第五讲 变桨距风力发电机组
定桨距与变桨距-风力发电机组
2 变桨距调节型风力发电机组
变奖距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45”，当转速达到一定时，再调节到0“，直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。
l 定桨距失速调节型风力发电机组
定奖距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速69，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶县有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。
桨距
螺旋桨的桨叶都与旋转平面有一个倾角。
假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转，那么螺旋桨每转一圈，就会向前进一个距离，连续旋转就形成一段螺旋。
同一片桨叶旋转一圈所形成的螺旋的距离，就称为浆距。
显然，桨叶的角度越大，浆距也越大，角度与旋转平面角度为0，浆距也为0。
这个“距”，就是桨叶旋转形成的螺旋的螺距。
随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用OptitiP技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。
变桨距风力发电机组液压系统分析
・
１ ５
调 速 装 置 通 过 增 大 桨 距 角 的 方式 减小 由 于风 速 增 大 使 风 轮 转 速 加 快 的 趋 势 。 当 风 速 增 大 时 ， 变 桨 距 液压缸动作 ， 推动叶片向桨距角增大的方 向转 动使桨 叶吸收 的风能减 少 ， 维 持 风 轮 运 转 在 额 定 转 速 范 围
图 １ 风力发 电机基本结构
停机， 造 成 发 电损 失 。因 此 ， 深 入 了解 风 力 发 电机 组 液 压 系统 的结 构 和工 作 原 理 十分 重 要 。 下 面 对 变 桨 距 调 节方 式 风 力 发 电 机 组 （ 以西 班 牙 Ｇａ ｍｅ ｓ ａ 公 司 风 力 发 电机 组 为 例 ） 的液压系统进行分析 。
桨距 调速是现代风力 发 电机主 要 的调速 方式 之一 ， 如图 ２
所 示 为 变 桨距 风 力 发 电 机 的 简 图 。风 轮 将 风 的动 能 转 换 成 风 轮 轴 上 的机 械 能 ， 然 后 这 个 能 量 要 变 成 所 需 要 的 电能 ， 而 电能 由 高 速 旋 转 的 发 电机 来 产 生 。 由 于 桨 叶 速 度 的 限 制 ， 风 轮 旋 转 速 度 较慢 ， 而 发 电机 不 能太 重 ， 极对 数较 少 ， 发 电 机 转 速 要 尽 可 能 的 高， 因此 就 要 在 风 轮 与发 电 机 之 间 连 接 齿 轮 箱 增 速 器 ， 把 转 速 提 高， 达 到 发 电机 的转 速 。
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。
变桨距风力发电机组变桨与功率控制策略
变桨距风力发电机组变桨与功率控制策略摘要：风力发电系统极容易受到风速、风险及空气密度等影响，为有效的发挥出风能资源获得持续稳定的风力发电，保障风电机组能够正常运行，本文将以分析风能资源特点为出发点，包括风能资源蕴含量大、分布较广、风能能力密度低、对环境污染较小等，主要探究风力发电机组变桨与功率的控制策略，并分析变桨距风电机组桨距调节过程，以此为建设风力发电项目、检修人员提供相应帮助和建议。
关键词：变桨距；风力发电机组；功率控制根据我国电力高发展要求，为实现2060双碳目标，需要大力发展可持续、无污染、环保的新型能源来替代现有的化石能源，其中风力能源作为新型能源的主力军，为促进电力系统发展发挥积极作用。
近几年随着风力发电技术在迅猛发展下，发电量和装机容量不断增加，然而由于风力发电主要特点是极容易受到天气影响变化，若不及时对风能资源加以利用就会消失等。
所以，需利用风电机组叶尖速比、转速以及恒功率等进行优化控制，促使能够在变化莫测的风况下安全运行，并充分发挥利用风能资源。
1.风能资源特点风能和其他资源相比之下存在以下特点：第一，蕴含量大、分布广泛。
根据相关数据资料显示全球风能资源约在1300KW3，可利用风能预估计为200亿KW3，是水能资源的10倍，每年发电量高达38KWh。
在我国风能资源相对丰富，经济开发量预估在10亿KW以上[1]。
第二，风能属于可再生资源。
与石油、煤炭等资源相比风能具有可再生特点，风能主要是太阳能引起的一种过程性能源，能够循环使用的同时不断补充，但风能无法储存，若不能及时将风能进行利用则会消失。
第三，风能对环境污染影响较小。
在利用风能过程中不会造成污染排放，但是在风力建设项目过程中会对植被形成破坏，在风力项目建设结束后可以通过补救措施将植被进行修复，弥补建设项目过程中造成的影响；风机叶片旋转光影会对鸟类歇息有一定影响。
第四，风能能量密度低，不同地区差异大、稳定性差；由于风能资源本身属于空气流动，且空气密度小，使得风能能量密度低；尤其是在部分地区受到地理位置影响，各个地区或统一地区在不同位置方面风功率能量密度差异明显；同时风能也会随着季节、温度、湿度引起风向、密度等变化。
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。
永磁直驱式变桨距风力发电机组的建模与控制
永磁直驱式变桨距风力发电机组的建模与控制1 引言永磁直驱式风力发电机组是我国风力发电机组的主流机型之一。
永磁风力发电机通过增加极对数，降低发电机转速，从而能够与风力机直接相连，取消了增速齿轮箱。
由于没有传统风力发电系统故障率很高的齿轮箱，直驱式风力发电系统稳定性和效率大大提高，且有效地抑制了噪声，具有比较广泛的市场应用前景。
图1 风力发电系统结构2 永磁直驱式并网型变桨距风力发电机组的结构永磁同步发电机的同步速较低，输出电压较低。
考虑到电网电压较高，电网与电机之间的能量变换装置，必须要有较大幅度的升压能力。
考虑到变压器体积较大，实际系统中，发电机组运送到塔顶成本较高，所以本文采取方法是直流母线侧先升压再进行并网逆变。
本文采用的机组方案如图1所示。
图2 桨距调节控制系统3 风力机的建模风力机建模一般只考虑其风能利用系数而忽略风力机的空气动力学过程。
本文即采用风力机的风能利用系数来建立其仿真模型。
图3 机侧电流内环控制系统风力机仿真模型的建立主要基于以下三个方程：(1)这里Cp-λ曲线采用文献[1]中给出的公式：(2)其中： (3)采用c1=，c2=116，c3=，c4=5，c5=21，c6=。
考虑到是发电机，建模时转矩要取反。
图4 网侧逆变器电流内环控制系统4 控制系统的设计桨距调节控制系统的设计当系统存在显著的不确定因素时，设计高精度的控制系统，必须研究控制系统在不确定情况下的鲁棒性。
PID控制器能够在很宽的运行条件下具有比较好的鲁棒性，并且形式简单，易于操作。
这里采用PID控制器来进行机组在高风速区的桨距调节。
变桨距风力发电系统在低风速区进行最大风能跟踪，节距角为零，即不进行变桨距调节。
图5 网侧逆变器电压外环控制系统风力机和发电机不经过增速齿轮箱而直接联接，传动系统的动态方程如下[4]：(4)式中，J是风轮转动惯量；ω是风轮转动的角速度；B是发电机的摩擦系数；Ta是风轮的气动转矩；Te是发动机获得的电磁转矩。
风力发电机组变桨矩系统的
2023-11-09contents •风力发电机组概述•变桨矩系统概述•变桨矩系统的主要部件•变桨矩系统的控制策略•变桨矩系统的优化与改进建议•变桨矩系统的应用与发展趋势目录01风力发电机组概述风力发电机组是一种将风能转化为电能的系统，由风轮、发电机、塔筒等主要部件组成。
定义具有可再生、清洁、无污染等特点，是绿色能源领域的重要组成部分。
特点风力发电机组的定义与特点风轮叶片在风的驱动下旋转，将风能转化为机械能。
风的捕获机械能的转化电能的输出风轮通过主轴将机械能传递到齿轮箱，再由齿轮箱将机械能转化为电能。
发电机将机械能转化为电能，通过电缆输送到电网。
03风力发电机组的工作原理0201分类根据风力发电机组容量、功率等级、转速等因素，可以分为恒速型、变速型等不同类型。
组成风力发电机组主要由风轮、发电机、塔筒、齿轮箱、控制系统等组成。
风力发电机组的分类与组成02变桨矩系统概述变桨矩系统定义变桨矩系统是一种用于控制风力发电机组功率输出的装置，它可以根据风速和发电机组运行状态，改变桨叶的桨距角，从而控制风能捕获量。
变桨矩系统特点变桨矩系统具有高精度、高可靠性、高效能等特点，它能够实现快速响应、平稳控制，确保风力发电机组在复杂风况下的稳定运行。
变桨矩系统的定义与特点变桨矩系统的作用与重要性变桨矩系统的作用变桨矩系统的主要作用是调节发电机组的功率输出，以适应不同的风速和负荷条件。
它可以通过改变桨叶的桨距角，控制风能捕获量，从而降低载荷、提高发电效率。
变桨矩系统的重要性由于风力发电机组面临的风况复杂多变，因此变桨矩系统的应用对于确保发电机组的稳定运行至关重要。
它不仅可以提高风能利用率，降低载荷，还可以延长发电机组的使用寿命。
变桨矩系统的组成变桨矩系统通常由变桨电机、减速箱、轴承、传感器等组成。
其中，变桨电机是驱动桨叶变桨的核心部件，减速箱用于将电机的转速降低到适合桨叶旋转的速度，轴承用于支撑桨叶并确保其灵活旋转，传感器则用于监测变桨系统的运行状态。
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。
变桨距风力发电机额定风速的确定方法
10 P - 0 0221P + 109 7)
许可成本, C ep = ( 9 94 10 P + 20 31) 6) 风电机组平均每年配件成本 C L RC C L RC = 10 7 CO M = 0 007 8) 租用土地成本 CL L C ( 每年 kWh) CL L C = 0 00108 9) 投资回收率 CRF CRF = 式中 , i 年利率 ; T i ( 1+ i) T ( 1+ i ) - 1 投资年限。
0
引 言
分布函数表达式为: f ( v) = k 式中 , k 数。 全年按 365 日计算 , 则单台风力发电机全年的 理论发电量 W t 为 :
V
v
k- 1
目前变桨变速恒频风力发电机组是风力发电机 的主流机型。这种风力发电机在额定风速以下工作 时, 通过调节风轮转速得到最佳攻角, 使风能捕获效 率较高 , 当在额定风速以上工作时 , 通过改变叶片桨 距角 , 将功率稳定在额定功率附近。对于风速随时 间分布基本确定的风场 , 风力发电机的额定风速越 高, 其额定功率越大 , 年发电量越多, 但投资也越高, 风力发电机发不出额定功率的时间越多。文献 [ 1] 以年总发电量最大为目标 , 分析了失速型风力发电 机的额定风速确定方法。美国可 再生能源 实验室 ( NREL ) 国家风能技术中心研究了目前主流机型变 桨变速恒频风力发电机成本预算模型[ 2] 。单位发电 量( kWh) 的成本最低是风力发电公司追求的目标之 一, 而单位发电量成本与风力发电机的额定风速是 一个复杂的函数关系, 本文应用风速的 Weibull 分 布规律, 分析风力发电机年发电量与额定风速的关 系, 根据风力发电机组的风轮直径、 额定风速、 塔架 高度等因素得到风力发电机的投资和运行成本, 提 出了风力发电机单位发电量成本最低的额定风速确 定方法。
变桨距风力发电机组控制系统方案
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
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。
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
改善机组的受力， 优化功率输出 （与发电机转差 率调节配合） .
2
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 .
变桨距控制系统
3.变桨距控制
额定功率 风速
+
-
功率 控制器A
+ -
+ -
变桨 执行器 桨距角
变距 机构
风轮 系统
传动 系统
发电机
滤波器
风速信号 转速
同步转速
-
P
功率给定
+
S
+
-
功率 控制器B
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。
05第五讲大型风力发电机组成-风电-2012
41
采用铸铁箱体可发挥其减振性，易于切削 加工等特点，适于批量生产。常用的材料 有球墨铸铁和其他高强度铸铁。设计铸造 箱体时应尽量避免壁厚突变，减小壁厚差， 以免产生缩孔和疏松等缺陷。
为了减小齿轮箱传到机舱机座的振动，齿 轮箱可安装在弹性减振器上。
大型风力发电机组成
大型风力发电机组由两大部分组成：气动 机械部分和电气部分。
气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿 轮箱、高速轴，其功能是驱动发电机转子， 将风能转换为机械能。
电气部分包括异步发电机、电力电子变频 器、变压器和电网，其功能是将机械能转 换为频率恒定的电能。
1
单机容量从最初的数十千瓦发展到最近进 入市场的MW级机组；控制方式从单一定桨 距失速控制向全桨叶变距和变速恒频发展， 预计将来将推出智能型风力发电机组；
50
（4）齿轮箱的润滑和冷却 齿轮箱的润滑十分重要，良好的润滑能够
对齿轮和轴承起到足够的保护作用。 为此，必须高度重视齿轮箱的润滑问题，
严格按照规范保持润滑系统长期处于最佳 状态。齿轮箱常采用飞溅润滑或强制润滑， 一般以强制润滑为多见。
51
二、偏航系统 组成和功能
52
偏航系统
型号
FZ100 FZ200 FZ250 FZ250LX FZ600B FZ646 FZ750 FZ1300 FZ1500
传动方式
额定功 率
kW
增速比
两级平行轴
两级平行轴 两级平行轴 两级行星 一级行星+ 两级平行轴 两级行星
一级行星+ 两级平行轴 一级行星+ 两级平行轴 一级行星+ 两级平行轴
风力发电机组变桨距
风力发电机组变桨距风力发电机组变桨距：随着国家新能源发展战略的提出和实施，我国风电产业进入跨越式发展的阶段。
本文从分析我国风力发电的现状出发，在总结分析风力发电技术发展的基础上，对我国风电发展过程中存在的主要问题进行了探讨分析，提出了相关建议。
关键词：风力发电；现状；技术发展能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。
常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。
因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用，已受到世界各国的高度重视。
风电是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展风电这一清洁能源已成为世界各国的战略选择。
我国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。
近年来我国风电产业及技术水平发展迅猛，但同时也暴露出一些问题。
总结我国风电现状及其技术发展，对进一步推动风电产业及技术的健康可持续发展具有重要的参考价值。
1我国风力发电的现状202*年2月，我国国家立法机关通过了《可再生能源法》，明确指出风能、太阳能、水能、生物质能及海洋能等为可再生能源，确立了可再生能源开发利用在能源发展中的优先地位。
202*年12月，我国政府向世界承诺到202X年单位国内生产总值二氧化碳排放比202*年下降40%~45%，把应对气和变化纳入经济社会发展规划，大力发展包括风电在内的可再生能源与核能，争取到202X年非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右。
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随着新能源产业成为国家战略新兴产业规划的出台，风电产业迅猛发展，有望成为我国国民经济增长的一个新亮点。
我国自上世纪80年代中期引进55kW容量等级的风电机投入商业化运行开始，经过二十几年的发展，我国的风电市场已经获得了长足的发展。
到202*年底，我国风电总装机容量达到2601万kW，位居世界第二，202*年新增装机容量1300万kW，占世界新增装机容量的36%，居世界首位[1,2]。
可以看出，我国风电产业正步入一个跨越式发展的阶段，预计202*年我国累计装机容量有望突破4000万kW。
风力发电机组的变桨距系统
摘要本文主要介绍了风力发电机组的变桨距系统，其中，主要是液压系统由电器控制用来推动机械机构对桨叶进行变距。
能源问题是目前人类所面临的重大课题之一。
当今我们正处在新旧能源交替发阶段，以前的旧式能源，如煤炭、石油等不可再生资源已经越来越少，已经不能满足目前人类的生产生活需要，这就需要我们找到可以替代他们的新资源。
风能作为绿色资源，早在几千年前就为人类所利用。
时至今日，风能在多种可再生资源中是技术上最成熟，最具竞争力的可开发资源。
国外600KW以下的机组已经大量生产，故障率从80年代初的50%下降到当前的2%以下。
目前MW级机组的份额明显增大，2003年的机组平均单机容量达到1.2MW。
以前的风力机主要是通过偏航来调整转速，可是这种方法对风能的充分利用十分不利，而且响应速度很慢，所以风力机的变距机构具有很高的开发价值。
液压系统的响应速度快，力——质量比大，控制精度高，可控性能好。
故本设计采用液压系统，用比例阀控制液压缸可以对液压缸进行时时控制。
液压缸推动同步盘经由连杆把运动传递给偏心盘进而实现变桨距。
本设计融合了机-电-液一体化的设计理念，寻求更为有效的设计理论和方法来实现桨叶的快速变距。
该系统实现了设计目标，具有较高的自动化程度，运行稳定可靠，性能价格比较高，非常适合于现代化生产实际的需要。
因此，该产品的推广具有十分广阔的前景。
关键词：风力发电机液压系统能源新资源Abstracthis paper mainly introduced the wind power machine set changes the oar to be apart from the system, among them, mainly is hydraulic system to be use by the electric appliances control to push the machine organization to the oar the leaf carries on change to be apart from.The energy problem is one of the important topics that mankind face currently. Nowadays we are being placed in the new old energy alternation hair stage, the old type energy of the past, if coal, petroleum...etc. can't the reborn resources is less and less already, have already can't satisfy the mankind's production life needs currently, this needs us to find out new resources that can act for them. The wind energy is the green resources, as early as and several thousand year ages are as the behavior type make use of. Up to now, the wind energy is the technique in variety can reborn resources up the most mature, have most the competition ability and can develop the resources.The machine set of the foreign 600 KW the following has already mass-produced, the breakdown rate descends current 2% from 50% of the beginning of 80's the following. Currently the quota of the MW class machine set is obvious to enlarge; an equally single machine capacity of machine of 2003 attains the 1.2 Maws.The wind force machine of the past mainly is to pass to be partial to the sail to adjust to turn soon, but this kind of method is very disadvantageous to the full exploitation of the wind energy, and respond to the speed very slow, so the wind force machine changes to be apart from the organization to have the very high development value.The liquid presses the system to respond to the speed quick, the dint- quantity compare greatly, control the accuracy is high, can control the function good. Past origin design adoption the liquid presses the system, control the liquid to press the urn and can press the urn to carry on to the liquid to control always with the comparison valve. The liquid presses an urn of dish with synchronous push through connect the pole to deliver the sport to lack of impartiality the dish to then carry out to change the oar to be apart from.This design blended the machine- electricity- the design principle that the liquid integral whole turn, look for the more valid design theories and methods to carry out the oar the quickly change of the leaf be apart from. That system carries out to design the target, having the higher automation degree, circulating the stable credibility; the function price is higher, very suitable for the modernization produces the actual demand. Therefore, the expansion of that product has the very vast foreground.the wind power machine hydraulic system energy new rescouce第1章引言现代化的机械设备的控制技术手段是多种多样的，电器方法、机械方法、液压方法、电气液压方法以及气动方法等等，均可以用来实现自动控制。
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
风力发电机组电动变桨距系统的
分析原因，主要是因为电动变桨距系统能够根据风速的变化快速调节桨距角，适应风速的变 化，从而提高风能利用率和发电效率。同时，由于电动变桨距系统的调节速度较快，还可以 减少因风速突变对风力发电机组造成的冲击和损坏。
04
电动变桨距系统实验验证电机组实际运行环境，实验台 应包括风速可调、风向可调、
功率测量等装置。
电动变桨距系统
安装电动变桨距系统于风洞实验台 上，确保系统正常运行，并可进行 变桨距调节。
数据采集系统
建立数据采集系统以实时收集风速 、功率、桨距角等数据。
电动变桨距系统的运行原理
当风速过大时，控制系统会根据风速和发电机组运行状态， 通过电机驱动变桨距机构，使叶片角度顺桨，以减小风能吸 收，保持发电机组稳定运行。
当风速较小时，控制系统则会通过电机驱动变桨距机构，使 叶片角度逆桨，以增大风能吸收，提高发电机组的发电效率 。
电动变桨距系统的特点
01
02
电动变桨距系统的意义
电动变桨距系统是风力发电机组的核心组成部分，能够根据风速变化自动调节桨叶 的角度，从而保持发电机组的稳定运行。
电动变桨距系统的应用能够提高风能利用率，增加发电量，提高风力发电的经济性 。
电动变桨距系统的智能化控制能够降低人工干预成本，提高风力发电的可靠性。
02
电动变桨距系统工作原理
电动变桨距系统的控制算法
PID控制算法
PID（比例-积分-微分）是一种常用的控制算法，它根据设定值与实际值的偏差进行调节，通过比例、积分和微 分三个环节的组合，实现对系统的精确控制。在电动变桨距系统中，PID控制算法通常用于调节电动机的扭矩输 出。
风力发电机组及应用：第五章液压系统
•溢流阀防止油压8-过4 高，设8-5定值145bar。
轮泵，为变
••系油统位维开修关2时用-26-2T，来PA可防调止5-2节油流 溢2-5阀出阀或用泵来在释无放油来情自况蓄下刹车能运钳 器转的。压力距动油回器。路回和路制所
•油箱内设比例有阀 P2-A3T10B 0温度检测与报8-8警。
共有。
8-7
测压❖回试力口比压例力阀管M“路油泵跨（油接活位开”关塞油时右位指，侧示器节面距积V角大39向于型8左风8º压侧方力系）向发统。调电节机，组液液压缸左侧压力油
油箱
变桨距风力发电机组液压系统
一、液压系统结构图 0°
90°
1-1 8-3 压力 传感器
2-1 8-2
8-1
8-4
6-2 A
2-2 T P 比例阀 2-3
通常液压系统由两个压力保持 回路组成，一路通过蓄能器供给叶 尖扰流器，另一路通过蓄能器供给 机械刹车机构。
定桨距风力机的液压与偏航系统
叶片
高速轴
偏航器
制动1
制动2
制动3
3-3
突开阀
3-4 4YA
3-5 9
5-2 4-2
6-2
2-2 1-3 3-2 1YA
7-1
7-2
2YA
3YA
8
1-2 6-1
5YA 2-1
1. 液压系 统在运转/ 暂停时的 工作情况
变桨距风力发电机组液压系统
一、液压系统结构图 0° 90°
先导 止回阀
螺杆活塞泵
叶片变 距系统
紧急 顺桨阀
A TP
比例阀
A
B
PT
蓄能器
PT
压力 传感器
可调 节流阀
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作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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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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。
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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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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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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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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：
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
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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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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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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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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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R m1 pU s Tr − ' R2 2 ' w [(R + ) + (X1 + X2 )2 ] 1 s
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。
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。
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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。
2 1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ' 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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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
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。
作者 (Prepared By)：林俐 电气与电子工程学院
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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。
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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。