变速变桨距控制简介

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。失速叶片变桨距由于阻力的增加而导致较大的载荷。另外，一旦叶片失速，升力不再稳定，疲劳载荷会增大。失速控制的另一个问题是升力曲线的斜率在失速区域开始阶段是负的。例如，升力系数随着叶片攻角的增大而减小，这就会引起负空气动力阻尼振荡，进而导致叶片弯曲模态的不稳定。对于定桨距失速控制的风力发电机组也存在同样的问题。(www.xing528.com)

为了把某一个转速作为转矩和变桨距控制的速度设定点，有必要对它进行解耦，主要方法是设置切换逻辑，即保证在同一时间只有一个控制器处于激活状态，因此在额定值以下控制上网功率，即转矩是激活的，而变桨距给定值是固定在限定值上，这样可以通过简单的逻辑来完成，尽管有时会出现控制器工作在共同值模式下。例如风速稍低于额定风速，但风速变化很快时，在控制减速之前转矩很可能超过额定值，转速也超过额定值，这是正常的。此时更合适的方法是同时运行两个控制器，为了使它们耦合到一起，当远超过额定风速以上或以下时使其中一个或另一个控制器饱和。因此，在大多数时间里只有一个控制器处于激活状态，但是在接近额定点时，它们都起作用。

3.PID变桨距控制

一种有效的算法是在PID控制器中，除了引入转速误差，还要引入转矩误差。在额定转速以上，如果转矩给定值已经饱和在额定值上，则转矩误差为零，如果在额定值以下，转矩误差为负值，积分项会使桨距角给定值偏离最优值，防止控制器在低风速下动作，而比例项在风速增加很快时，有助于转矩达到额定值前启动变桨。例如，接近额定功率、额定风速时，先变桨3°左右。

对于永磁发电机和风轮来说，载荷反力矩、轴力矩应该是相对平衡的，尽可能使脉动性小一些。当风力发电机组运行在额定风速以上时，必须防止上网功率降低，使转矩降低。在程序中要有防止上网功率降低的措施，这也能使功率在额定风速附近平稳输出，用风轮的惯性能量来避免瞬时功率降低。

变速变桨距控制器适用于变速运行的直驱式永磁风力发电机，这类机组通过变频器将发电机转速从电网的固定频率分开，并用变桨距控制器来限制超过额定风速时的功率输出和转速升高。