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
1
2）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。
百万千瓦级及以上风电基础，其单个风电场无功功率调节容量为风电场额定运行时功率因数0.97（超前）~0.97（滞后）所确定的无功功率容量范围。
3
4
5
6）通行与信号
正常运行情况下，风电场向电网调度部门提供的信号应包括：a）单个风电机组运行状态
b）风电场实际运行机组数量和型号
c）风电场并网点电压
d）风电场高压侧出线的有功功率、无功功率、电流
e）高压断路器和隔离开关的位置
f）风电场的实时风速和风向
g）故障记录装置纪录故障前10s到故障后60s的情况。
结语
控制系统设计与制造是风电机组的核心技术，也是我国风电设备自主创新战略的重点和难点。
国家电网公司于2009制定的《风电场接入电网技术规定》中对风电场有功功率调节变化速率、无功及电压控制能力，以及低电压穿越能力都提出了明确要求。可以预见，风电机组控制技术必然是未来风电行业核心竞争领域。
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
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 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 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 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
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
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
密级：公司秘密 东方汽轮机有限公司 DONGFANG TURBINE Co., Ltd. 2.0MW108C型风力发电机组主控制系统 说明书 编号KF20-001000DSM 版本号 A 2014年7 月
编制 <**设计签字**> <**设计签字日期**> 校对 <**校对签字**> <**校对签字日期**> 审核 <**审核签字**> <**审核签字日期**> 会签 <**标准化签字**> <**标准化签字日期**> <**会二签字**> <**会二签字日期**> <**会三签字**> <**会三签字日期**> <**会四签字**> <**会四签字日期**> <**会五签字**> <**会五签字日期**> <**会六签字**> <**会六签字日期**> <**会七签字**> <**会七签字日期**> <**会八签字**> <**会八签字日期**> <**会九签字**> <**会九签字日期**> 审定 <**审批签字**> <**审批签字日期**> 批准 <**批准签字**> <**批准签字日期**> 编号
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目录 序号章 节名称页数备注 1 0-1 概述 1 2 0-2 系统简介 1 3 0-3 系统硬件11 4 0-4 系统功能 5 5 0-5 主控制系统软件说明12 6 0-6 故障及其处理说明64
0-1概述 风能是一种清洁环保的可再生能源，取之不尽，用之不竭。随着地球生态保护和人类生存发展的需要，风能的开发利用越来越受到重视。 风力发电机就是利用风能产生电能，水平轴3叶片风力发电机是目前最成熟的机型，它主要是由叶片、轮毂、齿轮箱、发电机、机舱、变频器、偏航装置、刹车装置、控制系统、塔架等组成。 风力发电机的控制技术和伺服传动技术是其核心和关键技术，这与一般工业控制方式不同。风力发电机组控制系统是一个综合性的控制系统，主要由机舱主控系统、变桨系统、变频控制系统三部分组成，通过现场总线以及以太网连接在一起，各个模块都有独立的控制单元，可独立完成与自身相关的功能（图0-1-1）。目的是保证机组的安全可靠运行、获取最大风能和向电网提供优质的电能。 图0-1-1
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 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
( 安全管理 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 大型风力发电机组控制系统的安全保护功能(新编版) Safety management is an important part of production management. Safety and production are in the implementation process
大型风力发电机组控制系统的安全保护功 能(新编版) 1制动功能 制动系统是风力发电机组安全保障的重要环节，在硬件上主要由叶尖气动刹车和盘式高速刹车构成，由液压系统来支持工作。制动功能的设计一般按照失效保护的原则进行，即失电时处于制动保护状态。在风力发电机组发生故障或由于其他原因需要停机时，控制器根据机组发生的故障种类判断，分别发出控制指令进行正常停机、安全停机以及紧急停机等处理，叶尖气动刹车和盘式高速刹车先后投入使用，达到保护机组安全运行的目的。 2独立安全链 系统的安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。安全链采用反逻辑
设计，将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串联成一个回路，当安全链动作后，将引起紧急停机，执行机构失电，机组瞬间脱网，从而最大限度地保证机组的安全。发生下列故障时将触发安全链：叶轮过速、看门狗、扭缆、24V电源失电、振动和紧急停机按钮动作。 3防雷保护 多数风机都安装在山谷的风口处或海岛的山顶上，易受雷击，安装在多雷雨区的风力发电机组受雷击的可能性更大，其控制系统最容易因雷电感应造成过电压损害，因此在600kW风力发电机组控制系统的设计中专门做了防雷处理。使用避雷器吸收雷电波时，各相避雷器的吸收差异容易被忽视，雷电的侵入波一般是同时加在各相上的，如果各相的吸收特性差异较大，在相间形成的突波会经过电源变压器对控制系统产生危害。因此，为了保障各相间平衡，我们在一级防雷的设计中使用了3个吸收容量相同的避雷器，二、三级防雷的处理方法与此类同。控制系统的主要防雷击保护：①主电路三相690V输入端（即供给偏航电机、液压泵等执行机构的前段）
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
风力发电机组控制系统
风力发电机组控制系统功能研究 风力发电机组控制系统简介 风力发电机组由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，其相当于风电系统的神经。因此控制系统的质量直接关系到风力发电机组的工作状态、发电量的多少以及设备的安全性。 自热风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的并网和退出电网、输入功率的限制、风轮的主动对封以及运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是边远地区或是海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程控制，这就对风力发电机组的控制系统的自动化程度和可靠性提出了很高的要求。与一般的工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。他不仅要监视电网、风况和机组运行参，对机组进行控制。而且还要根据风速和风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率。 控制系统的组成 风力发电机由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于风电系统的神经。因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。目前风力发电亟待研究解决的的两个问题：发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。对此国内外学者进行了大量的研究，取得了一定进展，随着现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的研究提供了技术基础。 风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：这就是保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。 控制系统组成主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最
Through the reasonable organization of the production process, effective use of production resources to carry out production activities, to achieve the desired goal. 大型风力发电机组控制系统的安全保护功能正式版
大型风力发电机组控制系统的安全保 护功能正式版 下载提示：此安全管理资料适用于生产计划、生产组织以及生产控制环境中，通过合理组织生产过程，有效利用生产资源，经济合理地进行生产活动，以达到预期的生产目标和实现管理工作结果的把控。文档可以直接使用，也可根据实际需要修订后使用。 1 制动功能 制动系统是风力发电机组安全保障的重要环节，在硬件上主要由叶尖气动刹车和盘式高速刹车构成，由液压系统来支持工作。制动功能的设计一般按照失效保护的原则进行，即失电时处于制动保护状态。在风力发电机组发生故障或由于其他原因需要停机时，控制器根据机组发生的故障种类判断，分别发出控制指令进行正常停机、安全停机以及紧急停机等处理，叶尖气动刹车和盘式高速刹车先后投入使用，达到保护机组安全运行的目的。
2 独立安全链 系统的安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。安全链采用反逻辑设计，将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串联成一个回路，当安全链动作后，将引起紧急停机，执行机构失电，机组瞬间脱网，从而最大限度地保证机组的安全。发生下列故障时将触发安全链：叶轮过速、看门狗、扭缆、24V电源失电、振动和紧急停机按钮动作。 3 防雷保护 多数风机都安装在山谷的风口处或海岛的山顶上，易受雷击，安装在多雷雨区的风力发电机组受雷击的可能性更大，其
风力发电系统的控制原理 风力涡轮机特性： 1，风能利用系数Cp 风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示： P---风力涡轮实际获得的轴功率 r---空气密度 S---风轮的扫风面积 V---上游风速 根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。 2，叶尖速比l 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。 n---风轮的转速 w---风轮叫角频率 R---风轮半径 V---上游风速 在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。 涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。）它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。 3，变速发电的控制 变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。 三段控制要求： 低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速变化时的调速过程示意图。设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。 中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率尚未达到额定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入工作，风速增加时，控制器限制转速升，而功率则随着风速增加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。 高风速段为功率和转速均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速增加时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。 ４，双馈异步风力发电控制系统
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。 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
. 密级：公司秘密 东方汽轮机有限公司 DONGFANG TURBINE Co., Ltd. 2.0MW108C型风力发电机组主控制系统 说明书 编号KF20-001000DSM 版本号 A 2014年7 月
. 编制 <**设计签字**> <**设计签字日期**> 校对 <**校对签字**> <**校对签字日期**> 审核 <**审核签字**> <**审核签字日期**> 会签 <**标准化签字**> <**标准化签字日期**> <**会二签字**> <**会二签字日期**> <**会三签字**> <**会三签字日期**> <**会四签字**> <**会四签字日期**> <**会五签字**> <**会五签字日期**> <**会六签字**> <**会六签字日期**> <**会七签字**> <**会七签字日期**> <**会八签字**> <**会八签字日期**> <**会九签字**> <**会九签字日期**> 审定 <**审批签字**> <**审批签字日期**> 批准 <**批准签字**> <**批准签字日期**> 编号
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目录 序号章 节名称页数备注 1 0-1 概述 1 2 0-2 系统简介 1 3 0-3 系统硬件11 4 0-4 系统功能 5 5 0-5 主控制系统软件说明12 6 0-6 故障及其处理说明64
0-1概述 风能是一种清洁环保的可再生能源，取之不尽，用之不竭。随着地球生态保护和人类生存发展的需要，风能的开发利用越来越受到重视。 风力发电机就是利用风能产生电能，水平轴3叶片风力发电机是目前最成熟的机型，它主要是由叶片、轮毂、齿轮箱、发电机、机舱、变频器、偏航装置、刹车装置、控制系统、塔架等组成。 风力发电机的控制技术和伺服传动技术是其核心和关键技术，这与一般工业控制方式不同。风力发电机组控制系统是一个综合性的控制系统，主要由机舱主控系统、变桨系统、变频控制系统三部分组成，通过现场总线以及以太网连接在一起，各个模块都有独立的控制单元，可独立完成与自身相关的功能（图0-1-1）。目的是保证机组的安全可靠运行、获取最大风能和向电网提供优质的电能。
风力发电机组控制系统 一风电控制系统简述 风电控制系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心，实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能；每台风力发电机组配有就地HMI人机接口以实现就地操作、调试和维护机组；高速环型冗余光纤以太网是系统的数据高速公路，将机组的实时数据送至上位机界面；上位机操作员站是风电厂的运行监视核心，并具备完善的机组状态监视、参数报警，实时/历史数据的记录显示等功能，操作员在控制室内实现对风场所有机组的运行监视及操作。 风力发电机组控制单元（WPCU）是每台风机的控制核心，分散布置在机组的塔筒和机舱内。由于风电机组现场运行环境恶劣，对控制系统的可靠性要求非常高，而风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计，应具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等能力，其系统结构如下： 风电控制系统的现场控制站包括：塔座主控制器机柜、机舱控制站机柜、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、以太网交换机、现场总线通讯网络、UPS电源、紧急停机后备系统等。风电控制系统的网络结构。 1、塔座控制站 2、塔座控制站即主控制器机柜是风电机组设备控制的核心，主要包括控制器、I/O 模件等。控制器硬件采用32位处理器，系统软件采用强实时性的操作系统，运行机组的各类复杂主控逻辑通过现场总线与机舱控制器机柜、变桨距系统、变流器系统进行实时通讯，以使机组运行在最佳状态。 3、控制器的组态采用功能丰富、界面友好的组态软件，采用符合IEC61131-3标准的组态方式，包括：功能图（FBD）、指令表（LD）、顺序功能块（SFC）、梯形图、结构化文本等组态方式。 4、2、机舱控制站 5、机舱控制站采集机组传感器测量的温度、压力、转速以及环境参数等信号，通过现场总线和机组主控制站通讯，主控制器通过机舱控制机架以实现机组的偏航、解缆等功能，此外还对机舱内各类辅助电机、油泵、风扇进行控制以使机组工作在最佳状态。
第一章绪论 能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系，极大地推动了人类社会的发展。然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模使用化石燃料所带来的严重后果；资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。因此，人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。 风能是太阳能的一种转化形式，是一种不产生任何污染物排放的可再生的自然资源。 风能的开发利用已有数千年历史。在蒸气机发明以前，风能就曾作为重要的动力，由于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。在几千年前，埃及的风帆船就在尼罗河上航行。中国是最早使用帆船和风车的国家之一，至少在三千年前的商代就出现了帆船。 受化石能源资源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来，风力发电的发展十分迅速，世界风电机装机容量的年平均增长率超过了30％，从1993年的216万kW上升到20XX年的4030万kW。 我国对现代风力机的研制可以追溯到20世纪50年代，但系统的研究始于20世纪70年代。20世纪80年代中期开始，我国从国外引进了一些大、中型风力发电机组并入电网。1986年山东荣成市建成中国第一个风电场，年均发电量为33万kwh，以后相继在福建平潭、广东南澳岛、新疆达坂城及内蒙古朱日和等地建立了风电场。 进入20世纪90年代以来，我国风电发展势头强劲，成为我国发展速度最快的能源工业，但是，我国安装的大型风力发电机组中90%是从国外进口。我国对现代并网型风力发电机的研究工作始于20世纪80年代，我国自行研制出的有20kw,30kw,75kw,120kw,200kw,600kw和1MW风力发电机组。 目前世界上有几十种型号的大型风力发电机组在商业化运行，大体可分为四种类型。第一种为双绕组定桨距恒速机型，以Bounsl,BOUNS2,Nordex60和Nordex63为代表。第二种为变滑差变速机型，主要代表VestasV63,VstasV66,VstasV80.第三种是采用双馈发电机转差励磁方案，实现变速变距运行的机型，主要代表机型有DeWind公司的