现代变桨控制技术的研究
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关键词 ：风机 ，变桨控制技术 ，控制策略
１引 言
的攻角 ，风轮 开 始起 动 。 并 网前 变 桨距 系 统 的节距 给 定 值 是 由叶 片 的气 动特 性 决 定 的， 当风 轮转速 达 到 一定 的
转 速 时 ， 风 机 控 制 器 通 过 控 制 桨 叶 的 节 距 角 ， 调 整 叶 轮
出 速 度 或 者 位 置 信 号 。 变 桨 控 制 系 统 根 据 风 机 控 制 器 的
无旁贷 的责任 。
要 求 ，不 断 的 调 整 桨 叶 的 转 速 ，达 到 风 机 控 制 器 的要 求 。但 是 如何 确保 叶 片平 稳 和和 准确 的运行 到 指 定的位
２风 机的变桨 距控制
产 化 已是 大 势 所 趋 、 当 务 之 急 ， 是 风 电设 备 制 造 厂 商 责 也
是 将风 机 控制 器 的速 度 和位 置信 号合 成 叶片控 制 器可 以 接 受 的命令一 速度 信 号 。变 桨控 制系 统对风 机控 制信 号的 分 解如 图 １ 。风机 控制 器根 据转 速需 要 ，向变桨控 制器 给
现 代变桨 控 制 技术 的研 究
江 苏 省 常 州 市 新 誉 集 团 刘 夏 阳 蒋 科 杰 谢 歆
摘要 ：针对大 功率风机在风速切 换 时 ，风机 叶片及机组￣ｇ Ｅ机械冲击 较大的问题 ， Ｊ ｌ９ ］ 提 出了风力发 电机 组Ｂ Ｏ 片载 荷修正桨距 角的控制 策略 。通过在现 场进行测试 ，表 明了该 ｇＴ 方法 有效地降低 了风速切换 的时候风机 的机 械冲击 。该策略改 进了国内 目前各大 整机 厂家 引进的风机控制技术 的载荷 冲击问题 ，提 高 了风力发 电机机 组的可靠性和稳定性 。
桨 叶实 际 是一 块 阻尼板 。当测 量 风速 在 １分 钟 内平 均 达 ０
到 起 动 风 速 时 ， 变 桨 控 制 系 统 接 收 到 来 自风 机 控 制 器 的 命 令 ， 桨 叶 将 向Ｏ 方 向转 动 ， 直 到 气 流 对 桨 叶 产 生 一 定 度
机械 结 构造 成 去打 的冲击 ，如果 叶 片速 度过 于 缓慢 ，将
保 持相 同的受 风 角度 。风机 控制 器 通 过调 节 叶片 角度 保
证 风 轮 的旋 转 速 度 。
电变 桨控 制系 统的报 道， 国内大型 风机 几乎 均采 用 国外进 口产 品． 由于 进 口产 品 价 格 高 （ 套 变 桨 系 统 约 需 ３ ～ 每 ５
４ 万 人 民 币 ） 订 货 周 期 长 ， 后 服 务 差 ， 维 护 成 本 高 。 同 ０ ， 售
无法 实 现机 组 的最 大 功率 跟 踪 。因此 我 们必 须对 风 机控
制 器 给 定 的速 度 信 号 和 位 置 信 号 进 行 分 解 ， 来 控 制 变 桨
３８
电机 实现 对叶片的控制 。
速 度 给 定
图ｆ变桨 矩控 制速 度位 置合 成图
图４修 正后 的齿轮 箱输 入轴 的振 动频谱 图
随 着 化 石 能 源 的 日益 枯 竭 ， 人 们 正 积 极 寻 找 新 的 洁
净 环 保 的 新 能 源 。 尤 其 是 在 日本 大 地 震 后 ， 各 个 国 家 对
核 能 的 安 全 提 出 了 巨 大 的 质 疑 。 风 能 作 为 一 种 清 洁 的 可 再 生能 源 ，越 来越 受 到世 界 各 国 的重视 。其蕴 量 巨 大 ， 全 球 的风 能 约 为２７ Ｘ１９Ｗ 其 中可 利用 的风 能 为２ ． ４ ０ Ｍ ， × １７Ｗ 比地 球 上 可 开 发 利 用 的 水 能 总 量 还 要 大 １倍 。 ０Ｍ ， Ｏ
由图３ 图４ 明，添加 了 叶片载荷 修 正参数 以后 ， 和 Ｎ
根 据 也 叶 片 的 启 动 特 性 ， 变 距 风 轮 的 叶 片 在 静 止
置 ，这 就 是变 桨控 制 系统 的核心 问题 。总所 周 知 ，叶片
的 长 度 都 是 长 达 几 十 米 ， 如 果 速 度 过 快 ，将 会 对 机 组 的
时 ， 节 距 角 为 ９ 度 左 右 。 气 流 对 桨 叶 不 产 生 转 矩 ， 整 个 Ｏ
的转速 ，寻 找最佳 时机 并 网。 风 机运 行 时 ，变桨 系 统 即投 入工 作 ：当 风速 低于 额 定 风速 时 ，风 机 控制 器 选择 最佳 的叶 片受 风 角度 ，可 使 得 风机 的 电能输 出在 任 何 一个风 速 下 都将 达 到最 大 。当 风 速 超 过 额 定 风 速 时 ，风 机 控 制 器 调节 叶 片 的 受 风 角 度 ，使 风 机产 生 额定 的发 电功 率 。叶 片沿 其长 度 方 向的
轴 转 动 调 整 叶 片 的 受 风 角 度 。风 机 的 变 桨 系 统 是 靠 齿 轮 减 速 机 构 推 进 的 ， 通 过 各 自独 立 的 推 动 系 统 ， 使 ３ 叶 片 个
按 照 国家 规划 ，未 来 ｌ ５年 我 国风 电设备 市场 亿 元 ． 一 方 面 ， 于 我 国 风 电 设 备 制 ４０ １０ 另 由 造 尚处于起 步 阶段 ， 国内风 电设备 的产 能偏 小， 奈 只能 无 化 高 价 购 买 进 口风 机 和 部 件 ， 重 影 响 了 我 国 风 电行 业 的 严 快 速 发 展 ． 电变 桨 伺 服 控 制 系 统 而 言 ，目前 尚 未 有 国 产 就
３控制 策略
目前 变 桨 控 制 系 统 都 是 分 为 二 级 控 制 ， 第 一 级 控 制
时 国 家 发 改 委 《 于 风 电 建 设 管 理 有 关 要 求 的 通 知 》 中 关 明确 规 定 ： 风 电设 备 国产 化 率 要 达 Ｎ ７ ％ 上 ， 不 满 足 设 Ｏ以 备 国 产 化 率 要 求 的 风 电场 不 允 许 建 设 ． 此 风 电 设 备 的 国 因
１引 言
的攻角 ，风轮 开 始起 动 。 并 网前 变 桨距 系 统 的节距 给 定 值 是 由叶 片 的气 动特 性 决 定 的， 当风 轮转速 达 到 一定 的
转 速 时 ， 风 机 控 制 器 通 过 控 制 桨 叶 的 节 距 角 ， 调 整 叶 轮
出 速 度 或 者 位 置 信 号 。 变 桨 控 制 系 统 根 据 风 机 控 制 器 的
无旁贷 的责任 。
要 求 ，不 断 的 调 整 桨 叶 的 转 速 ，达 到 风 机 控 制 器 的要 求 。但 是 如何 确保 叶 片平 稳 和和 准确 的运行 到 指 定的位
２风 机的变桨 距控制
产 化 已是 大 势 所 趋 、 当 务 之 急 ， 是 风 电设 备 制 造 厂 商 责 也
是 将风 机 控制 器 的速 度 和位 置信 号合 成 叶片控 制 器可 以 接 受 的命令一 速度 信 号 。变 桨控 制系 统对风 机控 制信 号的 分 解如 图 １ 。风机 控制 器根 据转 速需 要 ，向变桨控 制器 给
现 代变桨 控 制 技术 的研 究
江 苏 省 常 州 市 新 誉 集 团 刘 夏 阳 蒋 科 杰 谢 歆
摘要 ：针对大 功率风机在风速切 换 时 ，风机 叶片及机组￣ｇ Ｅ机械冲击 较大的问题 ， Ｊ ｌ９ ］ 提 出了风力发 电机 组Ｂ Ｏ 片载 荷修正桨距 角的控制 策略 。通过在现 场进行测试 ，表 明了该 ｇＴ 方法 有效地降低 了风速切换 的时候风机 的机 械冲击 。该策略改 进了国内 目前各大 整机 厂家 引进的风机控制技术 的载荷 冲击问题 ，提 高 了风力发 电机机 组的可靠性和稳定性 。
桨 叶实 际 是一 块 阻尼板 。当测 量 风速 在 １分 钟 内平 均 达 ０
到 起 动 风 速 时 ， 变 桨 控 制 系 统 接 收 到 来 自风 机 控 制 器 的 命 令 ， 桨 叶 将 向Ｏ 方 向转 动 ， 直 到 气 流 对 桨 叶 产 生 一 定 度
机械 结 构造 成 去打 的冲击 ，如果 叶 片速 度过 于 缓慢 ，将
保 持相 同的受 风 角度 。风机 控制 器 通 过调 节 叶片 角度 保
证 风 轮 的旋 转 速 度 。
电变 桨控 制系 统的报 道， 国内大型 风机 几乎 均采 用 国外进 口产 品． 由于 进 口产 品 价 格 高 （ 套 变 桨 系 统 约 需 ３ ～ 每 ５
４ 万 人 民 币 ） 订 货 周 期 长 ， 后 服 务 差 ， 维 护 成 本 高 。 同 ０ ， 售
无法 实 现机 组 的最 大 功率 跟 踪 。因此 我 们必 须对 风 机控
制 器 给 定 的速 度 信 号 和 位 置 信 号 进 行 分 解 ， 来 控 制 变 桨
３８
电机 实现 对叶片的控制 。
速 度 给 定
图ｆ变桨 矩控 制速 度位 置合 成图
图４修 正后 的齿轮 箱输 入轴 的振 动频谱 图
随 着 化 石 能 源 的 日益 枯 竭 ， 人 们 正 积 极 寻 找 新 的 洁
净 环 保 的 新 能 源 。 尤 其 是 在 日本 大 地 震 后 ， 各 个 国 家 对
核 能 的 安 全 提 出 了 巨 大 的 质 疑 。 风 能 作 为 一 种 清 洁 的 可 再 生能 源 ，越 来越 受 到世 界 各 国 的重视 。其蕴 量 巨 大 ， 全 球 的风 能 约 为２７ Ｘ１９Ｗ 其 中可 利用 的风 能 为２ ． ４ ０ Ｍ ， × １７Ｗ 比地 球 上 可 开 发 利 用 的 水 能 总 量 还 要 大 １倍 。 ０Ｍ ， Ｏ
由图３ 图４ 明，添加 了 叶片载荷 修 正参数 以后 ， 和 Ｎ
根 据 也 叶 片 的 启 动 特 性 ， 变 距 风 轮 的 叶 片 在 静 止
置 ，这 就 是变 桨控 制 系统 的核心 问题 。总所 周 知 ，叶片
的 长 度 都 是 长 达 几 十 米 ， 如 果 速 度 过 快 ，将 会 对 机 组 的
时 ， 节 距 角 为 ９ 度 左 右 。 气 流 对 桨 叶 不 产 生 转 矩 ， 整 个 Ｏ
的转速 ，寻 找最佳 时机 并 网。 风 机运 行 时 ，变桨 系 统 即投 入工 作 ：当 风速 低于 额 定 风速 时 ，风 机 控制 器 选择 最佳 的叶 片受 风 角度 ，可 使 得 风机 的 电能输 出在 任 何 一个风 速 下 都将 达 到最 大 。当 风 速 超 过 额 定 风 速 时 ，风 机 控 制 器 调节 叶 片 的 受 风 角 度 ，使 风 机产 生 额定 的发 电功 率 。叶 片沿 其长 度 方 向的
轴 转 动 调 整 叶 片 的 受 风 角 度 。风 机 的 变 桨 系 统 是 靠 齿 轮 减 速 机 构 推 进 的 ， 通 过 各 自独 立 的 推 动 系 统 ， 使 ３ 叶 片 个
按 照 国家 规划 ，未 来 ｌ ５年 我 国风 电设备 市场 亿 元 ． 一 方 面 ， 于 我 国 风 电 设 备 制 ４０ １０ 另 由 造 尚处于起 步 阶段 ， 国内风 电设备 的产 能偏 小， 奈 只能 无 化 高 价 购 买 进 口风 机 和 部 件 ， 重 影 响 了 我 国 风 电行 业 的 严 快 速 发 展 ． 电变 桨 伺 服 控 制 系 统 而 言 ，目前 尚 未 有 国 产 就
３控制 策略
目前 变 桨 控 制 系 统 都 是 分 为 二 级 控 制 ， 第 一 级 控 制
时 国 家 发 改 委 《 于 风 电 建 设 管 理 有 关 要 求 的 通 知 》 中 关 明确 规 定 ： 风 电设 备 国产 化 率 要 达 Ｎ ７ ％ 上 ， 不 满 足 设 Ｏ以 备 国 产 化 率 要 求 的 风 电场 不 允 许 建 设 ． 此 风 电 设 备 的 国 因