēng)輪直徑越大越明顯。這些不平衡載荷會給輪轂、主軸、偏航軸承、塔架等風(fēng)機關(guān)鍵部件造成很大的疲勞載荷。理論證明，采用獨立變槳控制，可以有效降低葉輪上的不平衡載荷。通過減小風(fēng)電機機組關(guān)鍵部件的載荷，以減輕這些關(guān)鍵部件的重量，并提高設(shè)備的可靠性和延長使用壽命，是降低風(fēng)力發(fā)電機組成本的有效途徑。
1．獨立變槳控制技術(shù)
獨立變槳控制技術(shù)可基于不同載荷的測量實現(xiàn)，主要有基于葉根載荷、主軸載荷、輪轂載荷或塔架載荷實現(xiàn)。目前測量槳葉葉根載荷是最容易實現(xiàn)的，也是最直接的，同時也是研究最多的。本文基于葉根載荷測量實現(xiàn)的獨立變槳控制技術(shù)，成功應(yīng)用于兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組。
獨立變槳控制的基本工作原理是在統(tǒng)一變槳控制得到的槳距角給定上增加三個不同的偏差槳角，然后再對各槳葉進行獨立控制。由光纖載荷測量系統(tǒng)獲得3個葉片根部平面My彎矩信號，通過坐標變換方法轉(zhuǎn)換成傾覆和偏航方向的信號，再經(jīng)過相關(guān)控制算法的就可獲得獨立變槳偏差槳角。控制框圖如圖1所示。
圖1 基于葉根載荷的獨立變槳控制器
2. 光纖載荷測量系統(tǒng)
光纖載荷監(jiān)測系統(tǒng)主要包括光纖信號采集、光學(xué)數(shù)據(jù)處理、通訊、傳感器串等。系統(tǒng)通過光學(xué)數(shù)據(jù)的處理，計算出被測量點的應(yīng)變、溫度。在每支葉片的葉根后緣(TE)、前緣(LE)、迎風(fēng)面((CS)和背風(fēng)面(SS)處安裝一個應(yīng)變和溫度傳感器，溫度傳感器用于對相應(yīng)測量點的應(yīng)變傳感器的溫度補償。光纖載荷監(jiān)測系統(tǒng)通過對粘貼安裝在葉片根部的光柵應(yīng)變傳感器的光譜信號進行實時監(jiān)測，通過傳感器的波長變化可計算出葉根的載荷。葉根光柵傳感器布局如圖2所示。
圖2 葉根光柵傳感布局
光纖載荷測量系統(tǒng)設(shè)備包括一個光纖傳感器解調(diào)儀，12個應(yīng)變傳感器和12個溫度補償傳感器。
3. 葉根載荷測量系統(tǒng)安裝
獨立變槳根據(jù)葉根My載荷進行控制，需要傳感器位置安裝的準確性和高標準的安裝工藝來確保葉根載荷測量的精度和準度。同時受葉片合模縫的影響，考慮受力均勻，在葉根前緣和后緣位置需錯開15——20°。標記距離葉根法蘭面大概1米處的圓截面上的4個點，從輪轂方向看4個標記點分別處于LE105°、SS180°、TE285°及CS360°，傳感器在葉根處安裝位置如圖3所示。
圖3 葉片光柵應(yīng)變傳感安裝位置
圖4 葉根載荷測量系統(tǒng)現(xiàn)場安裝情況
4. 光柵應(yīng)變傳感器標定
光柵應(yīng)變傳感器安裝后，由于不同葉片材料和剛度不同，在相同彎矩作用下，葉片根部產(chǎn)生的形變不同，因此傳感器安裝后，還需進行標定。
為消除風(fēng)載的影響，要求在風(fēng)速小于5m/s的工況下，槳葉處于水平位置，鎖定風(fēng)輪，設(shè)置槳葉以穩(wěn)定的速率如1deg/s運行360°，采集葉根TE、LE、CS和SS位置的波長變化，如圖5所示。
圖5 葉根光柵應(yīng)變傳感器波長變化曲線
根據(jù)葉根光柵應(yīng)變傳感器波長變化，可以標定光柵應(yīng)變傳感器的初始波長。如表1所示。
表1 槳葉1光柵應(yīng)變傳感器初始波長表
得到葉片的初始波長后，減去溫度補償傳感器的影響，可以計算出葉片擺陣和揮舞方向的應(yīng)變。如圖6所示。
圖6 葉根擺陣和揮舞方向微應(yīng)變曲線
依次完成槳葉1、槳葉2和槳葉3的標定后，參考葉片的質(zhì)量和和質(zhì)心等參數(shù)，通過葉根擺陣和揮舞方向的應(yīng)變可以計算出葉片根部擺陣和揮舞方向的彎矩。進而可以計算出葉片面內(nèi)和面外方向的彎矩。如風(fēng)輪面內(nèi)面外彎矩圖7、圖8所示。
圖7 葉根風(fēng)輪面內(nèi)載荷
圖8 葉根風(fēng)輪面外載荷
5．應(yīng)用案例
本文應(yīng)用案例為某風(fēng)電場運行的變速恒頻雙饋型風(fēng)電機組，額定功率為1.5MW，發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速為1735 rpm。葉片長度為93m，齒輪箱變比為104.08。
5.1. 現(xiàn)場運行驗證
為了驗證獨立變槳的運行效果，本次測試選擇風(fēng)速相近的情況下投入和不投入獨立變槳功能的運行數(shù)據(jù)。具體的運行效果如下。IPC為獨立變槳控制，CPC為統(tǒng)一變槳控制。
圖9 風(fēng)機風(fēng)速信號對比
正常狀態(tài)下，當機組在額定風(fēng)速以上運行時，獨立變槳功能才投入使用，所以選取的是兩段實際風(fēng)速在額定風(fēng)速以上的運行數(shù)據(jù)。現(xiàn)場測試時，如果風(fēng)速達不到，也可以在較低風(fēng)速下限功率運行對比。
圖10 風(fēng)機發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號對比
圖11 風(fēng)機槳角信號對比
由圖11可知投入獨立變槳功能后，變槳動作明顯加劇。
圖12 風(fēng)機槳角信號對比放大圖
圖13 風(fēng)機葉根面內(nèi)載荷信號對比
由圖13可知獨立變槳對風(fēng)輪面內(nèi)載荷基本無影響。
圖14 風(fēng)機葉根面外載荷信號對比
由圖14可知，投入獨立變槳后，機組葉輪面外載荷幅值變化下降明顯，說明獨立變槳功能降載效果明顯。
圖15 風(fēng)機槳角功率譜信號信號對比
由圖15可知，投入獨立變槳后，變槳動作頻率加劇，槳角的能量譜在1P處能量比較高，說明獨立變槳會增加變槳軸承的疲勞載荷。
圖16 風(fēng)機葉根面外載荷功率譜信號對比
圖16是在頻域上分析獨立變槳控制對機組葉輪載荷的影響。由圖8可知機組運行在額定轉(zhuǎn)速1735rpm。 所以 1P = 1735rpm / 104.078 / 60 = 0.28Hz, 2P = 0.56Hz, 3P = 0.83Hz。可知機組葉輪面外載荷在1P處能量下降明顯。2P、3P處沒變化。這是因為本次測試采用的是1P獨立變槳，1P獨立變槳控制主要用于削減旋轉(zhuǎn)部件1P載荷分量和非旋轉(zhuǎn)部件低頻載荷分量。
6．總結(jié)
由測試數(shù)據(jù)可知，機組投入獨立變槳控制后，變槳動作頻繁，這會加大變槳軸承的疲勞載荷，由于沒有主軸、偏航、塔架等關(guān)鍵部位的載荷數(shù)據(jù)，無法驗證獨立變槳功能對這些部件的載荷影響。從風(fēng)輪面外載荷大幅度減小和1P處面外載荷功率譜密度的明顯下降來看，說明此次獨立變槳功能測試對風(fēng)力發(fā)電機機組降載明顯，達到了預(yù)期效果。
在統(tǒng)一變槳控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的獨立變槳控制系統(tǒng)，對每支葉片進行獨立且有規(guī)律的槳角控制，可以有效解決槳葉、風(fēng)輪和塔架等部件的載荷不均勻問題，具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單、易于施加各種控制、可靠性高等優(yōu)勢，越來越受到國際風(fēng)電市場的歡迎。兆瓦級變速恒頻變槳距風(fēng)電機組是目前國際上技術(shù)較先進的風(fēng)力機型，從長期發(fā)展的看，獨立變槳系統(tǒng)是今后一個時期內(nèi)風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢。
參 考 文 獻
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