变速变桨风力发电机组运行状态控制研究
变速变桨风力发电机组的运行控制策略研究
重庆大学硕士学位论文
（学术学位）
学生姓名：谢双义
指导教师：杜静教授
专业：机械设计及理论
专科门类：工学
重庆大学机械工程学院
二O一三年五月
Research on the Operating Control Strategies of the Variable Speed Variable
Pith Wind Turbine
A Thesis Submitted to Chongqing University
in Partial Fulfillment of the Requirement for the
Master’s Degree of Engineering
By
Xie Shuangyi
Supervised by Prof. Du Jing
Specialty：Mechanical Design and Theory
College of Mechanical Engineering of Chongqing
University, Chongqing, China
May 2013
摘要
论文详细分析描述了风力发电机组的基本运行控制策略，并针对风力机组在运行过程中出现的塔架前后振动、塔架左右振动、传动链的扭转振动以及在额定风速以下时由于叶片形状、质量的变化以及仿真计算的误差等因素造成的不能确定风力机最优桨距角的问题作了详细研究，同时也对风力发电机组处于阵风工况下时机组关键部位受载情况以及叶轮可能出现的超速运行现象进行了研究，并分别提出了相应的控制方法。
论文中依据某5MW风力发电机组参数在美国能源实验研发的一款集风力机设计与载荷计算于一体的软件FAST中进行建模，并与MATLAB/simulink软件进行联合仿真分析，仿真结果表明论文中所提出的控制算法是有效的。
本论文主要研究的内容可分为如下几章：
第一章：绪论。本章介绍了所研究课题的背景，对风力发电技术的发展现状以及它的发展趋势做了比较详细的介绍。
第二章：依据参数建立风力发电机组的模型。在FAST软件中建立了某5MW 风力发电机组模型，此模型是后续研究工作的一个平台。
第三章：介绍风力机组变速变桨的运行控制原理。分析了风力机组的基本运行控制策略，包括如何控制转矩、桨距的变化以及风力机在不同风速下的控制方法以及阶段的如何切换。
第四章：基于FAST和MATLAB/Simulink的风力发电机组控制器设计。本章主要是通过使用FAST对风力机模型进行线性化分析，求得风力机变桨需要的PI 参数以及桨距角在不同风速下的增益系数，仿真结果表明所求得的参数能很好的满足设计要求。同时本章中针对风电机组自身阻尼非常小，在运行过程中普遍存在塔架振动的问题对塔架前后、侧向振动控制进行了研究，并在Simulink中建立仿真模型，仿真结果表明，该控制方法可以有效降低塔基处的前后、侧向弯矩。
第五章：变速变桨风力机的自适应变桨控制策略。分析了风电机组在额定风速以下的主要控制目标，并指出了目前众多确定最优桨距角方法中的不足，考虑到风力机在安装、制造以及在运行中参数的不准确性以及发生的变化，提出了基于离散的爬山算法的自适应变桨控制技术，在SIMULINK中搭建模型与FAST进行联合仿真，结果表明所提出的自适应变桨控制策略能很好的追踪最优桨距角的变化并使风力机的气动效率最优。
第六章：基于状态空间的控制器设计。本文利用现代控制理论的有关方法，结
合线性二次型调节技术(LQR)设计了统一变桨控制器、电机转矩控制器以及基于状态观测器和扰动自适应控制技术的独立变桨控制器。在Simulink中搭建模型并与FAST进行联合仿真，结果表明所设计的控制器都能在不同程度上降低传动链的扭转载荷以及降低叶轮转速的波动从而使电机功率输出趋于平稳。
关键词：变速变桨，风力发电机，振动控制，自适应控制，状态空间
ABSTRACT
The paper analyzed some basic running control strategy of the wind turbines, and on this basis for the wind turbine tower before-after vibration, drive train torsion vibration, the optimal pitch angle to capture maximum wind is difficult to determine due to changes in blade shape, quality and simulation error on the optimal control stage and rotor running too fast, the overload of the key parts when the wind turbine is in gust load case.
The paper built a 5MW wind turbine model and as an object of study, based on the FAST software which is used to design and calculate wind turbine load as well as MATLAB/simulink software, the paper made a simulation analysis. The simulation verified the effectiveness of the proposed control algorithm.
In the thesis, the major work and tasks are summarized as follows:
Chapter 1: Introduction. This chapter introduced the research background and elaborated the status and trends of wind power technology research.
Chapter 2: Building a wind turbine model. Based on the FAST software built a 5MW wind turbine model which can be a basis for follow-up simulation and verification of the control algorithm
Chapter 3:The operation control principle of the variable speed variable pitch wind turbine. Analyzed the basic operation control strategy of the variable speed variable pitch wind turbine, including torque control, pitch control and the division and switching methods of different control stages.
Chapter 4: Wind turbine controller design based on the FAST and MATLAB/ Simulink software. This chapter made a linear analysis of wind turbine model, and obtained the PI parameters of wind turbine pitch and pitch angle gain coefficient at different wind speeds. The simulation results showed that the obtained parameters can well meet design requirements. For the wind turbine itself had very small damping and tower vibration during operation, this chapter study the problems of the tower b-f vibration and s-s vibration, and established the simulation model in Simulink software. The simulation results showed that the control method can effectively reduce the b-f and s-s bending moment of tower base.
Chapter 5: Adaptive pitch control strategy of variable speed variable pitch wind turbine. Analysis of the wind turbine control objectives below the rated wind speed was
made and pointed out that the lack of many methods to determine the optimal pitch angle. Taking into account the inaccuracies and changes of wind turbine installation, manufacturing as well as the operation parameters, proposed a adaptive pitch control technology based on a discrete hill-climbing algorithm. Made a co-simulation in SIMULINK software with FAST, the results showed that the proposed adaptive control strategies pitch could track the changes of optimal pitch angle and make the aerodynamic efficiency optimal of the wind turbine.
Chapter 6: Controller design based on of the state space technology. In this paper, using the method of modern control theory, combined with the linear quadratic regulator (LQR), designed a collective pitch controller, generator torque controller and independent pitch controller based on state observer and disturbance adaptive control technology. Simulation in Simulink software with FAST was made, and the results showed that the designed controller could reduce the drive train torsion load varying degrees as well as reduce the fluctuations of the rotor speed so that the electrical power output was stabilized.
Key words: V ariable Speed Variable Pitch; Wind Turbine; Vibration Control; Adaptive Control; State Space
目录
摘要................................................................................................................................................ I ABSTRACT..................................................................................................................................... I II 1 绪论.. (8)
1.1国内外风力发电技术现状综述 (2)
1.1.1 国内技术现状 (2)
1.1.2 国外技术现状 (2)
1.2本课题研究的意义与主要内容 (3)
1.2.1 课题的研究意义 (3)
1.2.2 论文的主要研究内容 (4)
2风力发电机组模型的建立 (5)
2.1风力发电机组主要参数介绍 (5)
2.1.1 风力发电机组整机参数 (5)
2.1.2 叶片的结构参数 (6)
2.1.3机舱及轮毂参数 (6)
2.1.4 传动链特性 (7)
2.1.5塔架总体参数 (7)
2.1.6 控制系统基本参数 (8)
2.1.7 风模型 (9)
2.2本章小结 (11)
3 变速变桨风力发电机组的基本运行控制原理 (12)
3.1风力机空气动力学特性分析 (12)
3.2变速变桨风力机的运行控制策略 (13)
3.2.1 在额定风速以下的控制 (14)
3.2.2 在额定风速以上的控制 (16)
3.3本章小结 (17)
4 风力发电机组的传统控制器设计 (18)
4.1变桨PI参数的公式推导 (18)
4.2变桨PI参数的仿真分析 (19)
4.3桨距角的增益调度设计 (20)
4.4带桨距角增益调度的仿真分析 (21)
4.5风力发电机组控制器的抗饱和设计 (24)
4.6风力发电机组关键部位的主动振动控制 (26)
4.6.1塔架前后振动控制 (26)
4.6.2塔架前后振动仿真结果分析 (28)
4.6.3塔架侧向振动控制 (30)
4.6.4塔架侧向振动仿真结果分析 (31)
4.6.5 同时施加塔架侧向和前后振动控制的仿真结果分析 (33)
4.7本章小结 (35)
5变速变桨风力机的自适应变桨控制 (36)
5.1变桨控制的研究现状 (36)
5.2自适应变桨控制设计 (37)
5.3仿真结果 (39)
5.4本章小结 (43)
6 基于状态空间的风力发电机组控制器设计 (43)
6.1基于状态空间的统一变桨控制器的设计 (44)
6.1.1 控制目标 (44)
6.1.2 使用FAST进行线性化分析 (44)
6.1.3 基于LQR的控制器设计 (46)
6.1.4 状态估计器的设计 (47)
6.1.5 使用状态估计器进行仿真分析 (49)
6.2区域3上的电机转矩阻尼控制设计 (51)
6.2.1 控制目标及参数求解 (51)
6.2.2仿真分析 (53)
6.3独立变桨控制 (55)
6.3.1控制目标 (55)
6.3.2线性模型的描述 (55)
6.3.3 使用FAST进行线性化分析 (56)
6.3.4 扰动自适应控制 (56)
6.3.4 独立变桨控制器的设计 (60)
6.3.5 仿真分析 (64)
6.4本章小结 (78)
7 结论与展望 (79)
7.1结论 (79)
7.2展望 (79)
致谢 (81)
参考文献 (83)
附录 (87)
A.攻读硕士学位期间所发表的论文 (87)
B.攻读硕士学位期间参与的课题研究 (87)
1 绪论
从古代开始，风就以不同的方式被开采利用，主要是用来磨谷以及抽水。随着工业时代的到来，风能逐渐被化石燃料所取代，风车仅仅在农业上用来抽水。在20世纪，风车新的设计使其能够进行小规模的发电用来对蓄电池充电。20世纪70年代爆发石油危机以后，风能技术经历了一次革命。受石油价格上涨的影响，许多国家都提出风能R&D计划。结果新材料技术及现代风力机设计都得以发展，进而拉开了大规模风力发电的序幕。在过去的几十年间，随着公众对环境的关心以及能源市场的多元化，使得人们加强了对风能开发的兴趣。
目前，在可再生能源中风能的增长速度最快。最近几年来，世界各国都在大力发展风力发电，其发展速度之快大大超出了人们之前对它的预期，其中欧洲的风力发电处于遥遥领先的地位[1]。在数量上，近几年期间欧洲风力机的装机容量以平均每年高于30%的速度增长[2]。
近年来我国政府相继出台了一些鼓励可持续发展的相关政策，风力发电行业目前已经得到了市场机制的财力支持。总之，风力发电设施的供电成本自20世纪80年代开始已经大幅下降。供电成本的下降主要是由于新技术的开发以及更大的生产规模产生了更大容量、更高效率以及更可靠的风力机[3,4,5,6]。
风力发电既清洁又安全，如今，在世界范围内风力发电技术的发展速度远远超过其他新能源技术的发展速度，在将来风力发电很可能成为全球电力的主要来源之一。根据估算，全球风能储量约为1700太瓦，而在海洋、高山以及受保护区域的风能是采集不到的，除去这些地域以及一些风力小而达不到开发要求的地区外，依然有40～85太瓦的风能，目前世界只利用了0.02太瓦的风能[7]。我国可开发利用风能至少十几亿千瓦，快速推进风力发电是我国实现减排目标的必要途径之一。风力发电是风能利用的主要形式，风力发电成本低于其他新能源，并有进一步降低成本的可能。
2006年我国风电装机总容量仅2588兆瓦，2008年增加到12121兆瓦，年均增长率为116%。根据中国风能协会的预测，我国的风电总装机容量2010年可达20亿瓦，2020年可达到80亿瓦，2030年可达到180亿瓦，到2050年可达到500亿瓦。我国政府决定将强力支持智能电网的建设，并下决心解决风电输送中的一系列技术问题，可以预计在未来风电将成为我国电力的主要来源之一[8]。
风能不仅仅为人们提供电力，也潜移默化地促进经济发展，改善能源供应的安全性，抑制烃类物质的价格波动，创造就业机会，减少二氧化碳排放量。因此在许多国家，风力发电作为一种能源供应支柱已经成为了一个国家低成本、低风险和无污染的能源选择，这些国家也因此能够创造出许多新的产业和就业机会。其
他国家应该从这些有经验的国家中学习并且建立正确合理的相关政策来引进风力发电[9,10,11]。
1.1 国内外风力发电技术现状综述
1.1.1 国内技术现状
我国陆地10m高度层风能资源理论可开发储量分别为3226GW和4350GW。陆上可开发量约为600～1 000GW。近海风电可装机容量约为400～500GW。2010年我国共新增风电装机12904台，装机容量达18.93GW，累计风电装机总容量44.73GW。2010年中国排名前十的国产风电机组供应商分别为，华锐、金风、东汽、联合动力、明阳、上海电气、湘电风能、华创风能、重庆还装、南车时代。
我国风力发电机组的研制技术所表现出来的发展趋势大体是风力机组功率逐渐趋于大型化。2010年，我国风力发电机组新增功率平均为1 466.8kW，大于2009年的1 362.7kW。当年新增安装的12904台风力发电机组中，主要风力机组类型为1.5MW和2MW。其中，9 793台1.5MW的风力发电机组，容量总和为14 687MW，占当年新增机组的77.6%，2MW风力发电机组共安装980台，容量总和为1960MW，占当年新增机组总量的10.4%。同时，安装了2.5MW及以上的风力发电机组共33台，容量总和为94.2MW，占当年新增机组总量的0.63%[12]。
在我国现已投入生产的风力发电机组中，占主导地位的是三叶片、水平轴、上风向、双馈式变速变桨恒频风力发电机组，而这种风力发电机同时也是国际上比较通用的一种机组。近年来，国内直驱式风电机组研制技术也发展较快，如金风、湘电风能研制的直驱式风电机组都已批量投产；有企业在新产品研发中还采用了介于直驱式和双馈式之间的半直驱式传动技术。这些技术目前虽称不上是技术发展趋势，但也代表了不同的技术发展方向[13]。专家估计，2011—2015年期间，中国的风电市场会实现稳步快速的发展，平均每年在15～20GW之间，其中海上风电平均每年新增1GW左右。到2015年末，累计容量达到100～150GW，实现发电量200～300TWh。其中海上装机总量3～5GW，发电7.5～10TWh，约占全部风电装机的3%和发电量的4%。
1.1.2 国外技术现状
全球风电开发商为1334家，运营商1945家。其中位居全球前五的开发商有西班牙的伊博罗拉(Iberdrola)，美国的NextEra，中国的龙源电力，葡萄牙的EDP Renovaveis 和西班牙的Acciona 能源，2010 年底，其风电累计装机容量均超过了6GW，其中西班牙的伊博罗拉，美国的NextEra 累计风电装机分别超过12GW 和8GW。中国的大唐风电装机容量刚刚超过4GW，位居世界第六。2010年，前
15名开发商的市场份额比2009年略有增加，达到35.2%，累计装机共计69.6GW。由于受到经济危机的影响，一些中小型风电运营商由于资金不足而将资产转让给资金能力更雄厚的运营商，促使了风电市场向大型开发商集中的趋势。德国和丹麦的风电项目从私募股权投资者手中向大型发电商集中。而美国的风电场的所有权也从独立的能源生产者向大型发电商集中。
受到海上风电提速的刺激，世界大型风电装备制造商开始开发用于海上的大型风力机，目前，瑞能（Repower）5MW和6MW，阿海珐与德国Bard的5MW，安耐康的4.5MW和6MW风力机已经开始批量生产、并投入运行，西门子风电3.6MW、华锐风电５ＭＷ风电机组也已宣布下线。此外，维斯塔斯也宣布其6MW 风电机组将在明年下线，美国Clipper甚至已开始了10MW风力机的研发，而中国如金风科技、湘电等一批企业也接踵而至，纷纷进入风力机大型化的竞争行列。从已投入运行风力机的情况来看，风力机平均功率继续朝着更大的方向发展，2010年全球风力机的平均功率达到1 665kW，比2009年增加了56kW。功率在1 500～2 500kW的风电机组，在新增市场中所占的比例从2008年的80.4%增加到2010年的83.1%，主流风力机的地位不言而喻，这主要是因为强势增长的中国风电市场中，风力机的平均功率仅为1 469kW，同时由通用主导的美国市场又大部分安装了其1.5MW的风力机。而小于1 500kW的风力机则从2008年的13.6%，降至2010年的8.5%。由维斯塔斯、西门子风电和安耐康主导的2.5MW以上的机型目前在市场上仍仅占很小的一部分。
1.2 本课题研究的意义与主要内容
1.2.1 课题的研究意义
最近，随着风力机功率的不断增加以及一些主要国家将风能应用到更为广阔的实用网络，促进了电子变流器和机械执行器的运用。在风力机的运行过程中除了能够获得更多的能量，通过对变速风力机的控制可以减少传动系统和塔架结构的负荷，从而延长装置的寿命。越来越多的现代风力机带有用来控制叶片桨距角的机械执行器。桨距角的控制通常是用来限制额定风速以上所捕获的能量，带来了更多的低成本高效率的设计。变速变桨风力机的高度复杂性的特点在很大程度上可以由它控制更加灵活的优点来弥补，即更高转换效率、更好的发电质量、更长的使用寿命等。这样，控制对捕获风能的成本就产生了直接的影响。而且，高性能和可信赖的控制对于提高风力发电技术的竞争力来说也是十分必要的。
目前，国内的兆瓦级风力发电机组控制系统主要依赖进口奥地利Windtech以及丹麦MITA的产品为主，现在歌美萨、维斯塔斯等主要公司的兆瓦级及以上级别的机组已实现了运行的自动监控和无人值守，具有极高的智能化程度，维护和
操作更加方便。目前国内只有少数几家公司，如北京科诺伟业、浙江运达、南瑞电气等开发风力发电机组控制器，兆瓦级风力发电机组控制系统的开发在国内有广阔的市场空间。因此兆瓦级风力发电机组控制系统的国产化项目对于促进我国风力发电产业快速健康发展，以及降低风力发电的成本，缩小与发达国家的差距等方面有着极大的经济效益和社会意义[8]。
1.2.2 论文的主要研究内容
考虑到现代风电机组的大型化、复杂化和对变速变桨的要求，论文以某5MW 风电机组作为研究的对象，并对此机型进行了建模、分析了其基本控制策略并在此基础上对正常发电工况的控制策略、自适应变桨控制策略以及塔架左右前后振动以及传动链振动问题进行了研究，通过FAST软件以及MATLAB/Simulink仿真软件对控制器进行仿真，验证控制策略的正确性。主要内容如图1.1所示。
变速变桨风力发电机组运行控制策略
风力发电发展现状、趋势
结论与展望5MW机组的
建模
变速变桨风电
机组的基本控
制策略
自适应变桨控
制策略
基于状态空间
的控制器设计
塔架左右、前
后及传动链的
扭转振动控制
图1.1 论文主要研究内容
Fig.1.1 The main research contents of the degree thesis
2 风力发电机组模型的建立
2.1 风力发电机组主要参数介绍
本论文中讨论的5MW风电机组由三个叶片、机舱、塔架几个部件构成，部件之间的几何拓扑关系如图2.1所示。
图2.1 三叶片风力发电机组几何拓扑结构
Fig.2.1 The topological structure of three-bladed wind turbine
2.1.1 风力发电机组整机参数
对于本论文研究的5MW近海风电机组来说，其叶轮半径约63米，轮毂中心的高度是90米。其详细参数见下表：
表2.1 5MW机组参数表
Table 2.1 The parameters table of 5MW wind turbine
额定功率(MW) 5
叶片数及方向3叶片上风向
控制变速变桨
传动链高速，多级齿轮箱
叶片和轮毂长度(m) 126，3
轮毂高度(m) 90
切入、切出及额定风速(m/s) 3, 25, 11.4
叶轮额定转速(rpm) 12.1
叶片质量(kg) 110000
机舱质量(kg) 240000
塔筒质量(kg) 347460
2.1.2 叶片的结构参数
叶片结构的参数见表2.2：
表2.2 叶片的结构参数
Table 2.1 The structural parameters of blades
长度(m) 61.5
质量缩放因子(%) 4.536
叶片总质量(kg) 17740
结构阻尼比(%) 0.477465 2.1.3机舱及轮毂参数
表2.3 机舱及轮毂参数
Table 2.3 The structural parameters of the nacelle and hub
偏航轴承相对于地面的高度(m ) 87.6 从偏航轴承到轴的垂直距离(m ) 1.96256 从轮毂中心到偏航轴承的距离(m ) 5.01910 从轮毂中心到主轴承的距离(m )
1.912 轮毂质量(kg )
56780 轮毂关于低速轴的转动惯量(2
kg m ?)
116925 机舱质量(kg )
240000 机舱关于偏航轴承的转动惯量(2kg m ?) 2607890 沿风向机舱质心位置距偏航轴距离(m ) 1.9 机舱质心位置高于偏航轴承的距离(m ) 1.75 等效机舱-偏航执行器线弹性系数(/N m rad ?) 9028320000 等效机舱-偏航执行器线弹阻尼系数(/(/)N m rad s ?)
19160000 名义机舱偏航速率(°/s )
0.3
2.1.4 传动链特性
表2.4 传动链特性 Table 2.4 Drive train properties
叶轮额定转速(rpm ) 12.1 发电机额定转速(rpm )
1173.7 传动比 97 发电机效率(%)
94.4 发电机关于高速轴的转动惯量(2
kg m ?) 534.116 等效传动链扭转弹性系数(/N m rad ?) 86763700 等效传动链扭转阻尼系数(/(/)N m rad s ?)
6215000 全调度高速刹车转矩(N m ?) 28116.2 高速轴刹车时间常数(s )
0.6
2.1.5塔架总体参数
表2.5 塔架总体参数 Table 2.5 Tower overall properties
地面以上的高度(m )
87.6 总质量(kg ) 347.460 结构的阻尼比(%)
1
2.1.6 控制系统基本参数
表2.6 控制系统基本参数
Table 2.6 Baseline Control System Properties
发电机转速低通滤波器的角频率(Hz )
0.25 最大功率系数
0.482 在最大功率系数时的叶尖速比 7.55 在最大功率系数时的统一变桨的角度(°) 0.0 发电机在区域2时的转矩常数(2
/N m rpm ?)
0.0255764 额定机械功率(MW ) 5.296610 额定发电机转矩(N m ?)
43093.55 在区域1与1 1/2之间发电机过渡转速(rpm ) 670 在区域1 1/2与2之间发电机过渡转速(rpm ) 871 在区域2 1/2与3之间发电机过渡转速(rpm )
1161.963 在区域2 1/2时发电机的滑差率(%)
10 发电机最大转矩(N m ?) 47402.91 最大发电机转矩速率(/N m s ?)
15000 比例增益(s ) 0.01882681 积分增益 0.008068634
最小桨距角(°) 0° 最大桨距角(°) 90° 最大绝对变桨速率(°/s )
8 等效变桨执行器线弹性系数(/N m rad ?) 971350000 等效变桨执行器线阻尼系数(/(/)N m rad s ?)
206000
2.1.7 风模型
①常风
所谓常风就是指风速以及风向都不随时间变化的风。
② 3D湍流风
所谓湍流风就是指在空间和时间上都在变化的风，定义湍流风时需要定义如下参数，见表2.7。
表2.7 定义湍流风需要的参数
Table 2.7 The parameters required by the definition of turbulent wind
参数名称备注
在参考高度处扰动风的平均风速
平均风速的高度平均风速适用的参考点。如果定义了风剪切，则其他任何
点处的风速都是不同的
湍流强度如果需要定义的是三维湍流风，则需要指定每个分量
的湍流强度。
风倾角对于非水平方向的风来说，正值表示向上倾斜的风
③阵风
阵风的波形主要有三种，分别是全波，半波和IEC-2波形，如图2.2所示。
定距桨变距桨与风力发电机组
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。 桨距指的是直升机的旋翼或固定翼的螺旋桨旋转一周360 度，向上或向前行走的距离（理论上的）。就好比一个螺丝钉，您拧一圈后，能够拧入的长度。桨距越大前进的距离就越大，反之越小！然而要测量实际桨距的大小是比较困难的，所以一般固定翼飞机使用桨距不变的螺旋桨上都会标明其直径和桨距的大小（单位以英寸居多），以便于和合适的发动机配套使用。绝大多数的固定桨距的直升机桨一般是专为某一级别的飞机定制的，所以只标明直径。可变桨距直升机可以非常容易的通过测量桨叶的攻角（迎风角度）大小来体现桨距的大小，和变化幅度。 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。 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。其缺点是叶片重晏大（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。 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。 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。 变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的吸收风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。 3 主动失速调节型风力发电机组
风力发电机组变桨系统毕业论文
风力发电机组变桨系统的维 护与检修 毕业顶岗实习报告书 专业：电力系统自动化技术（风电方向） 班级： 姓名： 顶岗实习单位：金风科技股份有限公司 校外指导师傅： 校内指导教师： 报告完成日期： 新疆农业大学 2015年6月
风力发电机组变桨系统的维护与检修 学生姓名： 专业班级： 学生诚信签名： 完成日期: 指导教师签收： 摘要 能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。传统的化石燃料虽能解决能源短缺的问题，却给环境造成了很大的破坏，而风能具有无污染、可再生、低成本等
优点，所以其受到世界各国的重视。 可靠、高效的风力发电系统的研发己经成为新能源技术领域的热点。然而，因为风能具有不稳定性、能量密度低和随机性等特点，同时风电厂通常位于偏远地区甚至海上，自然条件比较恶劣，因此要求其控制系统必须能够实现自动化运行，并且要求控制系统有高可靠性。所以对风力发电机组尤其是大型风电机组的控制技术及风力发电后期的维护和检修就具有相当重要的意义。 本文首先在对风力发电原理，风电机组研究的基础上从变桨距风力机空气动力学研究入手，分析了变桨距控制的基本规律，再结合目前国内主流的变桨距控制技术分别设计出了液压变桨距控制，电动变桨距控制的方案，变桨距风机的维护和检修，最后在此基础上提出了一种较为理想的控制策——半桨主动失速控制。 关键词：变桨距控制，维护，检修
目录 摘要 (2) 一顶岗实习简历 (1) 二顶岗实习目的 (1) 三顶岗实习单位简介 (2) 目前行业发展地位 (2) 四顶岗实习内容 (3) 第一章变桨距系统 (3) 变桨距与定桨距 (5) 定桨距 (5) 变桨距 (5) 定桨距与变桨距的比较 (6) 而变桨距风力发电机可以克服上述定桨距风力发电机的缺点，在很宽的风速范围内保持最佳叶尖速比，从而提高风力机的运行效率和系统稳定性。变桨距风力发电机在变桨距的同时通过配合使用双馈发电机或永磁风力发电机，可以减轻风速突变产生的转距波动，减轻传动机构承受的扭矩波动，提高齿轮箱寿命，减少传动系统故障率。此外，可结合对电机的励磁控制，实现无电流冲击的软并网，使机组运行更加平稳安全[2]变桨矩调节原理 (7) 变桨距控制过程 (7) 变桨距风力机组的运行状态分析 (8) 启动状态 (8) 欠功率状态 (9) 额定功率状态 (9) 变桨距控制的特点 (9) 输出功率特性 (9) 风能利用率 (10) 额定功率 (10) 启动与制动性能 (10) 对机械部件的影响 (10) 第二章变桨矩系统的原理与结构 (11) 变桨矩调节原理 (11) 变桨矩系统分类 (11) a) 液压变桨矩 b) 电动变桨矩 (12) 图变桨矩系统的轮毂照片 (12) 风力发电机组变桨矩驱动装置比较和选择 (15) 液压变桨与电动变桨技术比较 (15) 见表[6]。 (15) 表液压变桨系统与电动变桨系统的比较 (15) 项目 (15) 液压变桨矩系统 (15) 电动变桨矩系统 (15) 桨矩调节 (15) 响应速度慢 (15)
风力发电机变桨控制系统培训教材
变桨控制系统培训教材 1. 变桨控制系统概述 变桨轴承 限位开关装 图1 变桨系统 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。 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。 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子转 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。 2.变桨轴承 变桨驱动装 变桨轴承 图2 变桨轴承和驱动装置 安装位置 变桨轴承安装在轮毂上，通过外圈螺栓把紧。其内齿圈与变桨驱 动装置啮合运动，并与叶片联接。 工作原理 当风向发生变化时，通过变桨驱动电机带动变桨轴承转动从而改
变速变桨距风力发电机组控制策略改进与仿真
变速变桨距风力发电机组控制策略改进与仿真 刘 军,何玉林,李 俊,黄 文 (重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆市400030) 摘要:在分析变速变桨距风力发电机组基本控制策略的基础上,提出一种扩大过渡区的改进控制策略,用来消除额定功率运行点附近切换造成的功率波动及突变载荷等不利影响。依据改进的控制策略设计了3个控制器平滑过渡方案,实现对该策略的最佳跟踪。运用MAT LAB 仿真平台模拟了改进控制策略下的风力发电机组运行特性,结果表明了改进控制策略的正确性及控制器设计的有效性。 关键词:风力发电机组;变速变桨距;控制策略;扩大过渡区;平滑控制 收稿日期:2010 06 23;修回日期:2010 10 09。重庆市科技攻关重点项目(CST C2007A A3027)。 0 引言 风力发电机组的控制技术由原来单一的定桨距失速控制转向变桨距变速控制,目的是为了防止风能转换系统承受的载荷过重,从风场中最大限度地捕获能量以及为电网提供质量较好的电能。然而,风力发电机组作为一种复杂的、多变量、强耦合、非线性的系统,要想减小风力机载荷以延长其使用寿命,抑制功率波动以降低对电网的不利影响,控制策略的选取及控制器的设计至关重要[1 6]。 本文通过对变速变桨距风力发电机组基本控制策略的分析,针对过渡区运行过程中出现的功率波动大及突变载荷强等情况,提出一种改进的控制策略来减缓此种影响。为最佳跟踪改进的控制策略,设计了3个控制器以实现3个运行区间的平滑过渡。同时应用M ATLAB 仿真平台对变速变桨距风力发电机组运行特性进行了仿真,结果表明了所提出方案的合理性和可行性。 1 基本的变速变桨距控制策略 如图1所示,在转速 转矩平面图中,曲线A BC 描述了变速变桨距风力发电机组的基本控制策略。在低风速区,风电机组从切入风速为V in 的A 点到风速为V N 的B 点,沿着C pmax 曲线轨迹运行,此区间称为恒C p 运行区。由于在B 点发电机转速达到了其上限值 N ,当风速从V N 上升到V N 时,转速将恒定在 N ,提升发电机转矩使风电机组达到其额定功率,在图1中为BC 段,也称为恒转速区或过渡区。当风速超过额定风速V N 时,变桨距系统将开 始工作,通过改变桨距角保持功率的恒定,风电机组将持续运行在C 点,直到风速超过切出风速V out ,此区间称为恒功率区,而此区间内桨距角控制方式采用统一桨距控制,它是指风力机所有桨距角均同时 改变相同的角度[7 8] 。在此需要注意的是:若最大功率P N 曲线与C pmax 曲线的相交点在额定转速极限值左侧,就会造成风电机组在未达到额定转速时,已进入失速状态,相应的A B 区间将被缩小,这时就需 对整个风电机组额定点进行重新选取。 图1 变速变桨距风力发电机组控制策略Fig.1 C ontrol strategy of the variable speed pitch controlled wind turbine driven generator system 从图1可以看出,3个区间工作点的划分非常明显,而控制器的设计与工作点的选取有着必然的联系,因此,基本的变速变桨距风电机组通常会设计2个独立的控制器,一个用来跟踪参考速度,另一个用来跟踪额定功率。由于2个控制器都有各自的控制目标,在运行过程中相互独立,然而在工作点附近,2个控制器又相互制约,这种制约就会导致风电机组在C 点控制系统的调节能力下降,在突遇阵风 82 第35卷 第5期2011年3月10日Vo l.35 N o.5M ar.10,2011
风力发电机液压变桨系统简介
风力发电机液压变桨系统简介 全球投入商业运行的兆瓦级以上风力发电机均采用了变桨距技术，变桨距控制与变频技术相配合，提高了风力发电机的发电效率和电能质量，使风力发电机在各种工况下都能够获得最佳的性能，减少风力对风机的冲击，它与变频控制一起构成了兆瓦级变速恒频风力发电机的核心技术。液压变桨系统具有单位体积小、重量轻、动态响应好、转矩大、无需变速机构且技术成熟等优点。本文将对液压变桨系统进行简要的介绍。 风机变桨调节的两种工况 风机的变桨作业大致可分为两种工况，即正常运行时的连续变桨和停止（紧急停止）状态下的全顺桨。风机开始启动时桨叶由90°向0°方向转动以及并网发电时桨叶在0°附近的调节都属于连续变桨。液压变桨系统的连续变桨过程是由液压比例阀控制液压油的流量大小来进行位置和速度控制的。当风机停机或紧急情况时，为了迅速停止风机，桨叶将快速转动到90°，一是让风向与桨叶平行，使桨叶失去迎风面；二是利用桨叶横向拍打空气来进行制动，以达到迅速停机的目的，这个过程叫做全顺桨。液压系统的全顺桨是由电磁阀全导通液压油回路进行快速顺桨控制的。 液压变桨系统 液压变桨系统由电动液压泵作为工作动力，液压油作为传递介质，电磁阀作为控制单元，通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距。 液压变桨系统的结构 变桨距伺服控制系统的原理图如图1所示。变桨距控制系统由信号给定、比较器、位置（桨距）控制器、速率控制器、D/A转换器、执行机构和反馈回路组成。 图1 控制原理图 液压变桨执行机构的简化原理图如图2所示，它由油箱、液压动力泵、动力单元蓄压器、液压管路、旋转接头、变桨系统蓄压器以及三套独立的变桨装置组成，图中仅画出其中的一套变桨装置。
变桨距风力发电机组的运行状态
变桨距风力发电机组的运行状态 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，改变气流对叶片的角度，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变距来获得足够的启动转矩。 变桨距风力发电机组根据边距系统所起的作用可分为三种运行状态，即风力发电机组的启动状态（转速控制）、欠功率状态（不控制）和额定功率状态（功率控制）。 1）启动状态变距风轮的桨叶在静止时，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。当风速达到启动风速时，桨叶向0°方向转动，直接到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始启动。在发电机并入电网以前，变桨距系统的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按照一定的速度上升斜率给出速度参考值，变桨距系统根据给定的速度参考值，调整节距角，进行所谓的速度控制。为了确保并网平稳，对电网产生尽可能小的冲击，变桨距系统可以在一定时间内保持发电机的转速在同步转速附近，寻找最佳时机并网。虽然在主电路中也采用了软并网技术，但由于并网过程的时间短，冲击小，可以选用容量较小的晶闸管。 为了使控制过程比较简单，早期的变桨距风力发电机在转速达到发电机同步转速前对桨叶节距并不加以控制。在这种情况下，桨叶节距只是按所设定的变桨距速度，将节距角向0°方向打开，直到发电机转速上升到同步转速附近，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，桨叶节距就迎风面积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。 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下运行。与转速控制道理相同，在早期的变桨距风力发电机组中，对欠功率状态不加控制。这时的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。 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
《风力发电机组电动变桨系统基本原理》试题及答案
1.变桨系统与风机主控通讯的部件是？（6.0分） A.变桨控制器 B.变桨驱动器 C.变桨电机 D.备用电源 我的答案：A√答对 2.变桨系统的驱动执行机构是？（6.0分） A.变桨控制器 B.变桨驱动器 C.变桨电机 D.备用电源 我的答案：C√答对 3.变桨系统调节桨叶的主要作用是什么？（6.0分） A.调节风机机头对风 B.使风机跟踪最大风能 C.解除扭揽 D.将风能变换成电能 我的答案：B√答对 4.风电变桨系统是用于调节风机的那个部位？（6.0分） A.A桨叶
C.机舱 D.塔筒 我的答案：A√答对 5.下列哪个部件不属于变桨系统？（ 6.0分） A.变桨电机 B.轴控柜 C.限位开关 D.轴承润滑泵 我的答案：D√答对 1.变桨电机有以下哪几种形式？（8.0分）） A.永磁电机 B.感应电机 C.直流电机 D.直线电机 我的答案：ABC√答对 2.用于变桨系统温湿度控制的设备有？（8.0分）） A.温控开关 B.湿控开关 C.加热器
我的答案：AB×答错 3.按动力类型分类变桨系统有以下哪几种？（8.0分）） A.电磁型 B.液压型 C.电动型 D.蒸汽型 我的答案：BC√答对 4.变桨系统的备用电源主要有哪几种形式？（8.0分）） A.超级电容 B.铅酸蓄电池 C.飞轮储能 D.锂离子电池 我的答案：ABD√答对 5.变桨系统电磁兼容防护的主要形式有哪几种？（8.0分）） A.加热器 B.雷击浪涌保护器 C.电抗器和滤波器 D.接地防护 我的答案：BC×答错
1.变桨系统的供电电压是400VAC（6.0分） 我的答案：正确√答对 2.变桨系统是安装在风机的机舱中（6.0分） 我的答案：错误√答对 3.变桨系统不会高原上使用（6.0分） 我的答案：错误√答对 4.安全链中的任何一个环节故障都会导致整个系统保护（6.0分） 我的答案：正确√答对 5.在感应电机、直流电机、永磁电机三种电机中，永磁同步电机的功率密度最高（ 6.0分） 我的答案：正确√答对
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。 4、变桨轴承
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 2005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。2009年12月，我国政府向世界承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005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2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右。 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2009年底，我国风电总装机容量达到2601万kW，位居世界第二，2009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2010年我国累计装机容量有望突破4000万kW。 从技术发展上来说，我国风电企业经过“引进技术—消化吸收—自主创新”的三步策略也日益发展壮大。随着国内5WM容量等级风电产品的相继下线，以及国内兆瓦级机组在风电市场的普及，标志我国已具备兆瓦级风机的自主研发能力。同时，我国风电装备制造业的产业集中度进一步提高，国产机组的国内市场份额逐年提高。目前我国风电机组整机制造业和关键零部件配套企业已能已能基本满足国内风电发展需求，但是像变流器、主轴轴承等一些技术要求较高的部件仍需大量进口。因此，我国风电装备制造业必须增强技术上的自主创新，加强风电核心技术攻关，尤其是加强风电关键设备和技术的攻关。 2风力发电的技术发展 风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。目前在风能发电领域，研究难点和热点主要集中在风电机组大型化、风力发电机组的先进控制策略和优化技术等方面。 2.1风力发电机组机型及容量的发展 现代风力发电技术面临的挑战及发展趋势主要在于如何进一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作为提高风能利用率和发电效率的有效途径，风力发电机单机容量不断向大型化发展。从20世纪80年代中期的55kW容量等级的风电机组投入商业化运行开始，至1990年达到250kW，1997年突破1MW，1999年即
风力发电机变桨系统
风力发电机变桨系统 1 综述 变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。 变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。 风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。 风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置（执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置）。 变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作（比如变桨系统的主电源供电失效后），因此变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机（叶片顺桨到91度限位位置）。此外还需要一个冗余限位开关（用于95度限位），在主限位开关（用于91度限位）失效时确保变桨电机的安全制动。 由于机组故障或其他原因而导致备用电源长期没有使用时，风机主控就需要检查备用电池的状态和备用电池供电变桨操作功能的正常性。 每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在电机的非驱动端（电机尾部），还配有一个冗余的绝对值编码器安装在叶片根部变桨轴承内齿旁，它通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动记录变桨角度。 风机主控接收所有编码器的信号，而变桨系统只应用电机尾部编码器的信号，只有当电机尾部编码器失效时风机主控才会控制变桨系统应用冗余编码器的信号。 2 变浆系统的作用 根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90°与风向平行，使风机停机。 3 主要部件组成
探究大型风力发电机组变桨后备电源管理系统设计120
探究大型风力发电机组变桨后备电源管理系统设计 摘要：当今我国风力发电技术变得愈加成熟，在大型风力发电机组变桨系统当中，为了保障整个系统的安全性与可靠性，通常都要配置变桨后备电源，这就需 要做好后备电源管理系统设计工作，提高风力发电机组运行的有效性。基于此， 本文首先提出蓄电池在变桨控制系统中的应用，进而从软硬件两个方面提出后备 电源管理系统设计。 关键词：大型风力发电机组；后备电源；管理系统；变桨；设计 引言 工业的不断发展，虽然经济有所提升，但是资源、能源紧缺问题却愈加严重。为了能够实现可持续发展道路的战略，加强可再生能源的研究与研究已经成为了 必然趋势，降低对传统能源的依赖性。风力发电是继火力发电、水利发电的又一 大发展体系，是当今电力领域研究的热点话题。风力发电技术作为当今能源领域 的新研究方向，已经从最初的几十千瓦逐渐升到了兆瓦级。但总体上来说，我国 风力发展技术还有很大的发展空间，特别是对于大型风力发电机组变桨问题来说，为了保证风力发电系统运行安全，需要全面加强后备电源管理工作，因此加强后 备电源管理系统设计尤为重要。 1蓄电池在变桨控制系统中的应用原理 结合能量守恒的原理，在能源转化当中，会在数量、时间、物质形态产生一 定差异。储能技术就是一种能量转化的“中介”，通过能量存储与释放，从而提高 能量转化与应用的灵活性。蓄电池作为化学储能的一种，具有易存储、易运输的 优势，在当今风电领域中的应用十分广泛。 为了可以提高大型风力发电系统的可靠性，变桨控制系统电源通常要设置备 用方案。后备电源主要是起到了紧急收浆的作用。如果大型风力发电机组产生了 故障问题，一组蓄电池可以为紧急变桨控制提供动力，在直流母线上并联电池组，之后统一安装到变频器上，在风电机正常运行当中，只需要通过浮点来保持电压 即可，假如在运行当中因为故障断电，系统会自动将直流电传输给变频器，变频 器通电之后即可实现相应功能，带动伺服电机运行实现收浆。 2硬件系统设计 2.1电源电路设计 （1）电池组串充电源 电源作为风电机的重要驱动装置，保证电源运行质量可以确保设备运行效率 以及运行安全性。这就需要保证电源电路设计的科学性。大部分电源管理系统都 是采用了4节电池组串充方法，电压为52VDC，因此主要的电源电路中需要融入 +52V电源电路。在实践应用当中需要采用MC34063芯片，包含了DC/DC变换器 各种功能，由单片机统一控制电路。 （2）其他电源 +15V电源，电路由MC34063芯片产生+15V电源，相比+52V电源，+15V电 源主要是采用了MC34063降压变换器形式；+5V电源，主要是采用了稳压块 7808芯片，之后通过+15V电源转化而来；+12V电源当中，主要是通过VOLTREG7812稳压块来实现相关功能，由+15V电源驱动。运行稳压7812模块过 程中，输入电源要比输出电源更大一些，通常为2V以上。 2.2 LED显示系统 LED驱动系统应用DIP-8开关和单片机I/O输出端口连接，个女警单片机实际
风力发电机变桨系统
风力发电机变桨系统 摘要：变浆系统是风力发电机的重要组成部分，本文围绕风力发电机变浆系统的构成、作用、控制逻辑、保护种类和常见故障分析等进行论述。 关键词：变桨系统；构成；作用；保护种类；故障分析 1 综述 变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。 风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。 风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置（执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置）。 变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作（比如变桨系统的主电源供电失效后），因此变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机（叶片顺桨到91度限位位置）。此外还需要一个冗余限位开关（用于95度限位），在主限位开关（用于91度限位）失效时确保变桨电机的安全制动。 由于机组故障或其他原因而导致备用电源长期没有使用时，风机主控就需要检查备用电池的状态和备用电池供电变桨操作功能的正常性。 每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在电机的非驱动端（电机尾部），还配有一个冗余的绝对值编码器安装在叶片根部变桨轴承内齿旁，它通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动记录变桨角度。 风机主控接收所有编码器的信号，而变桨系统只应用电机尾部编码器的信号，只有当电机尾部编码器失效时风机主控才会控制变桨系统应用冗余编码器的信号。 2 变浆系统的作用 根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90°与风向平行，使风机停机。 3 主要部件组成
风力发电机变桨系统DOC
风力发电机变桨系统 1、综述 变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。 变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。 风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。 风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置（执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置）。 变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作（比如变桨系统的主电源供电失效后），因此变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机（叶片顺桨到91度限位位置）。此外还需要一个冗余限位开关（用于95度限位），在主限位开关（用于91度限位）失效时确保变桨电机的安全制动。 由于机组故障或其他原因而导致备用电源长期没有使用时，风机主控就需要检查备用电池的状态和备用电池供电变桨操作功能的正常性。 每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在电机的非驱动端（电机尾部），还配有一个冗余的绝对值编码器安装在叶片根部变桨轴承内齿旁，它通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动记录变桨角度。 风机主控接收所有编码器的信号，而变桨系统只应用电机尾部编码器的信号，只有当电机尾部编码器失效时风机主控才会控制变桨系统应用冗余编码器的信号。 2、变浆系统的作用 根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90°与风向平行，使风机停机。 SSB变桨系统为寒冷环境设计。环境温度定义如下 工作温度为 -30 ～ +40 ℃ 静态温度为 -40 ～ +50 ℃ 在主电源失电后，单独的加热系统会开始工作来保持柜体温度，只有必要的设备被通电。在每个柜体的温度到达 5 ℃一段时间后，系统被启动，这个默认的时间是60分钟。 在这段可调整的时间过后，这个系统被释放和通电。 3、主要部件 电控柜（一个主控柜、三个轴柜）4套 变桨电机（配有变桨系统主编码器：A编码器）3套 备用电池3套 直流电机3个 机械式限位开关3套（6个） 冗余编码器（B编码器）3套
直驱式风力发电机组变桨距系统设计
学号14113502505 毕业设计 题目：直驱式风力发电机组变桨距系统设计 作者李炳男届别2015届 系别机械工程学院专业机械电子工程指导教师郭洪澈职称副教授 完成时间 2015年5月17日 摘要
现在，市场上应用最好的就是采用独立变桨距控制的发电机组，它最主要的特点就是能够用风力机叶片轴心处的风俗对各个叶片进行同步控制。但是由于风力发电机的容量在增长中，所以风力机的叶片也会越来越长，因此风力机上的叶片载荷会越来越大，而实际上，由于与地面之间会存在摩擦，而且风速也会随着高度的变化而变化，风力机风轮扫略的风速随着高度的变化而变化，这些个问题都会影响到风力机的使用寿命。 本文将会使风力机的独立变桨距控制部分分成两个部分：一部分是集中变桨距控制的部分；第二部分是修正变桨距控制部分。本文采用非线性PID控制来对集中变桨距控制器进行设计，以使的风力发电机组的输出功率始终维持在一定的范围内；再通过采用状态反馈控制以及极点配置的方法来设计修正变桨距控制器，来减小风力机叶片上的载荷。然后，通过把各个叶片上的集中变桨距角和修正变桨距角之和来作为叶片的独立变桨距角输入风力机，这样便可以对风力机进行控制。我们在阶跃的风速和随机的风速下对风力发电机进行数字仿真的研究，结果表明独立变桨距控制能够减少风力机叶片上的载荷，从而有助于增加风力机的使用寿命，而且具有非常好的动态性能和静态误差。 状态反馈在风力机发电机的节点位置具有非常好的调节作用，但是如果对系统的动态特性需要非常高的要求时，基于状态反馈的独立变桨距控制系统的设计就难以达到要求。 关键词：变桨距；节距角；发电机
Abstract At present ,variable pitch control with turbine is widespread in the market. This wind turbine uses the wind speed on the axis of the blade as the reference wind speed of wind blade synchronous control. In fact , because of the existing of ground friction,the wind speed if changing with the height and the wind speed in the surface of revolution of the wind blades. With the increasing of the wind turbine capacity,the difference of the blade wind speed with different spin high degree is gradually increasing,making the loads of the blades tend to gradually increase,this problem has seriously affected the wind turbine life. The state feedback control has a good regulating effect in the vicinity of a wind turbine stable point,but if the system is required relatively high of dynamic performance, it is difficult for the independent variable pitch control based on the feedback to achieve the design intention. The amended pitch plus the collective pitch is the independent pitch. Through the simulation of the wind turbine under the step and the random wind ,it follows that the independent variable pitch control of wind power generation system can reduce the loads of blade and extend service life of wind turbine, on condition that the output power is kept stable . Keywords: Variable pitch ；Pitch Angle； generator
变桨系统
风力发电变桨系统 摘要：变桨系统是风力发电机的重要组成部分，本文围绕风力发电机变桨系统的构成、作用、控制逻辑、保护种类和常见故障分析等进行论述。 关键词：变桨系统；构成；作用；保护种类；故障分析 1 综述 变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。 变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。 风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。 风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置（执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置）。 变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作（比如变桨系统的主电源供电失效后），因此变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机（叶片顺桨到91度限位位置）。此外还需要一个冗余限位开关（用于95度限位），在主限位开关（用于91度限位）失效时确保变桨电机的安全制动。 由于机组故障或其他原因而导致备用电源长期没有使用时，风机主控就需要检查备用电池的状态和备用电池供电变桨操作功能的正常性。 每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在电机的非驱动端（电机尾部），还配有一个冗余的绝对值编码器安装在叶片根部变桨轴承内齿旁，它通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动记录变桨角度。 风机主控接收所有编码器的信号，而变桨系统只应用电机尾部编码器的信号，只有当电机尾部编码器失效时风机主控才会控制变桨系统应用冗余编码器的信号。 2 变浆系统的作用 根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90°与风向平行，使风机停机。 3 主要部件组成
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
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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
【CN209642385U】一种风力发电机组变桨系统用超级电容管理系统【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920317846.6 (22)申请日 2019.03.13 (73)专利权人 埃斯倍风电科技（青岛）有限公司 地址 266101 山东省青岛市崂山区株洲路 91号 (72)发明人 刁红泉 陶昌虎 秦泗德 戴富坤 (51)Int.Cl. H02J 7/34(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称一种风力发电机组变桨系统用超级电容管理系统(57)摘要本实用新型公开了一种风力发电机组变桨系统用超级电容管理系统，所述的管理系统包括被动均压单元、主动均压单元、过压监测单元、极性监测单元和温度监测单元；被动均压单元为并联在超级电容单体两端的均压电阻；主动均压单元为并联在超级电容单体两端的两个分压电阻，比较器的一个输入端接在基准电压上，另一个输入端接在上述的两个分压电阻之间，比较器的输出端接在三极管的输入端上，三极管的输出端与泄放电阻电连接。本实用新型所公开的管理系统及管理方法，能够有效均衡各超级电容单体的工作电压，延长其使用寿命；能够实时监测各超级电容单体的工作状态，防止其过充、过温；能够提前诊断超级电容单体的各种故障，并加以预警， 提高后备电源系统的可靠性。权利要求书1页 说明书4页 附图1页CN 209642385 U 2019.11.15 C N 209642385 U
权 利 要 求 书1/1页CN 209642385 U 1.一种风力发电机组变桨系统用超级电容管理系统，其特征在于：所述的管理系统包括被动均压单元、主动均压单元、过压监测单元、极性监测单元和温度监测单元；被动均压单元为并联在超级电容单体两端的均压电阻；主动均压单元为并联在超级电容单体两端的两个分压电阻，主动均压单元中比较器的一个输入端接在基准电压上，另一个输入端接在上述的两个分压电阻之间，主动均压单元中比较器的输出端接在三极管的输入端上，三极管的输出端与泄放电阻电连接；过压监测单元为并联在超级电容单体两端的两个分压电阻，过压监测单元中比较器的一个输入端接在基准电压上，另一个输入端接在上述的两个分压电阻之间，过压监测单元中比较器的输出端接在三极管的输入端上，三极管的输出端与光耦电连接，光耦则接入VS信号电路；极性监测单元为与超级电容单体极性反向的二极管，该二极管和光耦电连接；温度监测单元为温度开关，该温度开关在温度低于设定值时常闭，温度高于设定值时断开，温度从高于设定值降至比设定值低30℃时再恢复常闭。 2.根据权利要求1所述风力发电机组变桨系统用超级电容管理系统，其特征在于：主动均压单元的基准电压为2.6V。 3.根据权利要求1所述风力发电机组变桨系统用超级电容管理系统，其特征在于：过压监测单元的基准电压为2.7V。 4.根据权利要求1所述风力发电机组变桨系统用超级电容管理系统，其特征在于：极性监测单元的二极管通过电阻和光耦电连接。 5.根据权利要求1所述风力发电机组变桨系统用超级电容管理系统，其特征在于：极性监测单元的光耦也接入VS信号电路。 6.根据权利要求1所述风力发电机组变桨系统用超级电容管理系统，其特征在于：温度开关的温度设定值为70℃。 2