变桨距风力发电机组控制系统
风力发电机组变桨控制系统的研究
风力发电机组变桨控制系统的研究摘要：在风力发电机组中，叶轮机组已更换了固定的叶轮机组，它已成为风轮机工业发展主流的双叶轮系统。
它是风力发电机功率控制的一个重要组成部分，运行平稳，本文主要论述了风力发电的控制方法，本文讨论了基于进流角预报的模糊PlD统一变距功率控制系统和独立变距功率控制策略。
同时对两者进行了比较，它提供了一些设计理念和理论方法来定位大型风力涡轮机的可变螺距控制系统。
关键词：变桨机构；独立变桨；优化设计；建模仿真前言风力发电机组主要包括两个主要部件：主控制系统和变桨控制系统。
主要控制系统是控制整个风机的运行，可变叶片控制系统是专门针对不同工况下叶片的精确控制，为了实现叶片和应急桨的正常运动。
一个完整的变距控制系统包括驱动和控制器的主要组成部分（一些变距控制系统只有驱动，没有控制器），变距电机，备用电源等。
每一个变螺距控制系统在其结构上都有其独特的特点，为了更好地理解变螺距控制系统，我们必须对其结构有一个全面的了解。
1、课题的背景及研究目的变叶轮机组已经取代固定叶轮机组成为风力发电机组商业化发展的主流。
变量螺旋桨系统是风力发电机功率控制和执行平稳运行的重要组成部分和一个丰富的指导作用，其操作，通常情况下，可变螺旋桨系统在冯风力涡轮机控制器发出指令驱动叶片旋转，使叶片达到指定的节距角位置，不影响互联的快速实现过程，保证风电机组在不同工况下按最优参数运行；在紧急情况下，自动调节螺旋桨螺距角，使叶片跟随螺旋桨，实现气动制动，确保风力机的安全。
2、变桨系统工作原理螺旋桨更换系统的工作原理如图1所示。
机房的主处理器监控风速、转子转速和发电机驱动叶片的旋转角度。
发电机能量模块计算了伺服驱动的顺序通过逻辑，驱动叶片转动。
不同的叶片都有不同的可变叶轮驱动电机。
驱动电机尾部装有一个编码器，编码器用以检测驱动电机的方向、转速、叶片转到的角度，反馈至变桨系统的处理器。
发生系统掉电或紧急安全链触发时，备用电源（超级电容或蓄电池）进行紧急收桨，将叶片转动90°的安全位置。
变浆距风力发电机组的控制系统
ｓ Ｅ Ｅ＆Ｔ ｃＨＮ。Ｌ Ｙ Ｖ ｓ。Ｎ 科技视界 ｌ ３ ｃＩＮｃ Ｅ 。Ｇ ２ ５
Ｓ ｎ ｅ ＆ Ｔｅ ｈ ｏ ｙ ￣ ｆｏ ｄｅ ｃ ｃ ｎ０ ｇ 】 ｉ ｎ
２１ ０ ２年 ６月 第 １ ７期
科 技 视 界
能源科技
与速度控制器 Ａ的结构相 比 ， 速度控制器 Ｂ增加 了速度 非线性化环节 。这一特性增加 了小转差率 时的增益 ， 以便控
２ 变距 控制
变距控制系统是 一个随动 系统 。 其控 制过 程如图 ２所示。
图 ２ 变 距 控 制 过 程
作者简介 ： 王爱（ ９５ ）女 ， １ ８一 ， 内蒙古包头人 ， 包头职业技 术学院 ， ， 助教 硕士研 究生 ， 究方向为电力 系统 自动化及 其应用。 研 石培进（９ ３ ） 男， １８ 一 ， 内蒙古包头人 ， 包头第一 热电厂 ， 工， 士研 究生， 究方向为计算机科 学。 助 硕 研
速以一定 的变化率上升 。控制器也用于在 同
步转速 时 的控制 。 当发 电机 转速 在 同步转
速￣ ０／ ｉ １ｒ ｎ内持续 １ 发 电机将切入 电网。 ｍ ｓ 发 电机转速通过 主轴上的感应传感器 测量 ， 每
个周期 信号 被送 到微处 理器 作进 一步 的处
图 １ 新 型 变 桨 距 控 制 系 统 框 图
Ｓ ｉ ｎ ｅ ＆ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｖｉ ｏ ｃｅ ｃ ｃ ｎ ｌｇ ｓ ｎ ｉ
能 源科技
科 技 视 界
２１年 ６ ０２ 月第 １ 期 ７
变浆距风力发 电机组的控制系统
王 （． 头职 业技 术学 院 内蒙古 １包 包头 爱 ， 石培 进 ０ ４ ３ ２包 头第 一 热 电厂 内蒙 古 １ ０ ０；． 包头 ０４ １ ） １ ０ ０
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。
00风电 Vensys变桨控制系统
DC 0V
电机 刹车
变桨逆变器AC2
UVW 变桨电机
叶 片 桨 距 角
旋转编码器
91
87
度 5度 度
限 接接
位 近近
开 开开
关 关关
四、Vensys 变桨控制系统的主要元件及工作原理
Vensys变桨控制系统主要元件
Vensys控制柜内部电源及控制检测部分:
1、变桨充电电源NG5 2、变桨变频器AC--2 3、超级电容 4、电容电压转换模块A10 5、温度传感器Pt100 6、倍福BC3150及其他模块
2.3 Vensys变桨控制系统的特点
（1）电气结构简单﹑维修工作量小; （2）采用异步电机调速，相比采用直流电机调速，在保证调速性能的前提下，避免了直流电 机存在碳刷容易磨损问题; （3）超级电容为后备电源（UPS）。当机组遇到电网突然断电或其它紧急情况停机时，变桨 伺服系统可以通过自备的超级电容（UPS） 短暂供电，使变桨系统完成顺桨及其它安全保护措 施，提高了变桨系统的可靠性； （4）PLC 组成变桨的控制系统，没有使用专用的控制器进行系统控制，提高了系统控制部件 的通用性，降低了变桨控制系统的维护难度和部件的采购难度。
Profibus DP
自动/手动切换
状态
Beckhoff I/O system
向0度变桨
向90度变桨 手动控制 状态
电压信 号
控制 A10电压/电
DC 24V DC/DC 变换
DC 24V
DC/DC 变换
温
状
控变
电
度
态
制桨
机
信
信
命速
温
号
号
令度
度
信息
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。
变桨距机组的控制技术
变桨距机组的控制技术本文对变桨距风力发电机组控制系统的特点以及控制策略分别进行详细介绍。
一、变桨距机组控制系统的特点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，改变气流对叶片的攻角，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。
同时，风力机在启动过程中也需要通过改变节距来获得足够的启动转矩。
采用变桨距机构的风力发电机组可使桨叶和整机的受力状况大为改善，这对大型风力发电机组的总体设计十分有利。
目前已有多种型号的变桨距600kW级风力发电机组进入市场。
其中较为成功的有丹麦VESTAS的V39/V42-600kW机组和美国Zand的Z 40-600kW机组。
从今后的发展趋势看，在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。
变桨距风力发电机组又分为主动变桨距控制与被动变桨距控制。
主动变桨距控制可以在大于额定风速时限制功率，这种控制的实现是通过将每个叶片的部分或全部相对于叶片轴方向进行旋转以减小攻角，同时也减小了升力系数。
被动变桨距控制是一种令人关注的可替代主动变桨距限制功率的方式，其思路是将叶片或叶片的轮毂设计成在叶片载荷的作用下扭转，以便在高风速下获得所需的节距角。
但因为所必需的叶片随风速变换而扭转的变化量一般并不与叶片相应的载荷变化相匹配，所以很难实现。
对于独立运行的风力发电机组，发电量的最大化不是主要目标，被动变桨距控制方案有时候被采用，但是这一概念在并网运行的风力发电机组中尚未应用。
变桨距控制主要是通过改变翼型迎角变化，从而使翼型升力变化来进行调节的。
变桨距控制多用于大型风力发电机组。
变桨距控制是通过叶片和轮毂之间的轴承机构转动叶片减小迎角，由此来减小翼型的升力，以达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。
变桨距调节时叶片迎角可相对气流连续地变化，以便得到风轮功率输出达到希望的范围。
在90°迎角时是叶片的顺桨位置。
在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化从而限制功率，一般变桨距范围为90°～100°。
风力发电变桨系统浅析
风力发电变桨系统浅析摘要：变速变桨距风力发电机组目前已成为大型风力发电机组研发和应用的主流机型。
变桨距机构就是在额定风速附近,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。
关键词：变桨、限位开关、羽状位置、变频一、变桨系统概述变桨控制系统实现风力发电机组的变桨控制，在额定功率以上通过控制叶片桨距角使输出功率保持在额定状态。
变桨控制柜主电路采用交流--直流--交流回路，由逆变器为变桨电机供电，变桨电机采用交流异步电机，变桨速率由变桨电机转速调节。
二、机械和电气部分1、变桨控制系统包括三个主要部件，驱动装置－电机，齿轮箱和变桨轴承。
从额定功率起，通过控制系统将叶片以精细的变桨角度向顺桨方向转动，实现风机的功率控制。
如果一个驱动器发生故障，另两个驱动器可以安全地使风机停机。
2、变桨控制系统是通过改变叶片迎角，实现功率变化来进行调节的。
通过在叶片和轮毂之间安装的变桨驱动电机带动回转轴承转动从而改变叶片迎角，由此控制叶片的升力，以达到控制作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。
在90度迎角时是叶片的工作位置。
在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化而达到限制功率。
一般变桨角度范围为0～86度。
采用变桨矩调节，风机的启动性好、刹车机构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降、额定点以前的功率输出饱满、额定点以的输出功率平滑、风轮叶根承受的动、静载荷小。
变桨系统作为基本制动系统，可以在额定功率范围内对风机速度进行控制。
3、变桨控制系统有四个主要任务：（1）通过调整叶片角把风机的电力速度控制在规定风速之上的一个恒定速度。
（2）当安全链被打开时，使用转子作为空气动力制动装置把叶片转回到羽状位置（安全运行）。
（3）调整叶片角以规定的最低风速从风中获得适当的电力。
（4）通过衰减风转交互作用引起的震动使风机上的机械载荷极小化。
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；
风力发电机组变桨控制系统设计
风力发电机组变桨控制系统设计摘要：随着“低碳”这个名词走进人们的生活，大家对可再生能源的关注度日益增大。
随着煤、石油的大量开采，能源问题引起了世界各个国家的警惕，可再生洁净能源尤其风能开始受到人们的重视，风力发电得到了飞速发展，风力发电机在结构和控制都在逐渐完善，变桨距风力发电机组占着主导地位并将慢慢取代定桨距风力发电机组"。
本文主要研究了风电机组变桨距机构。
关键词：风力发电；变桨控制；定量控制1、绪论1.1研究背景，目的及意义1.1.1研究背景大规模利用风能等可再生能源已成为世界各国应对气候环境变化的重要议题。
从十六世纪人类利用风能抽水碾磨到二十世纪利用风能发电，从单桨叶风力发电机组到多桨叶风力发电机组，从垂直轴风力机到1957年第一台200kW水平轴并网风力发电机组的诞生，人类开发利用风能的技术取得了长足的进步。
目前，风力发电技术相对成熟，具备了大规模商业开发的条件，因此受到各国的普遍重视，已经逐步发展成为成熟的产业l。
截止到2010年底，世界各国风力发电机组装机总容量已超过196，630MW，是2000年的12倍。
十年来，全球风力发电的年平均增长率一直保持在29%左右，2010年仅新增装机容量就达37，580MW。
在风能资源开发技术方面，使国内风力发电机组的设计、制造和技术管理运营达到国际水平。
为此，国家积极出台多项可再生能源法，为发展风力发电等新能源提供了政策上的保障。
当前，发展风电的趋势已势不可挡，风电产业正在迎接一个新的发展时期。
目前风力发电技术的主要发展方向是，研究如何提高风力发电机组单机的装机容量、机组的发电效率和系统的可靠运行等几方面。
随着机组单机容量的不断增大，对风力发电系统变桨、变速调节技术，因其在不同风况时能够获得更高的风能转换效率，可以更好的稳定系统能量输出，且摆脱并网要求对机组的转速限制，因而逐渐占据了风力发电的主导地位。
1.1.2研究目的和意义为了在发展中既能提高经济效益，又能降低单位千瓦成本，风力发电机组单机容量正向着大型化的方向改进。
风力发电机组变桨距控制策略
2023-11-10CATALOGUE 目录•风力发电机组简介•变桨距控制策略的基本理论•变桨距控制策略的实现方法•变桨距控制策略的优化方法•变桨距控制策略在实际中的应用及案例分析01风力发电机组简介风力发电机组的基本构造风力发电机组的核心部件，由叶片和轮毂组成，用于捕捉风能并将其转化为机械能。
风轮齿轮箱发电机塔筒连接风轮和发电机的重要部件，将风轮的转速提升到发电机所需的速度。
将机械能转化为电能的重要部件，由定子和转子组成。
支撑风轮和发电机的高耸结构，通常由钢铁或混凝土制成。
风力发电机组通过旋转的风轮捕捉风的动能，并将其转化为机械能。
风的捕捉机械能的转化电能的产生机械能通过齿轮箱的传递，将转速提升到发电机所需的速度。
发电机将机械能转化为电能，通过电缆输送到电网。
03风力发电机组的运行原理0201按风向分类水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。
水平轴风力发电机组的风轮轴与地面平行，而垂直轴风力发电机组的风轮轴与地面垂直。
风力发电机组的分类按容量分类小型、中型和大型风力发电机组。
小型风力发电机组的功率通常在几百瓦到几千瓦之间，中型风力发电机组的功率在几兆瓦到几十兆瓦之间，而大型风力发电机组的功率通常在几百兆瓦到几兆瓦之间。
按运行原理分类恒速风力发电机组和变速风力发电机组。
恒速风力发电机组的风轮转速保持不变，而变速风力发电机组的风轮转速可以根据风速进行调整。
02变桨距控制策略的基本理论变桨距控制是一种用于调节风力发电机组功率输出的技术，通过改变桨叶的桨距角实现对风能捕获的优化控制。
在风速较高时，通过减小桨距角增加风能捕获，以提升发电机组的功率输出；在风速较低时，通过增大桨距角减小风能捕获，以避免过度捕获风能导致发电机组振动和疲劳损坏。
变桨距控制的概念和意义变桨距控制系统的基本结构变桨距控制系统主要由传感器、控制器和执行器组成。
传感器负责监测风速、风向和发电机组运行状态；控制器根据传感器信号和预设的控制逻辑对执行器进行指令输出；执行器根据指令调整桨叶的桨距角。
风力发电机变桨距控制技术研究
风力发电机变桨距控制技术研究随着全球对可再生能源的需求不断增加，风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式，逐渐受到人们的关注。
而风力发电机的变桨距控制技术的研究与应用，对于提高风力发电机的效率和稳定性具有重要意义。
风力发电机的变桨距控制技术是指根据风力发电机所接收的风速信号，通过控制变桨距来调整叶片的角度，以实现最佳功率捕获。
变桨距控制技术可以根据实时风速变化，调整叶片的角度，使其在不同风速下都能运行在最佳工作状态，从而提高风力发电机的发电效率。
风力发电机的变桨距控制技术主要包括传感器、控制器和执行器三个部分。
传感器用于感知风速信号并将其转化为电信号，控制器通过对风速信号的处理和分析，得出最佳的变桨距控制策略，最后通过执行器来实现叶片角度的调整。
在风力发电机的变桨距控制技术研究中，需考虑以下几个方面。
首先，需选择合适的传感器来准确感知风速信号，以确保控制器的准确性。
其次，需要在控制器中设计合理的算法，以根据实时风速变化来调整叶片的角度。
同时，还需考虑到不同风速下的功率输出特性和风力发电机的安全性能，以确保变桨距控制技术的可靠性和稳定性。
此外，风力发电机的变桨距控制技术还面临一些挑战。
例如，风速信号的准确性和稳定性对于变桨距控制的精度和效果至关重要。
此外，变桨距控制技术的实施成本也是一个重要的考虑因素。
因此，研究人员需要不断改进传感器和控制器的技术，并降低成本，以实现风力发电机变桨距控制技术的普及和应用。
综上所述，风力发电机的变桨距控制技术是提高风力发电机效率和稳定性的重要手段。
通过合理选择传感器、设计优化的控制算法，并考虑到功率输出特性和安全性能，可以实现风力发电机在不同风速下的最佳工作状态。
未来，随着技术的进一步发展和成本的降低，风力发电机变桨距控制技术有望在风力发电行业中得到更广泛的应用。
风电机组变桨距控制系统的仿真研究考核试卷
B.提高发电效率
C.减少塔架振动
D.控制电机转速
2.以下哪些因素会影响风电机组变桨距控制系统的稳定性？（）
A.叶片质量
B.变桨距驱动器的响应速度
C.控制策电机组变桨距控制系统中，以下哪些方法可以用于提高系统的响应速度？（）
A.优化控制器参数
B.减小叶片质量
A.发电机
B.变桨距驱动器
C.叶片
D.塔架
2.以下哪种因素不会影响风电机组变桨距控制系统的控制效果？（）
A.风速
B.叶片材质
C.控制策略
D.电机转速
3.在风电机组变桨距控制系统中，PID控制器的参数整定包括以下哪几部分？（）
A. P、I、D
B. P、D、Q
C. I、Q、S
D. Kp、Ki、Kd
4.关于风电机组变桨距控制系统的仿真，以下哪项说法是正确的？（）
15.在风电机组变桨距控制系统的设计中，以下哪些方面会影响系统的经济性？（）
A.控制器成本
B.变桨距驱动器寿命
C.叶片材料成本
D.传感器维护费用
16.以下哪些因素会影响风电机组变桨距控制系统的可靠性和安全性？（）
A.控制系统的冗余设计
B.变桨距驱动器的防护措施
C.叶片的疲劳寿命
D.传感器的抗干扰能力
11. ABC
12. ABCD
13. ABCD
14. ABCD
15. ABCD
16. ABCD
17. ABCD
18. ABCD
19. ABCD
20. ABCD
三、填空题
1.变桨距驱动器
2.叶片角度
3.发电效率
4.线性建模、非线性建模
5.控制器
风力发电系统变桨距的控制
风力发电系统变桨距的控制风力发电是一种可再生的清洁能源，越来越受到世界各地的重视和广泛应用。
在风力发电系统中，变桨距的控制是实现高效能量转换和保证系统安全运行的关键因素之一。
变桨距是指风力发电机组中的桨叶与风向之间的角度，也是调节风力发电机组输出功率的重要手段。
通过调整变桨距，可以使桨叶在不同风速下获得最佳的工作状态，从而实现最高的发电效率。
同时，变桨距的控制还可以根据风速变化，及时调整桨叶的角度，以避免过大的风力对系统造成损害。
在风力发电系统中，变桨距的控制主要通过控制系统实现。
控制系统根据风速的变化，通过传感器采集实时的风速信息，并将其与预设的风速范围进行比较。
当风速超过预设范围时，控制系统会自动调整桨叶的角度，以减小桨叶受力面积，降低风力对系统的影响。
相反，当风速过低时，控制系统会使桨叶保持较大的角度，以保证风力发电机组能够正常工作。
为了提高变桨距的控制精度和响应速度，现代风力发电系统通常采用先进的控制算法和高性能的控制器。
其中，模糊控制、PID控制和最优控制是常用的方法。
模糊控制基于经验规则，通过模糊逻辑和模糊推理来实现对变桨距的精确控制。
PID控制则根据当前误差、误差变化率和误差累积量来调整控制器的输出，以实现系统的稳定控制。
最优控制则通过数学模型和优化算法，寻找最佳的控制策略，以实现系统性能的最优化。
总之，风力发电系统中变桨距的控制对于提高发电效率和保证系统安全运行至关重要。
通过合理选择控制方法和优化控制算法，可以实现变桨距的精确控制，并最大限度地发挥风力发电系统的能量转换能力。
未来，随着科技的不断进步和控制技术的不断创新，风力发电系统的变桨距控制将更加智能化和高效化，为可持续发展提供更多清洁能源。
风力发电机组变桨系统分析
目录摘要： (1)一、变桨系统论述 (1)（一）变桨距机构 (1)（二）电动变桨距系统 (2)1. 机械部分 (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。
变桨距调节的工作原理
变桨距调节的工作原理风力发电机组的叶片一般由几片叶片组成，叶片的角度决定了它们接收到的风力大小。
在风力发电机组运行过程中，风速的变化导致叶片所接收到的风力大小也会不断变化。
如果风速较小，叶片可以通过调小桨距来提高转速；如果风速较大，叶片可以通过调大桨距来减小转速。
因此，有效地调节叶片的桨距可以使风力发电机组在不同的风速条件下都能够保持最佳的转速工作，提高发电效率。
1.风速测量：为了准确地了解风速，风力发电机组通常会安装风速传感器，用于实时测量风速。
2.桨距调节装置：风力发电机组的桨距通常由调节装置控制。
调节装置一般由液压系统组成，利用液压油缸来调整叶片的角度。
液压油缸接收控制系统的信号，根据风速和其他相关参数的变化，控制叶片的桨距进行调节。
3.控制系统：风力发电机组的控制系统起着关键的作用，能够根据风速和其他相关参数对桨距进行精确和实时的调节。
控制系统一般是由风力发电机组的主控柜、传感器、执行机构和监测系统等组成。
通过分析风速传感器采集到的信号，控制系统能够判断当前风速环境，并根据预设的规则和算法，发出相关指令控制桨距调节装置进行相应的调节。
4.桨距调节策略：不同的发电机组会采用不同的桨距调节策略。
常见的策略有固定桨距策略、最大功率追踪策略和最佳历史桨距策略等。
固定桨距策略是将叶片的桨距设置为固定值，无论风速如何变化，叶片的角度不会改变。
最大功率追踪策略是根据当前风速环境追踪出最大功率点，将叶片的桨距调节到最佳状态以获取最大输出功率。
最佳历史桨距策略则是根据历史风速和功率数据，通过预测风速变化趋势，调节桨距以提前响应风速的变化，保持在最佳工作状态。
总的来说，变桨距调节的工作原理是通过风速测量、桨距调节装置、控制系统和桨距调节策略等相互协作，根据风速的变化实时调整叶片的桨距，使风力发电机组保持在最佳工作状态，提高发电效率。
这是一项关键的技术，对于提高风力发电机组的整体性能和可靠性具有重要意义。
变桨距系统在风力发电机组中的应用
谢谢
3
整叶片角度，降低机
组受损风险
2 变桨距系统的应用
风力发电机组的类型
水平轴风力发电机组 混合型风力发电机组 潮汐能风力发电机组
垂直轴风力发电机组 漂浮式风力发电机组 波浪能风力发电机组
变桨距系统在风力发电机组中的应用
变桨距系统可以 调节叶片的桨距 角，以适应不同 的风速和风向
01
04
变桨距系统可以 提高风力发电机 组的安全性，降 低事故风险
变桨距系统可以 提高风力发电机 组的发电效率，
降低运行成本
02
03
变桨距系统可以 减少风力发电机 组的机械应力，
延长使用寿命
变桨距系统在风力发电机组中的作用
01 控制风轮转速：通过改变桨距角，实现风轮转速的 调节，提高发电效率
02 优化风能捕获：根据风速和风向的变化，调整桨距 角，提高风能捕获效率
结构优化：通过优化结构设计 降低变桨距系统的重量和成本
智能控制：引入人工智能技术 提高变桨距系统的智能化水平
变桨距系统的市场前景
01 随着风力发电行业的快速发展， 变桨距系统需求持续增长
02 技术进步推动变桨距系统性能 提升，提高市场竞争力
03 政策支持推动变桨距系统在风 力发电领域的应用
04 国际市场对变桨距系统的需求 不断增加，出口市场潜力巨大
变桨距系统可以提高风力发电机组的效率和可靠 性，降低运行成本。
变桨距系统的优势
提高发电效率：通过调整 叶片角度，实现最大风能 1
捕获
降低维护成本：变桨距系 统可以实时监控叶片状态， 4 提前发现潜在问题，减少
停机时间和维护成本
降低噪音：通过优化
2
叶片角度，降低噪音
变桨距控制
变桨控制的分类：分为主动变桨控制和被动变桨控制。
主动变桨是指桨叶被设计成可沿自身轴线旋转，通过控制系统的指令完成变桨，多用于大型风力发电机组。
被动变桨是指桨叶可在外部载荷的作用下自动发生扭转，且达到风力机控制所需的桨距角，一般只用于独立运行的机组。
以下均为主动变桨控制的相关内容。
变桨控制的基本原理：风力机运行中，通过使叶片沿自身轴旋转、改变桨距角，可使气流对叶片的攻角发生变化，从而改变风轮所受气动力矩和功率输出。
同等风速下，桨距角越大，风能利用系数越低。
变桨系统在不同风速下的控制策略和所起作用：1）风速小于启动风速：处于停机状态，桨距角为90°。
2）启动风速到额定风速：桨距角保持在0°，在启动阶段使机组获得最大的启动力矩，在中低风速下获得最大的功率系数。
3）额定风速到切出风速：根据功率或发电机转速和风速，对桨距角进行闭环控制，限制功率输出。
进行功率控制。
4）大于切出风速：桨距角迅速切换到90°，提供很大的气动阻力，使风轮快速减速，完成停机。
变桨执行机构分类：可分为液压变桨系统和电动变桨系统。
液压变桨系统使用曲柄连杆机构同步驱动或者由3个液压缸分别推动桨叶转动，调节桨距角。
优点是对于大惯性负载其频率响应快、扭矩大，可实现无级调速，便于集中控制和集成化。
缺点是其传动结构相对复杂，漏油、卡涩时有发生，且液压传动部件在夏季和冬季的控制精度差别较大。
电动变桨机构利用伺服电机带动减速机调节桨距角，具有快速性、同步性、准确性等优点。
结构简单、紧凑，机械故障较少。
其缺点是电气布线困难，动态响应特性较差。
另外频繁调节桨距时会产生过量的热负荷，易使电机损坏。
变桨距风力发电机的特点：1）额定功率点以上输出功率平稳。
2）额定点具有较高的风能利用系数。
3）高风速段仍能保持额定功率。
4）气动性能和制动性能更加优异。
变桨距控制系统：传统变桨距控制方式根据功率反馈信号进行功率控制，控制信号给定值为额定功率，但其响应速度受到限制，控制效果不理想。
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研究的主要内容
1. 风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构 4.变桨距风力发电机组的模型 5.对风力发电技术的展望
变桨距控制系统
❖ 变桨距系统分为叶尖局部变距和全叶片变距
❖ 叶尖局部变距：通常只变叶尖部分(约0.25R～0.30R)的节 距角，其余部分翼展是定桨距的 。
额定转速
速度 +
变化率 -
PID
+ +
45* 5*
转矩补偿
转速 传感器
节距非线性化
节距指令
转速
变桨距控制系统
2.变桨距控制
速度非线性变化
节距非线性变化
速度出 节距
节距给定
额定速度 +-
滤波器
速度入
风速
PID 控制器
节距给定
节距及速度 PID控制器
转速 传感器
转速
风速
叶尖速比优化
速度控制器B受发电机转速和风速的双重控制。在达到额定 值前，速度给定值随功率给定值按比例增加。节距控制将根 据风速调整到最佳状态，以优化叶尖速比。与速度控制器A的 结构相比，速度控制器B增加了速度非线性化环节，以便控制 节距角加速趋近于0°。
+
控制器
ωref
变换器
U P*
电 网
I 功率传感器
功率
控制器
P
v
控制器 Pref
+
变桨距控制的优点是机组起动性能好，输出功率稳定， 停机安全等；其缺点是增加了变桨距装置控制复杂性。
变桨距控制系统
在额定风速以下时，叶片攻角处于0°附近， 此时叶片角度受控制环节精度的影响，变
化范围很小等同于定桨距
在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，
1. 风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构 4.变桨距风力发电机组的模型 5. 对风力发电技术的展望
控制系统的执行机构
❖ 本系统采用的是电动变桨距机构，电动变桨距机 构可采用伺服电机对每个桨叶进行单独调节。伺 服电机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相啮合， 直接对桨叶的节距角进行控制。位移传感器采集 桨叶节距角的变化从而构成闭环控制。在系统出 现故障或控制电源断电时，电机由蓄电池等储能 装置供电将桨叶调为顺桨位置。
控制系统的执行机构 ❖ 电动变桨距机构的整体结构图
叶 片 1
叶 片 2
叶 片 3
减速机1
M 编码器1
伺服电动机1 减速机2
M 编码器2
伺服电动机2
减速机3
M
编码器3
伺服电动机3
驱动 器1
驱动 器2
系统给定
现 场 总
主 控 制
电动变桨系统
机构
校正环节
A/D 转换器
位移 传感器
a、变桨距执行系统是一个随动系统，即桨距角位置跟随变桨指令变 化。
❖ b、校正环节是一个非线性控制器，具有死区补偿和变桨限制功能。 死区用来补偿电动变距机构的不灵敏区，变桨限制防止超调。
❖ c、电动变桨系统由伺服电动机，伺服驱动器，独立的控制系统，电 源，减速箱，齿盘，传感器、主控制器等组成。
❖ 保持阶段：当输出功率小于额定功率时，节距角保持在0° 位置不变 。
❖ 调节阶段：当发电机输出功率达到额定后，调节系统即投 入运行，当输出功率变化时，及时调节距角的大小，在风 速高于额定风速时，使发电机的输出功率基本保持不变 。
变桨距控制系统 ❖ 变桨距执行系统
变桨给定
D/A 转换器
活塞位移 变桨距 桨距角
❖ 全叶片变距又分为离心式变距和伺服机构驱动式变距 ❖ 离心式变距：利用叶片本身或附加重锤的质量在旋转时产
生的离心力作为动力，使叶片偏转变距 。 ❖ 伺服机构驱动式变距：大型风电机组的变距，通常要借助
电动或液压的伺服系统使叶片旋转变距 。
变桨距控制系统
风轮
风能
齿轮箱
ω
大发电机
ω 小发电机
β*
-
变桨
变桨距风力发电机组控制系统的 研究
付冬梅
研究的主要内容
1. 风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构 4. 变桨距风力发电机组的模型 5.对风力发电技术的展望
变桨距风力发电机组的特点
1.机组的特点
1
2
改善机组的受力， 优化功率输出 （与发电机转差 率调节配合）
.
比定桨距风力机 额定风速低、效 率高；且不存在 高于额定风速的 功率下降问题
调整叶片的节距角，进而改变叶片攻角，保 证发电机的输出功率在允许范围内
风机正常工作时，主要采用功率控制
变桨距系统
变桨距控制系统
❖ 变桨距调节方法可以分为三个阶段
❖ 开机阶段：当风电机达到运行条件时，计算机命令调节节 距角。第一步将节距角调到45°，当转速达到一定时，再 调节到0°，直到风电机达到额定转速并网发电 。
变桨距控制系统
3.变桨距控制
额定功率
+-
功率 控制器A
+
+
-
-
变桨 执行器
变距 机构
桨距角 滤波器
风速 风轮 系统
风速信号
传动 系;
功率给定
+ -
功率 控制器B
S
转子电流 执行器
发电功率
b、功率控制器A并网后执行变桨到最大攻角，低于额定功率（额定风速）时控 制器输出饱和，攻角最大；高于额定风速后进入恒功率控制；引入风速前馈通道， 超过额定风速后，当风速变化时起到快速补偿作用。
c、功率控制器B低于额定风速调节转差率“实现”最佳叶尖速比调节，即风速 增加转差率增大；高于额定风速时配合功率控制器A维持功率恒定。原理是风速 出现波动时，由于变桨调节的滞后使驱动功率发生波动，调节转差率（转子电流） 使机组转速变化而维持功率恒定，利用风轮储存和释放能量维持输入与输出功率 的平衡。
研究的主要内容
.
3
功率反馈控制使 额定功率不受海 拔、湿度、温度 等空气密度变化 影响
.
4
启动时控制气动 转矩易于并网； 停机气动转矩回 零避免突甩负荷
.
变桨距风力发电机组的特点
▪ 2.运行状态
由于变桨距系统的响应速度受到限制，对快速变化的风速，通过改变节 距来控制输出功率的效果并不理想。因此，为了优化功率曲线，最新设 计的变桨距风力发电机组在进行功率控制的过程中，其功率反馈信号不 再作为直接控制叶片节距的变量。
❖ d、位置传感器给出实际变桨角度。
变桨距控制系统
❖ 1.变桨距控制
转速给定A
转速 控制器
变桨 执行器
桨距角
变距 机构
转速
风速
风轮 系统
传动 系统
发电机
❖ 1、并网前的速度控制
❖ 速度控制器控制从启动到并网的转速控制，达到同步转速10r/min内1s并网。 进入启动状态，前馈通道将桨距角快速提高到45º，500r/min减小到5º，达 到快速启动目的；非线性环节使增益随节距角增加而减小，补偿转矩变化。