第五讲 变桨距风力发电机组
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电网研究所
PGRI
第五讲 变桨距风力发电机组
作者 (Prepared By): 林俐 电气与电子工程学院
风力发电机组的需要
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。 风力机在起动过程也需要通过变距来获得足 够的起动转矩。 减轻桨叶和整机的受力状况。
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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。
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。
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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。
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。
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
R m1 pU s Tr − ' R2 2 ' w [(R + ) + (X1 + X2 )2 ] 1 s
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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。
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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。
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
异步发电机的电磁转矩
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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。
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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。
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。
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
1、功率控制系统
2 1
' 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
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
3、确保高风速段的额定功率
桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信 号来控制的，它不受气流密度变化的影响。 无论是由于温度变化还是海拔引起空气密度 变化，变桨距系统都能通过调整叶片角度， 使之获得额定功率输出。 定桨距风力发电机组：功率输出完全依靠桨 叶气动性能。
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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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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。
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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：
一、变桨距风力发电机组的特点
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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。
由两个控制环组成。 外环通过测量转速产生功率参考曲线。 内环通过转子电流控制器(RCC)对发电机转差率进行控制。
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功率给定曲线
功率给定曲线是可变的。
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2、转子电流控制器原理
Fra Baidu bibliotek
转子电流控制器由PI控制器和一个等效变阻器构成。 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%（1515~1650r/min）变化，相 应的转子平均电阻从0到100%变化。
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4、起动性能与制动性能
在低风速时，调节桨叶节距到合适的角度，使风轮 具有最大的起动力矩，从而使变桨距风力发电机组 比定桨距风力发电机组更容易起动。 当风力发电机组需要脱离电网时，变桨距系统可以 先转动叶片使之减小功率，在发电机与电网断开之 前，功率减小至0。 避免了在定桨距风力发电机组上每次脱网时所要经 历的突甩负载的过程。
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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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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。
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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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作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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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1、变桨距控制
变桨距控制器是一个非线性比例控制器。 变距系统的执行机构是液压系统。
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2、速度控制A（发电机脱网）
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。
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起动状态(转速控制) 欠功率状态(不控制) 额定功率状态(功率控制)
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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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第五讲 变桨距风力发电机组
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风力发电机组的需要
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。 风力机在起动过程也需要通过变距来获得足 够的起动转矩。 减轻桨叶和整机的受力状况。
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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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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。
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。
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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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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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
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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。
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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。
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
2 1
' 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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3、确保高风速段的额定功率
桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信 号来控制的，它不受气流密度变化的影响。 无论是由于温度变化还是海拔引起空气密度 变化，变桨距系统都能通过调整叶片角度， 使之获得额定功率输出。 定桨距风力发电机组：功率输出完全依靠桨 叶气动性能。
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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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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。
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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：
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。
由两个控制环组成。 外环通过测量转速产生功率参考曲线。 内环通过转子电流控制器(RCC)对发电机转差率进行控制。
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功率给定曲线
功率给定曲线是可变的。
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2、转子电流控制器原理
Fra Baidu bibliotek
转子电流控制器由PI控制器和一个等效变阻器构成。 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%（1515~1650r/min）变化，相 应的转子平均电阻从0到100%变化。
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4、起动性能与制动性能
在低风速时，调节桨叶节距到合适的角度，使风轮 具有最大的起动力矩，从而使变桨距风力发电机组 比定桨距风力发电机组更容易起动。 当风力发电机组需要脱离电网时，变桨距系统可以 先转动叶片使之减小功率，在发电机与电网断开之 前，功率减小至0。 避免了在定桨距风力发电机组上每次脱网时所要经 历的突甩负载的过程。
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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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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。
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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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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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1、变桨距控制
变桨距控制器是一个非线性比例控制器。 变距系统的执行机构是液压系统。
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2、速度控制A（发电机脱网）
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。
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起动状态(转速控制) 欠功率状态(不控制) 额定功率状态(功率控制)
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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。