直驱式风力发电机组变桨调速控制系统研究
永磁同步风力发电系统的组成、工作原理及控制机理
永磁同步风⼒发电系统的组成、⼯作原理及控制机理永磁同步风⼒发电系统的系统基本组成、⼯作原理、控制模式论述1.系统的基本组成：直驱式同步风⼒发电系统主要采⽤如下结构组成：风⼒机（这⾥概括为：叶⽚、轮毂、导航罩）、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风速仪、风向标、变流器、风机总控系统等组成。
其中全功率变流器⼜可分为发电机侧整流器、直流环节和电⽹侧逆变器。
就空间位置⽽⾔，变流器和风机总控系统⼀般放在塔筒底部，其余主要部件均位于塔顶。
2.⼯作原理：系统中能量传递和转换路径为：风⼒机把捕获的流动空⽓的动能转换为机械能，直驱系统中的永磁同步发电机把风⼒机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化⽽变化的不控电能，变流器把不控的电能转换为频率和电压与电⽹同步的可控电能并馈⼊电⽹，从⽽最终实现直驱系统的发电并⽹控制。
3.控制模式：风⼒发电机组的控制系统是综合性控制系统。
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。
风⼒发电控制系统的基本⽬标分为三个层次：分别为保证风⼒发电机组安全可靠运⾏，获取最⼤能量，提供良好的电⼒质量。
控制系统主要包括各种传感器、变距系统、运⾏主控制器、功率输出单元、⽆功补偿单元、并⽹控制单元、安全保护单元、通讯接⼝电路、监控单元。
具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、⾃动最⼤功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、⾃动解缆、并⽹和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。
⼀、系统运⾏时控制：1、偏航系统控制：偏航系统的控制包括三个⽅⾯：⾃动对风、⾃动解缆和风轮保护。
1)⾃动对风正常运⾏时偏航控制系统⾃动对风，即当机舱偏离风向⼀定⾓度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，当达到允许的误差范围内时，⾃动对风停⽌。
2)⾃动解缆当机舱向同⼀⽅向累计偏转2~3圈后，若此时风速⼩于风电机组启动风速且⽆功率输出，则停机，控制系统使机舱反⽅向旋转2~3圈解绕；若此时机组有功率输出，则暂不⾃动解绕；若机舱继续向同⼀⽅向偏转累计达3圈时，则控制停机，解绕；若因故障⾃动解绕未成功，在扭缆达4圈时，扭缆机械开关将动作，此时报告扭缆故障，⾃动停机，等待⼈⼯解缆操作。
风力发电机独立变桨控制技术系统级优化研究
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 ＝ （ ｅ ｌ ， ｅ ， … ｅ ，） ，选 定 以下 Ｌ ｙ ａ ｐ ｕ ｎ ｏ ｖ函 数
Ｖ （ ｅ ， ） ＝ ∑ （ ｔ ） Ｔ ｐ ｅ ， （ ） ＋ Ｉ ｒ ［ （ Ａ － Ａ ｆ （ ） ） ～ 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
ｌ Ｘ （ ０） ： Ｘ Ｍ ｉ ０ 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【
直驱式风力发电机组变桨系统控制
直驱式风力发电机组变桨系统控制直驱式风力发电机组是风力发电机的一种，这里我们对直驱风力发电机组的变桨系统控制进行简单探讨。
1 直驱式风力发电机组简介直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。
无齿轮箱直驱风力发电机，多沿用低速多极永磁发电机，并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。
直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。
其主要部件包括：叶轮叶片、轮毂、变桨系统、发电机转子、发电机定子、偏航系统、测风系统、底板、塔架等（如图 1.1所示）。
1.1直驱型风力发电机总体设计方案直驱型风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网的总体设计方案，相对于传统的异步发电机组其优点如下：（1）由于传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率；（2）永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率（3）机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音；（4）可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本；（5）机械传动部件的减少降低了机械损失，提高了整机效率；（6）利用变速恒频技术，可以进行无功补偿；（7）由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。
2 直驱风力发电机组变桨特性叙述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。
这样就保证了叶轮输出功率不超过发电机的额定功率。
对于变桨距调节后对的功率特性的影响等等问题，这里我们将对机组叶片上的气动性能进行分析，从而进一步的了解变桨后，对风力发电机组的性能影响2.1 不同变桨角度下的特性根据叶素理论，当一个叶素在流畅中运动时，叶素的上表面是负压力（吸力）；下表面是正压力。
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。
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。
直驱风力发电模糊PID变桨距控制
的直 驱风 力发 电 系统 ，无 需外 部提 供励磁 电源 ，把
永磁 发 电机 的变 频 的交流 电通过 变频 器转变 为 电网 同频 的 交流 电 ， 做 到 风力机 与 发 电机 的直接 藕合 ， 省去 齿轮 箱 ， 大减 小 系统 运行 噪声 ， 高 可靠性 ， 大 提 降低 系统 成本 ，成 为 当前风 力发 电 的研 究 热 点 。
、 Ｉ
匐 似
盛 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
直 驱 风 力发 电 模 糊 Ｉ 变 桨 距控 制 ＰＤ
（ 长沙学 院电子 与通 讯工 程系 ，湖南 长沙 ４ ０ ０ ） １ ０ ３
摘
要 ：文章对直驱型风力发电系统的结构进行了分析 ，研究 了变速恒频系统 的变 桨距控制策 略。基 于常规 ＰＤ 制和 模糊控制的原 理 ， Ｉ控 结合实际工况和控制 目标提 出模糊 ＰＩ Ｄ控制 ， ＭＡＴ ＡＢ 在 Ｌ 平台下进行仿真 ，结果表明模糊 ＰＤ能有效地对 桨距 角进 行控制。 Ｉ 关键词 ：直驱 ；风力发电 ；变桨距 ；模糊 ＰＤ控制 Ｉ
风 力机 上 的机 械应 力 ；其 次通 过 对发 电机 转子 交流 励磁 电流 幅值频 率 和相 位可 调 的控制 ，实 现 了变速
机 将 捕 获 的风 能 以机 械能 的 形 式驱 动 永磁 发 电机 ，
（ ｅ ｔｏ ｉｓ＆ ｃ Ｅｌｃｒ ｎｃ ｏｍｍｕ ｉａ ｉｎ ｅ ｇｎ ｅ ｉｇｄ ａｒ ｎｃ ｔ ｎ ｉｅ ｒ ｅｐ ｔ ｏ ｎ ｍｅｎ ｆＣｈ ｎ ｓ ａ ｃ ｌ ｇ ， ａ ｇ ｈ ４１ ０ ３， ｉａ） ｔｏ ａ ｇ ｈ ｏｌ ｅ Ｃｈ ｎ ｓ ａ， ０ ０ Ｃｈｎ ｅ
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°。
永磁直驱式变桨距风力发电机组的建模与控制
永磁直驱式变桨距风力发电机组的建模与控制1 引言永磁直驱式风力发电机组是我国风力发电机组的主流机型之一。
永磁风力发电机通过增加极对数，降低发电机转速，从而能够与风力机直接相连，取消了增速齿轮箱。
由于没有传统风力发电系统故障率很高的齿轮箱，直驱式风力发电系统稳定性和效率大大提高，且有效地抑制了噪声，具有比较广泛的市场应用前景。
图1 风力发电系统结构2 永磁直驱式并网型变桨距风力发电机组的结构永磁同步发电机的同步速较低，输出电压较低。
考虑到电网电压较高，电网与电机之间的能量变换装置，必须要有较大幅度的升压能力。
考虑到变压器体积较大，实际系统中，发电机组运送到塔顶成本较高，所以本文采取方法是直流母线侧先升压再进行并网逆变。
本文采用的机组方案如图1所示。
图2 桨距调节控制系统3 风力机的建模风力机建模一般只考虑其风能利用系数而忽略风力机的空气动力学过程。
本文即采用风力机的风能利用系数来建立其仿真模型。
图3 机侧电流内环控制系统风力机仿真模型的建立主要基于以下三个方程：(1)这里Cp-λ曲线采用文献[1]中给出的公式：(2)其中： (3)采用c1=，c2=116，c3=，c4=5，c5=21，c6=。
考虑到是发电机，建模时转矩要取反。
图4 网侧逆变器电流内环控制系统4 控制系统的设计桨距调节控制系统的设计当系统存在显著的不确定因素时，设计高精度的控制系统，必须研究控制系统在不确定情况下的鲁棒性。
PID控制器能够在很宽的运行条件下具有比较好的鲁棒性，并且形式简单，易于操作。
这里采用PID控制器来进行机组在高风速区的桨距调节。
变桨距风力发电系统在低风速区进行最大风能跟踪，节距角为零，即不进行变桨距调节。
图5 网侧逆变器电压外环控制系统风力机和发电机不经过增速齿轮箱而直接联接，传动系统的动态方程如下[4]：(4)式中，J是风轮转动惯量；ω是风轮转动的角速度；B是发电机的摩擦系数；Ta是风轮的气动转矩；Te是发动机获得的电磁转矩。
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直驱式风力发电机组变桨调速控制系统研究
直驱式风力发电机组变桨调速控制系统研究
摘要：风力发电是一种清洁、可再生的能源，受到越
来越广泛的关注和重视。
作为风力发电机组的核心部件之一，变桨调速系统对于提高风力发电机组的效率和性能至关重要。
本文基于直驱式风力发电机组的特点，对其变桨调速控制系统进行了深入的研究和探讨，并提出了一种改进的控制策略。
关键词：直驱式风力发电机组；变桨调速控制系统；控制策略；效率；性能
1. 引言
风力发电是利用风能转化为电能的一种可再生能源。
相比于传统的能源资源，风力发电具有无污染、可再生、秩序性等特点，被广泛应用于电网供电和离网供电。
而风力发电机组作为风力发电系统的关键组成部分之一，其效率和性能直接影响整个风力发电系统的发电能力和运行稳定性。
因此，对于风力发电机组的变桨调速控制系统进行深入研究和优化具有重要意义。
2. 变桨调速控制系统的工作原理
变桨调速控制系统主要由传感器、执行器、控制器等组成，其工作原理如下：
首先，传感器采集风力发电机组的转速、风速等参数，并将其传输给控制器；
控制器根据传感器传输的参数进行计算，确定当前工况下的最佳叶片角度；
执行器根据控制器给出的指令，调整风力发电机组的叶片角度，从而控制转速和输出功率。
3. 直驱式风力发电机组的特点
直驱式风力发电机组相比于传统的齿轮驱动式风力发电机组具有更高的效率和更低的维护成本。
其采用了直接将叶片与发电机轴连接的方式，无需经过传统的传动装置，避免了转动过程中的能量损失。
同时，直驱式风力发电机组的转动惯量较小，响应速度更快，能够更精准地实现变桨调速控制系统的要求。
4. 直驱式风力发电机组变桨调速控制系统的问题与挑战
尽管直驱式风力发电机组在变桨调速控制系统方面具有一定的优势，但依然面临着一些问题和挑战：
首先，直驱式风力发电机组的叶片角度调节范围较小，容易受到风速变化的影响；
其次，变桨调速系统反应速度较快，对于控制策略的要求更高，需要更高的计算精度和处理速度；
此外，直驱式风力发电机组的变桨调速系统通常采用闭环控制，但闭环控制存在一定的极值和稳定性问题。
5. 改进的控制策略研究
为了克服上述问题和挑战，本文提出了一种改进的控制策略。
具体措施如下：
首先，通过建立数学模型，分析直驱式风力发电机组的运行特性和动态响应，并探究叶片角度与风速、转速等参数之间的关系；
其次，根据数学模型，优化传感器和控制器的参数设置，以提高控制系统的稳定性和动态性能；
最后，采用模糊控制和PID控制相结合的控制策略，提高闭环控制的精度和稳定性。
6. 实验与结果分析
通过搭建实验平台，验证了改进的控制策略的有效性和可行性。
实验结果表明，相比于传统的控制策略，改进的控制策略在风
速变化、转速控制等方面具有更好的性能和响应速度，有效提高了直驱式风力发电机组的变桨调速控制系统的效率和性能。
7. 结论
本文对直驱式风力发电机组的变桨调速控制系统进行了深入的研究和探讨，并提出了一种改进的控制策略。
通过实验验证，该控制策略能够有效提高直驱式风力发电机组的效率和性能。
然而，本文还存在一些不足之处，需要进一步完善和优化。
未来的研究可以从更多的角度出发，进一步探索直驱式风力发电机组的变桨调速控制系统，为风力发电的发展做出更大的贡献。
本文对直驱式风力发电机组的变桨调速控制系统进行了研究，并提出了一种改进的控制策略。
通过建立数学模型和优化传感器和控制器的参数设置，采用模糊控制和PID控制相结合的策略，实验证明改进的控制策略能够有效提高直驱式风力发电机组的效率和性能。
然而，本文仍有一些不足之处，需要进一步完善和优化。
未来的研究可以从更多的角度出发，深入探索直驱式风力发电机组的变桨调速控制系统，为风力发电的发展做出更大的贡献。