3.4 变桨距机组的控制系统
3.4.1 机组的特点
变桨距控制是通过叶片和轮毂之间的轴承机构转动叶片来减小迎角，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。变桨调节时叶片迎角可相对气流连续的变化，以便达到风轮功率输出在希望的范围内的目的。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。一般变距范围为90°～100°。从起动角度0°到顺桨，叶片就像飞机的垂直尾翼一样。
除此之外，还有一种方式，即主动失速又称负变距，就像失速一样进行调节。负变距范围一般在-5°左右；在额定功率点以前，叶片的桨距角是固定不变的，与定桨距风轮一样；在额定功率以后（即失速点以后），由于叶片失速导致风轮功率下降，风轮输出功率低于额定功率，为了补偿这部分损失，适当调整叶片的桨距角，来提高风轮的功率输出。
变桨距叶片变距时气流变化过程和叶片角度变化示意图如图3-13 所示。
图3-13 变桨距叶片变距时气流和叶片角度变化示意图
（a）顺桨时叶片静止气流图；（b）当风速逐渐增大时，改变攻角，使叶片具有良好的启动性能；（c）低风速时，保持最佳攻角，实现最大风能追踪；（d）当风速超过额定风速时，减小攻角，控制输出功率在额定值附近
当达到最佳运行状态时，一般已达到额定功率，就不再变桨了。70%～80%的运行时间在零至额定功率之间这段范围内桨距处于非最佳状态，这样会产生很大的能量损失，而且确定最佳迎角由测量风速来决定，而风速测量往往不准确，反而产生副作用。由于阵风时，风轮叶片变桨反应滞后会产生能量损失，以至于最佳迎角在部分负载运行时，无法达到稳定的调节。
功率调节的情况，与叶片变距速度有关。叶片变距速度应很快，以产生很小的风轮回转质量惯性力矩，且调节质量保持不变。
3.4.1.1 变桨距风力发电机组的特点
1.输出功率特性
变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点，如图3-14、图3-15所示。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能。当功率在额定功率以下时，控制器将叶片节距角置于0°附近，不作变化，可认为与定桨距风力发电机组相同，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化；当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片节距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。但是，随着并网型风力发电机组容量的增大，大型风力发电机组的单个叶片已重达数吨，对操纵如此巨大的惯性体，并且响应速度要能跟得上风速的变化相当困难。因此，近年来设计的变桨距风力发电机组，除了对桨叶进行节距控制以外，还通过控制发电机转子电流来控制发电机转差率，使得发电机转速在一定范围内能够快速响应风速的变化，以吸收瞬变的风能，使输出的功率曲线更加平稳。
图3-14 变桨距风力发电机组功率曲线图
图3-15 定桨距风力发电机组功率曲线图
2.在额定点具有较高的风能利用系数
变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，在相同的额定功率点，额定风速比定桨距风力发电机组要低。对于定桨距风力发电机组，一般在低风速段的风能利用系数较高。当风速接近额定点，风能利用系数开始大幅下降。因为这时随着风速的升高，功率上升已趋缓，而过了额定点后，桨叶已开始失速，风速升高，功率反而有所下降。对于变桨距风力发电机组，由于桨叶节距可以控制，无需担心风速超过额定点后的功率控制问题，可以使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。
3.确保高风速段的额定功率
由于变桨距风力发电机组的桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的，它不受气流密度变化的影响。无论是对于温度变化还是海拔引起的空气密度变化，变桨距系统都能通过调整叶片角度，使之获得额定功率输出。这对于功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风力发电机组来说，具有明显的优越性。
4.起动性能与制动性能
变桨距风力发电机组在低风速时，桨叶节距可以转动到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩，从而使变桨距风力发电机组比定桨距风力发电机组更容易起动。在变桨距风力发电机组上，一般不再设计电动机起动的程序。
当风力发电机组需要脱离电网时，变桨距系统可以先转动叶片使之减小功率，在发电机与电网断开之前，功率减小至0，这意味着当发电机与电网脱开时，没有转矩作用于风力发电机组，避免了在定桨距风力发电机组上每次脱网时所要经历的突甩负载的过程。
3.4.1.2 变桨距风力发电机组的运行状态
变桨距风力发电机组根据变距系统所起的作用可分为三种运行状态，即风力发电机组的起动状态（转速控制）、欠功率状态（不控制）和额定功率状态（功率控制）。
1.起动状态
变距风轮的桨叶在静止时，节距角为90°，如图3-16所示，这时气流对桨叶不产生转矩，整个桨叶实际上是一块阻尼板。当风速达到起动风速时，桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始起动，在发电机并入电网以前，变桨距系统的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按一定的速度升高斜率，给出速度参考值，变桨距系统根据给定的速度参考值，调整节距角，进行所谓的速度控制，为了确保并网平稳，对电网产生尽可能小的冲击，变桨距系统可以在一定时间内，保持发电机的转速在同步转速附近，寻找最佳时机并网。虽然在主电路中也采用了软并网技术，但由于并网过程的时间短（仅持续几个周波），冲击小，可以选用容量较小的晶闸管。
图3-16 不同节距角时的桨叶截面图
为了使控制过程比较简单，早期的变桨距风力发电机组在转速达到发电机同步转速前对桨叶节距并不加以控制。在这种情况下，桨叶节距只是按所设定的变距速度将节距角向0°方向打开。直到发电机转速上升到同步速附近，变桨距系统才开始投入工作。转速控制的给定值是恒定的，即同步转速，转速反馈信号与给定值进行比较，当转速超过同步转速时，桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。当转速在同步转速附近保持一定时间后发电机即并入电网。
2.欠功率状态
欠功率状态是指发电机并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率以下的低功率状态运行。与转速控制相同的道理，在早期的变桨距风力发电机组中，对欠功率状态不加控制。这时的变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相同，其功率输出完全取决于桨叶的气动性能。
近年来，以Vestas为代表的新型变桨距风力发电机组，为了改善低风速时桨叶的气动性能，采用了所谓Optitip 技术（即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出）。当然，能够作为控制信号的只是风速变化稳定的低频分量，对于高频分量并不响应。这种优化只是弥补了变桨距风力发电机组在低风速时的不足之处，与定桨距风力发电机组相比，并没有明显的优势。
3.额定功率状态
当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率状态。在传统的变桨距控制方式中，这时将转速控制切换到功率控制，变桨距系统开始根据发电机的功率信号进行控制。控制信号的给定值是恒定的，即额定功率。功率反馈信号与给定值进行比较，当功率超过额定功率时，桨叶节距角就向迎风面积减小的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。其控制系统框图如图3-17所示。
图3-17 传统的变桨距风力发电机组控制框图
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桨叶节距的变量。变桨距系统由风速低频分量和发电机转速控制，风速的高频分量产生的机械能波动，通过迅速改变发电机的转速来进行平衡，即通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制，当风速高于额定风速时，允许发电机转速升高，将瞬变的风能以风轮动能的形式储存起来；转速降低时，再将动能释放出来，使功率曲线达到理想的状态。
3.4.1.3 变桨距控制型风轮的特点
（1）优点：①起动性好；②刹车机构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降；③额定点以前的功率输出饱满；④额定点以后的输出功率平滑；⑤风轮叶根承受的静、动载荷小。
（2）缺点：①由于有叶片变距机构且轮毂较复杂，可靠性设计要求高，维护费用高；②功率调节系统复杂，费用高。
3.4.2 基本控制策略
3.4.2.1 变桨距控制系统
新型变桨距控制系统框图如图3-18所示。
在发电机并入电网前，发电机转速由速度控制器A根据发电机转速反馈信号与给定信号直接控制；发电机并入电网后，速度控制器B与功率控制器起作用。功率控制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线，调整发电机转差率，并确定速度控制器B的速度给定。
图3-18 新型变桨距控制系统框图
节距角的给定参考值由控制器根据风力发电机组的运行状态给出。图3-18中，当风力发电机组并入电网前，由速度控制器A 给出；当风力发电机组并入电网后由速度控制器B给出。
1.变距控制
变距控制系统实际上是一个随动系统，其控制过程如图3-19 所示。
图3-19 变桨距控制系统框图
变桨距控制器是一个非线性比例控制器，它可以补偿比例阀的死带和极限。变距系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号经D/A 转换后变成电压信号控制比例阀（或电液伺服阀），驱动液压缸活塞，推动变桨距机构，使桨叶节距角变化。活塞的位移反馈信号由位移传感器测量，经转换后输入比较器。
2.速度控制A（发电机脱网）
转速控制系统A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，如图3-20所示，在这些过程中通过对节距角的控制，转速以一定的变化率上升，控制器也用于在同步转速（50Hz时1500r/min）时的控制。当发电机转速在同步转速±10r/min内持续1s发电机将切入电网。
控制器包含着常规的比例微分（PD）和比例积分（PI）控制器，接着是节距角的非线性化环节，通过非线性化处理，增益随节距角的增加而减小，以此补偿由于转子空气动力学产生的非线性，因为当功率不变时，转矩对节距角的比是随节距角的增加而增加的。
图3-20 速度控制系统A框图
当风力发电机组从待机状态进入运行状态时，变桨距系统先将桨叶节距角快速地转到45°，风轮在空转状态进入同步转速。当转速从0增加到500r/min时，节距角给定值从45°线性地减小到5°。这一过程不仅使转子具有高起动力矩，而且在风速快速地增大时能够快速起动。
发电机转速通过主轴上的感应传感器测量，每个周期信号被送到微处理器作进一步处理，以产生新的控制信号。
3.速度控制B（发电机并网）
发电机切入电网以后，速度控制系统B 作用。如图3-21 所示，速度控制系统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加。额定的速度给定值是1560r/min，相应的发电机转差率是4%。如果风速和功率输出一直低于额定值，发电机转差率将降低到2%，节距控制将根据风速调整到最佳状态，以优化叶尖速比。
图3-21 速度控制系统B框图
如果风速高于额定值，发电机转速通过改变节距来跟踪相应的速度给定值。功率输出将稳定地保持在额定值上。从图3-21 中可以看到，在风速信号输入端设有低通滤波器，节距控制对瞬变风速并不响应，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。这一特性增加了小转差率时的增益，以便控制节距角加速于0°。
3.4.2.2 功率控制
为了有效地控制高速变化的风速引起的功率波动。新型的变桨距风力发电机组采用了RCC（Rootor Current Contro1）技术，即发电机转子电流控制技术。通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机转差率，从而改变风轮转速，吸收由于瞬变风速引起的功率波动。
1.功率控制系统
功率控制系统如图3-22所示，它由两个控制环组成。外环通过测量转速产生功率给定曲线。发电机的功率给定曲线如图3-23所示，参考功率以额定功率的百分比的形式给出，在点划线限制的范围内，功率给定曲线是可变的。内环是一个功率伺服环，它通过转子电流控制器（RCC）对发电机转差率进行控制，使发电机功率跟踪功率给定值。如果功率低于额定功率值，这一控制环将通过改变转差率，进而改变桨叶节距角，使风轮获得最大功率。如果功率给定值恒定，电流给定值也恒定。
图3-22 功率控制系统图
图3-23 功率给定曲线图
2.转子电流控制器原理
转子电流控制系统如图3-24 所示，转子电流控制器由快速数字式PI控制器和一个等效变阻器构成。它根据给定的电流值，通过改变转子电路的电阻来改变发电机的转差率。在额定功率时，发电机的转差率能够从1%到10%（1515～1650r/min）变化，相应的转子平均电阻从0 到100%变化。当功率变化即转子电流变化时，PI调节器迅速调整转子电阻，使转子电流跟踪给定值，如果从主控制器传出的电流给定值是恒定的，它将保持转子电流恒定，从而使功率输出保持不变。与此同时，发电机转差率做相应的调整以平衡输入功率的变化。
图3-24 转子电流控制系统框图
分析转子电流控制器的工作原理，可以从电磁转矩的关系式来说明转子电阻与发电机转差率的关系，即
式中 p——电机极对数；
m1——电机定子相数；
ω1——定子角频率，即电网角频率；
U1——定子额定相电压；
s——转差率；
R1——定子绕组的电阻；
X1——定子绕组的漏抗；
R′2——折算到定子侧的转子每相电阻；
X′2——折算到定子侧的转子每相漏抗；
Te——发电机的电磁转矩。
由式（3-1）可知，只要R′2/s不变，电磁转矩Te就可保持不变，从而发电机功率就可保持不变。因此，当风速变大，风轮及发电机的转速上升，即发电机转差率s增大，这时改变发电机的转子电阻R′2，使R′2/s保持不变，就能保持发电机输出功率不变。如图3-25所示，当发电机的转子电阻改变时，其特性曲线1变为特性曲线2，运行点也由a点变到b点。而电磁转矩Te保持不变，发电机转差率则从s1上升到s2。
图3-25 发电机运行特性曲线变化图
3.转子电流控制器的结构
转子电流控制技术必须使用在绕线转子异步发电机上，用于控制发电机的转子电流。使异步发电机成为可变转差率发电机。采用转子电流控制器的异步发电机结构如图3-26所示。
图3-26 可变转差率发电机结构示意图
转子电流控制器安装在发电机的轴上，与转子上的三相绕组连接，构成电气回路。将普通三相异步发电机的转子引出，外接转子电阻，使发电机的转差率增大至10%，通过一组电力电子元器件来调整转子回路的电阻，从而调节发电机的转差率。转子电流控制器电气原理如图3-27所示。
RCC 依靠外部控制器给出的电流基准值和两个电流互感器的测量值，计算出转子回路的电阻值，通过IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）的导通和关断来进行调整。IGBT的导通与关断受一宽度可调的脉冲信号（PWM）控制。
图3-27 转子电流控制器电气原理图
IGBT是双极型晶体管和MOSFET（场效应晶体管）的复合体，所需驱动功率小，饱和压降低，在关断时不需要负栅极电压来减少关断时间，开关速度较高；饱和压降低，减少了功率损耗，提高了发电机的效率；采用脉宽调制（PWM）电路，提高了整个电路的功率因数，同时只用一级可控的功率单元，减少了元件数，电路结构简单，由于通过对输出脉冲宽度的控制就可控制IGBT 的开关，系统的响应速度加快。
转子电流控制器可在维持额定转子电流（即发电机额定功率）的情况下，在0至最大值之间调节转子电阻，使发电机的转差率大约在0.6%（转子自身电阻）至10%（IGBT关断，转子电阻为自身电阻与外接电阻之和）之间连续变化。
为了保护RCC单元中的主元件，IGBT设有阻容回路和过压保护，阻容回路用来限制IGBT 每次关断时产生的过电压峰值，过电压保护采用晶闸管，当电网发生短路或短时中断时，晶闸管全导通，使IGBT处于两端短路状态，转子总电阻接近于转子自身的电阻。
4.采用转子电流控制器的功率调节
如图3-18所示，并网后，控制系统切换至状态B，由于发电机内安装了RCC控制器，发电机转差率可在一定范围内调整，发电机转速可变。因此，在状态B 中增加了转速控制环节，当风速低于额定风速，转速控制环节B根据转速给定值（高出同步转速3%～4%）和风速，给出一个节距角，此时发电机输出功率小于最大功率给定值，功率控制环节根据功率反馈值，给出转子电流最大值，转子电流控制环节将发电机转差率调至最小，发电机转速高出同步转速1%，与转速给定值存在一定的差值，反馈回速度控制环节B，速度控制环节B 根据该差值，调整桨叶节距参考值，变桨距机构将桨叶节距角保持在零度附近，优化叶尖速比；当风速高于额定风速，发电机输出功率上升到额定功率，当风轮吸收的风能高于发电机输出功率，发电机转速上升，速度控制环节B的输出值变化，反馈信号与参考值比较后又给出新的节距参考值，使得叶片攻角发生改变，减少风轮能量吸入，将发电机输出功率保持在额定值上；功率控制环节根据功率反馈值和速度反馈值，改变转子电流给定值，转子电流控制器根据该值，调节发电机转差率，使发电机转速发生变化，以保证发电机输出功率的稳定。
如果风速仅为瞬时上升，由于变桨距机构的动作滞后，发电机转速上升后，叶片攻角尚未变化，风速下降，发电机输出功率下降，功率控制单元将使RCC控制单元减小发电机转差率，使得发电机转速下降，在发电机转速上升或下降的过程中，转子的电流保持不变，发电机输出的功率也保持不变，如果风速持续增加，发电机转速持续上升，转速控制器B 将使变桨距机构动作，改变叶片攻角，使得发电机在额定功率状态下运行。风速下降时，原理与风速上升时相同，但动作方向相反。由于转子电流控制器的动作时间在毫秒级以下，变桨距机构的动作时间以秒计，因此在短暂的风速变化时，仅仅依靠转子电流控制器的控制作用就可保持发电机功率的稳定输出，减少对电网的不良影响；同时也可降低变桨距机构的动作频率，延长变桨距机构的使用寿命。
5.转子电流控制器在实际应用中的效果
由于自然界风速处于不断的变化中，较短时间如3～4s内的风速上升或下降总是不断地发生，因此变桨距机构也在不断地动作，在转子电流控制器的作用下，其桨距实际变化情况如图3-28 所示。
图3-28 变桨距风力发电机组在额定风速以上运行时节距角、转速与功率曲线图
（a）风速曲线；（b）节距角曲线；（c）转速曲线；（d）功率曲线
从图上可以看出，RCC控制单元有效地减少了变桨距机构的动作频率及动作幅度，使得发电机的输出功率保持平衡，实现了变桨距风力发电机组在额定风速以上的额定功率输出，有效地减少了风力发电机因风速的变化而造成的对电网的不良影响。