4-1典型风力发电机组控制系统结构
风力发电机组电控系统基本组成及各组成部分的功能特点
7．认识主控制柜、机舱控制柜主要的电气设备，了解其性能特点；
8．理解风力发电机组监控系统的监测内容，认识常用的传感器，了解其性能特点；
9．清楚风力发电机组电控系统采取的安全保护措施。
二、任务准备与实施建议
1．通过主控室监控画面和就地监控画面，记录电控系统监测的数据信息，了解这些数据的安全范围。
（二）变流电控系统
风力发电机组的变流电控系统能够实现以下两个功能。
（1）能量转换功能
变流器在风机系统中的主要作用是把风能转换成适应电网的电能，反馈回电网。
（2）低电压穿越功能
随着国家电网公司对国内风机运行标准的提高，风力发电机组要具备低电压穿越功能，在电网波动短时间能够正常运行，在一段时间内保证风机不脱网。
【讲解新课】
情境四风力发电机组电控调试与运行维护
任务二风力发电机组电控系统的认知
一、学习目标
1．理解风力发电机组电控系统基本组成及各组成部分的功能特点；
2．理解变流电控系统功能、变流柜柜体布局；
3．理解变流电控系统网侧与电机侧控制原理；
4．理解变桨电控系统基本组成及功能特点；
5．认识变桨电控柜主要电气设备，了解其性能特点；
变桨系统内部电气及控制检测主要包括以下部分：
（1）开关电源：将50HZ线电压400V（三相）交流电输入转换为60V直流电输出；
（2）变桨变频器：将60VDC转换成三相频率可变的29VAC，通过变频变速调节变桨电机；
（3）超级电容：储备电能；
（4）A10检测模块，检测采集超级电容高低电压，判断是否正常；将取自超级电容的60V与30V直流电压信号、充电器的直流电流输出信号，经过信号处理，转换成适合beckoff双极性模拟输入模块允许输入范围内的信号；
风力发电机组控制系统
昝润鹏双馈机运行原理图•控制系统利用DSP或单片机，在正常运行状态下，主要通过对运行过程中对输入信号的采集、传输、分析，来控制风电机组的转速和功率；如发生故障或其它异常情况能自动地检测并分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态•DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。
其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。
再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。
它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。
它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。
•控制系统主要任务就是能自动控制风电机组依照其特性运行、故障的自动检测并根据情况采取相应的措施。
•控制系统包括控制和检测两部分，控制部分又分为手动和自动。
运行维护人员可在现场根据需要进行手动控制，自动控制应该在无人值守的条件下实施运行人员设置的控制策略，保证机组正常安全运行。
•检测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来，在机组控制器的显示屏上可以查询，也要送到风电场中央控制室的电脑系统，通过网络或电信系统现场数据还能传输到业主所在城市的办公室。
•第一：低于切入风速区域。
一旦满足切入条件，控制启动风机。
•第二：切入风速到额定风速区域。
控制目标是最大风能捕获，通常将桨距角保持在某个优化值不变，通过发电机转矩控制叶轮转速，实现最佳叶尖速比。
•第三：超过额定风速区域。
通过变桨控制保持输出功率和叶轮转速恒定。
叶尖速比：叶轮的叶尖线速度与风速之比。
叶尖速比在5-15时，具有较高的风能利用系数Cp（最大值是0.593）。
通常可取6-8。
•风传感器：风速、风向；•温度传感器：空气、润滑油、发电机线圈等；•位置传感器：润滑油、刹车片厚度、偏航等；•转速传感器：叶轮、发电机等；•压力传感器：液压油压力，润滑油压力等；•特殊传感器：叶片角度、电量变送器等；•⑴控制系统保持风力发电机组安全可靠运行，同时高质量地将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电送入电网。
风力发电--控制系统详解
风力发电—发电机控制系统风力发电机由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于风电系统的神经。
因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。
目前风力发电亟待研究解决的的两个问题：发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。
对此国内外学者进行了大量的研究，取得了一定进展，随着现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的研究提供了技术基础。
控制系统的组成风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：这就是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。
控制系统组成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。
当然对于不同类型的风力发电机控制单元会不相同。
控制系统结构示意图如下：针对上述结构，目前绝大多数风力发电机组的控制系统都采用集散型或称分布式控制系统（DCS）工业控制计算机。
采用分布式控制最大优点是许多控制功能模块可以直接布置在控制对象的位置。
就地进行采集、控制、处理。
避免了各类传感器、信号线与主控制器之间的连接。
同时DCS现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数。
并与其他功能模块保持通信，发出各种控制指令。
目前计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。
PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，目前功能上有较大提高。
很多厂家也开始采用PLC构成控制系统。
现场总线技术(FCS)在进入九十年代中期以后发展也十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。
风力发电机控制系统（二）控制系统技术风力发电系统中的控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术，这是因为自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的并网和退出电网、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。
控制系统构造及原理讲义
二、安全保护
4．振动保护 机组一般设有三级振动频率保护：振动开关、振动频率上限l、振动频
率极限2，当振动开关动作时，系统将分级进行处理。 5．开机保护
采用机组开机正常顺序控制，对于定桨距失速异步风力发电机组采取 软切控制限制并网时对电网的电冲击；对于同步风力发电机，采取同步、 同相、同压并网控制，限制并网时的电流冲击。 6．关机保护
2.2 显示屏操作
3) 对定子侧和转子侧的电压、电流测量，除了用于监控过电压、低电压、过电 流、低电流、三相不平衡外，也用于统计发电量，以及并网前后的相序检测。
4）通过和机舱控制柜相连的信号线实现系统安全关机、紧急关机、安全链复位 等功能。
一、控制系统
3、控制系统的功能 ①在运行的风速范围内，确保系统的稳定； ②低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能； ③高风速时，限制风能的捕获，保持输出功率为额定值； ④减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械应力和输出功率的 波动，避免共振； ⑤减小功率传动链的暂态响应； ⑥控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅； ⑦确保机组输出电压和频率的稳定。
二、安全保护
二、安全保护
1．大风保护安全系统 多数机组取l0min平均25m/s为切出风速，由于此时风的能量很大，
系统必须采取保护措施。 在关机前对失速型风力发电机组，风轮叶保持在额定功率左右。 对于变桨距风力发电机组，必须调解叶片桨距角，实现功率输出
一、控制系统
为了完成上述要求，控制系统必须 ① 根据风速信号自动进入起动状态、并网或从电网切出； ② 根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制； ③ 根据风向信号自动对风； ④ 根据功率因数自动投入(或切出)相应的补偿电容(对于设置补偿电容的
机组)。当发电机脱网时，能确保机组安全关机； ⑤ 在机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行监测和记
风力发电机控制系统介绍
风力发电机控制系统介绍控制系统概述第一部分•风力发电机组的控制系统由各种传感器、控制器以及各种执行机构等组成。
各种传感器包括：风速传感器、风向传感器、转速传感器、位置传感器、各种电量变送器、温度传感器、振动传感器、限位开关、压力传感器以及各种操作开关和按钮等。
这些传感器信号将传送至控制器进行运算处理。
第一部分控制系统基础主控制器一般以PLC为核心，包括其硬件系统和软件系统。
上述传感器信号表征了风力发电机组目前的运行状态。
当机组的运行状态与设定状态不相一致时，经过PLC的适当运算和处理后，由控制器发出控制指令，将系统调整到设定运行状态，从而完成各种控制功能。
这些控制功能主要有：机组的启动和停机、变速恒频控制、变桨距控制、偏航控制等。
控制的执行机构可以采用电动执行机构，也可采用液压执行机构等。
•目前，风力发电机组主要有两种系统控制方式，即恒速恒频控制方式和变速恒频控制方式。
前者采用“恒速风力机+感应发电机”，常采用定桨距失速调节或主动失速调节来实现功率控制。
后者采用“变速风力机+变速发电机”，在额定风速以下时，控制发电机的转矩，使系统转速跟踪风速变化，以保持最佳叶尖速比，最大限度地捕获风能；在额定风速以上时，采用变速与变桨距双重控制，以便限制风力机所获取的风能，保证风电机组恒功率（一般为额定功率）输出。
PLC的控制顺序主控制系统（PLC）•WP4051 WPL110 WP4000 WPL150 WPL351 WPL351•触摸屏电源(通信)模块CPU模块电量测量模块I/O模块I/O模块可给8个存储、处理数据实时DSP 2个RS-485接口模块供电2个串口、电量测量16个DO、26个DI、4个AO光纤通信1个以太网接口可测量三相：4个计数器输入、以太网接口编程环境C、电压电流8个PT100、IEC61131-3 有功无功4个AI（±10V）功率因数4个AI（0~20mA）2个热敏电阻输入•目前，风力发电机组主要有两种系统控制方式，即恒速恒频控制方式和变速恒频控制方式。
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。
风电机组控制系统
风电机组控制系统摘要：风电机组控制系统作为风电机组的重要组成部分，我们有必要对其进行详细的研究论述。
本文主要介绍风电机组控制系统的组成结构和风电机组在运行时不同区域的基本控制策略，以及不同厂家在风电机组主要系统的实现上对软硬件采用情况。
关键词：风电机组 控制系统 构成一、风电机组控制系统的组成结构从实现功能的角度可以将控制系统分为：主控系统、变流控制系统、变桨距控制系统、偏航控制系统、液压控制系统及安全链保护。
这些控制系统通常采用分布式控制系统，主控制器只有一个，且位于地面的塔筒柜里，而从控制器有好几个，这些从控制器之间是通过光纤、工业以太网、profibus 、CANbus 等进行通信的。
为了能够更直观更清晰地了解控制系统的总体结构，以下将展示其结构图，具体如图1： 主控制器运行监控机组起停远程通信故障监测及保护动作电网、风况检测人机界面输入用户命令、变更参数显示系统运行状态、统计数据和故障变桨距控制柜桨距角调整转速控制功率控制系统安全链系统紧急停机保护偏航控制系统自动调向控制解缆控制液压站控制刹车机构压力控制机械刹车控制变流控制柜交流励磁控制并网控制图1 控制系统的总体结构图二、风电机组在运行时不同区域的基本控制策略根据风速情况以及风力机功率特性，变速恒频风力发电机组的运行可以划分成很多区域，分别为：待机区、启动并网区、最大风能追踪区、转速限制区、功率限制区、切出保护区。
（1）待机区：控制系统的带电工作，保证所有执行机构和信号均处于正常状态。
（2）启动并网区：当风速达到切入风速时，风电机组起动，通过变桨距机构调节桨距角使风力机升速，达到并网转速时，执行并网程序，使发电机组顺利切入电网，并带上初负荷。
待发电机出口三相电压的电网电压满足同期条件时，接触器合闸，发电机并入电网。
（3）最大风能追踪区：风力发电机组运行在额定风速以下时，发电机输出功率未达到额定功率，此时控制目标为保持最佳叶尖速比，快速稳定的电机变速控制，尽可能将风能转化为输出的电能，实现风能最大捕获。
风机控制系统结构原理分解
风机控制系统结构、风力发电机组控制系统的概述风力发电机组是实现由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程的装置，风轮系统实现了从风能到机械能的能量转换，发电机和控制系统则实现了从机械能到电能的能量转换过程，在考虑风力发电机组控制系统的控制目标时，应结合它们的运行方式重点实现以下控制目标：1. 控制系统保持风力发电机组安全可靠运行，同时高质量地将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电送入电网。
2. 控制系统采用计算机控制技术实现对风力发电机组的运行参数、状态监控显示及故障处理，完成机组的最佳运行状态管理和控制。
3. 利用计算机智能控制实现机组的功率优化控制，定桨距恒速机组主要进行软切入、软切出及功率因数补偿控制，对变桨距风力发电机组主要进行最佳尖速比和额定风速以上的恒功率控制。
4. 大于开机风速并且转速达到并网转速的条件下，风力发电机组能软切入自动并网，保证电流冲击小于额定电流。
对于恒速恒频的风机，当风速在4-7 m/s之间，切入小发电机组（小于300KW ）并网运行，当风速在7-30 m/s之间，切人大发电机组（大于500KW ）并网运行。
主要完成下列自动控制功能：1 ）大风情况下，当风速达到停机风速时，风力发电机组应叶尖限速、脱网、抱液压机械闸停机，而且在脱网同时，风力发电机组偏航90°。
停机后待风速降低到大风开机风速时，风力发电机组又可自动并入电网运行。
2）为了避免小风时发生频繁开、停机现象，在并网后在小风自动脱网停机后，5min内不能软切并网。
10min内不能按风速自动停机。
同样,3）当风速小于停机风速时，为了避免风力发电机组长期逆功率运行，造成电网损耗，应自动脱网，使风力发电机组处于自由转动的待风状态。
4）当风速大于开机风速，要求风力发电机组的偏航机构始终能自动跟风±15°。
, 跟风精度范围5）风力发电机组的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下，应该松开机械闸，其余状态下（大风停机、断电和故障等）均应抱闸。
风力发电机组的结构及组成
4 玻璃钢叶片的优点
可充分根据叶片的受力特点设计强度和刚度 容易成型，易于达到最大气动效果的翼型 优良的动力性能和较长的使用寿命 维修简便，以节省大量人力物力 耐腐蚀性和耐气候性好 易于修补
20
3.2.2 轮毂
轮毂是将叶片和叶片组固定到转轴上的装置。它 将风轮的力和力矩传递到主传动机构中
• 轮毂是用铸钢或钢板焊接而成。铸钢在加工前 要对其进行探伤，绝不允许有夹渣，缩孔，砂 眼，裂纹等缺陷。焊接的轮毂，其焊缝必须经 过超声波检查，并按浆叶可能承受的最大离心 力载荷确定钢板的厚度。此外，还要考虑交变 应力引起的焊缝疲劳
叶片的主要材料特性
纤维增强复合材料 玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 玻璃钢复合材料
3 玻璃钢叶片
用于叶片制造的材料一般有木材、金属，如 钢和铝，以及玻璃钢。由于叶片的木材一般要选 用优质木材，如桦木、核桃木等，材料来源困难、 取材率低、造价高、维修不便。钢金属材料制造， 又存在加工复杂、工艺装备多、生产周期长、产 品不耐腐蚀等一系列问题。因此，目前在国内已 很少选用木材或金属制造叶片，大多数采用玻璃 钢。
轮箱；7－刹车机构；8－联轴器；9－发电机；10－散热器；11－冷却风扇 ；12－风速仪和风向标；13－控制系统；14－液压系统；15－偏航驱动； 16－偏航轴承；17－机舱盖；18－塔架；19、变桨距部分
3.2.1 风轮及其组成
叶片
风轮 轮毂
风轮 轴
风轮的组成图
风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别 于其它动力机的主要标志。风轮的作用是捕捉和 吸收风能。并将风能转变成机械能。再由风轮轴 将能量送给传动装置以水平轴升力型风力机的风 轮为例(下图)来说明风轮功率的计算。
第三讲 风力发电机组的结构及组成
风力发电机组结构
第三章 风力发电机组结构
内容
1.主要机组类型 2.基本性能和主要参数 3.机组的基本结构
偏航系统结构示意图
1主机架，2偏航驱动，3运输支架
8）塔架与基础
塔架是机组的支撑部件，承受机组重量、风载荷及各种动载荷， 并将这些载荷传递到基础。塔架结构形式主要有钢筋混凝土结构、 桁架结构和钢筒结构三种 。
a) 钢筋混凝土结构塔架
b) 钢筒塔架和桁架塔架
8）塔架与基础—塔筒加工
塔筒通常采用宽度为2米、厚度为10至40毫米的钢板，经过卷板 机卷成筒状，然后焊接而成。
偏角 / °
标准转速 / rpm 齿轮箱结构形式 变桨控制方式 制动刹车方式 偏航控制系统 发电机类型 发电机极对数 额定功率 / kW
4
20 一级行星轮＋两级平行轴斜齿圆柱齿轮 独立电动变桨控制 独立叶片变桨控制+盘刹车 四个电动齿轮电机 感应式带滑环发电机 4 1500
功率因数cos
电网连接 塔架
采用不同的叶片数，对风电机组的气动性能和结构设计都将产生 不同的影响。风轮的风能转换效率取决于风轮的功率系数。
在相同风速条 件下，叶片数 越少，风轮最 佳转速越高. 多叶片风轮由 于功率系数很 低.
不同叶片数的风轮的功率系数随叶尖速比的变化曲线
3）叶片数（续）
因此用于衡量风轮转矩性能的另一个重要参数是转矩系数， 它定义为功率系数除以叶尖速比。
风轮锥角是叶片与 风轮主轴相垂直的 旋转平面的夹角， 风轮仰角是风轮主 轴与水平面的夹角。
风力发电机结构介绍
绍结机构介风力发电风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电该机组通过风力推动叶轮旋转，塔架和基础等组成。
机、控制与安全系统、机舱、有效的将风能转再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，化成电能。
风力发电机组结构示意图如下。
1、叶片2、变浆轴承3、主轴4、机舱吊5、齿轮箱6、高速轴制动器7、发电机8、轴流风机9、机座10、滑环11、偏航轴承12、偏航驱动13、轮毂系统各主要组成部分功能简述如下（1）叶片叶片是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。
叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。
由叶片、轮毂、变桨系统组成。
每个叶片有一套独立的变桨机构，主动对叶片进行调节。
叶片配备雷电保护系统。
风机维护时，叶轮可通过锁定销进行锁定。
（2）变浆系统变浆系统通过改变叶片的桨距角，使叶片在不同风速时处于最佳的吸收风能的状态，当风速超过切出风速时，使叶片顺桨刹车。
（3）齿轮箱齿轮箱是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，并使其得到相应的转速。
发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。
明阳）发电机4（．1.5s/se机组采用是带滑环三相双馈异步发电机。
转子与变频器连接，可向转子回路提供可调频率的电压，输出转速可以在同步转速±30%范围内调节。
（5）偏航系统偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式，与控制系统相配合，使叶轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率。
同时提供必要的锁紧力矩，以保障机组安全运行。
（6）轮毂系统轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。
轮毂结构是3个放射形喇叭口拟合在一起的。
轮箱转速比：）发电机：（41550kw 发电机额定功率：发电机额定电压：690v发电机额定电流：1120A发电机额定频率：50Hz发电机转速：1750rpm发电机冷却方式：空-空冷却发电机绝缘等级：H级主刹车系统：变浆制动。
风力发电机组的结构及组成
3.1 风力发电机组概述
风力发电机组是将 风能转化为电能的
装置
按其容量划分
按其主轴与地面 的相对位置
小型（10KW以下)
中型（10~100KW)
大型（100KW以上）
）
水平轴风力发电机组 （主轴与地面平行）
垂直轴风力发电机组 （主轴与地面垂直）
小型及大型风力发电机组
水平轴及垂直轴风力发电机组
3.2 水平轴风力发电机组的结构
径向
力
受力
力
形式
弯矩
转矩
风机每经历一次起动和停机，主轴所受的各种 力，都将经历一次循环
因此会产生循环疲劳
主轴有较高的综合机械性
3.3 齿轮箱
齿轮箱是风力发电机组关键零部件之一。由于 风力机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下， 为了实现风力机和发电机的匹配，采用增速齿轮箱。
齿轮箱的分类
按传统类型 按传动的级数
塔架的功能是支撑位于空中的风力发电系统塔架与基础相连接承受风力发电系统运行引起的各种载荷同时传递这些载荷到基础使整个风力发电机组能稳定可靠地运行
第三讲 风力发电机组的结构及组成
3.1 风力发电机组概述 3.2 水平轴风力发电机组结构组成 3.3 齿轮箱 3.4 调速装置 3.5 发电机 3.6 塔架 3.7 控制系统及附属部件
3.2.1.1 叶片及叶片材料
叶片是风力机的关键部件，其良好的设计、可靠的质 量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素
叶片材料经历了木制叶片
布蒙皮叶片 钢梁玻璃纤维蒙皮叶片
铝合金叶片 复合材料叶片 新型复合材料叶片。
3.2.1.1 叶片发展趋势
风力机风轮叶片向大功率、长叶片方向发展
风力机风轮叶片不断的更新设计，以有好的气动性能
1典型风电厂的组成
第一讲：典型风电厂的组成引言：参考图风机升压变压器 海上风电厂WGWG WG WG WG1WG1WG1WG1WG1WG1WGWG WG WG WGWG1WG11 WG1YZ PowerFactor Connectio n风电厂变电站1、最简单的风力发电厂的构成：1．1风力发电机组：包括机舱（主机）、叶轮、塔架、基础、控制系统、附件；1．2风机出口升压变压器：包括变压器、风机连接电缆、变压器基础；1．3变压器至变电站的连接线路（电缆、架空）、保证风机远程监控专用通讯电缆；1．4变电站：包括汇集风机出口升压变压器输电线路开关组、母线、主变压器、变压器高压侧控制开关及电器（PT、CT、隔离、避雷器等）、变电站接地及防雷系统、自动化控制保护装置、计量装置、无功补偿装置等；1．5变电站至系统上网线路；为实现风电厂的自动化监控、风电厂运行、设备维护及检修、办公等，风电厂还必须具备：1．6中央监控自动化装置；1．7中央监控室、维护检修车间、办公室、材料间等（风电厂监控楼）；为保证风电厂监控楼的安全管理，及运行维护人员的人性化管理，风电厂监控楼还需要考虑：1．8员工文化娱乐设施；1．9监控楼围栏；1．10供热系统、供水系统、供电系统等；为保证风电厂的运行、检修，风电厂内还必须考虑：1．11风电厂厂内道路---监控楼同往各风机机位点、变电站、仓库等地点的道路；1．12道路能够满足不同季节、大型货车通行的要求；2、风电厂项目建设内容新建风电厂项目，就是依据上述构成风电厂的设施内容，进行建设。
并且满足项目规划设计要求。
按照通常电场项目施工的分类方法，风电厂项目的施工建设可以分为以下部分：2．1设计招标：风电厂规划设计、施工设计2．2设备的采购招标---包括风力发电机组（含中央监控装置）、塔架、风机出口升压变压器（简称箱变）、输电线路、变电站电气设备、上网线路等；2．3基础土建工程招标及施工：风机基础、箱变基础、监控楼土建、变电站土建等；2．4机电设备安装：风机安装、箱变安装、厂内输配电线路施工安装、变电站电气设备安装、通讯设备安装、接地及防雷系统施工安装等；2．5风电厂施工基础条件的建设：四通一平、材料货场等。
风力发电机组的系统控制
风力发电机组的系统控制随着环境保护意识的不断提高和能源危机的加剧，风力发电作为一种清洁、可再生的能源利用方式，逐渐受到人们的关注和推广。
而风力发电机组的系统控制是实现稳定、高效发电的重要保障。
一、风力发电机组的系统组成和工作原理风力发电机组由风轮、转速控制系统、发电机和电力转换器等组成。
当风轮受风的作用旋转时，转动产生动能被传给发电机，经过电力转换器转化成交流电并输出。
其中，转速控制系统对风轮的转动进行调节，保证发电机在最大效率下运转。
二、风力发电机组的系统控制策略1.转速调节：转速调节是风力发电机组的基本控制策略。
其目的是保证风轮叶片旋转的速度达到最优区间，从而提高发电机的输出功率。
转速调节主要分为机械、电子和混合控制等方式。
机械控制：传统的机械控制方式采用转向浆的机械设计，通过改变羽片的角度来控制风轮转速。
该方式简单、成本低但稳定性不够。
电子控制：通过控制发电机转子上的磁场来改变发电机的输出功率，进而实现转速控制。
该方式精度高、稳定性好但成本较高。
混合控制：将机械和电子控制方式的优点结合起来，增强控制系统的稳定性和可靠性。
混合控制方式是当前主流的转速调节方式。
2.偏航控制：偏航控制是风力发电机组的必要控制策略，用来控制风轮的方向。
在复杂的气象条件下，通过偏航控制将风轮转向风向，并在突发的气象变化中及时调整风轮方向，减小因系统失控导致的风力发电机组运行出现事故。
3.电网支撑和功率平衡控制：电网支撑和功率平衡控制是指将风力发电机组的输出能量与电网负荷之间建立反馈控制，保证电能质量和电力系统的稳定性。
在市场化环境，对接电网的风力发电机组还需要实现功率平衡控制，控制机组的风电功率与基础负荷之和保持稳定。
三、风力发电机组的系统控制优化随着风力发电行业的快速发展，风力发电机组的系统控制的优化已成为实现高效、稳定发电的重要途径。
通过优化转速调节、偏航控制、电网支撑和功率平衡控制等关键系统控制策略，可以实现以下目标：1.提高机组发电效率，降低运行成本；2.提高机组的响应速度，保证风场运行的稳定性；3.实现对风力资源与市场需求的动态调整，提高风力发电系统的灵活性；4.通过风力发电机组的智能化控制系统，实现设备状态监测、故障诊断等高端需求。
风力发电机主机构造
风力发电机主机构造
风力发电机是利用风能转换成电能的装置，它的主要构造包括
风轮、发电机和塔架。
风轮是风力发电机的核心部件，它由叶片、
轴承和主轴组成。
叶片是风轮的关键部件，它的设计和制造直接影
响着风力发电机的效率和性能。
叶片的材料通常采用玻璃钢或碳纤
维复合材料，以确保其轻量化和耐久性。
轴承和主轴则负责支撑叶
片的旋转运动，同时将风能转化为机械能。
发电机是将风能转换为电能的关键部件，它通常采用的是永磁
同步发电机或异步发电机。
当风轮转动时，通过发电机内部的转子
和定子之间的磁场作用，将机械能转化为电能。
发电机的设计和制
造需要考虑到高效能转换和稳定输出电能的要求，同时也需要考虑
到在恶劣环境下的可靠性和耐久性。
塔架是支撑风力发电机的结构，它通常采用钢结构或混凝土结构。
塔架的高度直接影响着风力发电机的发电效率，因为风速随着
高度的增加而增加，所以较高的塔架能够更好地捕捉到更强的风能。
同时，塔架的稳固性和耐久性也是设计和制造的重点。
总的来说，风力发电机主机的构造需要考虑到材料的轻量化、
强度和耐久性，以及高效能转换和稳定输出电能的要求。
不仅如此，还需要考虑到在恶劣环境下的可靠性和安全性。
随着科技的不断进步，风力发电机的构造也在不断改进，以更好地满足清洁能源的需求。
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●改变桨叶节距角的设定，也显著影响额定功率的输出。 ●无论从实际测量还是理论计算所得的功率曲线都可以说明，定桨距风 力发电机组在额定风速以下运行时，在低风速区，不同的节距角所对应 的功率曲线几乎是重合的。但在高风速区，节距角的变化对其最大输出 功率（额定功率点）的影响是十分明显的。 ●根据定桨距风力机的特点，应当尽量提高低风速时的功率系数和 考虑高风速时的失速性能。 中国电力科学研究院
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目前所有的定桨距风力发电机组均采用了叶尖扰流器的设计。叶 尖扰流器是风力发电机组的主要制动器，每次制动时都是它起主要作 用。在风轮旋转时，作用在叶尖扰流器上的离心力和弹簧力会使叶尖 扰流器力图脱离桨叶主体转动到制动位置；而液压力的释放，不论是 由于控制系统是正常指令，还是液压系统的故障引起，都将导致扰流 器展开从而使风轮停止运行。因此，空气动力刹车是一种失效保护装 置，它使整个风力发电机组的制动系统具有很高的可靠性。
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3．自起动的条件
正常起动前lOmin，风力发电机组控制系统对电网、风况和机组的状态 进行检测。这些状态必需满足以下条件：
(1)电网
1)连续lOmin电网没有出现过电压、低电压； 2)电网电压0.1s内跌落值均小于设定值； 3)电网频率在设定范围之内； 4)没有出现三相不平衡等现象。
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2．风力发电机组的自起动
●风力发电机组的自起动是指风轮在自然风速的作用下，不依靠其他 外力的协助，将发电机拖动到额定转速。 ●早期的定桨距风力发电机纽不具有自起动能力，风轮的起动是在发 电机的协助下完成的，这时发电机作电动机运行，通常称为电动机起 动(Motor start)。 ●由于桨叶气动性能的不断改进，目前绝大多数风力发电机组的风轮具 有良好的自起动性能。一般在风速v> 4m／s的条件下，即可自起动到发 电机的额定转速。
(5)制动解除
1）当自起动的条件满足时，控制叶尖扰流器的电磁阀打开，压力油进入桨 叶液压缸，扰流器被收回与桨叶主体合为一体。 2）控制器收到叶尖扰流器已回收的反馈信号后，压力油的另一路进入机械 盘式制动器液压缸，松开盘式制动器。
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4.2 定桨距风力发电机组的基本控制要求
4.2.1 控制系统的基本功能
并网运行的风力发电机组的控制系统必须具备以下功能： (1)根据风速信号自动进入起动状态或从电网切出。 (2)根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制。 (3)根据风向信号自动对风。 (4)根据功率因素自动投入（或切出）相应的补偿电容。 (5)当发电机脱网时，能确保机组安全停机。 (6)在机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行监测 和记录，对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，并能够 根据记录的数据生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标。 (7)对在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信的功能。
P(W)
6000
9m/s
4000
7m/s
2000
5m/s 3m/s
0 100
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200
300
400
500
600
n(r/min)
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? 低风速运行时的效率问题 ? 发电机低负荷时的效率问题
目前用于风力发电机组的发电机已能设计得非常理想: 在P>30%额定功率范围内，均有高于90%的效率 但当功率P<25%额定功率时，效率仍然会急剧下降。 为了解决上述问题，定桨距风力发电机组普遍采用双速发电机，分别设 计成4极和6极。一般6极发电机额定功率设计成4极发电机的1/50～1/4 ● 600kW定桨距风力发电机组一般设计成6极150kW和4极600kW; ● 750kW风力发电机组设计成6极200kW和4极750kW； ● 1000kW风力发电机组设计成6极200kW和4极1000kW。
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为了解决这一问题，近年来定桨距风力发电机组制造商又研制了主动 失速型定桨距风力发电机组。采取主动失速的风力机开机时，将桨叶节距 推进到可获得最大功率位置，当风力发电机组超过额定功率后，桨叶节距 主动向失速方向调节，将功率调整在额定值上。由于功率曲线在失速范围 内的变化率比失速前要低得多，控制相对容易，输出功率也更加平稳。 中国电力科学研究院
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这样，当风力发电机组在低风速段进行时，不仅桨叶具有较高的气动效 率，发电机的效率也能保持在较高水平，从而使定桨距风力发电机组与变桨 距风力发电机组在进入额定功率前的功率曲线差异不大。
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当桨叶的安装角β不变，随 着风速增加攻角i增大，升力系 数Cf线性增大；在接近Clmax 时，增加变缓，达到Clmax后开 始减小。另一方面，阻力系数Cd 初期不断增大；在升力开始减小 时，Cd继续增大，这是由于气流 在叶片上的分离随攻角的增大而 增大，分离区形成大的涡流，流 动失去翼型效应，与未分离时相 比，上下翼面压力差减小，致使 阻力激增，升力减少，造成叶片 失速，从而限制了功率的增加.
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7．节距角与额定转速的设定对功率输出的影响
●对同样直径的风轮驱动的风力发 电机组，其发电机额定转速可以有 很大变化，而额定转速较低的发电 机在低风速时具有较高的功率系 数；额定转速较高的发电机在高风 速时具有较高的功率系数，这就是 采用双速发电机的根据。 ●需说明的是，额定转速并不是按在额 定风速时具有最大的功率系数设定的。 ●定桨距风力发电机组早在风速达到 额定值以前就已开始失速了，到额定 点时的功率系数已相当小。
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定桨距风力发电机组必须解决的两个问题：
一是当风速高于风轮的设计点风速即额定风速时，桨叶必须 能够自动地将功率限制在额定值附近; 二是运行中的风力发电机组在突然失去电网（突甩负载）的 情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大 风情况下安全停机。
解决上述问题的两项关键技术：
● 20世纪70年代桨叶制造商首先用玻璃钢复合材料研制成功了 失速性能良好的风力机桨叶，解决了定桨距风力发电机组在大风 时的功率控制问题。 ● 20世纪80年代又将叶尖扰流器成功地应用在风力电机组上，解 决了在突甩负载情况下的安全停机问题。
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2.桨叶的失速调节原理
当桨叶的安装角β不变，随着风速增加攻角i增大，升力系数Cf线性 增大；在接近Clmax时，增加变缓，达到Clmax后开始减小。另一方面， 阻力系数Cd初期不断增大；在升力开始减小时，Cd继续增大，这是由于 气流在叶片上的分离随攻角的增大而增大，分离区形成大的涡流，流动 失去翼型效应，与未分离时相比，上下翼面压力差减小，致使阻力激 增，升力减少，造成叶片失速，从而限制了功率的增加. 中国电力科学研究院
4．空气动力刹车
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9
0.5 0.45 0.4 0.35
C p
5. 双速发电机
0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 2 4 6 8 10 12 14
12000
11m/s
10000
8000
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失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减少，因而根部叶面 先进入失速，随风速增大，失速部分向叶尖处扩展，原先已失速的部 分，失速程度加深，未失速的部分逐渐进入失速区。失速部分使功率减 少，未失速部分仍有功率增加。从而使输入功率保持在额定功率附近。
风力发电机组控制技术
王生铁
2012年10月12日
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1
第四章 典型风力发电机组控制系统 结构
4.1 定桨距风力发电机组的特点
4.1.1 定桨距风力发电机组的结构特点 1.风轮结构
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(2)风况
连续lOmin风速在风力发电机组运行风速的范围内(3. Om/s <v<25m／s)。
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