第五讲 变桨距风力发电机组
定桨距与变桨距-风力发电机组
2 变桨距调节型风力发电机组
变奖距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45”，当转速达到一定时，再调节到0“，直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。
l 定桨距失速调节型风力发电机组
定奖距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速69，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶县有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。
桨距
螺旋桨的桨叶都与旋转平面有一个倾角。
假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转，那么螺旋桨每转一圈，就会向前进一个距离，连续旋转就形成一段螺旋。
同一片桨叶旋转一圈所形成的螺旋的距离，就称为浆距。
显然，桨叶的角度越大，浆距也越大，角度与旋转平面角度为0，浆距也为0。
这个“距”，就是桨叶旋转形成的螺旋的螺距。
随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用OptitiP技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。
变桨距风力发电机组液压系统分析
・
１ ５
调 速 装 置 通 过 增 大 桨 距 角 的 方式 减小 由 于风 速 增 大 使 风 轮 转 速 加 快 的 趋 势 。 当 风 速 增 大 时 ， 变 桨 距 液压缸动作 ， 推动叶片向桨距角增大的方 向转 动使桨 叶吸收 的风能减 少 ， 维 持 风 轮 运 转 在 额 定 转 速 范 围
图 １ 风力发 电机基本结构
停机， 造 成 发 电损 失 。因 此 ， 深 入 了解 风 力 发 电机 组 液 压 系统 的结 构 和工 作 原 理 十分 重 要 。 下 面 对 变 桨 距 调 节方 式 风 力 发 电 机 组 （ 以西 班 牙 Ｇａ ｍｅ ｓ ａ 公 司 风 力 发 电机 组 为 例 ） 的液压系统进行分析 。
桨距 调速是现代风力 发 电机主 要 的调速 方式 之一 ， 如图 ２
所 示 为 变 桨距 风 力 发 电 机 的 简 图 。风 轮 将 风 的动 能 转 换 成 风 轮 轴 上 的机 械 能 ， 然 后 这 个 能 量 要 变 成 所 需 要 的 电能 ， 而 电能 由 高 速 旋 转 的 发 电机 来 产 生 。 由 于 桨 叶 速 度 的 限 制 ， 风 轮 旋 转 速 度 较慢 ， 而 发 电机 不 能太 重 ， 极对 数较 少 ， 发 电 机 转 速 要 尽 可 能 的 高， 因此 就 要 在 风 轮 与发 电 机 之 间 连 接 齿 轮 箱 增 速 器 ， 把 转 速 提 高， 达 到 发 电机 的转 速 。
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。
变桨距风力发电机组变桨与功率控制策略
变桨距风力发电机组变桨与功率控制策略摘要：风力发电系统极容易受到风速、风险及空气密度等影响，为有效的发挥出风能资源获得持续稳定的风力发电，保障风电机组能够正常运行，本文将以分析风能资源特点为出发点，包括风能资源蕴含量大、分布较广、风能能力密度低、对环境污染较小等，主要探究风力发电机组变桨与功率的控制策略，并分析变桨距风电机组桨距调节过程，以此为建设风力发电项目、检修人员提供相应帮助和建议。
关键词：变桨距；风力发电机组；功率控制根据我国电力高发展要求，为实现2060双碳目标，需要大力发展可持续、无污染、环保的新型能源来替代现有的化石能源，其中风力能源作为新型能源的主力军，为促进电力系统发展发挥积极作用。
近几年随着风力发电技术在迅猛发展下，发电量和装机容量不断增加，然而由于风力发电主要特点是极容易受到天气影响变化，若不及时对风能资源加以利用就会消失等。
所以，需利用风电机组叶尖速比、转速以及恒功率等进行优化控制，促使能够在变化莫测的风况下安全运行，并充分发挥利用风能资源。
1.风能资源特点风能和其他资源相比之下存在以下特点：第一，蕴含量大、分布广泛。
根据相关数据资料显示全球风能资源约在1300KW3，可利用风能预估计为200亿KW3，是水能资源的10倍，每年发电量高达38KWh。
在我国风能资源相对丰富，经济开发量预估在10亿KW以上[1]。
第二，风能属于可再生资源。
与石油、煤炭等资源相比风能具有可再生特点，风能主要是太阳能引起的一种过程性能源，能够循环使用的同时不断补充，但风能无法储存，若不能及时将风能进行利用则会消失。
第三，风能对环境污染影响较小。
在利用风能过程中不会造成污染排放，但是在风力建设项目过程中会对植被形成破坏，在风力项目建设结束后可以通过补救措施将植被进行修复，弥补建设项目过程中造成的影响；风机叶片旋转光影会对鸟类歇息有一定影响。
第四，风能能量密度低，不同地区差异大、稳定性差；由于风能资源本身属于空气流动，且空气密度小，使得风能能量密度低；尤其是在部分地区受到地理位置影响，各个地区或统一地区在不同位置方面风功率能量密度差异明显；同时风能也会随着季节、温度、湿度引起风向、密度等变化。
风力发电机组变桨控制
2.风力发电机组控制原理—变桨距控制对象特点a）气动非线性变桨距控制实质是通过改变攻角来控制风力机的驱动转矩，风能利用系数曲线对桨距角和叶尖速比的变化规律具有很强的非线性。
b）工况频繁切换由于自然风速大小随机变化，各风速段机组控制目标不同，导致变速风力发电机组随风速在各个运行工况之间频繁切换。
c）多扰动因素影响风力发电机组性能变化的不确定干扰因素很多，风速的变化（尤其是阵风）对风力发电机组的功率影响最大。
d）变桨距执行系统的大惯性与非线性常用的液压执行机构和电机执行机构，驱动时呈现出非线性的性质。
随着风力机容量的不断增大，变桨距执行机构自身的原因引入的惯量也越来越大，使动态性能变差，表现出了大惯性对象的特点。
2.风力发电机组控制原理—变桨距控制系统目前并网型风力发电机组的变桨距控制系统根据机组并网前、后的工况主要包含两种工作方式：并网前转速控制和并网后功率控制。
变桨距风力发电机组变桨控制系统图2.2.3 风电场接入电网的有关规定内容1.技术要求规范性引用文件GB/T 12325-2008 电能质量供电电压偏差GB 12326-2008 电能质量电压波动和闪变GB/T 14549-1993 电能质量公用电网谐波GB/T 15945-2008 电能质量电力系统频率偏差GB/T 15543-2008 电能质量三相电压不平衡DL 755-2001 电力系统安全稳定导则SD 325-1989 电力系统电压和无功技术导则GB/T 20320-2006 风力发电机组电能质量测量和评估方法DL/T 1040-2007 电网运行准则3 风电场接入电网的有关规定内容2.部分与具体技术要求1）有功功率2）无功功率3）电压偏差与低电压穿越4）运行频率5）电压波动6）通信与信号12）无功功率风电场应具备协调控制机组和无功补偿装置的能力。
应保证无功功率有一定的调节容量，该容量为风电场额定运行时功率因数0.98（超前）~0.98（滞后）所确定的无功功率容量范围，并实现在其中的动态连续调节。
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。
风力发电机组变桨矩系统的
2023-11-09contents •风力发电机组概述•变桨矩系统概述•变桨矩系统的主要部件•变桨矩系统的控制策略•变桨矩系统的优化与改进建议•变桨矩系统的应用与发展趋势目录01风力发电机组概述风力发电机组是一种将风能转化为电能的系统，由风轮、发电机、塔筒等主要部件组成。
定义具有可再生、清洁、无污染等特点，是绿色能源领域的重要组成部分。
特点风力发电机组的定义与特点风轮叶片在风的驱动下旋转，将风能转化为机械能。
风的捕获机械能的转化电能的输出风轮通过主轴将机械能传递到齿轮箱，再由齿轮箱将机械能转化为电能。
发电机将机械能转化为电能，通过电缆输送到电网。
03风力发电机组的工作原理0201分类根据风力发电机组容量、功率等级、转速等因素，可以分为恒速型、变速型等不同类型。
组成风力发电机组主要由风轮、发电机、塔筒、齿轮箱、控制系统等组成。
风力发电机组的分类与组成02变桨矩系统概述变桨矩系统定义变桨矩系统是一种用于控制风力发电机组功率输出的装置，它可以根据风速和发电机组运行状态，改变桨叶的桨距角，从而控制风能捕获量。
变桨矩系统特点变桨矩系统具有高精度、高可靠性、高效能等特点，它能够实现快速响应、平稳控制，确保风力发电机组在复杂风况下的稳定运行。
变桨矩系统的定义与特点变桨矩系统的作用与重要性变桨矩系统的作用变桨矩系统的主要作用是调节发电机组的功率输出，以适应不同的风速和负荷条件。
它可以通过改变桨叶的桨距角，控制风能捕获量，从而降低载荷、提高发电效率。
变桨矩系统的重要性由于风力发电机组面临的风况复杂多变，因此变桨矩系统的应用对于确保发电机组的稳定运行至关重要。
它不仅可以提高风能利用率，降低载荷，还可以延长发电机组的使用寿命。
变桨矩系统的组成变桨矩系统通常由变桨电机、减速箱、轴承、传感器等组成。
其中，变桨电机是驱动桨叶变桨的核心部件，减速箱用于将电机的转速降低到适合桨叶旋转的速度，轴承用于支撑桨叶并确保其灵活旋转，传感器则用于监测变桨系统的运行状态。
风力发电机组及应用：第六章变桨距系统
变桨系统分布结构
变桨电机1
90度限位开关 0度接近开关
旋转编码器 电磁刹车 动力电源线
变桨柜1
滑环
连接器
变桨电机2
90度限位开关 0度接近开关
旋转编码器 电磁刹车 动力电源线
变桨柜1
变桨电机3
90度限位开关 0度接近开关
旋转编码器 电磁刹车 动力电源线
变桨柜1
变桨系统驱动原理
状态 自动/手动切换
编 码 电机 器
机械部分
减速比 减速机
回转支承 及小齿
叶片 齿数比
回转支承内齿圈
变桨距系统
电动变桨距伺服系统
电动变桨距系统就是可以允许三个叶片独立实现变桨，它
提供给风力发电机组功率输出和足够的支承刹外圈车制动能力，这样可
以避免过载对风机的破坏。
传感器
内齿圈
放大器
内
齿
实现对叶片 的节距角的
位置1：变桨限位撞块与变桨轴承连接时定位导向 螺钉孔。
位置2：顺桨接近撞块安装螺栓孔，与变桨限位撞 块连接。
位置3：变桨限位撞块安装螺栓孔，与变桨轴承连 接。
极限工作位置撞块和限位开关
变桨超级电容
❖ 型号：4-BMOD2600-6 ❖ 额定电压：60VDC ❖ 总容量：125F ❖ 总存储能量：150kJ ❖ 四组串联 ❖ 单组电容电压：16VDC ❖ 单组电容容量：500F
第六章 变桨系统
变桨系统
液压驱动 变桨系统
电动驱动 变桨系统
变桨控制器
变桨系统维护
变桨距系统
变桨距系统是对叶片的桨距角进行调解以控制风轮对风 能吸收的装置。
作用：
❖当风机启动时，可以通过变桨距来获得足够的启动转 矩；
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作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
1、起动状态
变距风轮的桨叶在停止 时，节距角为90°， 这时气流对桨叶不产生 转矩，整个桨叶实际上 是一块阻尼板。 当风速达到起动风速 时，桨叶向0°方向转 动，直到气流对桨叶产 生一定的攻角，风轮开 始起动。
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机组共同调节的结果
随着并网型风力发电机组容量的增大，大型风力发 电机组的单个叶片已重达数吨。对操纵如此巨大的 惯性体，并且响应速度要能跟得上风速的变化是相 当困难的。 对桨叶进行节距控制 控制发电机转子电流来控制发电机转差率，使得发 电机转速在一定范围内能够快速响应风速的变化， 以吸收瞬变的风能，使输出的功率曲线更加平稳。
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比较
增加了小转差 率时的增益， 以便控制节距 角加速趋于 0°
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主要内容
一、变桨距风力发电机组的特点 二、变桨距风力发电机组的运行状态 三、变桨距控制系统 四、功率控制
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发展
变桨距—— 定桨距——变桨距
Vestas V90
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主要内容
一、变桨距风力发电机组的特点 二、变桨距风力发电机组的运行状态 三、变桨距控制系统 四、功率控制
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速度控制A
当风力发电机组从待机状态进入运行状态时：
变桨距系统先将桨叶节距角快速地转到45°， 风轮在空转状态进入同步转速。 当转速从0增加到500r/min（或其他设定值） 时，节距角给定值从45°线性地减小到5°。
这一过程不仅使转子具有高起动力矩，而且 在风速快速地增大时能够快速起动。
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主要内容
一、变桨距风力发电机组的特点 二、变桨距风力发电机组的运行状态 三、变桨距控制系统 四、功率控制
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二、变桨距风力发电机组的运行状 态
变桨距风力发电机组根据变距系统所起的作 用可分为三种运行状态：
三、 功率控制
新型的变桨距风力发电机组采用了RCC （Rotor Current Control）技术，即发电机 转子电流控制技术。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。
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1、功率控制系统
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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。 节距的给定参考值由控制器根据风力发电机组的运行状态给 出。当风力发电机组并入电网前，由速度控制器A给出；当 风力发电机组并入电网后由速度控制器B给出。
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转子电流控制器原理
绝缘栅极双极型晶体管。 是双极型晶体管和 MOSFET（场效应晶 体管）的复合体
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主要内容
一、变桨距风力发电机组的特点 二、变桨距风力发电机组的运行状态 三、变桨距控制系统 四、功率控制
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三、变桨距控制系统
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与给定信号直接控制。
Optitip技术
Optitip技术：根据风速的大小，调整发电机 转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上， 以优化功率输出。 控制信号的只是风速变化稳定的低频分量， 对于高频分量并不响应。 弥补了变桨距风力发电机组在低风速时的不 足之处，与定桨距风力发电机组相比，并没 有明显的优势。
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ρ—电机极对数； m—电机定子相数； ω1—定子角频率，即电 网角频率； U1—定子额定相电压； s—转差率； R1—定子绕组的电阻； X1—定子绕组的漏抗； R2’—折算到定子侧的转 子每相电阻； X2’—折算到定子侧的转 子每相漏抗。
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R m1 pU s Tr − ' R2 2 ' w [(R + ) + (X1 + X2 )2 ] 1 s
3、额定功率状态
当风速达到或超过额定风速后，风力发电机 组进入额定功率状态。 这时将转速控制切换到功率控制。
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控制方式
变桨距系统根据发电机的功率信号进行控制。 控制信号的给定值是恒定的，即额定功率。 功率反馈信号与给定值进行比较，当功率超过额定 功率时，桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一 个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角 度。
一、变桨距风力发电机组的特点
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1、输出功率特性
具有在额定功率点以上平稳输出功率的特点。
变桨距
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定桨距
输出功率调节
当功率在额定功率以下时，控制器将叶片节 距角置于0°度附近，不作变化。等同于定 桨距风力发电机组，发电机的功率根据叶片 的气动性能随风速的变化而变化。 当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工 作，调整叶片节距角，将发电机的输出功率 限制在额定值附近。
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一种转子电流控制方式
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2、在额定点具有较高的风能利用 系数
在相同的额定功率点，额定风速比定桨距风 力发电机组要低。 对于定桨距风力发电机组一般在低风速段的 风能利用系数较高。当风速接近额定点，风 能利用系数开始大幅下降。 对于变桨距风力发电机组，由于桨叶节距可 以控制，可以使得额定功率点仍然具有较高 的风能利用系数。
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改进
原因：变桨距系统的响应速度难以满足快速 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。 变桨距系统由风速低频分量和发电机转速控 制，即通过转子电流控制器对发电机转差率 进行控制。当风速高于额定风速时，允许发 电机转速升高，将瞬变的风能以风轮动能的 形式储存起来；速转降低时，再将动能释放 出来，使功率曲线达到理想的状态。
2 1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ' 2
异步发电机的电磁转矩
只要 R s 不 变，电磁转矩就可 保持不变，从而发 电机功率就可保持 不变。
' 2
R m1 pU s Tr − ' R2 2 ' 2 w [(R + ) + (X1 + X2 ) ] 1 s
2 1
' 2
当风速变大，风轮及发电机的转速上升——发电机转差率s增大 只要改变发电机的转子电阻，使保持不变，就能保持发电机输出 功率不变。
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转矩特性曲线
当发电机的转子 电阻改变时，其 特性曲线由1变 为2； 运行点也由a点 变到b点，而电 磁转矩保持不 变； 发电机转差率则 从s1上升到s2。
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3、转子电流控制器的结构
转子电流控 制器技术在 绕线转子异 步发电机的 应用
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2、转子电流控制器原理
当功率变化时，PI调节器迅速调整转子电 阻，以保持转子电流恒定，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。
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异步发电机的电磁转矩
速度控制B（发电机并网）
发电机切入电网以后，速度控制系统B作用. 速度控制系统B受发电机转速和风速的双重控制。
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速度控制器B
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。
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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一种控制方式
起动时，桨叶节距按所设定的变距速度将节 距角向0°方向打开。 直到发电机转速上升到同步速附近，变桨距 系统才开始投入工作。 转速控制的给定值是恒定的，即同步转速。 转速反馈信号与给定值进行比较，当转速超 过同步转速时，桨叶节距就向迎风面积减小 的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增 大的方向转动一个角度。当转速在同步转速 附近保持一定时间后发电机即并入电网。
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2、欠功率状态
欠功率状态是指发电机并入电网后，由于风 速低于额定风速，发电机在额定功率以下的 低功率状态运行。 此时，变桨距风力发电机组与定桨距风力发 电机组相同，其功率输出完全取决于桨叶的 气动性能。