变桨距风力机组

1、1 机组的特点机组的特点2 基本运行过程基本运行过程3 液压系统液压系统变桨距风力发电机变桨距风力发电机组组4 变桨距控制系统变桨距控制系统5 功率控制功率控制4.1 变桨距风力机组的特点变桨距风力机组的特点一、机组特点一、机组特点i 风向风向uwu uwivF FF Fa aF Fu uu uwivF FF Fa aF Fu uu uwivF FF Fa aF Fu uu uwivF FF Fa aF Fu u高于额定风速高于额定风速调整节距调整节距保持功率恒定保持功率恒定控制转速控制转速起动时控制驱动转矩起动时控制驱动转矩改善机组的受力，优化功率输出（与发电机转差率改善机组的受力，优化功率

2、输出（与发电机转差率调节配合）调节配合）特特点点比定桨距风力机额定风速低、效率高；且不存在高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于额定风速的功率下降问题功率反馈控制使额定功率不受海拔、湿度、温度等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空气密度变化影响启动时控制气动转矩易于并网；停机气动转矩回零启动时控制气动转矩易于并网；停机气动转矩回零避免突甩负荷避免突甩负荷改变攻角改变攻角4.1 变桨距风力机组的特点变桨距风力机组的特点 起动状态起动状态转速反馈控制，速度控制器按一定的速度上升转速反馈控制，速度控制器按一定的速度上升斜率给定速度参考值，变

3、桨系统根据该参考值调节桨距角斜率给定速度参考值，变桨系统根据该参考值调节桨距角欠功率状态欠功率状态发电机在额定功率以下的低功率状态运行发电机在额定功率以下的低功率状态运行 （变速机组可通过追求最佳叶尖速比提高风机效率）（变速机组可通过追求最佳叶尖速比提高风机效率）额定功率状态额定功率状态功率控制，为了解决变桨对风速响应慢问功率控制，为了解决变桨对风速响应慢问题，可通过调节电机转差率调速，用风轮蓄能特性吸收风波题，可通过调节电机转差率调速，用风轮蓄能特性吸收风波动造成的功率波动，维持功率恒定动造成的功率波动，维持功率恒定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

4、机发电机传动传动系统系统转速转速桨距角桨距角风速风速转速给定转速给定功功率率控控制制器器变变桨桨执执行行器器变变距距机机构构风风轮轮系系统统发发电电机机传传动动系系统统桨桨距距角角发发电电功功率率风风速速功功率率给给定定二、运行状态二、运行状态功率输出完全取决功率输出完全取决于叶片的气动性能于叶片的气动性能 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。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因此，为了优化功率曲线，最新设计的变桨距风力发

5、电机组在进行功率控制的过程中，其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功率反馈信号不再作为直接控制叶片节距的变量距的变量。 速速度度控控制制器器A功功率率控控制制器器节节距距控控制制器器变变距距机机构构风风轮轮系系统统发发电电机机增增速速器器电电流流给给定定发发电电机机转转速速电电网网转转速速给给定定功功率率给给定定A速速度度控控制制器器B风风速速B速速度度给给定定节节距距AB4.2 变桨距控制系统变桨距控制系统一、变桨距系统一、变桨距系统全叶片变距全叶片变距 变桨距变桨距系统系统叶尖局部变距叶尖局部变距 离心式离心式变距变距 叶尖变距通常只变叶尖部分叶尖变距通常只变叶尖部

6、分(约约0.25R0.30R)的节的节距角，其余部分翼展是定桨距的距角，其余部分翼展是定桨距的 伺服机构驱动式变距伺服机构驱动式变距 离心式就是利用叶片本身或附加重锤离心式就是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的质量在旋转时产生的离心力作为动力，使叶片偏转变距力，使叶片偏转变距 大型风电机组的变距，通常要借助电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动或液压的伺服系统使叶片旋转变距 4.2 变桨距控制系统变桨距控制系统一、变桨距系统一、变桨距系统 变桨距控制的优点是机组起动性能好，输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

7、增加了变出功率稳定，停机安全等；其缺点是增加了变桨距装置控制复杂。桨距装置控制复杂。 齿齿轮轮箱箱变变换换器器风风轮轮大大发发电电机机小小发发电电机机电电网网风风能能功功率率传传感感器器+ +变变桨桨控控制制器器控控制制器器功功率率控控制制器器U UI IP *P Prefv+ +r re ef f* *- -4.2 变桨距控制系统变桨距控制系统一、变桨距系统一、变桨距系统风风向向发发电电状状态态节节距距角角0停停止止状状态态节节距距角角90v在额定风速以下时，叶片攻角处于在额定风速以下时，叶片攻角处于0附附近，此时叶片角度受控制环节精度的影响，近，此时叶片角度受控制环节精度的影响，变化范围很

8、小，可等同于定桨距风机。变化范围很小，可等同于定桨距风机。 4.2 变桨距控制系统变桨距控制系统一、变桨距系统一、变桨距系统风向风向发电状态发电状态节距角节距角0停止状态停止状态节距角节距角90v在额定风速以下时，叶片攻角处于在额定风速以下时，叶片攻角处于0附附近，此时叶片角度受控制环节精度的影响，近，此时叶片角度受控制环节精度的影响，变化范围很小，可等同于定桨距风机。变化范围很小，可等同于定桨距风机。 v在额定风速以上时，变桨距机构发挥在额定风速以上时，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片攻角，保证发电机的输出

9、功率在允许范围内。范围内。 v风机正常工作时，主要采用功率控制。风机正常工作时，主要采用功率控制。 4.2 变桨距控制系统变桨距控制系统一、变桨距系统一、变桨距系统变桨距调节方法可以分为三个阶段变桨距调节方法可以分为三个阶段 开机阶段开机阶段 保持阶段保持阶段 调节阶段调节阶段 当风电机达到运行条件时，计算机命令调节节距角。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第一步将节距角调到45 ，当转速达到一定时，再，当转速达到一定时，再调节到调节到0，直到风电机达到额定转速并网发电，直到风电机达到额定转速并网发电 当输出功率小于额定功率时，节距角保持在当输出功率小于额定功率时

10、，节距角保持在0位位置不变置不变 当发电机输出功率达到额定后，调节系统即投入运行，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额定风速时，使发电机的输出功率基本保持不变 速速度度控控制制器器A功功率率控控制制器器节节距距控控制制器器变变距距机机构构风风轮轮系系统统发发电电机机增增速速器器电电流流给给定定发发电电机机转转速速电电网网转转速速给给定定功功率率给给定定A速速度度控控制制器器B风风速速B速速度度给给定定节节距距AB4.2 变桨距控制系统变桨距控制

11、系统二、变桨距执行系统二、变桨距执行系统v在发电机并入电网时前，发电机转速由速度控制器在发电机并入电网时前，发电机转速由速度控制器A根据根据发电机转速反馈信号与给定信号直接控制发电机转速反馈信号与给定信号直接控制 v发电机并入电网后，速度控制发电机并入电网后，速度控制B与功率控制器起作用与功率控制器起作用 主要是根据发电机转速主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线，给出相应的功率曲线，调整发电机转差率，并调整发电机转差率，并确定速度控制器确定速度控制器B的速的速度给定度给定 4.2 变桨距控制系统变桨距控制系统二、变桨距执行系统二、变桨距执行系统D/A转转换换器器A/D转转换换器器位位移移传传

12、感感器器变变桨桨距距机机构构液液压压系系统统活活塞塞位位移移桨桨距距角角变变桨桨给给定定校校正正环环节节+ +- -v变桨距执行系统是一个变桨距执行系统是一个随动系统随动系统，即桨距角位置跟随变桨指，即桨距角位置跟随变桨指令变化。令变化。v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。死区用来补偿液压及变距机构的不灵敏区，变桨限制防止能。死区用来补偿液压及变距机构的不灵敏区，变桨限制防止超调。超调。v液压系统由液压比例伺服阀、液压回路、液压缸活塞等组成。液压系统由液压比例伺服阀、液压回路、液压缸活塞等组成。v位置传感器给出实际变桨角

13、度。位置传感器给出实际变桨角度。4.2 变桨距控制系统变桨距控制系统三、变桨距控制三、变桨距控制(并网前并网前)转转速速控控制制器器变变桨桨执执行行器器变变距距机机构构风风轮轮系系统统发发电电机机传传动动系系统统桨桨距距角角风风速速转转速速给给定定A转转速速 转速控制器转速控制器A控制从起动到并网的转速控制，达到同步转速控制从起动到并网的转速控制，达到同步转速10r/min内内1s并网。进入起动状态，桨距角快速转到并网。进入起动状态，桨距角快速转到45，转速，转速从从0增加到增加到500r/min时，桨距角时，桨距角减小到减小到5，达到快速启动目的；非，达到快速启动目的；非线性环节使增益随节距

14、角增加而减小，补偿转矩变化。线性环节使增益随节距角增加而减小，补偿转矩变化。 速度控制器速度控制器A在风力发电机组进入待机状态或从待在风力发电机组进入待机状态或从待机状态重新起动时投入工作，在此过程中通过对节距角机状态重新起动时投入工作，在此过程中通过对节距角的控制，转速以一定的变化率上升。速度控制器的控制，转速以一定的变化率上升。速度控制器A实际实际为转速控制器为转速控制器。 速速度度变变化化率率额额定定转转速速PID转转速速传传感感器器+-+转转速速节节距距指指令令转转矩矩补补偿偿455节节距距非非线线性性化化 由于控制器包含着常规的由于控制器包含着常规的PID控制器和节距角的非线性化环节

15、，控制器和节距角的非线性化环节，因此因此当当功率不变功率不变时，转矩对节距角的比是随节距角的增加而增加的时，转矩对节距角的比是随节距角的增加而增加的。 风力发电机组从待风力发电机组从待机状态进入运行状机状态进入运行状态时能够态时能够快速起动快速起动 4.2 变桨距控制系统变桨距控制系统三、变桨距控制三、变桨距控制(并网后并网后) 速度控制器速度控制器B B受发电机转速和风速的双重控制。在达到额定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加。值前，速度给定值随功率给定值按比例增加。 滤滤波波器器速速度度入入风风速速PID控控制制器器节节距距给给定定额额定定速速度

16、度速速度度非非线线性性变变化化+ +- -速速度度出出节节距距及及速速度度PID控控制制器器节节距距非非线线性性变变化化节节距距给给定定风风速速叶叶尖尖速速比比优优化化节节距距转转速速传传感感器器转转速速 节距控制将根据风速调整到最佳状态，以优化叶尖速比。节距控制将根据风速调整到最佳状态，以优化叶尖速比。 与与速度控制器速度控制器A A的结构相比，的结构相比，速度控制器速度控制器B B增加了速度非线性增加了速度非线性化环节，以便控制节距角加速趋近于化环节，以便控制节距角加速趋近于0 0。 4.2 变桨距控制系统变桨距控制系统三、变桨距控制三、变桨距控制(并网后的功率控制并网后的功率控制)功功率

17、率控控制制器器A桨桨距距角角同同步步转转速速SP滤滤波波器器+-+-+-功功率率控控制制器器B B变变桨桨执执行行器器变变距距机机构构风风轮轮系系统统发发电电机机传传动动系系统统转转速速发发电电功功率率风风速速额额定定功功率率功功率率给给定定转转子子电电流流执执行行器器风风速速信信号号+-+-v功率控制器功率控制器A并网后执行变桨到最大攻角，低于额定功率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（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，后进入恒功率控制；引入风速前馈通道，超过额定风速后

18、，当风速变化时起到快速补偿作用。当风速变化时起到快速补偿作用。v功率控制器功率控制器B低于额定风速调节转差率低于额定风速调节转差率“实现实现”最佳叶尖速最佳叶尖速比调节，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波动，调节转差率（转子电流）使机组的滞后使驱动功率发生波动，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

19、率的平衡。与输出功率的平衡。 变桨距风力发电机组的液压系统与定桨距风力发电机组的液压变桨距风力发电机组的液压系统与定桨距风力发电机组的液压系统很相似，也由两个压力保持回路组成。一路由蓄能器通过电液系统很相似，也由两个压力保持回路组成。一路由蓄能器通过电液比例阀供给叶片变距油缸，另一路由蓄能器供给高速轴上的机械刹比例阀供给叶片变距油缸，另一路由蓄能器供给高速轴上的机械刹车机构。车机构。 4.3 变桨距风力发电机组液压系统变桨距风力发电机组液压系统Vestas-V39型型风力发电机风力发电机组液压系统组液压系统 一、液压系统结构图一、液压系统结构图 蓄能器蓄能器 单向阀单向阀 溢流阀溢流阀 可调节

20、流阀可调节流阀 节流阀节流阀 电磁阀电磁阀 电磁阀电磁阀 压力测试口压力测试口 4.3 变桨距风力发电机组液压系统变桨距风力发电机组液压系统V39型风力发电机组液型风力发电机组液压系统压系统 液压泵站液压泵站 一、液压系统结构图一、液压系统结构图 液压泵站的液压泵站的动力源是齿动力源是齿轮泵，为变轮泵，为变距回路和制距回路和制动器回路所动器回路所共有。共有。 压力传感器控制油泵启停，设定范围：压力传感器控制油泵启停，设定范围：130bar145bar。高压滤清器装有旁通阀和污染指示器，单向阀防止高压油回流。高压滤清器装有旁通阀和污染指示器，单向阀防止高压油回流。溢流阀防止油压过高，设定值溢流阀

21、防止油压过高，设定值145bar。系统维修时，可调节流阀阀用来释放来自蓄能器的压力油。系统维修时，可调节流阀阀用来释放来自蓄能器的压力油。油位开关用来防止油溢出或泵在无油情况下运转。油位开关用来防止油溢出或泵在无油情况下运转。油箱内设有油箱内设有PT100温度检测与报警。温度检测与报警。 控制器根据功率或转速信号给出一个控制器根据功率或转速信号给出一个(-10+10) (-10+10) V V的控制电压，的控制电压，通过比例阀控制器转换成一定范围的电流信号，控制比例阀输出流通过比例阀控制器转换成一定范围的电流信号，控制比例阀输出流量的方向和大小。量的方向和大小。 变桨距风力发电机组的变桨距控制

22、系统的节距控制是通过变桨距风力发电机组的变桨距控制系统的节距控制是通过比例比例阀阀来实现的。来实现的。 4.3 变桨距风力发电机组液压系统变桨距风力发电机组液压系统一、液压系统结构图一、液压系统结构图 D DS SC C控控制制模模块块比比例例阀阀控控制制器器比比例例阀阀-10V+10V控控制制电电流流位位移移反反馈馈信信号号带带电电子子装装置置的的比比例例阀阀-10/s+10/sA压压力力油油B压压力力油油-5+88位位移移传传感感器器内部有内部有LVDT-阀心阀心位置反馈传感器位置反馈传感器4.3 变桨距风力发电机组液压系统变桨距风力发电机组液压系统一、液压系统结构图一、液压系统结构图 V

23、39型风力发电机组液型风力发电机组液压系统压系统 叶片变叶片变距系统距系统 1. 液压系液压系统在运转统在运转/暂停时的暂停时的工作情况工作情况 4.3 变桨距风力发电机组液压系统变桨距风力发电机组液压系统一、液压系统结构图一、液压系统结构图 V39型风力发电机组液型风力发电机组液压系统压系统 叶片变叶片变距系统距系统 1. 液压系液压系统在运转统在运转/暂停时的暂停时的工作情况工作情况 4.3 变桨距风力发电机组液压系统变桨距风力发电机组液压系统一、液压系统结构图一、液压系统结构图 V39型风力发电机组液型风力发电机组液压系统压系统 叶片变叶片变距系统距系统 1. 液压系液压系统在运转统在运转/暂停时的暂停时的工作情况工作情况 2.液压系统液压系统在停机在停机/紧急紧急停机时的工停机时的工