变浆距风力发电机组的控制系统
风机控制系统-变桨
1、驱动故障 2、接触器故障 3、编码器溢出 4、通讯故障 5……
4、带照明灯、手机、对讲机
5……
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问题讨论
1、变桨同步误差过大；（机械问题，反馈问题）
2、驱动器超温；（自然环境、电气环境） 3、电机超温；（电机本身、负载？？）
19
谢谢！
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工作原理
电动变桨系统
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工作原理
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工作原理
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原理图示意
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各部件介绍
变桨电机（选型、相关计算）
优点 缺点？
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变桨电机
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各部件介绍
驱动器、编码器、限位开关、电池（超级电容）
光电转换
轴承
安装
光栅码盘 16
部件介绍
存放 维护 检测
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变桨常见故障
常见故障以及处理方式： 安全操作： 1、风速一般不超过12米/s 2、主轴锁定销必须锁定 3、系安全带，挂安全绳
液压系统
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变桨的构成-电动变桨
系统组成： 驱动器、电机、编码器、减速机、限位开关。
优点：组合灵活、技术成熟、环境适应能力强、防沙尘、腐蚀
缺点：容量增加时电机体积变大
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工作原理
液压变桨 变桨距伺服控制系统的原理图如图1所示。变桨距控制系统由信 号给定、比较器、位置（桨距）控制器、速率控制器、D/A转换器、 执行机构和反馈回路组成。
者停机时，调节桨叶作为机组第一刹车制动。
2
变桨的类型
按照工作方式可分为：统一变桨和独立变桨； 按照动力类型可分为：液压变桨和电动变桨；（上海电气、Vestas、歌美飒、 西门子、北重……DEWIND）
风力发电机液压变桨系统简介
风力发电机液压变桨系统简介全球投入商业运行的兆瓦级以上风力发电机均采用了变桨距技术，变桨距控制与变频技术相配合，提高了风力发电机的发电效率和电能质量，使风力发电机在各种工况下都能够获得最佳的性能，减少风力对风机的冲击，它与变频控制一起构成了兆瓦级变速恒频风力发电机的核心技术。
液压变桨系统具有单位体积小、重量轻、动态响应好、转矩大、无需变速机构且技术成熟等优点。
本文将对液压变桨系统进行简要的介绍。
风机变桨调节的两种工况风机的变桨作业大致可分为两种工况，即正常运行时的连续变桨和停止（紧急停止）状态下的全顺桨。
风机开始启动时桨叶由90°向0°方向转动以及并网发电时桨叶在0°附近的调节都属于连续变桨。
液压变桨系统的连续变桨过程是由液压比例阀控制液压油的流量大小来进行位置和速度控制的。
当风机停机或紧急情况时，为了迅速停止风机，桨叶将快速转动到90°，一是让风向与桨叶平行，使桨叶失去迎风面；二是利用桨叶横向拍打空气来进行制动，以达到迅速停机的目的，这个过程叫做全顺桨。
液压系统的全顺桨是由电磁阀全导通液压油回路进行快速顺桨控制的。
液压变桨系统液压变桨系统由电动液压泵作为工作动力，液压油作为传递介质，电磁阀作为控制单元，通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距。
液压变桨系统的结构变桨距伺服控制系统的原理图如图1所示。
变桨距控制系统由信号给定、比较器、位置（桨距）控制器、速率控制器、D/A转换器、执行机构和反馈回路组成。
图1 控制原理图液压变桨执行机构的简化原理图如图2所示，它由油箱、液压动力泵、动力单元蓄压器、液压管路、旋转接头、变桨系统蓄压器以及三套独立的变桨装置组成，图中仅画出其中的一套变桨装置。
图2 液压原理图结束语液压变桨系统与电动变桨系统相比，液压传动的单位体积小、重量轻、动态响应好、扭矩大并且无需变速机构，在失电时将蓄压器作为备用动力源对桨叶进行全顺桨作业而无需设计备用电源。
直驱式永磁同步风力发电机变速变桨距控制
直驱式永磁同步风力发电机变速变桨距控制变桨距是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法。
变桨距控制会对所有由风轮产生的空气动力载荷产生影响。
直驱式永磁风力发电机组一旦达到额定转矩，载荷转矩就不能继续增加，但风速还在增加，所以转速也开始增加，应用变桨距控制调节转速，使转速不超过上限，并由变流器保证载荷转矩恒定不变。
通常PI或PID调节器调节桨距角就可以满足要求，在有些情况下要用滤波器对转速误差进行处理，以防止过度的桨距动作。
一、变速变桨距控制概述1.基本控制要求在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能捕捉较多风能，所以这时没有必要改变桨距角，此时的空气动力载荷通常比在额定风速以上时的动力载荷小，也没有必要通过变桨距来调节载荷。
在额定风速以上时，变桨距控制可以有效调节风力发电机组的吸收功率及风轮产生的载荷，使其不超出设计的限定值。
而且为了达到良好的调节效果，变桨距应该对变化的情况作出迅速的反应。
这种主动控制器需要仔细设计，因为它会与风力发电机组的动态特性相互影响。
随着叶片攻角的变化，气流对风轮的作用力也会随之发生改变，这就会导致风力发电机组塔架的振动。
随着风速的增加，为了保持功率恒定，转矩桨距角也随着增加，风轮所受到的力将会减小。
这就使塔架的弯曲减小，塔架的顶端就会向前移动引起以风轮为参照物的相对风速的增加。
空气动力产生的转矩进一步增加，引起更大的调桨动作。
显然，如果变桨距控制器的增益太高会导致正反馈不稳定。
2.主动失速变桨距在额定风速以下时，桨距角设定值应该设置在能够吸收最大功率的最优值。
按照这个原则，当风速超过额定风速时，增大或减小桨距角都会减小机组转矩。
减小桨距角，即将叶片前缘转向背风侧，通过增大失速角来调节转矩，使升力减小，阻力增加，称为主动失速变桨距。
尽管顺桨是更常见的控制策略，但是有些风力发电机组采用主动失速变桨距的方法，通常称为主动失速。
向顺桨方向变桨距比主动失速需要更多的动态主动性，一旦大部分叶片失速，就没有足够的变桨距调节来控制转矩。
00风电 Vensys变桨控制系统
DC 0V
电机 刹车
变桨逆变器AC2
UVW 变桨电机
叶 片 桨 距 角
旋转编码器
91
87
度 5度 度
限 接接
位 近近
开 开开
关 关关
四、Vensys 变桨控制系统的主要元件及工作原理
Vensys变桨控制系统主要元件
Vensys控制柜内部电源及控制检测部分:
1、变桨充电电源NG5 2、变桨变频器AC--2 3、超级电容 4、电容电压转换模块A10 5、温度传感器Pt100 6、倍福BC3150及其他模块
2.3 Vensys变桨控制系统的特点
（1）电气结构简单﹑维修工作量小; （2）采用异步电机调速，相比采用直流电机调速，在保证调速性能的前提下，避免了直流电 机存在碳刷容易磨损问题; （3）超级电容为后备电源（UPS）。当机组遇到电网突然断电或其它紧急情况停机时，变桨 伺服系统可以通过自备的超级电容（UPS） 短暂供电，使变桨系统完成顺桨及其它安全保护措 施，提高了变桨系统的可靠性； （4）PLC 组成变桨的控制系统，没有使用专用的控制器进行系统控制，提高了系统控制部件 的通用性，降低了变桨控制系统的维护难度和部件的采购难度。
Profibus DP
自动/手动切换
状态
Beckhoff I/O system
向0度变桨
向90度变桨 手动控制 状态
电压信 号
控制 A10电压/电
DC 24V DC/DC 变换
DC 24V
DC/DC 变换
温
状
控变
电
度
态
制桨
机
信
信
命速
温
号
号
令度
度
信息
风力发电机组变桨控制系统设计
风力发电机组变桨控制系统设计摘要：随着“低碳”这个名词走进人们的生活，大家对可再生能源的关注度日益增大。
随着煤、石油的大量开采，能源问题引起了世界各个国家的警惕，可再生洁净能源尤其风能开始受到人们的重视，风力发电得到了飞速发展，风力发电机在结构和控制都在逐渐完善，变桨距风力发电机组占着主导地位并将慢慢取代定桨距风力发电机组"。
本文主要研究了风电机组变桨距机构。
关键词：风力发电；变桨控制；定量控制1、绪论1.1研究背景，目的及意义1.1.1研究背景大规模利用风能等可再生能源已成为世界各国应对气候环境变化的重要议题。
从十六世纪人类利用风能抽水碾磨到二十世纪利用风能发电，从单桨叶风力发电机组到多桨叶风力发电机组，从垂直轴风力机到1957年第一台200kW水平轴并网风力发电机组的诞生，人类开发利用风能的技术取得了长足的进步。
目前，风力发电技术相对成熟，具备了大规模商业开发的条件，因此受到各国的普遍重视，已经逐步发展成为成熟的产业l。
截止到2010年底，世界各国风力发电机组装机总容量已超过196，630MW，是2000年的12倍。
十年来，全球风力发电的年平均增长率一直保持在29%左右，2010年仅新增装机容量就达37，580MW。
在风能资源开发技术方面，使国内风力发电机组的设计、制造和技术管理运营达到国际水平。
为此，国家积极出台多项可再生能源法，为发展风力发电等新能源提供了政策上的保障。
当前，发展风电的趋势已势不可挡，风电产业正在迎接一个新的发展时期。
目前风力发电技术的主要发展方向是，研究如何提高风力发电机组单机的装机容量、机组的发电效率和系统的可靠运行等几方面。
随着机组单机容量的不断增大，对风力发电系统变桨、变速调节技术，因其在不同风况时能够获得更高的风能转换效率，可以更好的稳定系统能量输出，且摆脱并网要求对机组的转速限制，因而逐渐占据了风力发电的主导地位。
1.1.2研究目的和意义为了在发展中既能提高经济效益，又能降低单位千瓦成本，风力发电机组单机容量正向着大型化的方向改进。
变桨系统
变桨开关电源NG5
• 型号：Zivan Battery Charger NG5 • 输入电压：400VAC(+/-15%) • 输出电压：60VDC • 输出电流：80ADC 优点： • 效率高； • 体积小； • 充电时间短； • 充电不受交流电源变化的约束； • 能够提供理想的充电曲线。
• • • • •
电 机 温 度
DC 60V 开关电源 U 电源开关 DC 0V
变桨逆变器 叶 片 桨 距 角
V
W
电 机 刹 车
电机 转速 反馈
变桨电机
旋转编码器 90 度 限 位 开 关 0 度 接 近 开 关
变桨控制系统实现风力发电机组的变桨控制，在额定功率以上通过控制叶片桨 距角使输出功率保持在额定状态。变桨控制柜主电路采用交流--直流--交流回 路，由逆变器为变桨电机供电，变桨电机采用交流异步电机，变桨速率由变桨 电机转速调节。 每个叶片的变桨控制柜，都配备一套由超级电容组成的备用电源，超级电容储 备的能量，在保证变桨控制柜内部电路正常工作的前提下，足以使叶片以 7°/s的速率，从0°顺桨到90°。当来自滑环的电网电压掉电时，备用电源直 接给变桨控制系统供电，仍可保证整套变桨电控系统正常工作。相比密封铅酸 蓄电池作为备用电源的变桨系统，采用超级电容的变桨控制系统具有下列优点： a、充电时间短； b、交流变直流的整流模块同时作为充电器，无须再单独配置充放电管理电路； c、超级电容随使用年限的增加，容量减小的非常小； d、寿命长； e、无须维护； f、体积小，重量轻等优点； g、充电时产生的热量少。
BC3150有一个 PROFIBUS-DP 现场总线接口，可在 PROFIBUS-DP 系统中作为智能从站使用。 “紧凑型”总线端子控制器 BC3150 比较小巧而且经济BC3150 通过 K-BUS 总线扩展技术，可连接 多达 255 个总线端子。 KL1104 数字量输入端子从现场设备获得二进制控制信号，并以电隔离的信号形式将数据传输到 更高层的自动化单元。每个总线端子含 4 个通道，每个通道都有一个 LED 指示其信号状态。 KL2408（正极变换）数字量输出模块将自动化控制层传输过来的二进制控制信号以电隔离的信 号形式传到设备层的执行机构。 KL2408有反向电压保护功能。其负载电流输出有过载和短路保护功 能。每个总线端子含 8 个通道，每个通道都有一个 LED 指示其信号状态。 KL3404模拟量输入端子可处理 -10 V 和 +10 V 或 0 V 和 10 V 范围的信号。分辨率为 12 位，在 电隔离的状态下被传送到上一级自动化设备。在 KL3404总线端子中，有 4 个输入端为 2 线制型，并 有一个公共的接地电位端。输入端的内部接地为基准电位。
风力发电机组变桨系统分析
目录摘要： (2)一、变桨系统论述 (2)（一）变桨距机构 (2)（二）电动变桨距系统 (3)1. 机械部分 (4)2. 气动制动 (5)二、变桨系统 (5)（一）变桨系统的作用 (5)1. 功率调节作用 (5)2. 气动刹车作用 (5)（二）变桨系统在轮毂内的拓扑结构与接线图 (7)三、变桨传感部分 (9)（一）旋转编码器 (9)（二）接近开关 (10)四、变桨距角的调节 (11)（一）变桨距部分 (11)（二）伺服驱动部分 (12)总结 (14)参考文献： (14)致谢 (15)风力发电机组変桨系统分析摘要：风能是一种清洁而安全的能源,在自然界中可以不断生成并有规律得到补充,所以风能资源的特点十分明显,其开发利用的潜力巨大。
本文对大型的兆瓦级风力发电机变桨系统做简单的介绍。
变速恒频技术于20世纪90年代开始兴起，其中较为成功的有丹麦VESTAS的V39/V42-600KW机组和美国的Zand的Z-40-600KW机组。
变速恒频风力发电机组风轮转速随着风速的变化而变化，可以更有效地利用风能，并且通过变速恒频技术可得到恒定频率的电能。
变速恒频机组的显著优点已得到风力机生产厂和研究机构的普遍承认，将成为未来的主流机型。
但变速恒频风力机组仅通过电机自身调节要达到减小风速波动冲击的目的是很困难的，因为自然界中风速瞬息万变，特别是在额定风速以上工况，风力机有可能受到很大的静态或动态冲击。
但是变桨风机不会产生此类情况，变桨距是指大型风力发电机安装在轮毂上的叶片借助控制技术和动力系统改变桨距角的大小从而改变叶片气动特性，使桨叶和整机的受力状况大为改善。
近年来，电动变桨距系统越来越多的应用到风力发电机组当中，直驱型风力发电机组为变桨距调节型风机，叶片在运行期间，它会在风速变化的时候绕其径向轴转动。
因此，在整个风速范围内可能具有几乎最佳的桨距角和较低的切入风速，在高风速下，改变桨距角以减少功角，从而减小了在叶片上的气动力。
风力发电机组变桨距控制关键技术的研究的开题报告
风力发电机组变桨距控制关键技术的研究的开题报告1. 研究背景和意义随着国内外环保意识的提高，可再生能源的利用越来越受到重视。
而风力发电是一种具有广泛应用前景的可再生能源，具有资源丰富、无污染、适应性强等特点。
风力发电机组是风力发电技术中的核心部件，其效率和可靠性直接影响着风力发电的经济性和可行性。
然而，受天气等自然条件的影响，风力发电机组往往存在着功率输出不稳定的问题，为解决这一问题，风力发电机组变桨距控制关键技术的研究显得尤为重要。
2. 研究内容和目标本课题旨在对风力发电机组变桨距控制关键技术进行深入研究，以提高风力发电机组的功率输出稳定性和可靠性。
具体研究内容如下：（1）分析和比较不同的变桨距控制方式；（2）设计适用于风力发电机组的变桨距控制系统；（3）开展仿真实验并验证控制系统的性能。
研究目标包括：（1）掌握风力发电机组变桨距控制的基本理论和方法；（2）设计出性能优异的变桨距控制系统；（3）提高风力发电机组的功率输出稳定性和可靠性。
3. 研究方法和步骤本课题将采用以下研究方法和步骤：（1）文献调研：对变桨距控制及其相关领域的文献进行详细的调研和分析，了解该领域的最新进展和研究现状。
（2）技术分析和比较：对不同的变桨距控制方式进行比较和分析，找出其中的优点和缺点，在此基础上确定最适合风力发电机组的变桨距控制方式。
（3）系统设计：设计适用于风力发电机组的变桨距控制系统，包括硬件设计和软件设计。
（4）仿真实验：利用MATLAB等仿真软件对所设计的变桨距控制系统进行仿真实验，并进行性能验证和优化。
（5）实验验证：利用风力发电机组进行实验验证，并对实验数据进行分析和处理。
4. 项目进度安排本课题的项目进度安排如下：（1）文献调研和技术分析：1个月；（2）系统设计和仿真实验：4个月；（3）实验验证：2个月；（4）论文撰写和答辩准备：1个月。
5. 预期成果及意义通过本课题的研究，预期取得以下成果：（1）深入研究了风力发电机组变桨距控制关键技术，并设计了一套性能优异的变桨距控制系统；（2）提高了风力发电机组的功率输出稳定性和可靠性；（3）对风力发电技术的推广和发展做出积极贡献；（4）撰写了一篇高水平的论文，发表在相关领域的国内外权威期刊或会议上。
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变浆距风力发电机组的控制系统
【摘 要】风能作为一种可再生能源受到全球越来越多的关注，本文就变桨
距风力发电机组的控制系统进行了分析，发现采用新型控制系统后，保持了发电
机功率的稳定输出，减少了风机不稳定功率对电网的影响。
【关键词】额定功率；变距控制；速度控制；功率控制
21世纪，风力发电机组的可靠性已经不是问题。与定桨距风力发电机组相
比，变桨距风力发电机组具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。所以变桨
距机组适合于额定风速以上风速较多的地区，这样发电量的提高比较明显。
1 变桨距风力发电机组的控制系统
新型变桨距控制系统框图如图1所示。
在发电机并入电网前，发电机转速由速度控制器A根据发电机转速反馈信
号直接控制；发电机并入电网后，速度控制器B与功率控制器起作用。功率控
制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线，调整发电机转差率，并
确定速度控制器B的速度给定。
2 变距控制
变距控制系统是一个随动系统，其控制过程如图2所示。
变桨距控制器是一个非线性比例控制器，它可以补偿比例阀的死带和极限。
变距系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号经D/A转换后变成电
压信号控制比例阀，驱动液压缸活塞，推动变桨距机构，使桨叶节距角变化。活
塞的位移反馈信号由位移传感器测量，经转换后输入比较器。
3 速度控制
变桨距风力发电机组的速度控制包括两个部分，即：速度控制A和B。
3.1 速度控制A（发电机脱网状态）
转速控制系统A在风力发电机组进入待机状态或从待机状态重新起动时投
入工作，在这些过程中通过对节距角的控制，转速以一定的变化率上升。控制器
也用于在同步转速时的控制。当发电机转速在同步转速±10r/min内持续1s发电
机将切入电网。发电机转速通过主轴上的感应传感器测量，每个周期信号被送到
微处理器作进一步的处理，以产生新的控制信号。
3.2 速度控制B（发电机并网状态）
发电机并入电网后，速度控制系统B起作用。速度控制系统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。
额定的速度给定值是1560r/min，相应的发电机转差率是4%。如果风速和功率输
出一直低于额定值，发电机转差率将降低到2%，节距控制将根据风速调整到最
佳状态，以优化叶尖速比。
如果风速高于额定值，发电机转速通过改变节距来跟踪相应的速度给定值。
功率输出将稳定地保持在额定值上。在风速信号输入端没有低通滤波器，节距控
制对瞬变风速并不响应。
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。这
一特性增加了小转差率时的增益，以便控制节距角加速趋于0。
4 功率控制
为了有效地控制高速变化的风速引起的功率波动，新型的变桨距风力发电机
组采用了RCC技术。通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机转差率，
从而改变风轮转速，吸收由于瞬变风速引起的功率波动。
功率控制系统如图5所示。
该控制系统由功率伺服环（内环）和通过测量转速产生功率参考曲线（外环）
两部分构成，称为双闭环控制。
外环，是转速控制环，使输出交流电频率控制在50Hz。
内环，也就是功率控制环，实际上是一个发电机转子电流控制环。转子电流
控制器由快速数字式PI控制器和一个等效变阻器构成。它根据给定的电流值，
通过改变转子电路的电阻来改变发电机的转差率。在额定功率时，发电机的转差
率能够从1%到10%变化（1515～1650r/min），相应的转子平均电阻从0到100%
变化。当功率变化时，PI控制器迅速调整转子电阻，使转子电流跟踪给定值。
如果从主控制器传出的电流给定值是恒定的，它将保持转子电流恒定的，从而使
功率输出保持不变。与此同时，发电机转差率却在作相应的调整以平衡输入功率
的变化。如图6所示。
转子电流控制器的动作时间在毫秒级以下，变桨距机构的动作以秒计，因此
在短暂的风速变化时，仅仅依靠转子电流控制器的控制作用就可保持发电机功率
的稳定输出，减少对电网的不良影响；同时也可降低变桨距机构的动作频率，延
长变桨距机构的使用寿命。
5 结论
对风力发电机组的控制系统进行了分解和分析，对变浆控制、速度控制和功
率控制分别进行了简单研究，发现采用新型控制系统后，保持了发电机功率的稳
定输出，减少了风机不稳定功率对电网的影响，（下转第262页）（上接第236
页）降低变桨距机构的动作频率，延长了变桨距机构的使用寿命。
【参考文献】
［１］廖明夫,R.Gasch,J.Twele.风力发电技术[M].西北工业大学出版社,2009.
［２］王承煦,张源.风力发电[M].中国电力出版社,2008.
［３］国家能源局.中华人民共和国能源行业标准：NB/T 31018-2011 风力发
电机组电动变桨控制系统技术规范[M].中国电力出版社,2011.
［４］霍志红,郑源.风力发电机组控制技术[M].中国水利水电出版社,2010.