变桨距风力发电机组控制系统

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 3.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
变桨距控制系统
❖ 变桨距系统分为叶尖局部变距和全叶片变距
❖ 叶尖局部变距：通常只变叶尖部分(约0.25R～0.30R)的节 距角，其余部分翼展是定桨距的 。
额定转速
速度 +
变化率 -
PID
+ +
45* 5*
转矩补偿
转速 传感器
节距非线性化
节距指令
转速
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
节距给定
额定速度 +-
滤波器
速度入
风速
PID 控制器
节距给定
节距及速度 PID控制器
转速 传感器
转速
风速
叶尖速比优化
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°。
+
控制器
ωref
变换器
U P*
电 网
I 功率传感器
功率
控制器
P
v
控制器 Pref
+
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，
1. 风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统 3.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
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。
控制系统的执行机构 ❖ 电动变桨距机构的整体结构图
叶 片 1
叶 片 2
叶 片 3
减速机1
M 编码器1
伺服电动机1 减速机2
M 编码器2
伺服电动机2
减速机3
M
编码器3
伺服电动机3
驱动 器1
驱动 器2
系统给定
现 场 总
主 控 制
电动变桨系统
机构
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。
❖ 保持阶段：当输出功率小于额定功率时，节距角保持在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 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 。
变桨距控制系统 ❖ 变桨距执行系统
变桨给定
D/A 转换器
活塞位移 变桨距 桨距角
❖ 全叶片变距又分为离心式变距和伺服机构驱动式变距 ❖ 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：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 。
变桨距控制系统
风轮
风能
齿轮箱
ω
大发电机
ω 小发电机
β*
-
变桨
变桨距风力发电机组控制系统的 研究
付冬梅
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 3.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
变桨距风力发电机组的特点
1.机组的特点
1
2
改善机组的受力， 优化功率输出 （与发电机转差 率调节配合）
.
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
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
风机正常工作时，主要采用功率控制
变桨距系统
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 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 。
变桨距控制系统
3.变桨距控制
额定功率
+-
功率 控制器A
+
+
-
-
变桨 执行器
变距 机构
桨距角 滤波器
风速 风轮 系统
风速信号
传动 系;
功率给定
+ -
功率 控制器B
S
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。
研究的主要内容
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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
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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。
❖ d、位置传感器给出实际变桨角度。
变桨距控制系统
❖ 1.变桨距控制
转速给定A
转速 控制器
变桨 执行器
桨距角
变距 机构
转速
风速
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。