Windenergie, als unerschöpfliche, saubere und schadstofffreie erneuerbare Energiequelle, hat weltweit große Aufmerksamkeit für ihre Entwicklung und Nutzung erfahren. Als eines der windreichen Länder hat mein Land rasche Fortschritte bei der Lokalisierung von Windkraftanlagen erzielt. Im Zeitraum des Neunten Fünfjahresplans wurde eine Lokalisierungsrate von 96 % für 600-kW-Windkraftanlagen erreicht und die Schlüsseltechnologie für ein Steuerungssystem für 600-kW-Windkraftanlagen mit Stall-Technologie erfolgreich entwickelt. Derzeit führen wir das nationale Projekt 863 „Elektrisches Steuerungssystem für drehzahlvariable Windkraftanlagen mit konstanter Frequenz im Megawattbereich“ durch, und die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten schreiten aktiv und erfolgreich voran.
Im Vergleich zu Windkraftanlagen, die zum Strömungsabriss neigen, liegt ein wesentlicher Vorteil von drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Windkraftanlagen in ihrer stabilen Leistungsabgabe oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit. Beim Betrieb oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit müssen diese Anlagen eine stabile Leistungsabgabe oberhalb des Nennleistungspunktes gewährleisten und Schwankungen vermeiden. Gleichzeitig müssen eine hohe Flexibilität des Antriebssystems und ein effektiver Schutz der Turbine sichergestellt werden. Unsere drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Windkraftanlagen der Megawattklasse nutzen derzeit primär die Blattverstellung. Diese Technologie passt die Blattverstellung bei hohen Windgeschwindigkeiten an, wodurch der Anströmwinkel auf die Blätter verändert und somit das von der Turbine erzeugte aerodynamische Drehmoment angepasst wird, um eine stabile Leistungsabgabe zu gewährleisten. Diese Regelungsstrategie nutzt ein geschlossenes Regelsystem mit Leistungsrückkopplung, um das Regelungsziel oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit für die drehzahlvariable Konstantfrequenz-Turbine zu erreichen.
Einführung in den Tonhöhensteuerungsmechanismus
Der Blattverstellmechanismus besteht aus mechanischen und hydraulischen Systemen, die die Rotorblätter der Windkraftanlage entlang ihrer Längsachse verstellen. Da die Rotorblätter ein hohes Trägheitsmoment aufweisen und der Blattverstellmechanismus nicht zu viel Energie verbrauchen darf, ist seine Leistungsfähigkeit begrenzt. Seine dynamischen Eigenschaften zeigen ein nichtlineares Verhalten mit Sättigungsgrenzen sowohl für den Blattwinkel als auch für die Blattverstellgeschwindigkeit. Unterhalb dieser Sättigungsgrenzen verläuft die Blattverstellung linear. Der Blattverstellmechanismus ist in Abbildung 1 dargestellt.
Das Aktuatormodell beschreibt die Dynamik zwischen dem vom Regler vorgegebenen Nickwinkel-Sollwert und dessen Umsetzung. Das zugehörige mathematische Modell lässt sich wie folgt beschreiben: Im realen Regelsystem entspricht der vorgegebene Wert der Steuerspannung für die Nickwinkelabweichung am Proportionalventil und liegt im Bereich von -10 V DC bis +10 V DC.
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Controller-Design
Die Hauptaufgabe dieses Reglers besteht darin, eine konstante Ausgangsleistung durch Anpassung des Blattverstellwinkels zu gewährleisten. Wie in Abbildung 2 dargestellt, wird die aktuelle Generatorleistung P mittels Leistungserfassung gemessen. Im Vergleich zur vorgegebenen Leistung P* wird der Leistungsfehler ΔP berechnet. Diese Leistungsabweichung dient als Eingangsgröße für den PID-Regler. Der Regler erhält vom Benutzer einen Sollwert für den Blattverstellwinkel β* und berechnet anschließend den aktuellen Blattverstellwinkelfehler Δβ = β* - β (aktueller Blattverstellwinkel β). Die Blattverstellrate wird dann anhand der Parameter des Blattverstellmechanismus bestimmt. Der Soll-Blattverstellwinkel ist auf den Bereich von 0° bis 92° begrenzt. Innerhalb dieses Bereichs passt der Regler die Windkraftanlagenblätter entsprechend den neuen Blattverstellanforderungen an. Der Kasten in Abbildung 2 zeigt den PID-Regler. Die stabilen Wertebereiche der Proportional-, Integral- und Differenzialverstärkungen Kp, Ki und Kd werden durch das Routh-Stabilitätskriterium der in der Abbildung dargestellten Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises bestimmt. Die spezifischen Werte der Proportional-, Integral- und Differenzialverstärkung werden durch Simulation ermittelt, wobei das Prinzip gilt, die Leistungsabgabe der Windkraftanlage auf der Nennausgangsleistung zu halten.
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Simulationsergebnisse
Wie in Abbildung 3 dargestellt, zeigen die Simulationsergebnisse Folgendes:
1) Die Änderungsrate des Nickwinkels variiert innerhalb des vom Hydrauliksystem vorgegebenen Bereichs von -5°/s bis +5°/s.
2) Die Änderung des Nickwinkels β folgt dem gleichen Trend wie die Änderung der Windgeschwindigkeit v. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit v steigt der mittlere Nickwinkel β; umgekehrt sinkt der mittlere Nickwinkel β mit abnehmender Windgeschwindigkeit v.
3) Die sich ändernden Trends der momentanen Leistung, die von den Windkraftanlagenflügeln aufgenommen wird, Pmech, und des Windenergienutzungskoeffizienten Cp zeigen, dass die Änderung des Anstellwinkels β die momentane Leistung, die von den Flügeln aufgenommen wird, Pmech, begrenzt und die Flügel mit einem geringeren Wirkungsgrad arbeiten.
4) Die Generatorausgangsleistung Pe kann durch Änderung des Steigungswinkels β stufenlos um die Nennleistung variiert werden, wodurch eine konstante Leistung aufrechterhalten wird.
5) Die Schwankung der Generatordrehzahl wird durch (Pmech-Pe) und die Trägheit der Einheit beeinflusst.
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Implementierungsmethode
Da das elektrische Steuerungssystem des Windkraftgenerators in rauen Umgebungen und unter starker elektromagnetischer Beanspruchung arbeitet, sind die Anforderungen an seine Zuverlässigkeit und Störfestigkeit sehr hoch. Daher haben wir die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) der Siemens S7-300-Serie (CPU: 315-2DP) als Kern des gesamten Steuerungssystems gewählt. Die S7-300-Steuerung verfügt über die integrierte Funktion „CONT_C“ für einen kontinuierlichen PID-Regler. Im praktischen Einsatz genügt es, „CONT_C“ aufzurufen und die entsprechenden Parameter einzustellen. Ein Beispielprogramm für die Verwendung von „CONT_C“ ist im Folgenden dargestellt:
I_ITL_ON：=
D_SEL：=
ZYKLUS:=
SP_INT:="DB8"． an_power_set ∥ Leistungssollwert
PV_IN:="DB3"． an_power ∥ Generatorausgangsleistung
PV_PER :=
MANN :=
GAIN :="DB8". GAINl ∥ Proportionalitätskonstante
TI :="DB8"． TI1 ∥ Integrale Konstante
TD :="DB8". TD1 ∥ Differentialkonstante
TM_LAG :=
DEADB_W:="DB8". an_deadband1 ∥ Totzone der Leistungsregulierung
LMN_HLM:="DB8" ∥ Ausgabe des oberen Grenzwerts des Propellersteigungswinkels
LMN_LLM:="DB8" ∥ Unterer Grenzwert des Ausgabe-Nickwinkels
PV_FAC :=
PV_OFF:=
LMN_FAC:=
LMN_OFF:=
I_TLVAL：=
DISV :=
LMN :="DB8". out_pitch ∥ Referenz-Pitchwinkel des Ausgangs
LMN_PER:=
QLMN_HLM:=
Das Ablaufdiagramm des Systemprogramms sieht wie folgt aus:
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