变桨系统

风力发电机组变桨系统介绍

一．风机变桨系统概述

风力发电机组控制系统硬件分别安装在三个不同部分：

1. 机舱控制，安装在机舱内

2. 地面控制，安装在塔架底部

3. 变桨控制，安装在轮毂内部

人机界面

触摸屏显示风机的运行状况和参数，或者启动或停止风机.

风力发电机组四种控制方式:

1. 定速定浆距控制(Fixed speed stall regulated)

发电机直接连到恒定频率的电网,在发电时不进行空气动力学控制

2. 定速变浆距控制(Fixed speed pitch regulated)

发电机直接连到恒定频率的电网,在大风时浆距控制用于调节功率

3. 变速定浆距控制(Variable speed stall regulated)

变频器将发电机和电网去耦(decouples),允许转子速度通过控制发电机的反力矩改变.在大风时,减慢转子直到空气动力学失速限制功率到期望的水平.

4. 变速变浆距控制(Variable speed pitch regulated)

变频器将发电机和电网去耦(decouples), 允许通过控制发电机的反力矩改变转子速度.在大风时,浆距控制用于调节功率.

二. 变桨系统的工作原理

定浆距风机通过叶片的失速,即改变叶片横断面周围流动的气流,导致效率的损失,从而控制风机的最大输出功率;

变浆距风机是通过叶片沿其纵向轴转动,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,使发电机功率输出保持稳定.

变桨伺服控制系统作为风力发电控制系统的外环,在风力发电机组的控制中起着十分重要的作用.它控制风力发电机组的叶片节距角可以随风速的大小进行自动调节.在低风速起动时,桨叶节距可以转到合适的角度,使风轮具有最大的起动力矩;当风速过高时,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,使发电机功率输出保持稳定.

三. 变桨系统和定桨系统的比较

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,桨叶翼型本身所具有的失速特性.当风速高于额定风速时，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。失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。其缺点是叶片重量大（与变桨

距风机叶片比较），桨叶、轮载、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。

变桨距调节型风力发电机组是指通过变桨驱动装置,带动安装在轮毂上的叶片转动, 从而改变叶片桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令变桨系统将桨距角调到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。

缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。

四.变桨系统的分类

⑴变桨距系统根据其工作方式可分为统一变桨和独立变桨二种方式。

统一变桨距控制即机组所有桨叶都由一个执行机构驱动，或者三个执行机构同时驱动,桨叶节距角变化相同。由于液压系统力矩大，在大型风力机统一变桨距方式一般都采用液压方式。

独立变桨距方式，每个桨叶都由独立的变桨距执行机构驱动，如果其中一个变桨距执行结构出现故障，其它两个桨叶仍能调节桨叶节距角,实现功率控制，而统一变桨距执行结构出现故障，只能停机维修;另外自然界的风在整个风轮扫及面上分布是不均匀的，独立桨叶控制可以根据各个桨叶上的风速不同进行调节，不仅能维持发电机输出功率，而且能减小桨叶拍打振动，因此独立桨叶控制比统一控制更具有一定的优势。独立变桨距控制将桨叶负载分别由单一的执机构承担，所以一般都采用电机执行方式，电

动机通过主动齿轮带动桨叶轮毂内齿圈，使桨叶节距角发生改变。但变桨距过程桨叶节距角变化只是0 到90°.

但风力机组风速传感器安装在风轮后的机舱上，不能正确反映扫及面上的风速，因此控制时一般都以发电机额定功率或转子转速为界，即当发电机输出功率（转速）低于额定值时，进行变速恒频控制，最大捕获风能；而当输出功率（转速）高于额定值时，进行变桨距控制，维持发电机功率在额定值附近。

要实现真正的独立变桨,输入变量包括桨叶节距角变化和风速，以及每个桨叶受力等,实现多变量控制，但由于风速传感器不能反映每个桨叶上的风速情况，而且复杂的控制程序也很难在工程中实现，所以目前工程上仍然采用统一变桨，即三个桨叶同时动作。

⑵根据执行机构的类型可分为液压变桨和电动变桨;

⑶电动变桨根据所用电机可以分为直流伺服和交流伺服两种类型.

直流型电变桨伺服控制系统

直流型变桨系统主要由以下特点:

⑴采用串激直流电机,起动力矩大.对于转动重达数吨﹑直径数十米的叶

片有好处;

⑵由于采用直流无级调速,低速性能好;

⑶不允许空载运行,否则会引起“飞车”;

⑷电机有碳刷,维修困难;

⑸加后备电池比较方便.

交流型电变桨伺服控制系统

交流型变桨系统主要由以下特点:

⑴采用交流永磁同步电机或交流异步电机,结构简单﹑维修工作量小;

⑵代表了伺服控制系统的发展方向;

⑶必须加UPS;以便在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UPS短暂供电,使变桨系统完成收桨及采取予定的其它安全措施.

五.变桨系统的组成

变桨系统主要由PLC﹑可逆直流调速装置﹑直流电机﹑绝对式位置编码器等组成,并由蓄电池作为后备电源. PLC组成变浆的控制系统,它通过现场总线(例如CAN总线)和主控制系统通信,接受主控制系统的指令(主要是桨叶转动的速度和角度指令),并控制可逆直流调速装置驱动直流电机,带动桨叶朝要求的方向和角度转动,同时PLC还负责蓄电池的充电控制﹑蓄电池电压的监控等辅助控制.