0．引言
風力發電具有低碳環保、系統控制可靠、單機容量大等特點，目前已成為電力系統新興的重要發展趨勢之一。隨著風電技術的發展和風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，是當前大型風力發電機組面臨的挑戰。
受風剪切、風湍流、塔影效應、偏航誤差等因素的影響，會在風力發電機組葉輪上產生不均衡載荷，且風輪直徑越大越明顯。這些不平衡載荷會給輪轂、主軸、偏航軸承、塔架等風機關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。通過減小風電機機組關鍵部件的載荷，以減輕這些關鍵部件的重量，并提高設備的可靠性和延長使用壽命，是降低風力發電機組成本的有效途徑。
1．獨立變槳控制技術
獨立變槳控制技術可基于不同載荷的測量實現，主要有基于葉根載荷、主軸載荷、輪轂載荷或塔架載荷實現。目前測量槳葉葉根載荷是最容易實現的，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的獨立變槳控制技術，成功應用于兆瓦級風力發電機組。
獨立變槳控制的基本工作原理是在統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獲得3個葉片根部平面My彎矩信號，通過坐標變換方法轉換成傾覆和偏航方向的信號，再經過相關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
光纖載荷監測系統主要包括光纖信號采集、光學數據處理、通訊、傳感器串等。系統通過光學數據的處理，計算出被測量點的應變、溫度。在每支葉片的葉根后緣(TE)、前緣(LE)、迎風面((CS)和背風面(SS)處安裝一個應變和溫度傳感器，溫度傳感器用于對相應測量點的應變傳感器的溫度補償。光纖載荷監測系統通過對粘貼安裝在葉片根部的光柵應變傳感器的光譜信號進行實時監測，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
光纖載荷測量系統設備包括一個光纖傳感器解調儀，12個應變傳感器和12個溫度補償傳感器。
3. 葉根載荷測量系統安裝
獨立變槳根據葉根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 葉片光柵應變傳感安裝位置
圖4 葉根載荷測量系統現場安裝情況
4. 光柵應變傳感器標定
光柵應變傳感器安裝后，由于不同葉片材料和剛度不同，在相同彎矩作用下，葉片根部產生的形變不同，因此傳感器安裝后，還需進行標定。
為消除風載的影響，要求在風速小于5m/s的工況下，槳葉處于水平位置，鎖定風輪，設置槳葉以穩定的速率如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 葉根光柵應變傳感器波長變化曲線
根據葉根光柵應變傳感器波長變化，可以標定光柵應變傳感器的初始波長。如表1所示。
表1 槳葉1光柵應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變。如圖6所示。
圖6 葉根擺陣和揮舞方向微應變曲線
依次完成槳葉1、槳葉2和槳葉3的標定后，參考葉片的質量和和質心等參數，通過葉根擺陣和揮舞方向的應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和面外方向的彎矩。如風輪面內面外彎矩圖7、圖8所示。
圖7 葉根風輪面內載荷
圖8 葉根風輪面外載荷
5．應用案例
本文應用案例為某風電場運行的變速恒頻雙饋型風電機組，額定功率為1.5MW，發電機額定轉速為1735 rpm。葉片長度為93m，齒輪箱變比為104.08。
5.1. 現場運行驗證
為了驗證獨立變槳的運行效果，本次測試選擇風速相近的情況下投入和不投入獨立變槳功能的運行數據。具體的運行效果如下。IPC為獨立變槳控制，CPC為統一變槳控制。
圖9 風機風速信號對比
正常狀態下，當機組在額定風速以上運行時，獨立變槳功能才投入使用，所以選取的是兩段實際風速在額定風速以上的運行數據。現場測試時，如果風速達不到，也可以在較低風速下限功率運行對比。
圖10 風機發電機轉速信號對比
圖11 風機槳角信號對比
由圖11可知投入獨立變槳功能后，變槳動作明顯加劇。
圖12 風機槳角信號對比放大圖
圖13 風機葉根面內載荷信號對比
由圖13可知獨立變槳對風輪面內載荷基本無影響。
圖14 風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部件1P載荷分量和非旋轉部件低頻載荷分量。
6．總結
由測試數據可知，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、塔架等關鍵部位的載荷數據，無法驗證獨立變槳功能對這些部件的載荷影響。從風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力發電機機組降載明顯，達到了預期效果。
在統一變槳控制基礎上發展起來的獨立變槳控制系統，對每支葉片進行獨立且有規律的槳角控制，可以有效解決槳葉、風輪和塔架等部件的載荷不均勻問題，具有結構緊湊簡單、易于施加各種控制、可靠性高等優勢，越來越受到國際風電市場的歡迎。兆瓦級變速恒頻變槳距風電機組是目前國際上技術較先進的風力機型，從長期發展的看，獨立變槳系統是今后一個時期內風電發展的必然趨勢。
參 考 文 獻
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