变桨距风力发电机组控制系统

控制系统的执行机构 电动变桨距机构的整体结构图
研究的主要内容
1. 风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统 变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构 控制系统的执行机构 4.变桨距风力发电机组的模型 变桨距风力发电机组的模型 5. 对风力发电技术的展望
变桨距风力发电机组的模型 建模仿真是研究节距角的变化对风力机输出功率 的影响。 1.风轮的模型
变桨距系统
风机正常工作时， 风机正常工作时，主要采用功率控制
变桨距控制系统 变桨距调节方法可以分为三个阶段
开机阶段：当风电机达到运行条件时，计算机命令调节节 开机阶段 距角。第一步将节距角调到45°，当转速达到一定时，再 调节到0°，直到风电机达到额定转速并网发电 。 保持阶段：当输出功率小于额定功率时，节距角保持在 保持阶段 0°位置不变 。 调节阶段：当发电机输出功率达到额定后，调节系统即投 调节阶段 入运行，当输出功率变化时，及时调节距角的大小，在风 速高于额定风速时，使发电机的输出功率基本保持不变 。
变桨距风力发电机组的模型 3.系统线性化
风力机系统具有很强的非线性，通常在用模糊PID控制器时，需要建 立精确的数学模型，因此在建模过程中对系统进行线性化。 叶尖速比λ即为桨叶尖部的线速度与风速之比，由下式表示:
其中：n——风轮的转速r/s； ω——风轮转动角速度，rad/s; R——风轮直径，m。 对上式进行求导 ，对转矩公式进行线性化得
+ -
+ -
+
变桨 执行器 桨距角
-
变距 机构
风轮 系统
传动 系统
发电机
滤波器
风速信号 转速
同步转速
P
功率给定
+
S
+
-
功率 控制器B
转子电流 执行器
发电功率
b、功率控制器A并网后执行变桨到最大攻角，低于额定功率（额定风速）时控制 功率控制器A 功率控制器 器输出饱和，攻角最大；高于额定风速后进入恒功率控制；引入风速前馈通道， 超过额定风速后，当风速变化时起到快速补偿作用。 c、功率控制器B低于额定风速调节转差率“实现”最佳叶尖速比调节，即风速增 功率控制器B 功率控制器 加转差率增大；高于额定风速时配合功率控制器A维持功率恒定。原理是风速出 现波动时，由于变桨调节的滞后使驱动功率发生波动，调节转差率（转子电流） 使机组转速变化而维持功率恒定，利用风轮储存和释放能量维持输入与输出功率 的平衡。
变桨距控制系统 1.变桨距控制
风速 转速给定A 转速 控制器 变桨 执行器 桨距角 转速 变距 机构 风轮 系统 传动 系统 发电机
1、并网前的速度控制 速度控制器控制从启动到并网的转速控制，达到同步转速10r/min内1s并网。 进入启动状态，前馈通道将桨距角快速提高到45º，500r/min减小到5º，达到 快速启动目的；非线性环节使增益随节距角增加而减小，补偿转矩变化。
2
比定桨距风力机 额定风速低、效 率高；且不存在 高于额定风速的 功率下降问题 .
3
功率反馈控制使 额定功率不受海 拔、湿度、温度 等空气密度变化 影响
.
4
启动时控制气动 转矩易于并网； 停机气动转矩回 零避免突甩负荷
.
变桨距风力发电机组的特点
2.运行状态
由于变桨距系统的响应速度受到限制，对快速变化的风速，通过改变节 距来控制输出功率的效果并不理想。因此，为了优化功率曲线，最新设 计的变桨距风力发电机组在进行功率控制的过程中，其功率反馈信号不 再作为直接控制叶片节距的变量。
其中:J——为风轮转动惯量，单位为kgm2； ω——为风轮转动角速度，单位为rad/s； T——为风轮所吸收的气动转矩，单位为N.m； Te——为发电机的反力矩，单位为N.m；
变桨距风力发电机组的模型 风轮获取风能的公式为
转矩公式为
其中CT为转矩系数 2.桨距角的模型 其中：Tβ——时间常数，单位为秒； β——参考节距角，单位为度；
研究的主要内容
1. 风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统 变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构 控制系统的执行机构 4.变桨距风力发电机组的模型 变桨距风力发电机组的模型 5.对风力发电技术的展望 对风力发电技术的展望
变桨距控制系统 变桨距系统分为叶尖局部变距 全叶片变距 叶尖局部变距和全叶片变距 叶尖局部变距
简化上式得
研究的主要内容
1. 风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统 变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构 控制系统的执行机构 4.变桨距风力发电机组的模型 变桨距风力发电机组的模型 5.对风力发电技术的展望 对风力发电技术的展望
技术展望
风能作为清洁的可再生的绿色能源，已经受到世界各国的 普遍重视，风力发电技术也开始成为越来越多国家的研究 重点。 风力机变桨距控制技术及变桨距风力机结构研究取得了很 大进步，目前研究人员主要致力于解决通过控制桨距角使 输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡等问题。 Vestas公司推出OpiTip(最佳桨距角)风力发电机组，不但 优化了输出功率而且有效的降低的噪音。2006年BeckHoff 公司TwinCAT自动化软件PLC引领风电技术新方向。随着电 机伺服系统、储能元件、可编程控制器和系统控翩技术的 不断进步．风电变桨系统在性能上向着更加安全可靠的方 向发展。采用“交流伺服系统+超级电容”的结构有望成 为电动变桨距系统的主流技术。
节距非线性化
额定转速 速度 变化率
+
-
PID
45* 5*
+ +
转矩补偿 转速
节距指令
转速 传感器
变桨距控制系统 2.变桨距控制
速度非线性变化 节距非线性变化
速度出 节距给定
额定速度 滤波器 + -
PID 控制器
速度入
节距给定
节距及速度 PID控制器 控制器 节距
风速
转速 传感器
转速
风速
叶尖速比优化
变桨距控制系统 变桨距执行系统
变桨给定 D/A 转换器 活塞位移 电动变桨系统 变桨距 机构 桨距角
校正环节 A/D 转换器 位移 传感器
a、变桨距执行系统是一个随动系统，即桨距角位置跟随变桨指令变 化。 b、校正环节是一个非线性控制器，具有死区补偿和变桨限制功能。 死区用来补偿电动变距机构的不灵敏区，变桨限制防止超调。 c、电动变桨系统由伺服电动机，伺服驱动器，独立的控制系统，电 源，减速箱，齿盘，传感器、主控制器等组成。 d、位置传感器给出实际变桨角度。
变桨距风力发电机组控制系统的 研究
付冬梅
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1. 风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统 变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构 控制系统的执行机构 4. 变桨距风力发电机组的模型 5.对风力发电技术的展望 对风力发电技术的展望
变桨距风力发电机组的特点
1.机组的特点
1
改善机组的受力， 优化功率输出 （与发电机转差 率调节配合） .
速度控制器B受发电机转速和风速的双重控制。在达到额定值 前，速度给定值随功率给定值按比例增加。节距控制将根据 风速调整到最佳状态，以优化叶尖速比。与速度控制器A的结 构相比，速度控制器B增加了速度非线性化环节，以便控制节 距角加速趋近于0°。
变桨距控制系统
3.变桨距控制
风速 额定功率 功率 控制器A
叶尖局部变距：通常只变叶尖部分(约0.25R～0.30R)的节 叶尖局部变距 距角，其余部分翼展是定桨距的 。 全叶片变距又分为离心式变距和伺服机构驱动式变距 全叶片变距 离心式变距： 离心式变距：利用叶片本身或附加重锤的质量在旋转时产 生的离心力作为动力，使叶片偏转变距 。 伺服机构驱动式变距： 伺服机构驱动式变距：大型风电机组的变距，通常要借助 电动或液压的伺服系统使叶片旋转变距 。

ห้องสมุดไป่ตู้
研究的主要内容
1. 风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统 变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构 控制系统的执行机构 4.变桨距风力发电机组的模型 变桨距风力发电机组的模型 5. 对风力发电技术的展望
控制系统的执行机构 本系统采用的是电动变桨距机构，电动变桨距机 构可采用伺服电机对每个桨叶进行单独调节。伺 服电机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相啮合， 直接对桨叶的节距角进行控制。位移传感器采集 桨叶节距角的变化从而构成闭环控制。在系统出 现故障或控制电源断电时，电机由蓄电池等储能 装置供电将桨叶调为顺桨位置。
变桨距控制系统
变桨距控制的优点是机组起动性能好，输出功率稳定， 停机安全等；其缺点是增加了变桨距装置控制复杂性。
变桨距控制系统
在额定风速以下时，叶片攻角处于0°附近， 此时叶片角度受控制环节精度的影响，变 化范围很小等同于定桨距
在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，
调整叶片的节距角，进而改变叶片攻角，保 证发电机的输出功率在允许范围内