风力发电机组的控制系统

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叶
轮 主 主 偏 塔齿 机联 发 主 机
片
毂 轴 轴 航 筒轮 舱轴 电 控 舱
承 电 箱 底器 机 柜 罩
机
盘
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3.2 风力发电机组的基本组成
1.轮毂 轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接 件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统， 再传到风力机驱动的对象。
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3.1 控制系统的控制策略和功能
•控制系统要实现的基本功能： ➢根据风速信号自动加入起动状态、并网或从电网切除； ➢根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制； ➢根据风向信号自动对风；迎风装置根据风向传感器测得的 风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮相 啮合的小齿轮转动，使机舱始终对准风向方向 ➢根据功率因数自动投入（或切出）相应的补偿电容。
四、偏航系统的控制 1.偏航控制的硬件
偏航系统
由控制器来实现偏航系统的控制。 人工操作 信号交换
偏航控制器
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偏航系统
2.偏航控制的软件 偏航控制系统由于采用计算机控制，因此必须依赖控制软件。
偏航系统工作流程
(1)自动偏航功能 (2)手动偏航功能 (3)自动解缆功能 (4)90°侧风功能
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变桨距系统
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3.5 偏航系统
水平轴风力机风轮绕垂直轴的旋转叫偏航。偏航系统 可以分为被动偏航系统和主动偏航系统。 一、偏航系统的功能
由于风向经常改变，如果风轮扫掠面和风向不垂直， 不但功率输出减少，而且承受的载荷更加恶劣。
偏航系统的功能就是跟踪风 向的变化，驱动机舱围绕塔 架中心线旋转，使风轮扫掠 面与风向保持垂直。
•控制目标： ➢保证系统的可靠运行 ➢能量利用率最大 ➢电能质量高 ➢机组寿命长
•常规控制策略： ➢在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行 ➢低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大能量 ➢高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组输出的功率为额定值 ➢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的功率波动， 避免共振 ➢减小功率传动链的暂态响应 ➢控制器简单，控制代价小 ➢调节机组功率，确保机组输出的电压和频率稳定
伺服电动机： 变桨距系统常用的伺服电动机有异步电动机、无刷直
流电动机和三相永磁同步电动机。
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变距轴承： 对于电动机驱动齿轮式变距的机组来说，一般选用有
内齿的4点接触球式转盘轴承，变距轴承的内外圈分别与风 轮的叶片和轮毂用螺栓连接。
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三、电-液变桨距系统 特点是电液伺服系统中使用交流伺服电机而不是电液伺
一般为驱动电机或液压驱动单元，安置在机舱中，通过减速 机驱动输出轴上的小齿轮，小齿轮与固定在塔筒上的大齿圈 啮合，驱动机舱偏航，啮合齿轮可以在塔筒外，也可以在塔 筒内。
3、偏航制动 偏航制动的功能是使偏航停止， 同时可以设置偏航运动的阻尼 力矩，以使机舱平稳转动。
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第二节偏偏航航系系统统
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具体的控制内容包括： 信号的数据采集、处理， 变桨控制、转速控制，实现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。
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信号采集
在风力发电机组运行过程中，必须对相关物理量进行
测量，并根据测量结果发出相应信号，将信号传递到主控
系统，作为主控系统发出控制指令的依据。
需要检测的信号 速度信号； 温度信号； 位置信号 电气特性； 液流特性； 运动和力特性； 环境条件
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3.3 风力发电机组控制系统的基本构成
主控制系统
主控系统及控制策略实现机组的发电控制，是风机控 制的核心。负责所有任务的处理：
主控电源分配/转换、风机的起/停；协调偏航控制、变桨控 制、变流器控制；所有的辅助功能控制、保护、监视等。
齿轮箱润滑油液的冷却和过滤； 发电机水冷； 变流器的温度控制； 开关机舱和驱动起重机等。
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5.机舱 •包容着风力机的关键设备，包括齿轮箱，发电机。维护人员可 通过风力机塔进入机舱。
多用焊接件
多用铸件
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双馈式机组机舱底盘
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机舱壳体
机舱壳体由机舱底盘、机舱罩和整流罩组成。
叶片 轮毂
齿轮箱 主轴
发电机
机舱电 气控制 柜
风向标 风速仪
整流罩
偏航电机
机舱罩
塔架 机舱底盘
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6 主传动
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3.1 控制系统的控制策略和功能
•控制系统要实现的基本功能： ➢当发电机脱网时，能确保机组安全关机； ➢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，以及 风力发电机组的各项性能指标； ➢能实现远程通信。
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3.2风力发电机组的基本组成
•独立运行的风力发电机组
水平轴独立运行的风力发电机组由 风轮、尾舵、发电机、支架、电 缆、充电器、逆变器、蓄电池组成
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3.2 风力发电机组的基本组成
•并网运行的风力发电机组
并网运行的发电机组由风轮（包括叶片和轮毂）、增速箱、发 电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成
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3.5 偏航系统
二、偏航系统的组成和工作原理
偏航系统是一个自动控制系统，其组成和工作原理如下图。
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3.5偏航系统
偏航系统结构
偏航系统的执行机构一般由偏航轴承、偏航驱动装置、 偏航制动器、偏航液压回路等部分组成。
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1、偏航轴承 偏航轴承的内外圈分别与机组的塔体和机舱用螺栓连接。
2、偏航驱动 偏航系统用在对风、解缆时，驱动机舱相对于塔筒旋转，
第3章 风力发电机组的控制系统
•3.1 风力发电机组控制系统的控制策略和功能 •3.2 风力发电机组的基本组成 •3.3 风力发电机组控制系统的基本组成 •3.4 变桨距系统 •3.5 偏航系统 •3.6 液压系统 •3.7 安全保护系统 •3.8 控制系统的设计
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3.1 控制系统的控制策略和功能
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3.4 变桨距系统
二、电动变桨距系统 1、总体结构
电动变桨距系统以伺服电机驱动齿轮系实现变距调节 功能，可以使3个叶片独立实现变桨距。
变桨距控制执行系统原理
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3.4 变桨距系统
2、单元组成 单个叶片变桨距装置一般包括
控制器、伺服驱动器、伺服电动机、 减速机、变距轴承、传感器、角度 限位开关、蓄电池、变压器等。
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9.液压系统
•风力发电机的液压系统属于风力发电机的一种动力系统， 主要功能是为变桨控制装置、安全桨距控制装置、偏航驱 动和控制装置、停机制动装置提供液压驱动力。它是为风 力发电机上一切使用液压作为驱动力装置提供动力。 •在定桨距风力发电机组中，液压系统的主要任务是驱动 风力发电机的气动刹车和机械刹车； •在变桨距风力发电机组中，主要控制变距机构，实现风 力发电机组的转速控制、功率控制，同时也控制机械刹车 机构。
并网、脱网控制。 机组优化控制。
一般采用微 机控制。
控制系统的总体结构
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3.3 风力发电机组控制系统的构成
风力发电机组控制系统：由传感器、执行机构和软/硬件处理 器系统组成。
传感器一般包括：风速仪，风向标，转速传感器，电量采集传 感器，桨距角位置传感器，各种限位开关，振动传感器，温度 和油位指示器，液压系统压力传感器，操作开关和按纽等。
服阀。因此具有电动机控制灵活和液压出力大的双重优点。
四、变桨距系统的控制 变桨距系统的控制是由控制器来实现的。控制器一方
面控制执行机构完成变桨距的动作，另一方面还要通过现 场总线实现与主控制器的通信。控制器的核心部件是微处 理器或PLC。
(1)开环控制 即将桨距角由顺桨状态(一般90°)按照一 定的顺控程序置为最大风能利用系数的角度(一般2°～3 °)，以获得最大起动力矩。 (2)闭环控制 通过变桨距控制使转速以一定升速率上升 至同步转速，进行升速闭环控制；为了对电网产生尽可能 小的冲击，控制器也同时用于并网前的同步转速控制。
3、偏航传感器 （1）解绕传感器 （2）偏航方向传感器
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3.6 液压系统
功能：以有压液体为介质，实现动力传输和运动控制的机械单元。
优点：传动平稳、功率密度大、易实现无级调速、易更换元器件 和过载保护可靠等。
主要用于： 控制变距机构，空气动力制动； 机械制动； 偏航驱动与制动；
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3.4 变桨距系统
变桨系统的主要功能是通过调节桨叶对气流的攻角，改变风力机的 能量转换效率从而控制风力发电机组的功率输出，变桨系统还在机组需 要停机时提供空气动力制动。
变桨执行机构是变速恒频风力发电机组控制系统的一个重要组成部 分，通常采用液压驱动或电驱动，在设计阶段需要考虑两种方式的优点 和缺点。 主要有三种组合形式： 1、液压变桨距系统； 2、电动变桨距系统； 3、电-液结合的变桨距系统。
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3.2 风力发电机组的基本组成
10.电子控制系统 由传感器、执行机构和软/硬件处理器系统组成。不断监 控风力机状态……
11.风速计及风向标：用于测量风速及风向。
12.冷却系统：有风冷和水冷。
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3.3 风力控发制电系机统组的控结制构系与统功的能构成