风电机组独立变桨距控制策略研究

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风力发电机独立变桨控制技术系统级优化研究

定值由电机转速信号控制转速控制器按一定的斜率速度上升．给出速度参考值．变桨距系统根据此值调整桨距角从而进行速度控制。当风力发电
是一个非线性时变的反馈系统风力发电机的参
大的应力施加在风力发电机的叶片和塔架上．导
令ｅ＝（ｅｌ，ｅ， … ｅ，），选定以下Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数
Ｖ（ｅ，）＝ ∑ （ｔ）Ｔｐｅ，（）＋Ｉｒ［（Ａ－Ａｆ（））～ｍ
２控制算法设计
良好的抗干扰和鲁棒控制性能使得ＭＲＡＣ在
（７）
【Ｐ（￡）（ｔ）一Ｆ～Ａ（ｔ）＝０
ｌＸ（０）：ＸＭｉ０式中：Ｘ ∈Ｒｍ为该模型的状态向量；Ｕ ∈Ｒ一为该
利用变速恒频控制技术根据风速相应地控制发电机转速．这样可以使风力发电机工作在最佳功率捕捉状态。在该控制过程中．不断追踪最佳功率．实际上就是要求风能利用系数最大。当风速高于额定风速．由于风力发电机的机
其中
ｆ
机输出功率大于额定功率时．通过增大桨距角．减小风力发电机的输出功率使之维持在额定功率：当输出功率小于额定功率时．通过减小桨距角使风力发电机的输出功率维持在额定功率【

风力发电的变桨距控制研究

（2）独立驱动变桨距系统。这种变桨距系统在现代风力发电机组中采用的较为普遍。其特点是三只叶片的驱动由三个相同的驱动装置驱动，三只叶片的桨距角调节是相互独立的。它需要三套相同的控制系统，成本较高，但结构紧凑，控制灵活，可靠，安全冗余度大。独立驱动变桨距系统分为独立电动机驱动变桨距系统和独立液压变桨距系统。由于独立变桨距的可靠性高，控制灵活等优点，目前市场上大多采用独立变桨距控制系统。
二风力发电的控制系统介绍
2.1控制系统的重要性
风电机组的控制系统是一个综合控制系统。它不仅要监视电网，风况和机组运行参数，对机组运行进行控制；而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。图2.1是风电机组工作原理图。
图2.1风电机组工作原理的框图
风力发电控制系统在风力发电系统中需要解决的基本矛盾是如何在风速变化的情况下,获得较稳定的电压输出,以及如何解决无风时的用电问题。既要考虑到风能的特点,又要考虑到用户的需要,达到实用、可靠、经济的运行效果,关键环节之一就是要有一个稳定、可靠、功能齐全的控制系统。控制系统在风电机组中的作用犹如人的大脑，进行风力发电机组的运行管理。
3.2.1（电动）变桨距执行机构
狭义的变桨距执行机构是指直接控制叶片转动部分的机械装置。现在常见的变桨距执行机构有下面几种。
（1）平行轴齿轮驱动
多用于分散控制电动变桨距系统。驱动伺服电动机通过行星齿轮减速器，在减速器的输出轴上装有驱动内齿圈的直齿轮，从而实现变桨距控制。MW及以上大型风力发电机组多采用这种结构。图3.2为平行轴齿轮结构。
2.2.3制动控制
当转速超越上限发生飞车时，发电机自动脱离电网，桨叶打开实行软刹车，液压制动系统动作，抱闸刹车，使桨叶停止转动，调向系统将机舱整体偏转90°侧风，对整个塔架实施保护。

风电机组电动变桨距控制系统的研究

ｔｅｍａｉｍｏｒｐｉｔＭＰｈｘｍｕｐｗｅｏｎ（Ｐ）ｂｌｗｈａｅｎｐｅｗｈｎｗｉｄｓｅｄｉｂｖｈａｅａ— ｅｏｔｅｒｔｄｗｉｄｓｅｄ；ｅｎｐｅａｏｅｔｅｒｔｄｖｌｓ
ＺＵＺＡＮＧｎＺＨＢｏ，ＨＸｉｇ，ＥＮＧｎｃａＣＡＯｎｘａＦａ－ｈｏ，Ｒｅ－ｉｎ
（．ｈｏｆＥｌｃｒｃＥｎｇｎｅｉｇａｄＡｕｏｔｏ１Ｓｃｏｌｏｅｔｉｉｅｒｎｎｔｍａｉｎ，ＨｅｅｆｉＵｎｉｅｓｔｆＴｅｈｎｌｇｖｒｉｙｏｃｏｏｙ，Ｈｅｅ３０９，Ｃｈｉａ．ｆｉｎｉｈｔＰｗｅｐｆｉ００２ｎ；２ＨｅｅＳｕｌｇｏｒＳｕ — ｐｙＣｏｌ．，Ｌｔ．，Ｈｅｅ３８ｄｆｉ２００８，Ｃｈｉａｎ）
０引
言
距角命令 ¨ ；是桨距角的变化对于随机变化的５但风速而言是非线性的，了降低非线性的空气动为
风电机组变桨距系统的执行机构主要有液压和电动２。液压控制系统具有传动力矩大、种质量轻、度大、位精确及动态响应快等优点，刚定能
ｔｏｙｔｍｅｃｅｔｏｌａｄｅｔｂｉｈｓａｆｕｄｔｎｆｒｉｓａｐｉａｉｎｉｈ，ｉｄｆｒ．ｒｌｓｓｅｒａｈｓｉｓｇａｎｓａｌｅｏｎａｉｏｔｐｌｔｏｎｔｅｗｎａｍｓｏｃＫｅｒｓｗｉｄｔｒｉｅｕｚＤ；ｅｅｔｉｐｔｈ；ｐｗｅｏｔｏｔａｅｙｙｗｏｄ：ｎｕｂｎ；ｆｚｙＰＩｌｃｒｃｉｃｏｒｃｎｒｌｓｒｔｇ

独立型风力发电系统的变桨距控制研究

独立型风力发电系统的变桨距控制研究目前,政府对风电行业的投资力度已日益增大。

针对风电场大规模建设已导致气候变化的问题,发展中小型独立风电机组可能是未来可再生能源的选择之一。

论文在分析现有中小型独立风力发电机组的结构和控制方法的基础上,针对其存在的风机转速控制不合理、运行可靠性低等问题,研究了桨距角可变的独立风力发电机组的结构及其控制策略,完成了中小型独立风力发电系统模型的建立,及其变桨距控制算法的仿真和实验验证,主要工作包括以下几项。

该论文对中小型独立风力发电系统的组成结构进行了分析,包括风轮、传动系统、发电机系统、电力电子变换装置、变桨距系统、储能系统等;针对不同风况下该风机的运行特点,提出了发电机转速控制目标;研究了实现最大功率追踪控制的方法、变桨距执行机构的选型及其控制方法。

论文对独立风电系统各组成部分的机械传动和信号传递关系进行了分析;建立了风速模型、空气动力学模型、传动系统模型、永磁同步发电机模型、电力变换装置模型以及变桨距机构模型。

对额定转速以下的最大功率追踪控制进行了仿真分析。

论文对独立风电系统的变桨距控制算法进行了深入研究,建立了基于PID和基于模糊PID的变桨距控制算法,并对其进行了仿真实验。

实验结果表明,两种控制算法均能将发电机转速稳定控制在额定转速附近,其中,模糊PID变桨距控制算法的超调量和调整时间均优于PID变桨距控制算法。

该论文完成了桨距角可变的独立风力发电机组控制系统的设计,具体包括:转速、电压、电流传感器、整流升压控制模块以及变桨距执行机构的选型;基于ARM芯片STM32的主控电路板原理图和PCB设计,桨距角控制程序、数据采集系统的软件编写;搭建了独立风电系统实验平台,通过车载实验对风机的变桨距控制系统的软硬件进行了综合测试。

得到了样机的转速和功率特性曲线;通过对样机叶片桨距角的调节,能够将其发电机转速和功率控制在额定范围内,其动态特性满足中小型独立风电机组的控制要求。

风力发电机组变桨距控制系统的研究

风力发电机组变桨距控制系统的研究风力发电机组变桨距控制系统的研究近年来，随着环境问题的加剧和清洁能源的重要性逐渐凸显，风力发电作为一种潜在的可再生能源广泛应用。

风力发电机组是将风能转化为电能的关键设备，而变桨距控制系统则是提高风力发电效率的重要技术手段之一。

本文将对风力发电机组变桨距控制系统的研究进行探讨，从控制系统的结构、控制策略以及实际运行效果等方面进行分析。

1. 控制系统的结构风力发电机组的变桨距控制系统主要由传感器、执行器、控制器和信号传输部分组成。

传感器用于感知风力、转速以及叶片位置等信息，将这些信息传递给控制器。

控制器根据传感器获取的信息，通过控制策略对执行器发出信号，调节叶片角度，从而实现对风力发电机组的变桨距控制。

2. 控制策略目前，常用的控制策略主要有定角度控制和最大功率控制两种。

定角度控制是通过固定叶片角度来控制风力发电机组的输出功率，通常适用于恒定风速下的风机运行。

而最大功率控制则是根据风速大小实时调整叶片角度，以实现风力发电机组在不同风速下的最佳输出功率。

最大功率控制策略可以提高风力发电机组的效率，适应不同风速环境，并降低对外部条件的敏感性。

3. 实际运行效果根据实际应用情况和研究成果分析，风力发电机组的变桨距控制系统在提高发电效率、保护设备安全方面取得了显著效果。

通过使用最大功率控制策略，风力发电机组可以根据风速变化实时调整叶片角度，充分利用风能，并在恶劣天气条件下及时响应，减轻设备负荷。

同时，变桨距控制系统的应用也大大降低了由于风电机组运行时桨叶受损引起的事故风险，增加了设备的可靠性和安全性。

4. 研究展望尽管风力发电机组变桨距控制系统已取得一定的研究进展，但仍存在一些挑战和待解决的问题。

首先，尽管最大功率控制策略可以提高发电效率，但在不同风速区间的切换问题仍需要进一步优化。

其次，传感器的稳定性和可靠性也是需要关注的焦点，特别是在恶劣环境下的应用。

另外，随着风力发电技术的发展，新型的控制策略和技术工具也需要不断研发和应用，以进一步提高风力发电机组的性能和可靠性。

风电机组独立变桨控制策略研究

风电机组独立变桨控制策略研究摘要：为应对能源危机和气候变化带来的巨大挑战，我国大力发展可再生能源。

风能具有低廉的开发成本，对环境无污染，取之不尽用之不竭，正引领全社会对可再生能源进行开采利用，成为目前最具规模和应用价值的可再生新能源之一。

控制技术是风力发电的关键，而独立变桨距在减小机组疲劳应力和提高电能质量上效果显著，风力机简化模型的分析，推导出风力机的运动方程和输出方程；通过坐标变换将塔架前后运动方程和载荷输出方程所代表的线性时变系统解耦为线性时不变系统，独立控制环的独立变桨控制策略；利用“GH Bladed”软件对独立变桨控制策略进行仿真试验研究，仿真试验结果表明，采用独立变桨控制技术不但能实现转速控制功能，还能有效减小叶片根部挥舞力矩、偏航力矩的波动，从而有效降低变桨轴承、偏航轴承、塔架上的疲劳载荷。

关键词：风电机组；独立变桨；控制随着风电机组的单机容量、塔筒高度以及风轮直径的日益增大，由于存在风切变及湍流等因素的影响，机组所承受的俯仰弯矩、偏航弯矩大大增加，因此，为减小机组载荷而进行的独立变桨控制技术研究已成为风电领域的关键技术。

独立变桨控制是在统一变桨控制的基础上发展起来的，独立变桨系统与统一变桨系统都在每个叶片配备一套独立的驱动系统，统一变桨系统在机组正常工作过程中每个叶片的桨距角都完全一致，而独立变桨系统可根据每个叶片不同的运行情况分别独立给予一定角度的调整，这样就可以有效地解决统一变桨中水平轴风机由于风切变及湍流等因素引起的叶片和塔筒等部件的载荷不平衡问题，大大减小机组载荷，同时增加机组的运行稳定性。

一、慨述随着风电市场的火爆，风电机组单机容量及风轮直径不断增大，通过减小风电机组各关键部件的载荷，减轻这些关键部件的重量，提高设备可靠性和延长使用寿命，这是降低风电机组成本的有效途径。

风湍流、风剪切、塔影效应、偏航偏差等因素会对大型风电机组的叶轮产生不均衡载荷，且风轮直径越大，整个风轮面受力的不均衡度就越强，叶轮上不均衡载荷也就越明显。

风电机组的独立变桨距优化控制系统综述

０引言
随着装机容量的飞速发展，风电机组逐渐大型化。变桨距成为市场上大中型风力机桨叶控制的主流运转形式变桨距控制分统一变桨距和独立变桨距。前者是通过执行机构对风力机的三个桨叶实施同步调节控制，后者是每个桨叶都有一套独立的变桨距驱动系统。
减缓电网电压波动的独立变桨距控制策略。最后对独立变桨距控制方法和发展前景提出了展望。
【关键词】独立变桨距控制；桨距角；不平衡载荷；功率波动
２－２独立变桨控制基本原理风电机组变速变桨控制目的是：在风速低于额定风速时，通过变速控制实现最大能量捕获：高于额定风速时，通过变桨控制使发电机输出功率为额定值。图２为独立变桨控制工作原理框图。其中集中变桨控制环实现变速变桨控制功能，输出三个桨叶期望桨距角的相同部分：独立变桨控制环，可减小风轮不均衡载荷，减少转子的倾斜和偏航力矩，分别输出三个桨叶不同的桨距角期望补偿值。
３．１减少风力涡轮机载荷的独立变桨控制策略风力涡轮机系统载荷由基波和高次谐波组成，采用ＰＲ控制方法…，提出了比例积分谐振独立变桨控制（ＰＩ — ＲＩＰＣ）策略１。ＰＩ．ＲＩＰＣ方案、控制器配置及控制回路框图如图３ — ５所示。
１
５
ｌＯ

变桨距机组的控制技术

变桨距机组的控制技术本文对变桨距风力发电机组控制系统的特点以及控制策略分别进行详细介绍。

一、变桨距机组控制系统的特点从空气动力学角度考虑，当风速过高时，只有通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，才能使功率输出保持稳定。

同时，风力机在启动过程中也需要通过改变节距来获得足够的启动转矩。

采用变桨距机构的风力发电机组可使桨叶和整机的受力状况大为改善，这对大型风力发电机组的总体设计十分有利。

目前已有多种型号的变桨距600kW级风力发电机组进入市场。

其中较为成功的有丹麦VESTAS的V39/V42-600kW机组和美国Zand的Z 40-600kW机组。

从今后的发展趋势看，在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。

变桨距风力发电机组又分为主动变桨距控制与被动变桨距控制。

主动变桨距控制可以在大于额定风速时限制功率，这种控制的实现是通过将每个叶片的部分或全部相对于叶片轴方向进行旋转以减小攻角，同时也减小了升力系数。

被动变桨距控制是一种令人关注的可替代主动变桨距限制功率的方式，其思路是将叶片或叶片的轮毂设计成在叶片载荷的作用下扭转，以便在高风速下获得所需的节距角。

但因为所必需的叶片随风速变换而扭转的变化量一般并不与叶片相应的载荷变化相匹配，所以很难实现。

对于独立运行的风力发电机组，发电量的最大化不是主要目标，被动变桨距控制方案有时候被采用，但是这一概念在并网运行的风力发电机组中尚未应用。

变桨距控制主要是通过改变翼型迎角变化，从而使翼型升力变化来进行调节的。

变桨距控制多用于大型风力发电机组。

变桨距控制是通过叶片和轮毂之间的轴承机构转动叶片减小迎角，由此来减小翼型的升力，以达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。

变桨距调节时叶片迎角可相对气流连续地变化，以便得到风轮功率输出达到希望的范围。

在90°迎角时是叶片的顺桨位置。

在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化从而限制功率，一般变桨距范围为90°～100°。

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关键词：载荷反馈；独立变桨距控制；ｄ－ｑ变换；Ｂｌａｄｅｄ中图分类号：ＴＭ３１５文献标志码：Ａ文章编号：１６７３ — ９８３３（２０１４）０２－００４２－０４
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＣｏｎｔｒｏｌＳｔｒａｔｅｇｙｏｆＩｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＶａｒｉａｂｌｅＰｉｔｃｈｏｆＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅ
风电机组独立变桨距控制策略研源自究郭百顺，秦斌，邵军，邱丽，李鹏程
（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲４１２００７）
摘要：为了减小叶片不平衡栽荷造成的风电机组疲劳，运用空气动力学原理对风轮扫掠面内风速受风
切效应和塔影效应影响所产生的俯仰弯矩和偏航弯矩等附加载荷进行分析．提出了基于载荷反馈的风电机组独立变桨距控制策略。通过ｄ一口坐标变换，将三相旋转坐标系转化为两相静止坐标系进行控制。通过Ｂｌａｄｅｄ半实物仿真平台验证该控制策略的合理性和可行性。
ＧｕｏＢａｉｓｈｕｎ，ＱｉｎＢｉｎ，ＳｈａｏＪｕｎ，ＱｉｕＬｉ，ＬｉＰｅｎｇｃｈｅｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＺｈｕｚｈｏｕＨｕｎａｎ４１２００７，Ｃｈｉｎａ）
ｑｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｒａｔｎｓｆｏｍａｒｔｉｏｎ；Ｂｌａｄｅｄ
第２８卷第２期２０１４年３月
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南
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Ｖｏｌ－２８Ｎ０．２
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｍａｒ．２０１４
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３ — ９８３３．２０１４．０２．００９
ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙａｎｄｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｈｅｔｃｏｎｔｒｏｌｓｒａｔｔｅｇｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏａｄｆｅｅｄｂａｃｋ；ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｖａｒｉａｂｌｅｐｉｔｃｈｃｏｎｔｒｏｌ；
ｐｈａｓｅｓｔａｉｔｃｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｆｏｒｈｅｔｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒｏ１．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆＢｌａｄｅｄｓｅｍｉ — ｏｂｊｅｃｔｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｍｒｖｅｒｉｆｙｈｔｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｍｂａｌａｎｃｅ１ｏａｄｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｆａｔｉｇｕｅｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ．ｔｈｅｐｉｔｃｈｍｏｍｅｎｔａｎｄｙａｗｍｏｍｅｎｔｏｆｔｈｅｗｉｎｄｗｈｅｅｌｓｗｅｐｔｓｕｒｆａｃｅｃａｕｓｅｄｂｙｈｅｔｗｉｎｄｓｈｅａｒｃｈｒａａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎｄｔｏｗｅｒｓｈａｄｏｗｅｆｆｅｃｔｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｐｉｎｒｃｉｐｌｅ，ａｎｄｔｈｅｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｖａｒｉａｂｌｅｐｉｔｃｈｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｂａｓｅｄｏｎｌｏａｄｆｅｅｄｂａｃｋｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｑｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｔｈｒｅｅ — ｐｈａｓｅｒｏｔａｔｉｏｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｎｖｅｒｔｅｄｔｏｔｗｏ —