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。

因此最新设计的机组通常将发电机转速作为控制信号。

变桨控制环
变桨控制环在转矩达到最大值后投入工作。

转速测量经过两个限波器和一个低通滤波器与PI 控制器相联。

两个限波器的作用分别是增加相位裕度和限制在转速接近桨叶通过频率时产生不必要的变距动作，低通滤波器用于降低系统对转速高频波动的敏感度。

PI 变桨控制算法的形式为)11()(s
T G K I P +β，其中G (β)为根据当前的节距角β从增益表查取的增益系数，使PI 控制器增益跟随工作点变化，平衡高风速时空气动力学产生的非线性。

在变桨控制环中还加入了转矩误差项，额定值以下的转矩误差为负值，积分项使PI 控制器输出偏向最优值防止低风速时桨距角动作，比例项在风速增加很快时有助于在转矩达到额定之前启动变桨。

变桨距执行机构 变桨执行机构通常可以简化为一阶数学模型β
βββT t r -=d d ，拉氏变换得1+=S T r
βββ，其中βr 为给定桨距角，T β为变桨机构时间常数。

独立变桨控制：每片桨叶的桨距角都分开独立控制。

考虑实际中风剪切、塔影效应、风湍流、偏航等因素对风力机的影响，变桨角度不仅与轮毂处平均风速有关，也与各桨叶在叶轮扫掠面空间位置有关。

优点是控制精度高，改善了不对称载荷的不良影响，缺点是控制策略复杂，变桨驱动齿轮频繁变动磨损较大，对变桨机构的精确快速反应要求较高。

变桨距智能控制方法研究：
模糊控制：模糊控制将控制经验和知识表示为语言规则用于控制，不依赖被控对象的精确数学模型。

利用模糊控制的变桨控制系统能更好地克服非线性因素影响，有较强的鲁棒性。

滑模变结构控制：如基于趋近律方法设计滑模多变量控制器，提高系统的安全性；还可与模糊控制相结合，构成模糊滑模控制器。

自适应控制：将自适应理论与PID 算法结合应用到变速变桨距风电系统中，改善系统性能。

神经网络控制：利用神经网络算法强大的自学习能力弥补原有算法的缺陷，提高变桨系统的稳定性。