风力发 电机功率调节技术综述
阎继 生 封文 岗 牛伟 （ 铝业山 公司 北方 中国 西分 工业大 学）
摘 要：本文介绍 了风力发 电机的两类功率调节方式 ，并进行 了分析 比 距的风力发电机的优越性显得更加突出和必要 ， 从今后的发展趋势来
较。
看， 在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。
功率调节 变桨距控制
关键词 ： 风力发 电机
２ 变桨 距 控 制 原 理及 其控 制 过 程
Ｏ 引 言
随着全球经济的发展和人 口的增长 ，人类正面临着能源利用和 环境保护两 方面的压 力。一方面， 煤炭 、 石油和天然气等石化燃料 的 储 量 ， 上 世 纪下 半 叶 的大 量开 采 而 日益 减 少 ： 一 方面 ， 大量 使 由于 另 是 用石化燃料对 自然环境产生 了严重 的污染和破坏。这两 方面 的问题 已经引起世界各国政府和人民的高度重视 ，并在积极寻求能源的可 持续发展。风能作为一种蕴藏量丰富的 自然资源因其使用便捷 ， 可再 生、 成本低、 无污染等特点 ， 在世界范围内得到 了较 为广泛的使用和 迅速发展 ，发展潜力 巨大。而 随着 世界经济的快速发展和激烈的竞 争 ，新能源发 电尤其是风力发 电技术越来越受到世界各国的普遍重
视。 １ 风 力发 电机 的功 率 调 节
变桨距控制 （ ｃｉ ｉ ｈ Ｃ ｎｒ１ Ａ ｔ ｅ Ｐｔ ｏ ｔ ） ｖ ｃ ｏ 技术简单来讲 ， 就是通过调 节 桨 叶 的节 距 角 ， 变 气 流 对 桨 叶 的 攻 角 ， 而 控 制 风 轮 捕 获 的 气 改 进
动转矩和气动 功率。从 目前 的国内外风 电控制技术发展来看 ， 变桨
距 控 制 主 要 有 两 种 方 案 ， 即 统 一 变 桨 距 控 制 （ ｏｌｃｉ Ｐ ｃ Ｃ ｌ ｔｅ ｉｈ ｅ ｖ ｔ Ｃ ｎｒ１ 独 立 变 桨 距 控 制 （ ｄ ｉｕ ｌ Ｐｔｈ Ｃ ｎｒｌ ｏｔ ） ｏ和 Ｉ ｉｄ ａ ｎｖ ｉ ｏｔ ｃ ｏｏ
功率调 节是风力发 电机关键技术之一 ，目前投入运行的机组主 要有两类功率调节方式： 一类是定桨距失速控制： 一类是变桨距控 另 制。 １１定 桨距 失速控制 叶片固定安装在风轮上 ， ． 角度不 能改变 ， 风力机的功率调 节完全依 叶片的气动特性 ， 称为定桨距风力发 电机 组。这种机组的输 出功率随风速的变化而变化 ， Ｃ 从 ｐ的关系看 ， 难 以保证在额 定风速之前 Ｃ 最大 ， 。 特别是在低风速段 。 这种机组通常 设计有两个不同功率 ， 同极对数的异步发动机。大功率高转速的 不 发动机工作于 高风速 区，小功率低转速 的发动机工作于低风速 区， 由此 来 调 整 入 ， 求最 佳 Ｃ 。 当
风 速 超 过 额 定 风 速 时 ， 追 ｐ 通过 叶 片 的 失速或偏航控制 降低 Ｃ ， ｐ 从而维持功率恒定 。实际上难 以做 到功率 恒定 ， 常有些下降。 通 １２变桨距控制 为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风 － 力机输出功率平稳， 风力机可进行桨距调 整。叶片不是固定在风轮轮 毅上 ， 在定桨距基础上加装桨距调节环节 ， 使桨叶可绕 自身轴转动 ， 称 为变桨距风力机组。 比较来看 ， 定桨距失速控制风力机机构简单 ， 部件 少， 造价低 ， 并具有较高的安全系数 ， 利于市场竞争。但失速型叶片本 身 结构 复 杂 ， 型工 艺 难 度 也较 大 ， 着 功 率增 加 ， 片加 长 ， 承 受 成 随 叶 所 的气动推 力增大 ， 叶片的失速动态特性 不易控制， 使制造 更大机组受 到 限制 。 变桨 距型 风 力机 在 各种 工 况下 《 动 、 常运 转 、 起 正 停 可按 最 佳参数运行 ， 使输 出功率曲线得到优化 ， 可使桨叶和整机 的受力状况
２１统一变桨距 控制 统一变桨距是指风力机所有 叶片的节距 ． 角 １ 同 时 改 变相 同 的角 度 。 统 一 变 桨 距 是 最 先 发 展 起 来 的 变 桨 ３均 距 方法 ， 目前应用也最 为成熟。统一变桨控制根据系统运行状 态分 为速 度 控 制 和功 率 控 制 ， 控 制 框 图 如 图 一所 示 。 其 ２２独 立变桨距控 制 独立变桨距 是指风力机的每支叶片根据 ＿ 自己的控制规律独立地变化节距角 Ｂ。 独立变桨距控制是近几年在 统 一 变 桨距 的基 础 上 发 展 起来 的新 型 变 桨 距控 制理 论 和 方 法 。由于 水 平 轴 大 型 风 力 发 电机 组 存在 风 切 效 应 、 影效 应 等 不可 避 免 的干 塔 扰 因素 ， 使得作用在风轮叶片和塔 架等部件上的载荷 存在 时间上和 空间上的不均匀性。风力发 电机组容量越 大， 风轮直径越大 ， 载荷的 不均 匀性越严重。
３ 变 桨 距 系统 驱 动 方 案
目前 ， 国内外 已投入使用的风力发电机组 的变桨距 系统主要有 两 种驱 动 方案 ， 一是 液 压 驱动 ， 一 是 电机 驱 动 。液 压 驱动 变桨 距 系 另 统 具 有 响 应 快 、 矩 大 、 行平 稳 、 与偏 航 、 动 等 系统 共 用 油 源 扭 运 可 制 便于集成化布置等优点 ， 多用于大型风 力发 电机组 的统一变桨距结 构 ， 主 要缺 点 是油 液 的 泄 漏 问题 。 电机 驱 动 变 桨 距 系统 具 有 结 构 其 简 单 、 泄 漏等 优 点 ， 于 实 现 独 立 变 桨 距控 制 ， 主 要缺 点 是 随着 无 便 其 机组容量的增大 ， 电机惯量也增大 ， 使动 态响应特 性变坏 ， 而且频繁 的调 节 桨 叶 ， 易 使
电机 因过 热 损 坏 。 容
参考文献：
［】 １马洪飞， 徐殿 国． 几种 变速恒频风力发电系统控制 方案的对比分析【】 Ｊ． ２ ０ ，０：— 大为改善， 还可 以使发动机在额定风速以下的工作区段 有较高的发 电 电工技术杂志．０ ０ １ １ ４ 【】 ２叶杭 冶． 风力发电机组 的控制技术． 北京 ： 机械 工业 出版社．０ ２ ２０． 量 ， 在额 定风 速 以上 高 风速 区段 不超 载 ， 而 不需 要 过载 能 力大 的发 动 ｆ】 ３ 张洋， 李强， 张晓 东．风 力发 电机组 控制技 术综 述 ”水利 电力机 械． “ ． 机， 当然它的缺点是需要有一套 比较 复杂的变距调节机构。随着风力 ２０ ０ ７年 ７月第 ２ ９卷第 ７期
发 电机 技 术 的 不断 成 熟 与 发展 ， 力 发 电机 的 自动 化 程 度提 高 ， 桨 风 变
风力发 电机功率调节技术综述
阎继 生 封文 岗 牛伟 （ 铝业山 公司 北方 中国 西分 工业大 学）
摘 要：本文介绍 了风力发 电机的两类功率调节方式 ，并进行 了分析 比 距的风力发电机的优越性显得更加突出和必要 ， 从今后的发展趋势来
较。
看， 在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。
功率调节 变桨距控制
关键词 ： 风力发 电机
２ 变桨 距 控 制 原 理及 其控 制 过 程
Ｏ 引 言
随着全球经济的发展和人 口的增长 ，人类正面临着能源利用和 环境保护两 方面的压 力。一方面， 煤炭 、 石油和天然气等石化燃料 的 储 量 ， 上 世 纪下 半 叶 的大 量开 采 而 日益 减 少 ： 一 方面 ， 大量 使 由于 另 是 用石化燃料对 自然环境产生 了严重 的污染和破坏。这两 方面 的问题 已经引起世界各国政府和人民的高度重视 ，并在积极寻求能源的可 持续发展。风能作为一种蕴藏量丰富的 自然资源因其使用便捷 ， 可再 生、 成本低、 无污染等特点 ， 在世界范围内得到 了较 为广泛的使用和 迅速发展 ，发展潜力 巨大。而 随着 世界经济的快速发展和激烈的竞 争 ，新能源发 电尤其是风力发 电技术越来越受到世界各国的普遍重
视。 １ 风 力发 电机 的功 率 调 节
变桨距控制 （ ｃｉ ｉ ｈ Ｃ ｎｒ１ Ａ ｔ ｅ Ｐｔ ｏ ｔ ） ｖ ｃ ｏ 技术简单来讲 ， 就是通过调 节 桨 叶 的节 距 角 ， 变 气 流 对 桨 叶 的 攻 角 ， 而 控 制 风 轮 捕 获 的 气 改 进
动转矩和气动 功率。从 目前 的国内外风 电控制技术发展来看 ， 变桨
距 控 制 主 要 有 两 种 方 案 ， 即 统 一 变 桨 距 控 制 （ ｏｌｃｉ Ｐ ｃ Ｃ ｌ ｔｅ ｉｈ ｅ ｖ ｔ Ｃ ｎｒ１ 独 立 变 桨 距 控 制 （ ｄ ｉｕ ｌ Ｐｔｈ Ｃ ｎｒｌ ｏｔ ） ｏ和 Ｉ ｉｄ ａ ｎｖ ｉ ｏｔ ｃ ｏｏ
功率调 节是风力发 电机关键技术之一 ，目前投入运行的机组主 要有两类功率调节方式： 一类是定桨距失速控制： 一类是变桨距控 另 制。 １１定 桨距 失速控制 叶片固定安装在风轮上 ， ． 角度不 能改变 ， 风力机的功率调 节完全依 叶片的气动特性 ， 称为定桨距风力发 电机 组。这种机组的输 出功率随风速的变化而变化 ， Ｃ 从 ｐ的关系看 ， 难 以保证在额 定风速之前 Ｃ 最大 ， 。 特别是在低风速段 。 这种机组通常 设计有两个不同功率 ， 同极对数的异步发动机。大功率高转速的 不 发动机工作于 高风速 区，小功率低转速 的发动机工作于低风速 区， 由此 来 调 整 入 ， 求最 佳 Ｃ 。 当
风 速 超 过 额 定 风 速 时 ， 追 ｐ 通过 叶 片 的 失速或偏航控制 降低 Ｃ ， ｐ 从而维持功率恒定 。实际上难 以做 到功率 恒定 ， 常有些下降。 通 １２变桨距控制 为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风 － 力机输出功率平稳， 风力机可进行桨距调 整。叶片不是固定在风轮轮 毅上 ， 在定桨距基础上加装桨距调节环节 ， 使桨叶可绕 自身轴转动 ， 称 为变桨距风力机组。 比较来看 ， 定桨距失速控制风力机机构简单 ， 部件 少， 造价低 ， 并具有较高的安全系数 ， 利于市场竞争。但失速型叶片本 身 结构 复 杂 ， 型工 艺 难 度 也较 大 ， 着 功 率增 加 ， 片加 长 ， 承 受 成 随 叶 所 的气动推 力增大 ， 叶片的失速动态特性 不易控制， 使制造 更大机组受 到 限制 。 变桨 距型 风 力机 在 各种 工 况下 《 动 、 常运 转 、 起 正 停 可按 最 佳参数运行 ， 使输 出功率曲线得到优化 ， 可使桨叶和整机 的受力状况
２１统一变桨距 控制 统一变桨距是指风力机所有 叶片的节距 ． 角 １ 同 时 改 变相 同 的角 度 。 统 一 变 桨 距 是 最 先 发 展 起 来 的 变 桨 ３均 距 方法 ， 目前应用也最 为成熟。统一变桨控制根据系统运行状 态分 为速 度 控 制 和功 率 控 制 ， 控 制 框 图 如 图 一所 示 。 其 ２２独 立变桨距控 制 独立变桨距 是指风力机的每支叶片根据 ＿ 自己的控制规律独立地变化节距角 Ｂ。 独立变桨距控制是近几年在 统 一 变 桨距 的基 础 上 发 展 起来 的新 型 变 桨 距控 制理 论 和 方 法 。由于 水 平 轴 大 型 风 力 发 电机 组 存在 风 切 效 应 、 影效 应 等 不可 避 免 的干 塔 扰 因素 ， 使得作用在风轮叶片和塔 架等部件上的载荷 存在 时间上和 空间上的不均匀性。风力发 电机组容量越 大， 风轮直径越大 ， 载荷的 不均 匀性越严重。
３ 变 桨 距 系统 驱 动 方 案
目前 ， 国内外 已投入使用的风力发电机组 的变桨距 系统主要有 两 种驱 动 方案 ， 一是 液 压 驱动 ， 一 是 电机 驱 动 。液 压 驱动 变桨 距 系 另 统 具 有 响 应 快 、 矩 大 、 行平 稳 、 与偏 航 、 动 等 系统 共 用 油 源 扭 运 可 制 便于集成化布置等优点 ， 多用于大型风 力发 电机组 的统一变桨距结 构 ， 主 要缺 点 是油 液 的 泄 漏 问题 。 电机 驱 动 变 桨 距 系统 具 有 结 构 其 简 单 、 泄 漏等 优 点 ， 于 实 现 独 立 变 桨 距控 制 ， 主 要缺 点 是 随着 无 便 其 机组容量的增大 ， 电机惯量也增大 ， 使动 态响应特 性变坏 ， 而且频繁 的调 节 桨 叶 ， 易 使
电机 因过 热 损 坏 。 容
参考文献：
［】 １马洪飞， 徐殿 国． 几种 变速恒频风力发电系统控制 方案的对比分析【】 Ｊ． ２ ０ ，０：— 大为改善， 还可 以使发动机在额定风速以下的工作区段 有较高的发 电 电工技术杂志．０ ０ １ １ ４ 【】 ２叶杭 冶． 风力发电机组 的控制技术． 北京 ： 机械 工业 出版社．０ ２ ２０． 量 ， 在额 定风 速 以上 高 风速 区段 不超 载 ， 而 不需 要 过载 能 力大 的发 动 ｆ】 ３ 张洋， 李强， 张晓 东．风 力发 电机组 控制技 术综 述 ”水利 电力机 械． “ ． 机， 当然它的缺点是需要有一套 比较 复杂的变距调节机构。随着风力 ２０ ０ ７年 ７月第 ２ ９卷第 ７期
发 电机 技 术 的 不断 成 熟 与 发展 ， 力 发 电机 的 自动 化 程 度提 高 ， 桨 风 变