风力发电系统机械变频控制技术

郑育松

摘    要：近年来，随着我国对电能需求的增加，风力发电有了很大进展。把风力发电系统作为研究的主体，具体表现出在风机输出电能的频率变化机制在金属带式无级变速器中的实用性。构建该系统的金属带式无级变速器在物理范畴内的模型并明确其具体的应用原理，把风力发电机械变频控制系统的硬件与软件设计落实到实处。以大量的实验作为基础进行具体的数据分析，得到风力发电系统输出频率为50Hz，进一步证实机械变频机理的真实性、准确性。

关键词：风力发电系统;机械变频;金属带;无级变速;恒频

1  引言

我国的风力发电技术正在日益提高，但是还有许多方面还远远落后于许多欧洲及北美国家。在传统风力发电机并网技术上，基本上采用电力电子逆变技术，然而目前成熟的逆变技术大多数都应用于大型的电力系统。对于分布式能源的逆变技术还存在一些技术难点。主要是因为分布式能源的电力能源具有间歇性，且幅值和频率的波动性均较大。

2  风电系统机械变频模型

金属带式无级变速器箱体采用铝合金铸造而成，在保证机械强度的要求下具有很高的功率密度。该金属带式无级变速器使用椎盘电机、减速齿轮、螺杆螺母和碟形弹簧代替原液压系统，可提高系统效率。金属带式无级变速器主要由主动轴、从动轴、碟簧和传动金属带构成。当系统传动比稳定时，主动动椎盘、主动定椎盘、金属带、碟簧、从动定椎盘和从动动椎盘达到力学平衡。当椎盘电机正向旋转时，平衡被打破，主动推盘碟簧释放能量，主动动椎盘左移，主动椎盘间距减小，金属带在主动锥盘上的节圆半径增加，金属带在从动锥盘上的节圆半径减小，推动从动动锥盘左移，从动锥盘上的碟簧储能，达到新的力学平衡，进而使金属带式无级变速器输出转速稳定。因此，通过调整椎盘电机即可实现风力发电机频率控制。

3  控制系统理论分析

3.1  速比模型

所谓速比模型，即金属式无级变速器的传动速比模型，需要主、从动带轮的节圆半径RDR、RDN两个要素推算。其推算方式的结果为从动轮节圆半径与主动轮节圆半径的比值，当比值越大，速比越大;比值越小，速比越小。然而变速箱的主体结构不同，还需获得变速器输出轴，输出轴的转速和系统传动比。

3.2  数学模型

风力发电系统需在速比范围内控制离合器的位置，当风速在速比范围内，离合器接合;当风速在速比范围之外，离合器分开。可控制锥盘相互位置以控制速比输出，即控制锥盘电机完成风力发电机恒定频率的电能输出。锥盘电机始终处于动态运行，从最大传动比到最小传动比（或从最小传动比到最大传动比）的调速过程需要一定时间。此时主动轴动锥盘和从动轴动锥盘从静止开始加速，直至运动到正确位置。与滚轮螺母角速度不同的是椎盘电动轴的加速度受一级同步带传动和二级减速齿轮传动。两个因素影响，其角加速度即调速电机轴的角速度等于滚动螺母的调节角速度，同步带传动比与减速齿轮传动比的乘积。

4  控制系统设计

4.1  硬件设计

风力发电机金属带式无级变速器系统主要由叶片、增速齿轮、无级变速器、风力发电机和升压变压器等组成。风能经叶片转化为不稳定的发电机转速，经过增速齿轮箱升速转化为不稳定的转速，然后输入到金属带式无级变速器产生恒定转速，之后由风力发电机产生50Hz的交流电，最后经升压变压器直接并入电网。椎盘电机控制系统完成金属带式无级变速器的输入轴转速、椎盘位置、椎盘极限位置、离合器位置、箱体温度和油温等信号的采集与监测。

4.2  软件设计

风力发动机的变速器的软件控制系统控制转速传感器与椎盘位置传感器，同时采集转速信号与椎盘位置信号，自动计算出实时转速N与目标转速N1的差值，发动机正转的条件是差值大于e，反转的条件是差值小于-e。超出此范围则椎盘电机停止运行。

5  仿真调试与现场标定

（1）仿真调试。由于课题实验室与厂房距离较远，现场的调试需要大型的辅助設备来帮助变速箱来完成工作，不方便来回现场调试，因此本项目采取实验室仿真调试以及在厂房采集相关数据。锥盘位置传感器是靠锥盘在不同位置电阻值不同导致输出电压不同来给出信号，因此，在实验室里锥盘位置信号由一个小的可调电阻来代替。按电路图把所有的设备都连接好，STC单片机通过RS232数据线连接到计算机。打开STC-ISP软件把程序读入到单片机中。准备工作就绪后开始正式调试。打开信号源电源，打到X100的档位开始调整频率。大H桥正转时，电路板上LEDS会亮;反转时，LED6会亮;不转时，两盏同时亮。①信号源发出0-SOHZ内任意值，看输出频率为多少，输出频率会显示在八段码显示器上。然后调整小变阻器，使其变大，最终让LEDS和LED6同时点亮，使输出频率为48HZ-52HZ之间。②信号源发出SOHZ以上任意值，看输出频率为多少，输出频率会显示在八段码显示器上。然后调整小变阻器，使其变小，最终让LEDS和LED6同时点亮，使输出频率为48HZ-52HZ之间。③信号源发出48-52HZ任意值，看LEDS，LED6是否同时亮起，输出频率为48HZ-52HZ之间。（2）现场标定。第四章提到，需要锥盘极限位置信号，该信号值是预先设定在二甸寺中，其实就是两个电压值，靠锥盘上的接近传感器去发出信号。因此，本项目首先得标定锥盘的极限位置电压值。本次在厂房的实现目的如下：①标定锥盘的极限位置信号电压;②标定锥盘在极限位置之间任意点的速比。实验过程：进入到厂房后，用升降台把EMCVT与驱动电机连接好，接着把电路按照电路图连接上，在锥盘位置传感器终端连上万用表，以等待信号输出，实验人员在输入轴，输出轴两端等待测量转速，准备就绪后，开启驱动电机，带动变速箱开始转动，等待转速稳定好，开始采集数据。经过5组的实验，将实验数据记下，最终确定本台CVT的锥盘的极限位置的电压信号值是：最大电压信号值：4.39V;最小电压信号值：0.63V。在锥盘极限位置之间的任意值的速比见附录to根据数据资料，利用matlab软件，把数据的趋势走向描绘出来，将输入的信号值与速比值制成一个二维图形，根据图形形状可以直观的看出二者的对应关系，然后根据具体的实验数据与走向趋势，利用最小二乘法进行拟合，估测出近似表达式，建立一个完整的数学模型。通过第二次的实验数据分析可知，第二次实验获得的数据准确性更高，在进行拟合时，与拟合值进行比较来看，误差很小，所以，两组模型的建立很是成功。

6  结束语

综上所述，由理论与实验结果的结合数据表明，风力发电机采用该金属带式无级变速器系统基本满足预期目标。实现了无谐波污染与恒频控制，根据数据基础获得控制信号和速比值的线性关系。

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