许娟娟毕业设计

酒泉职业技术学院
毕业设计（论文）
1 0 级风能与动力技术专业
题目：风力发电机组变桨系统分析
毕业时间：二〇一三年六月
学生姓名：许娟娟
指导老师：张振伟
班级：10级风能与动力技术（1）班
2012 年12月20日
酒泉职业技术学院13届各专业
毕业论文（设计）成绩评定表
姓名许娟娟班级10风电（1）班专业风能与动力技术
指导教
师第一
次指导
意见
年月日
指导教
师第二
次指导
意见
年月日
指导教
师第三
次指导
意见
年月日
指导教
师评语
及评分成绩：签字（盖章）年月日
答辩小
组评价
意见及
评分成绩：签字（盖章）年月日
教学系
毕业实
践环节
指导小
签字（盖章）年月日组意见
学院毕
业实践
环节指
导委员
会审核
签字（盖章）年月日意见
说明：1、以上各栏必须按要求逐项填写.。

2、此表附于毕业论文(设计)封面之后。

目录
摘要： (1)
一、变桨系统论述 (1)
(1)
（二）电动变桨距系统 (2)
1. (3)
2. 气动制动 (4)
二、变桨系统 (4)
（一）变桨系统的作用 (4)
1. 功率调节作用 (4)
2. 气动刹车作用 (4)
（二）变桨系统在轮毂内的拓扑结构与接线图 (6)
三、变桨传感部分 (8)
（一）旋转编码器 (8)
（二）接近开关 (9)
四、变桨距角的调节 (10)
（一）变桨距部分 (10)
（二）伺服驱动部分 (11)
总结 (13)
参考文献： (13)
致谢 (14)
风力发电机组変桨系统分析
摘要：风能是一种清洁而安全的能源,在自然界中可以不断生成并有规律得到补充,所以风能资源的特点十分明显,其开发利用的潜力巨大。

本文对大型的兆瓦级风力发电机变桨系统做简单的介绍。

变速恒频技术于20世纪90年代开始兴起，其中较为成功的有丹麦VESTAS的V39/V42-600KW机组和美国的Zand的Z-40-600KW机组。

变速恒频风力发电机组风轮转速随着风速的变化而变化，可以更有效地利用风能，并且通过变速恒频技术可得到恒定频率的电能。

变速恒频机组的显著优点已得到风力机生产厂和研究机构的普遍承认，将成为未来的主流机型。

但变速恒频风力机组仅通过电机自身调节要达到减小风速波动冲击的目的是很困难的，因为自然界中风速瞬息万变，特别是在额定风速以上工况，风力机有可能受到很大的静态或动态冲击。

但是变桨风机不会产生此类情况，变桨距是指大型风力发电机安装在轮毂上的叶片借助控制技术和动力系统改变桨距角的大小从而改变叶片气动特性，使桨叶和整机的受力状况大为改善。

近年来，电动变桨距系统越来越多的应用到风力发电机组当中，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。

但是直驱式发电机组在我国目前还没有形成大规模的产业化。

我们对直驱型的风机设计还在不断的进行探讨和摸索当中，同时还要通过长期的试验和收集数据，对模型进行细化、修正和完善。

关键词：变桨系统;额定功率；功率调节
一、变桨系统论述
（一）变桨距机构
变桨距机构就是在风速大于额定风速时，依据风速的变化随时调节桨距角,控制吸收的机械能，一方面保证获取最大的能量(与额定功率对应)，同时减少风力对风
力机的冲击。

在并网过程中，变桨距控制还可实现快速无冲击并网。

变桨距控制系统与变速恒频技术相配合，最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。

（二）电动变桨距系统
电动变桨距系统就是三个叶片分别装有独立的电动变桨距系统，主要包括回转支撑，减速机装置和伺服电动机及其驱动器等。

它提供给风力发电机组功率输出和
足够的刹车制动能力，这样可以避免过载对风机的破坏。

三套蓄电池和轴控制盒以及伺服电机和减速机放置于轮毂处，每支桨叶一套，一个总电气开关盒放置在轮毂和机舱连接处，整个系统的通讯总线和电缆靠滑环与机舱的主控制器连接，整个系统的通讯总线和电缆靠滑环与机舱的主控制器连接如图1-1。

图1- 1主控制器连接
主控制器与轮毂内的轴控制盒通过现场总线通讯，达到控制三个独立的变桨距装置的目的。

主控制器根据风速，发电机功率和转速等，把命令值发送到电动变桨距控制系统，并且电动变桨距系统把实际值和运行状况反馈到主控制器。

电动变桨距系统必须满足能够快速响应主控制的命令，有独立工作的变桨距系统，高性能的同步机制，安全可靠等的要求，下面就分别从机械和伺服驱动两个部分介绍一下电动变桨距系统如图1-2。

图1- 2电动变桨距系统的构成框图
1.机械部分
不同于液压驱动变桨距系统，电动变桨距系统采用三个桨叶分别带有独立的电驱动变桨距系统，机械部分包括回转支承，减速机和传动等。

减速机固定在轮毂上，回转支承的内环安装在叶片上，叶片轴承的外环固定在轮毂上。

当电驱动变桨距系统上电后，伺服电动机带动减速机的输出轴小齿轮旋转，而且小齿轮与回转支承的内环啮合，从而带动回转支承的内环与叶片一起旋转，实现了改变桨距角的目的如图1-3。

图1- 3变桨实物图
2.气动制动
制动装置的特点是空气动力学制动刹车单独由变桨距控制，桨叶获得充分的刹车作用。

即使一个桨叶刹车制动失败，其它二个叶片也可以安全结束刹车的过程，提高了整个系统的安全性。

制动系统还装备了备用电源，提供给故障或者维修时候可以快速准确地收回桨叶。

二、变桨系统
变桨控制系统使叶片的角度在一定范围（0度～90度）变化，以便调节输出功率，避免了定桨距机组在确定攻角后，有可能夏季发电低，而冬季又超发的问题。

在低风速段，功率得到优化，能更好的将风能转化电能。

（一）变桨系统的作用
1.功率调节作用
变桨距控制是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法，变桨目的是通过控制桨距角，调节叶轮吸收风能的功率。

在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能的捕捉较多的风能，桨距角设定值设定在能够吸收最大功率的最优值，所以这时机组运行没有必要改变桨距角，一般桨距角设定在0°附近，以便让叶轮尽可能多的吸收风能，此时，空气动力载荷通常比在额定风速小。

额定风速以上阶段时，变速控制器和变桨控制器共同作用，通过变速控制器即控制发电机的扭矩使其恒定，从而恒定功率；通过变桨调节发电机转速，使其始终跟踪发电机转速的设定值。

改变桨距角充分的吸收风能使功率最大化，保证风机的利用率达到最高。

2.气动刹车作用
金风1.5MW风力发电机组Vensys变桨系统是风机唯一的停车机制，通过将桨叶迅速顺桨至停机位置来完成气动刹车。

主控系统的所有停机指令，包括普通停机，快速停机和紧急停机，最后都是通过数据总线发送到变桨系统来执行。

机组安全链的最后输出到达变桨系统，在此过程中，任意一个安全链节点断开后，安全链系统送给变桨系统的高电平都会丢失，变桨系统会根据内部程序立即执行紧急停机。

在执行停机或紧急停机的时候都是变桨柜接受主控传达信息，叶片迅速顺桨，利用空气阻力使得风机进入停机过程。

无论任何原因需要风机停机，可以通过硬件或软件的方式，以设定的变桨速率朝90°方向顺桨，保证机组安全。

当风速超过额定风速后，根据软件设定的变桨控制策略适时改变叶片桨距角，在保证机组输出额定功率的同时，从机械、电气上实现机组的安全运行当风速低于额定风速时，将叶片桨距角固定在接近0°位置，以保证风机在变速的同时，最大限度地吸收风能。

当风机处于维护状态时，提供手动变桨及其它安全维护及检修的功能。

当电网电压掉电时，由备电电源提供电气系统工作电压，主要完成顺桨功能。

轴柜变桨调节方式应分为自动/手动两种模式，自动/手动模式设置通过两位置开关实现，手动模式正、反向调节及停止设置通过三位置开关实现。

当风机处于维护状态且变桨调节处于手动模式时，可以实现每个叶片单独变桨，但每次只能有一个轴柜可以通过相应控制开关，使变桨电机在正、反方向旋转来调节桨距角；其它两个叶片桨距角必须处于90°位置，否则手动变桨功能失效。

轴柜上应设置一个控制开关，当风机处于维护状态且人员需要进入轮毂对变桨系统进行维护与检修时，该控制开关应断开，变桨电机刹车抱闸，逆变器的控制电源断电，以保证桨距角停留在某一固定位置，直到该控制开关重新闭合后，桨距角才可以改变。

除此之外，该控制开关应一直处于闭合状态。

将每个叶片配置的两个ENCODER采集到的桨距角信号进行比较，当角度偏差小于2°时，才允许PLC在需要时，对叶片桨距角进行调节；否则，只要该叶片桨距角小于90，都会以7度每秒的速度朝90°方向顺桨，其余叶片的顺桨由软件控制完成。

所有叶片在91°位置各安装一个限位开关，在0°方向均不安装限位开关，叶片当前桨距角是否小于0°，由两个ENCODER传感器测量结果经过换算确定。

轴柜变桨调节方式处于自动位置，当下列任何一种情况发生，出故障轴柜的硬件系统应保证相应叶片以7°每秒的速度朝90°方向顺桨，未受影响的轴柜，其叶片顺桨由软件控制完成。

任意轴柜内的DP从站与PLC主站之间的通讯总线出现故障，由叶轮过速、振动开关、TOPBOX 急停按钮、变流柜急停按钮、偏航限位开关串联组成的风机安全链以及与安全链串联的两个叶轮锁定信号断开（24V DC信号），无论任何一个ENCODER 出现故障，还是同一叶片的两个ENCODER测量结果偏差超过规定的门限值；任何叶片桨距角在变桨过程中小于-2°；构成安全链、释放回路中的硬件系统出现故障；对于三相交流异步变桨电机，其逆变器控制电路应提供开环频率控制U/F、闭环空间矢量控制两种调速方式，默认设置为闭环空间矢量控制，当速度传感器损坏时，逆变
器控制电路应立即将调速方式切换至开环频率控制U/F模式，并使对应叶片以7度每秒的速度朝90°方向顺桨，其余叶片则由软件来控制顺桨；在风机变桨过程中，应依次启动三个变桨电机，以防止三个变桨电机同时启动时，造成滑环过载；轴柜内所有冷却风扇的启、停，应受软件控制；电网电压是否掉电，应优先选择直接判断方式，其次选择通过备电电源电压的判断方式。

轴柜应提供控制接口，以方便对备电电源性能，主要是指电网电压掉电情况下性能进行测试；轴柜应提供控制接口，以方便对轴柜内逆变器调速模式切换。

每个叶片配置的两个编码器，应保证其对叶片桨距角测量精度达到0.01°，轴柜内应有相应模块，用于显示叶片当前桨距角，以保证手动变桨模式下桨距角不会超过91°限位开关位置，轴柜变桨调节方式处于自动模式下，若风机在顺桨的过程中桨距角超过了91°限位开关的位置，此时可以将风机切换至维护状态，并通过轴柜内的手动变桨方式，将桨距角调回90°位置，轴柜变桨调节方式处于自动模式下，预防桨距角超过限位开关的措施，91°限位开关，到达限位开关时，变桨电机刹车抱闸，轴柜逆变器的释放信号及变桨速度命令无效，同样会使变桨电机静止。

变桨电机刹车抱闸的条件为轴柜变桨调节方式处于自动模式下，桨距角超过91°限位开关位置，轴柜上控制开关断开，电网掉电且备电电源输出电压低于其最低允许工作电压，控制电路器件损坏。

除上述条件外，变桨电机刹车应处于松闸位置，由手动变桨三位置开关或软件控制变桨电机处于静止位置，轴柜应将叶片是否处于-2°、90°、91°等重要位置、柜内主要器件状态及运行参数、备电电源当前电压等信息，通过PROFIBUS DP总线提供给PLC，以方便软件对变桨系统的控制如图2-1
（二）变桨系统在轮毂内的拓扑结构与接线图
Pitchbox3
3×400V AC 供电
Pitchbox2Pitchbox14×2.5mm 2
3×400V AC 供电4×2.5mm 2
4×2.5mm 2
3×400V AC 供电x 5c x 5c x 5c x 10c
x 10c
滑环
x 5b x 5b x 5b x 10b x 10b DP 总线(3)
DP 总线(3)DP 总线(3)
DP 总线(3)
DP 总线（3）
x 5a x 5a x 5a x 10a x 10a 安全链
安全链
3×2.5mm 2
Motor
3×35mm 2
Encoder 旋编10×1mm
2
x 9
x 80°接近开关
3×1mm 2
x 6电机控制
及信号线x 7
8×1mm 2
限位开关
2×1mm 2
3×35mm 2
3×35mm 2
Motor Motor 10×1mm
2
10×1mm
2
Encoder 旋编
Encoder 旋编
x 9
x 9
3×1mm 2
3×1mm 2
0°接近开关
0°接近开关
x 8x 88×1mm 2
8×1mm 2
电机控制及信号线电机控制及信号线
x 6x 62×1mm 2
2×1mm 2
限位开关限位开关
x 7
x 7
图2- 1变桨系统在轮毂内部接线图
变桨柜1
变桨电机1
滑环
90度限位开关0度接近开关
动力电源线
旋转编码器电磁刹车
连接器
变桨柜1
90度限位开关0度接近开关
动力电源线
旋转编码器电磁刹车
变桨柜1
90度限位开关0度接近开关
动力电源线
旋转编码器电磁刹车
变桨电机2
变桨电机3
图2- 2变桨系统轮毂内拓扑结构图
三、变桨传感部分
（一）旋转编码器
增量式旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向），在接合数字电路特别是单片机后，增量式旋转编码器在角度测量和角速度测量较绝对式旋转编码器更具有廉价和优势。

如图3-1。

图3- 1旋转编码器实物图
AB两点对应两个光敏接受管，AB两点间距为S2 ,角度码盘的光栅间距分别为S0和S1，当角度码盘以某个速度匀速转动时，那么可知输出波图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值相同，同理角度码盘以其他的速度匀速转动时，输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。

如果角度码盘做变速运动，把它看成为多个运动周期（在下面定义）的组合，那么每个运动周期中输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。

我们把当前的A,B输出值保存起来，与下一个A,B输出值做比较，就可以轻易的得出角度码盘的运动方向，如果光栅格S0等于S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，除以所消毫的时间，就得到此次角度码盘运动位移角速度。

S0等于S1时，且S2等于S0的1/2时，1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度，如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2，那么要1个运动周期才可以比值与实际图的S0：S1：S2比值相同，同理角度码盘以其他的速度匀速转动时，输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图
的S0：S1：S2比值仍相同。

如果角度码盘做变速运动，把它看成为多个运动周期（在下面定义）的组合，那么每个运动周期中输出波形图中的S0：S1：S2比值与实际图的S0：S1：S2比值仍相同。

我们把当前的A,B输出值保存起来，与下一个A,B输出值做比较，就可以轻易的得出角度码盘的运动方向，如果光栅格S0等于S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，除以所消毫的时间，就得到此次角度码盘运动位移角速度。

S0等于S1时，且S2等于S0的1/2时，1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度，如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2，那么要1个运动周期才可以得到运动方向位和位移角度了。

（二）接近开关
图3- 2接近开关实物图
图3- 3接近开关原理图
带螺纹的圆筒，M18；
*镀铬黄铜；
*抗交流磁场和直流磁场干扰；
*3线直流连接，10~30VDC；
*常开PNP输出；
*连接头M12；
该开关用来作为旋转编码器的辅助定位装置。

当桨叶位置处于-2°到+5°的区间内，变桨盘上的金属挡块会使接近开关点亮。

如果旋编所显示的位置与接近开关点亮的区域不一致，可以判断旋编出现问题，此时变桨系统会进行急停的顺桨工作，避免因位置显示不准确而造成重大问题。

四、变桨距角的调节
（一）变桨距部分
变桨距控制系统作为兆瓦级风力发电机组控制系统的核心部分之一，对机组安全、稳定、高效的运行具有十分主要的作用，稳定的变桨距控制已成为当前兆瓦级风力发电机组控制技能研究的热点和难点之一。

因此，有必要对兆瓦级风力发电机组的变桨距控制系统执行细致比较分析和研究。

本文结合国外兆瓦级风力发电机组的发展现状，对风力发电机组变桨距系统控制的结构和控制原理执行分析，并运用PID控制要领对模型执行简要的仿真，以验证模型的正确性。

变桨距机构就是在额定风速附近(以上)，依据风速的变化随时调节桨距角,控制
吸收的机械能，一方面保证获取最大的能量(与额定功率对应)，同时减少风力对风力机的冲击。

在并网过程中，变桨距控制还可实现快速无冲击并网。

变桨距控制系统与变速恒频技术相配合，最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。

电动变桨距系统就是可以允许三个桨叶独立实现变桨，它提供给风力发电机组功率输出和足够的刹车制动能力，这样可以避免过载对风机的破坏。

三套蓄电池和轴控制盒以及伺服电机和减速机放置于轮毂处，每支桨叶一套，一个总电气开关盒放置在轮毂和机舱连接处，整个系统的通讯总线和电缆靠滑环与机舱的主控制器连接。

主控制器与轮毂内的轴控制盒通过现场总线通讯，达到控制三个独立的变桨距装置的目的。

主控制器根据风速，发电机功率和转速等，把命令值发送到电动变桨距控制系统，并且电动变桨距系统把实际值和运行状况反馈到主控制器。

电动变桨距系统必须满足能够快速响应主控制的命令，有独立工作的变桨距系统，高性能的同步机制，安全可靠等的要求。

这里我们采用闭环控制用于风机正常运行时控制叶片桨矩角，或者变速风机的叶轮转速，在变速变桨矩调节的控制器的类型；变频器在使叶轮转速通过控制发电机的反作用力矩改变的同时，把发电机与电网分离，在高风速时，该力矩保持在额定水平而用桨距控制来调节叶轮的转速进而也就是功率输出。

（二）伺服驱动部分
矢量控制技术解决了交流电动机在伺服驱动中的动态控制问题，使交流伺服驱动系统的性能可与直流系统相媲美，在某些情况下，甚至超过了直流系统的性能。

特别在20KW以下的功率范围内，精度有特殊要求的情况下，交流越来越要取代直流。

在这种情况下，感应电动机，无刷直流电动机和三相永磁同步电动机各有特色。

我们都知道，交流伺服驱动系统由以下三个部分组成：伺服电动机，驱动装置，控制系统。

从成本，功率密度，转矩/惯量，速度范围，转矩/电流，损耗，制动，转子位置传感器这几个方面考虑。

基于风力发电机组电动变桨距系统的特点和安全要求，综合三种伺服电动机的特性，采用三相永磁同步电动机作为电动变桨距系统的伺服电动机最为合适。

虽然三相永磁同步电动机在一些方面不尽如人意，但是它的电机结构简单，维护方便，只有定子线圈发热，容易实现高速，较容易实现快速制动。

特别对于风机而言，周围环境恶劣复杂，这样特别适用于三相永磁同步电
动机。

三相永磁同步电动机交流伺服系统大致有四部分组成：三相永磁同步电动机，
速度和位置传感器，变频器，控制器。

三相永磁同步电动机主要由转子和定子组成，在转子上装有特殊材料形状的永磁体，用以产生恒定磁场，没有励磁绕组定，子上有三相电枢绕组，接可控的变频电源。

对于三相永磁同步电动机来说，实际上，检测电动机的转子旋转速度，磁极位
置和系统的定位控制三个功能要采用绝对式光电编码器。

逆变器输出频率可调的交流电，输入到电枢绕组中。

PWM回路以一定的频率产生出触发功率器件的控制信号，使功率逆变器的输出频率和电压保持协调关系，并使流入电枢绕组中的交流电流保持严格正弦性。

另外，电动变桨距的三个伺服驱动器必须在其内部实现精确的同步功能，要求之间的通讯必然要达到系统的整体精度要求。

在控制回路中一共有三个控制环：位置环，速度环，转矩环。

一般情况下，位置环采用比例控制规律，速度环采用比例积分控制规律，转矩环采用空间矢量控制。

当然，位置控制主要是达到精确的位置控制，速度环要实现快速的跟踪，电流环实现快速的动态响应。

在电动变桨距伺服控制中，主控制器给出位置命令值，与位置反馈进行比较，位置调节器的输出就是速度调节器的输入，进行比例积分，速度调节器输出转矩命令值，与反馈值比较后，差值送到转矩调节器中，输出就是转矩电流给定值，并且把电流指令矢量控制在与磁极所产生的磁通相正交的空间位置
上，达到转矩控制。

定子电流检测值iA，iB，iC，经过ABC轴系到dq旋转轴系得适量变换后，得到检测值iq和id是永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链，对于三相永磁同步电动机是恒定值，通过面装式PWSM的电磁转矩公式可以得到转矩反馈值。

总结
本文以直驱型风力发电机组的变桨距调为例，描述了叶片在运行期间，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，并对电动变桨距的结构和特点进行了介绍，可以作为工程设计的初步参考，在具体的伺服控制部分的研究工作需要进一步深入。

在实际的风机设计中，要将变桨角在不同角度下的特性曲线细化，选出其在不同风速下最优化的变桨角度值，利用对风机在不同变桨角度的特性，在设计风力发电机组的时候，可以结合到以下3 点：
1. 保护风力发电机组，防止过载。

2. 最小化风机的结构载荷。

3．优化控制模拟的变桨区域。

本文简单的对直驱型发电机组变桨控制模型进行论述，此控制模型是直驱式风力发电机组概念设计中的一部分。

由于直驱式发电机组在我国目前还没有形成大规模的产业化。

我们对直驱型的风机设计还在不断的进行探讨和摸索当中，同时还要通过长期的试验和收集数据，对模型进行细化、修正和完善。

参考文献：
[1] 叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[M]. 机械工业出版社. 2002
[2] 宫靖远. 风电场工程技术手册[M]. 机械工业出版社. 2004
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[4] 赵凤山. 风力发电论文集[M]. 金盾出版社. 2002
[5] 林春泉.风力发电机组原理与应用[M].机械工业出版社.2009
[6] 吴安顺．最新实用交流调速系统[M]．机械工业出版社．1998
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