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1、变桨距风力发电机组控制系统的变桨距风力发电机组控制系统的研究研究付冬梅付冬梅研究的主要内容研究的主要内容1.风力机组的特点及运行过程风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构控制系统的执行机构4.变桨距风力发电机组的模型变桨距风力发电机组的模型 5.对风力发电技术的展望对风力发电技术的展望变桨距风力发电机组的特点变桨距风力发电机组的特点1改善机组的受力，优化功率输出（与发电机转差率调节配合）.2比定桨距风力机额定风速低、效率高；且不存在高于额定风速的功率下降问题.3功率反馈控制使额定功率不受海拔、湿度、温度等空气密度变化影响.1.机组的特点4启动时控制气
2、动转矩易于并网；停机气动转矩回零避免突甩负荷.变桨距风力发电机组的特点变桨距风力发电机组的特点2.运行状态 由于变桨距系统的响应速度受到限制，对快速变化的风速，通过改变节距来控制输出功率的效果并不理想。因此，为了优化功率曲线，最新设计的变桨距风力发电机组在进行功率控制的过程中，其功率反馈信号不再作为直接控制叶片节距的变量。研究的主要内容研究的主要内容1.风力机组的特点及运行过程风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构控制系统的执行机构4.变桨距风力发电机组的模型变桨距风力发电机组的模型 5.对风力发电技术的展望对风力发电技术的展望变桨距控制系统变桨距控
3、制系统v变桨距系统分为叶尖局部变距叶尖局部变距和全叶片变距全叶片变距v叶尖局部变距叶尖局部变距：通常只变叶尖部分(约0.25R0.30R)的节距角，其余部分翼展是定桨距的。v全叶片变距全叶片变距又分为离心式变距和伺服机构驱动式变距 v离心式变距：离心式变距：利用叶片本身或附加重锤的质量在旋转时产生的离心力作为动力，使叶片偏转变距。v伺服机构驱动式变距：伺服机构驱动式变距：大型风电机组的变距，通常要借助电动或液压的伺服系统使叶片旋转变距。变桨距控制系统变桨距控制系统 变桨距控制的优点是机组起动性能好，输出功率稳定，停机安全等；其缺点是增加了变桨距装置控制复杂性。变桨距控制系统变桨距控制系统风机正
4、常工作时，主要采用功率控制风机正常工作时，主要采用功率控制变桨距系统变桨距系统变桨距系统变桨距系统在额定风速以下时，叶片攻角处于0附近，此时叶片角度受控制环节精度的影响，变化范围很小等同于定桨距在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片的节距角，进而改变叶片攻角，保证发电机的输出功率在允许范围内变桨距控制系统变桨距控制系统v变桨距调节方法可以分为三个阶段 v开机阶段开机阶段：当风电机达到运行条件时，计算机命令调节节距角。第一步将节距角调到45，当转速达到一定时，再调节到0，直到风电机达到额定转速并网发电。v保持阶段保持阶段：当输出功率小于额定功率时，节距角保持在0位置不变。v调节阶段调节阶
5、段：当发电机输出功率达到额定后，调节系统即投入运行，当输出功率变化时，及时调节距角的大小，在风速高于额定风速时，使发电机的输出功率基本保持不变。变桨距控制系统变桨距控制系统v变桨距执行系统a、变桨距执行系统是一个随动系统，即桨距角位置跟随变桨指令变化。vb、校正环节是一个非线性控制器，具有死区补偿和变桨限制功能。死区用来补偿电动变距机构的不灵敏区，变桨限制防止超调。vc、电动变桨系统由伺服电动机，伺服驱动器，独立的控制系统，电源，减速箱，齿盘，传感器、主控制器等组成。vd、位置传感器给出实际变桨角度。D/A转换器A/D转换器位移传感器变桨距机构电动变桨系统活塞位移桨距角变桨给定校正环节变桨距控
6、制系统变桨距控制系统v1.变桨距控制v1、并网前的速度控制v速度控制器控制从启动到并网的转速控制，达到同步转速10r/min内1s并网。进入启动状态，前馈通道将桨距角快速提高到45，500r/min减小到5，达到快速启动目的；非线性环节使增益随节距角增加而减小，补偿转矩变化。转速转速控制器控制器变桨变桨执行器执行器变距变距机构机构风轮风轮系统系统发电机发电机传动传动系统系统桨距角风速转速给定A转速速度变化率额定转速PID转速传感器+-+转速节距指令转矩补偿45*5*节距非线性化变桨距控制系统变桨距控制系统 速度控制器B受发电机转速和风速的双重控制。在达到额定值前，速度给定值随功率给定值按比例增
7、加。节距控制将根据风速调整到最佳状态，以优化叶尖速比。与速度控制器A的结构相比，速度控制器B增加了速度非线性化环节，以便控制节距角加速趋近于0。2.变桨距控制变桨距控制系统变桨距控制系统3.变桨距控制b、功功率率控控制制器器A A并网后执行变桨到最大攻角，低于额定功率（额定风速）时控制器输出饱和，攻角最大；高于额定风速后进入恒功率控制；引入风速前馈通道，超过额定风速后，当风速变化时起到快速补偿作用。c、功功率率控控制制器器B B低于额定风速调节转差率“实现”最佳叶尖速比调节，即风速增加转差率增大；高于额定风速时配合功率控制器A维持功率恒定。原理是风速出现波动时，由于变桨调节的滞后使驱动功率发生
8、波动，调节转差率（转子电流）使机组转速变化而维持功率恒定，利用风轮储存和释放能量维持输入与输出功率的平衡。研究的主要内容研究的主要内容1.风力机组的特点及运行过程风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构控制系统的执行机构4.变桨距风力发电机组的模型变桨距风力发电机组的模型 5.对风力发电技术的展望对风力发电技术的展望控制系统的执行机构控制系统的执行机构v本系统采用的是电动变桨距机构，电动变桨距机构可采用伺服电机对每个桨叶进行单独调节。伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相啮合，直接对桨叶的节距角进行控制。位移传感器采集桨叶节距角的变化从而构成闭环控制。
9、在系统出现故障或控制电源断电时，电机由蓄电池等储能装置供电将桨叶调为顺桨位置。控制系统的执行机构控制系统的执行机构v电动变桨距机构的整体结构图研究的主要内容研究的主要内容1.风力机组的特点及运行过程风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构控制系统的执行机构4.变桨距风力发电机组的模型变桨距风力发电机组的模型 5.对风力发电技术的展望对风力发电技术的展望变桨距风力发电机组的模型变桨距风力发电机组的模型v建模仿真是研究节距角的变化对风力机输出功率的影响。v1.风轮的模型v其中:J为风轮转动惯量，单位为kgm2；v 为风轮转动角速度，单位为rad/s；v T
10、为风轮所吸收的气动转矩，单位为N.m；v Te为发电机的反力矩，单位为N.m；变桨距风力发电机组的模型变桨距风力发电机组的模型v风轮获取风能的公式为v转矩公式为v其中CT为转矩系数v2.桨距角的模型v其中：T时间常数，单位为秒；v 参考节距角，单位为度；变桨距风力发电机组的模型变桨距风力发电机组的模型v3.系统线性化v风力机系统具有很强的非线性，通常在用模糊PID控制器时，需要建立精确的数学模型，因此在建模过程中对系统进行线性化。v叶尖速比即为桨叶尖部的线速度与风速之比，由下式表示:v其中：n风轮的转速r/s；v 风轮转动角速度，rad/s;v R风轮直径，m。v对上式进行求导 ，对转矩公式进
11、行线性化得 v v简化上式得 研究的主要内容研究的主要内容1.风力机组的特点及运行过程风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构控制系统的执行机构4.变桨距风力发电机组的模型变桨距风力发电机组的模型 5.对风力发电技术的展望对风力发电技术的展望技术展望技术展望v风能作为清洁的可再生的绿色能源，已经受到世界各国的普遍重视，风力发电技术也开始成为越来越多国家的研究重点。v风力机变桨距控制技术及变桨距风力机结构研究取得了很大进步，目前研究人员主要致力于解决通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡等问题。Vestas公司推出OpiTip(最佳桨距角)风力发电机组，不但优化了输出功率而且有效的降低的噪音。2006年BeckHoff公司TwinCAT自动化软件PLC引领风电技术新方向。随着电机伺服系统、储能元件、可编程控制器和系统控翩技术的不断进步风电变桨系统在性能上向着更加安全可靠的方向发展。采用“交流伺服系统+超级电容”的结构有望成为电动变桨距系统的主流技术。