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风力发电系统机械变频控制技术

文档作者：赵阳阳杨秀敏王森文档来源： 1．沈阳工程学院电力学院 2．沈阳工程学院自		点击数：	更新时间： 2021年10月10日
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第50卷
2017年
第9期
9月
Vo1．5O．No．9
Seo．2017
风力发电系统机械变频控制技术
赵阳阳 ，杨秀敏 ，王 森
(1．沈阳工程学院电力学院，沈阳110136；2．沈阳工程学院自动化学院，沈阳110136)
摘要：以风力发电系统为研究对象，提出将金属带式无级变速器用于风机输出电能的频率调节。给出风力发电系
统的金属带式无级变速器物理模型和调节原理；建立相应机械变频速比模型和控制系统数学模型。完成风力发电机
械变频控制系统硬件设计和软件设计。通过实验分析，风力发电机系统输出频率为50Hz，证明机械变频机理的正
确性。
关键词：风力发电；机械变频；金属带；无级变速；恒频
中图分类号：TM315；TP273 文献标志码：A 文章编号：1001—6848(2017)09-0059·04
Control Technology of W ind Power System Based on M echanical
Frequency Conversion
ZHAO Yangyang ，YANG Xiumin ，WANG Sen
(1．School ofElectric Power，Shenyang Institute ofEngineering，Shenyang 110136，China；2．School of
Automation，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 1 10136，China)
Abstract：Taking the wind power system as a research，the metal belt continuous variable transmission
(CVT)was put forward to adjust the power~equency of wind driven generator．The physical model and ad—
justment principle of metal belt CVT in wind power system were given，while both mechanical~equency conversion
speed ratio model and control system mathematical model were established．In mechanical frequency
conversion control system of wind driven generator，the design of hardware and software was finished．Based
on the experimental analysis，the output frequency of wind power system is 48 Hz，which verified the cor—
rectness of mechanical frequency conversion mechanism．
Key words：wind power system；mechanical frequency conversion；metal belt；continuous variable trans—
mission；constant frequency
O 引 言
目前风力发电装机容量逐年提高，发展前景广
阔。由于风速不稳定，风力发电机发电频率和发电容
量不定，不利于风机并网。为解决此问题，风力发电
机系统多采用整流和逆变技术，以产生工频交流电。
但电力电子装置会产生谐波，给电气设备通讯带来不
利影响，甚至会导致设备绝缘老化和产生谐波损耗。
近年来，机械无级变速技术逐渐成熟，风力发电系统
采用该技术具有发电频率稳定、无谐波、传动效率高
等优点，其中，金属带式无级变速器可实现连续传动
比变化，传动效率高且动力学性能良好。
国内外学者对机械无级变速器的研究主要集中于
汽车传动领域，研究重点主要在CVT电液控制系统控
制策略上，如cVT液压非线性补偿控制，PID控制和
模糊控制等¨ 。Y．Hasuda等将速比和转速分开分析
和控制，设计速比控制的无级变速器和转矩控制的无
级变速器 J。W．Ryu、H．Kim等通过研究速比控制的
效率损失，提出改进式速比MAP图，系统效率提高
4．9％ 。Heera Lee、Hyunsoo Kim等提出CVT线压
力控制策略 4引。程乃士对CVT电液控制系统进行研
究，采用状态方程形式建立变速器液压控制系统的数
学模型 J。2001年，周云山将传动比和带轮夹紧力作
为CVT的控制目标，建立液压控制系统的模糊控制数
收稿日期：2016—12—23
基金项目：辽宁省教育厅项目(L2015375)
作者简介：赵阳阳(1990)，男，硕士研究生，研究方向为特种电机及系统设计。
作者简介：杨秀敏(1963)，女，教授，硕士研究生导师，研究方向为电力电子与新能源发电技术，计算机测控技术。
· 6D· |lI I||^ 5O卷
学模型 7 3。2003年，薛殿伦系统的提出电控系统硬件
构成、软件程序流程及系统设计方法，运用模糊控制
理论进行速比控制，通过实验发现，控制系统能实现
离合器与速比的控制 』。2006年，张友坤设计可用作
夹紧力控制阀的数字调压阀，经大量的实验表明，该
数字调压阀的控制精度和可靠性高，能满足cVT电液
控制系统的要求 J。2007年，周云山把DCM．PID串
级控制算法应用于速比控制，结果表明该算法能有效
抑制常规PID速比跟踪中的波动问题，可提高系统的
静态性能指标 。2008年起，张镭陆续发表CVT控
制模型与控制策略方面的论文，采用比例阀实现对锥
盘夹紧力的控制，将节气门的模糊识别与PID控制等
策略应用在速比控制系统中¨ 。
本文以金属带风力发电系统为研究对象，建立金
属带无级变速器风力发电系统速比模型和控制系统数
学模型。完成控制系统硬件原理设计和软件设计。实
验结果验证风电系统机械变频机理的正确性。
1 风电系统机械变频模型
机械变频风力发电机采用金属带式无级变速器即
纯电子式无级变速器进行电能的频率控制。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。
金属带式无级变速器机械结构如图1所示。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。
图1 无级变速器机械结构原理图
2 控制系统理论分析
2．1 速比模型
根据主、从动带轮的节圆半径R。 、R。 可确定
金属带式无级变速器的传动速比。当从动轮达到最
小节圆半径，主动轮有最大节圆半径，金属带式无
级变速器速比最小；当从动轮有最大节圆半径，主
动轮有最小节圆半径时，金属带式无级变速器速比
最大。金属带式无级变速器速比为
=
RND
(1)
根据变速箱的主体结构，需获得金属带式无级
变速器输出轴、输入轴的转速和系统传动比，则系
统实际速比为
b：_r1 (2)
r2
式中，r。为输入转速；r 为输出转速；i为减速齿轮
传动比；b为实际传动比。
2．2 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。主动
轴动锥盘和从动轴动锥盘的运动关系为
2s1MAs
丁
2 (3)
s2MAx
如 丁
式中，8 s 分别为主、从动轴动锥盘的最大
位移； 、 分别为主、从动轴动锥盘的加速度。
滚动螺旋的调速螺母和主动轴动锥盘的运动情
况相同，滚动螺旋传动螺杆和螺母的啮合把旋转运
动转换成直线运动。对滚动螺旋运动分析可得：
O
—J
gdlm - ㈩
式中，滚动螺旋的调速螺母的角速度和角加速度分
别为09础 ， 鲫 ；滚动螺旋的导程为P 。
锥盘电机轴传递运动经过一级同步带传动和两
级减速齿轮传动，经分析可以得出调速电机轴的角
9期 赵阳阳等：风力发电系统机械变频控制技术 ·6J ·
加速度为
： O
‘
)gdlm oi1i2 (5)
式中，同步带传动的传动比为i。；减速齿轮的传动
比分别为 ；齿轮到调速螺母的传动比为i 。可进
一步推出锥盘电机轴的角加速度为
： 1 ,0~。
∞ — 1 ‘：2 (6o )
h
3 控制系统设计
3．1 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，如图2所示。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。
图2 硬件原理图
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。通过调
节电位器电压，椎盘电机控制系统发出控制指令，
通过光耦对功率驱动电路有效快速控制，完成椎盘
电机正反转调速，实现速比控制。
3．2 软件设计
当控制系统完成初始化后，输入转速传感器开始
采集输入转速信号，同时，锥盘位置传感器采集锥盘
位置信号，系统会算出即时输出转速Ⅳ1，然后与目标
转速Ⅳ作比较，当Ⅳ 一N>e时，椎盘电机正转；当
Ⅳ。一N<一e时，调速电机反转；当ⅣI—N>

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