变桨距的优点

风电机组变桨距系统第一篇：风电机组变桨距系统作者：中国科学院电工研究所李建林张雷鄂春良来源：赛尔电力自动化总第78期摘要：在风力发电系统中，变桨距控制技术关系到风力发电机组的安全可靠运行，影响风力机的使用寿命，通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡，不但优化了输出功率，而且有效的降低的噪音，稳定发电机的输出功率，改善桨叶和整机的受力状况。

变桨距风力发电机比定桨距风力发电机具有更好的风能捕捉特性，现代的大型风力发电机大多采用变桨距控制。

本文针对国外某知名风电公司液压变桨距风力机，采用可编程控制器(PLC)作为风力发电机的变桨距控制器。

这种变桨控制器具有控制方式灵活，编程简单，抗干扰能力强等特点。

本文介绍了液压变桨距系统的工作原理，设计了变桨控制器的软件系统。

最后在国外某知名风电公司风力发电机组上做了实验，验证了将该变桨距控制器可以在变桨距风力机上安全、稳定运行的。

关键词：变桨距；风力发电机；可编程控制器1引言随着风电技术的不断成熟与发展，变桨距风力发电机的优越性显得更加突出：既能提高风力机运行的可靠性，又能保证高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线。

采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，使整机的受力状况大为改善，使风电机组有可能在不同风速下始终保持最佳转换效率，使输出功率最大，从而提高系统性能。

随着风电机组功率等级的增加，采用变桨距技术已是大势所趋。

目前变桨执行机构主要有两种：液压变桨距和电动变桨距，按其控制方式可分为统一变桨和独立变桨两种。

在统一变桨基础上发展起来的独立变桨距技术，每支叶片根据自己的控制规律独立地变化桨距角，可以有效解决桨叶和塔架等部件的载荷不均匀问题，具有结构紧凑简单、易于施加各种控制、可靠性高等优势，越来越受到国际风电市场的欢迎。

兆瓦级变速恒频变桨距风电机组是目前国际上技术比较先进的风力机型，从今后的发展趋势看，必然取代定桨距风力机而成为风力发电机组的主力机型。

直驱式永磁同步风力发电机变速变桨距控制变桨距是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法。

变桨距控制会对所有由风轮产生的空气动力载荷产生影响。

直驱式永磁风力发电机组一旦达到额定转矩，载荷转矩就不能继续增加，但风速还在增加，所以转速也开始增加，应用变桨距控制调节转速，使转速不超过上限，并由变流器保证载荷转矩恒定不变。

通常PI或PID调节器调节桨距角就可以满足要求，在有些情况下要用滤波器对转速误差进行处理，以防止过度的桨距动作。

一、变速变桨距控制概述1.基本控制要求在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能捕捉较多风能，所以这时没有必要改变桨距角，此时的空气动力载荷通常比在额定风速以上时的动力载荷小，也没有必要通过变桨距来调节载荷。

在额定风速以上时，变桨距控制可以有效调节风力发电机组的吸收功率及风轮产生的载荷，使其不超出设计的限定值。

而且为了达到良好的调节效果，变桨距应该对变化的情况作出迅速的反应。

这种主动控制器需要仔细设计，因为它会与风力发电机组的动态特性相互影响。

随着叶片攻角的变化，气流对风轮的作用力也会随之发生改变，这就会导致风力发电机组塔架的振动。

随着风速的增加，为了保持功率恒定，转矩桨距角也随着增加，风轮所受到的力将会减小。

这就使塔架的弯曲减小，塔架的顶端就会向前移动引起以风轮为参照物的相对风速的增加。

空气动力产生的转矩进一步增加，引起更大的调桨动作。

显然，如果变桨距控制器的增益太高会导致正反馈不稳定。

2.主动失速变桨距在额定风速以下时，桨距角设定值应该设置在能够吸收最大功率的最优值。

按照这个原则，当风速超过额定风速时，增大或减小桨距角都会减小机组转矩。

减小桨距角，即将叶片前缘转向背风侧，通过增大失速角来调节转矩，使升力减小，阻力增加，称为主动失速变桨距。

尽管顺桨是更常见的控制策略，但是有些风力发电机组采用主动失速变桨距的方法，通常称为主动失速。

向顺桨方向变桨距比主动失速需要更多的动态主动性，一旦大部分叶片失速，就没有足够的变桨距调节来控制转矩。

变桨距机组的控制技术本文对变桨距风力发电机组控制系统的特点以及控制策略分别进行详细介绍。

一、变桨距机组控制系统的特点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，改变气流对叶片的攻角，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改变节距来获得足够的启动转矩。

采用变桨距机构的风力发电机组可使桨叶和整机的受力状况大为改善，这对大型风力发电机组的总体设计十分有利。

目前已有多种型号的变桨距600kW级风力发电机组进入市场。

其中较为成功的有丹麦VESTAS的V39/V42-600kW机组和美国Zand的Z 40-600kW机组。

从今后的发展趋势看，在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。

变桨距风力发电机组又分为主动变桨距控制与被动变桨距控制。

主动变桨距控制可以在大于额定风速时限制功率，这种控制的实现是通过将每个叶片的部分或全部相对于叶片轴方向进行旋转以减小攻角，同时也减小了升力系数。

被动变桨距控制是一种令人关注的可替代主动变桨距限制功率的方式，其思路是将叶片或叶片的轮毂设计成在叶片载荷的作用下扭转，以便在高风速下获得所需的节距角。

但因为所必需的叶片随风速变换而扭转的变化量一般并不与叶片相应的载荷变化相匹配，所以很难实现。

对于独立运行的风力发电机组，发电量的最大化不是主要目标，被动变桨距控制方案有时候被采用，但是这一概念在并网运行的风力发电机组中尚未应用。

变桨距控制主要是通过改变翼型迎角变化，从而使翼型升力变化来进行调节的。

变桨距控制多用于大型风力发电机组。

变桨距控制是通过叶片和轮毂之间的轴承机构转动叶片减小迎角，由此来减小翼型的升力，以达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。

变桨距调节时叶片迎角可相对气流连续地变化，以便得到风轮功率输出达到希望的范围。

在90°迎角时是叶片的顺桨位置。

在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化从而限制功率，一般变桨距范围为90°～100°。

风力发电机的几种功率调节方式作者：佚名发布时间：2009-5-5随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，并网运行的风力发电控制技术得到了较快发展，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展，甚至向智能型控制发展。

作为风力资源较为丰富的国家之一，我国加快了风电技术领域的自主开发与研究，兆瓦级变速恒频的风力发电机组国产化已列入国家“863”科技攻关顶目。

本文针对当前并网型风力发电机组的几种功率凋节控制技术进行了介绍。

l 定桨距失速调节型风力发电机组定桨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，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，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。

2 变桨距调节型风力发电机组变桨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，即根据风速的大风力发电机的几种功率调节方式作者：佚名发布时间：2009-5-5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。

风电风力机技术监督——问答题问题：哪一个力使风轮转动产生驱动力矩？升力使风轮转动产生驱动力矩。

问题：说出风力发电机组的4个重要参数。

轮毂高度、风轮直径或扫掠面积、额定功率、额定风速。

问题：某一风力发电机组，其风轮转速为30r/min，发电机转速为1500r/min，试求其中间齿轮箱的传动比为多少？此风力发电机组中间齿轮的传动比为50。

问题：风轮的实度是如何定义的？风轮实度是指叶片在风轮旋转平面上投影面积的综合和与风轮扫掠面积的比值，实度大小取决于叶尖速比。

问题：已知某风力发电风轮直径D为60m，试求该风轮的扫掠面积（计算结果保留到整数）？风轮扫掠面积为2826m2。

问题：某风电场测得年平均风速不大于4m/s的风速频率为20%，而不小于25m/s风速的频率为5%，求年平均风速在4～25m/s区间内的有效风时率是多少？该风场4～25m/s区间有效风时率为75%。

问题：某风力发电机组，其年有效风时数为7000h，风力发电机实际的工作系数为0.92，该机平均输出功率是额定功率750KW的30%，求该机型的年发电量？该机组年容量系数是0.27。

问题：某台风力发电机组，在6m/s风速时输出功率是60kW，当风速为12m/s时，问此时该风力发电机的输出功率是多少？此时该台风力发电机的输出功率是480kW。

问题：已知某风力发电机组的v6m/s1=风轮直径为40m，其风能利用系数K是0.45，求在风速为10m/s时，该风力发电机组的风轮输出功率是多少（空气密度取ρ=1.2kg/m2）？该风力发电机组的风轮输出功率P为P=753600×0.45=339.12（kW）该风力发电机组的风轮输出功率是339.12kW。

问题：某台风力发电机全年维修用时72h，故障停机228h，试求该机组的年可利用率（时数均按自然时数计）。

该台机组的年可利用率为96.60%。

问题：什么叫风力发电机组的保护系统？确保风力发电机组运行在设计范围内的系统。

《风力发电变桨距自抗扰控制技术研究及其参数整定》篇一一、引言随着全球能源结构的转型，风力发电作为清洁、可再生的能源形式，正受到越来越多的关注和重视。

其中，变桨距技术是实现风力发电机组稳定、高效运行的关键技术之一。

本文将针对风力发电变桨距自抗扰控制技术进行研究，并探讨其参数整定方法，为风力发电技术的进一步发展提供理论支持。

二、风力发电变桨距技术概述风力发电变桨距技术是通过调整风力发电机组桨叶的安装角度，改变风能转化为机械能的比例，从而实现机组输出功率的稳定和高效运行。

自抗扰控制技术则是一种能够抵抗外界干扰，提高系统稳定性的控制策略。

因此，将自抗扰控制技术应用于风力发电变桨距系统中，对于提高机组的运行性能和可靠性具有重要意义。

三、自抗扰控制技术研究自抗扰控制技术是一种基于非线性控制理论的控制策略，其核心思想是通过引入扩张状态观测器（ESO）和状态误差反馈（SEF）等方法，对系统中的扰动进行实时观测和补偿，从而实现对系统的精确控制。

在风力发电变桨距系统中，自抗扰控制技术可以通过实时观测风速、风向等外界因素对机组的影响，调整桨叶的安装角度，使机组输出功率稳定在设定值附近。

四、参数整定方法研究参数整定是自抗扰控制技术中的重要环节，它决定了系统控制器的性能和稳定性。

针对风力发电变桨距自抗扰控制系统，本文提出了一种基于遗传算法的参数整定方法。

该方法通过遗传算法的优化过程，对自抗扰控制器的参数进行寻优，从而得到最优的控制器参数组合。

这种方法可以有效地提高系统的稳定性和响应速度，同时降低系统的超调量。

五、实验验证与分析为了验证本文提出的自抗扰控制技术及其参数整定方法的可行性和有效性，我们进行了大量的实验验证和分析。

实验结果表明，采用自抗扰控制技术的风力发电机组在变桨距系统中表现出良好的稳定性和响应速度。

同时，采用基于遗传算法的参数整定方法能够有效地优化控制器的参数组合，进一步提高系统的性能。

与传统的PID控制方法相比，自抗扰控制技术及其参数整定方法在风力发电变桨距系统中具有明显的优势。

一种变桨距控制装置，包括电源、电机、位置检测器、桨距控制器及变桨距执行机构，其特征在于电源由整流器、储能装置和逆变器组成，其中储能装置并联于整流器和逆变器之间；逆变器的输入端与正反转控制器相联接；桨距控制器的输入端与位置检测器相联接，输出端分别与逆变器和正反转控制器相联接。

由于储能装置为电池或电容，尤其采用电容储能时，直流逆变，不仅可避免漏油，无污染、免润滑，并且重量比电池轻了50％，寿命可达一百万次。

变桨距也就是调节桨距角。

在风力机中，通过对桨距角的主动控制可以克服定桨距/被动失速调节的许多缺点。

下图1（不同叶片的桨距角对输出功率的影响）表示了输出功率对桨距角变化的敏感性。

桨距角最重要的应用是功率调节，桨距角的控制还有其他优点。

当风轮开始旋转时，采用较大的正桨距角可以产生一个较大的启动力矩。

停机的时候，，经常使用90°的桨距角，因为在风力机刹车制动时，这样做使得风轮的空转速度最小。

在90°正桨距角时，叶片称为“顺浆”。

在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能地捕捉较多的风能，所以这时没有必要改变桨距角，此时的空气动力载荷通常比在额定风速之上时小，因此也没有必要通过变桨距来调节载荷。

然而，恒速风力发电机组的最佳桨距角随着风速的变化而变化，因此对于一些风力发电机组，在额定风速以下时，桨距角随风速仪或功率输出信号的变化而缓慢地改变几度。

在额定风速以上时，变桨距控制可以有效调节风力发电机组吸收功率及叶轮产生载荷，使其不超过设计的限定值。

然而，为了达到良好的调节效果，变桨距控制应该对变化的情况作出迅速的响应。

这种主动的控制器需要仔细地设计，因为它会与风力发电机组的动态特性产生相互影响。

当达到额定功率时，随着桨距角的增加攻角会减小。

攻角的减小将使升力和力矩减小。

气流仍然附着在叶片上。

图1和图2同样针对相同的风力机，只表示了低于额定功率时的零桨距角的功率曲线。

高于额定功率时，桨距角所对应的功率曲线与额定功率曲线相交，在交点处给出了所必需的桨距角，用以维持风速下的额定功率。