基于PCS的变桨距风力发电机组偏航控制系统设计电气工程与自动化本科生毕业设计.doc

基于PCS的变桨距风力发电机组偏航控制系统设计电气工程与自动化本科生毕业设计（完整版）
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编号：（ ）字 号

本科生毕业设计

基于PCS7的变桨距风力发电机组
偏航控制系统设计

题目：

姓名： 学号：
班级：

二〇一四年六月

xx 矿 业 大 学
本科生毕业设计

姓 名： 学 号：
学 院： 信息与电气工程学院
专 业： 电气工程与自动化
设计题目：基于PCS7变桨距风力发电机组偏航控制系统设计
指导教师： 职 称： 教 授

二〇一四年 六月 徐州

xx矿业大学毕业设计任务书

学院 信电学院 专业年级 电气工程与自动化2021级 姓名

任务下达日期： 2021年12月30日

毕业设计日期： 2021年12月30日至2021年6月10日

毕业设计题目： 基于PCS7变桨距风力发电机组偏航控制系统设计
毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：
1、了解风力发电机组工作的基本原理；
2、掌握WinCC和STEP 7软件；
3、掌握基本过程控制策略；
4、构建偏航控制系统及其控制策略；
5、翻译英文文献一篇。

院长签字： 指导教师签字：
年 月 日

xx矿业大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩： 指导教师签字：
年 月 日

xxx矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩： 评阅教师签字：
年 月 日

xxx矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答 辩 情 况
提 出 问 题
回 答 问 题
正 确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答

答辩委员会评语及建议成绩：

答辩委员会主任签字：
年 月 日
学院领导小组综合评定成绩：

学院领导小组负责人：
年 月 日

摘要
社会的发展离不开能源的供应，在当今这个迅猛发展的时代，能源的需求也越来越大。过去几十年世界的快速发展，已经消耗了大量的自然资源，造成了能源的枯竭。人类目前正在面临着能源危机。为解决人类的能源问题，世界各国开始把眼光投向了新型可再生能源。其中，风能是未来最重要的清洁替代能源之一。它是未来最具开发潜力的新能源。风能是取之不尽，用之不竭的。所以研究风力发电对于解决能源和环境问题上具有至关重要的作用。
风力发电是利用风力资源的一个有效的方法，全世界研究风力发电已经有100多年了，风力发电的技术也越来越成熟。风力发电偏航控制研究是目前关于风力发电比较热门的一个研究方向，它的目的是为了调整风轮的方向，使得风力发电机能够准确的对准风向，提高风力发电的效率，也提高了风能利用率。研究偏航系统控制就是为了实现风力发电机准确偏航控制。
本文介绍了风力发电机的原理和组成结构，重点介绍了偏航系统的组成部分和各部分的功能。为研究偏航控制系统，选用了模糊控制的控制策略。通过MATLAB仿真软件，对风力发电偏航系统进行仿真。并搭建了Wincc组态界面，实现了偏航过程的可视化，用step7编写了偏航控制各部分的PLC程序。

关键字：风力发电；偏航控制；模糊控制；PLC。

ABSTRACT
Social development is inseparable from the supply of energy , in this day and age of rapid development, energy demand is growing. Over the past decades, the rapid development of the world has consumed a large amount of natural resources, resulting in a depletion of energy . Mankind is currently facing an energy crisis . In order to solve the energy problems of mankind , the world began to look into the new and renewable energy sources. Wherein the wind is one of the most important future clean alternative energy sources. It is the future development of the most promising new energy . Wind energy is inexhaustible . So the study of wind power for energy and environmental issues have a crucial role.
Wind power is the use of wind resources in an effective way , the world's wind power research has been 100 years, wind power technology is more mature. Wind yaw control study on wind power generation is one of the more popular research direction , its purpose is to adjust the direction of the wind turbine , making wind turbines can accurately align the wind direction , wind power to improve efficiency, but also improves the wind utilization. Research yaw control system is to achieve accurate wind turbine yaw control .
This paper introduces the principle and structure of wind turbines , focusing on the part of the yaw system and the functions of each part . Yaw control system for the study , the choice of the control strategy of fuzzy control. By MATLAB simulation software, yaw wind power system simulation . Wincc configuration interface and built to achieve a yaw process visualization, prepared with step7 yaw control various parts of the PLC program .

Keywords: wind power;yaw control;fuzzy control;PLC.

目 录
1 绪论 1
1.1论文的背景和意义 1
1.2国际风力发电的现状和趋势 2
1.3国内风力发电的发展 2
1.4当前我国风力发电亟待解决的难点 4
1.5 我国风力发电的前景与展望 4
1.6 本章小结 5
2 风力发电机组系统构成及功能简介 6
2.1 风力发电的原理 6
风力发电机的基本类型 6
现代风机 7
2.1.3 现代风力发电的原理 7
2.2风力发电机的组成结构 8
风力机桨叶系统 8
变桨距系统 9
风力机组传动系统 10
发电机系统 11
2.2.5 偏航系统 12
2.2.6 解锁装置 12
刹车系统 12
塔架 13
2.3 风力发电机组的控制技术 13
风力发电机组控制系统 13
风力发电控制技术的发展趋势 14
2.4本章小结 15
3 风力发电机组偏航控制策略 16
3.1偏航控制系统的基本结构 16
偏航轴承 16
偏航制动器 17
偏航控制驱动装置 17
偏航计数器 17
扭转保护装置 17
3.2偏航控制系统的工作原理 18
自动偏航 19
3.2.2 90度侧风控制 20
人工偏航控制 21
3.2.4 自动解锁 21
3.3偏航控制系统模糊控制策略 21
3.4偏航控制系统模糊控制器的设计 22
模糊控制器的结构 22
3.4.2 输入输出变量的模糊化 22
模糊控制规则表 24
风力发电机组偏航系统模糊控制器的仿真 26
3.4.5 仿真结果与分析 27
3.5 本章小结 28
4 系统研制开发平台 29
软件的介绍 29
4.2 风力发电偏航控制组态仿真平台设计 29
4.2.1 wincc6.0的功能和优点 29
4.2.2 监控系统的设计和功能实现 30
4.3 step7软件的介绍 30
4.4 PLC简介 31
4.5 本章小结 31
5 风力发电机组偏航控制系统设计 32
5.1偏航控制系统总体设计 32
5.2风力发电机组偏航控制系统硬件设计 33
设备选型 33
硬件电路图 33
5.3风力发电机组偏航系统程序 34
风力发电机组自动偏航控制流程图 34
5.3.2 人工偏航流程图 35
5.3.3 自动解缆流程图 35
5.4根据控制流程图设计PLC程序 36
机舱位置计算 36
风向角计算 38
自动偏航程序 38
自动解缆程序 41
偏航系统总程序 44
5.4实验结果与分析 46
6毕业设计总结 47
参考文献： 48
外文论文 49
中文译文 57
致 谢 67

1 绪论
1.1论文的背景和意义
当今社会，能源已经成为人来赖以生存的重要物质基础，但是随着能源的开采和利用，造成了严重的资源枯竭和环境的破坏。化石能源的过度消耗，煤炭、石油、天然气等能源的缺乏，严重制约了当今社会的经济发展。常规能源的日益枯竭，迫切的需要开发新的能源。人类为了保护生态环境，节约资源。正在努力的寻找可再生、环保、洁净的能源，对于缓解能源匮乏有着十分重要的意义。目前来看，风能是最具有大规模开发利用前景的新能源。当今世界的科技发展日新月异，风力发电的技术已经相当的成熟。但是目前来看，现代风力发电技术任然有一些不足之处，还面临着一些技术挑战，包括怎样提高风力发电的可靠性以及如何进一步提高风力发电的效率。另外还需要考虑的就是如何降低成本。
风能是目前最具有开发价值和开发规模的清洁能源，它有着广阔的前景，因此开发风能也受到了全世界的普遍重视。风 力资源是取之不尽，用之不竭的，风力资源相当的丰富，有很好的开发前景。另外，风能还是一种清洁环保能源。风能的一大优点就是它不会像煤电、核电那样会对环境造成污染。随着发电技术的日趋成熟以及发电设备产品的质量可靠，目前风力发电对风能利用率能达到95%以上。风力发电的经济性也日益提高，从发电成本来看，随着风力发电技术的进步，未来风电的成本肯定要低于煤电和核电。另外风力发电场的建设工期比较短，比火电站、水电站、核电站都要短。并且机组安装方便，容易操作。风力发电具有众多的优点，使得风力发电领域快速发展，风电行业已经成为了一个巨大规模的产业，还能带动其他行业的发展，促进了国民经济的发展。所以说在未来能源行业这一块，风力发电的前景非常良好。
绿色和平组织和欧洲风能协会在2002年提出了《风力12》报告， 预计到2021年，世界风力发电总量将会达到世界电力总需求量的12%，届时，风电将仅次于火电和水电的电量占有比例。目前我国各地也在如火如荼的开发风力发电。我国电力发展“十一五”发展纲要中也明确指出了，到“十二五”末期，我国的风力发电总量将达到世界风力发电总量的14%左右。随着能源的紧缺，煤电、水电发电的成本变高。风力发电的经济性、实用性等优势也必将显 现出来。
风力发电机可分为变桨距风力发电机和定桨距风力发电机。目前变桨距风力发电机从市场占有率以及生产运行的效果来看，都要明显优于定桨距发电机。变桨距风力发电机可以通过调节桨叶节距，改变风轮叶片的攻角。改变空气对叶片的转矩，从而保持风力发电机功率输出稳定。本文研究的是变桨距风风力发电机组偏航控制系统，变桨距风力机相比定桨距有很多突出的优势。变桨距控制改变了桨叶叶片节距角，改变迎风面积，这样可以尽可能多的捕获风能，大大提高了风能的利用率，可以获得最大输出功率。关于变桨距风力发电技术是未来风力发电研究的一个趋势。变桨距风力发电机也将会成为未来风力发电市场上的绝对主流。
风力发电为人类社会经济发展提供了能源支撑，风力发电电技术的发展也推动了科学技术的发展。研究风力发电技术不仅能够带来经济效益，还能带来良好的社会效益。更重要的是开发利用这种清洁能源有利于对生态环境的保护。风能转化成电能的过程中，风能推动桨叶转动发电，没有给大气造成任何污染。只降低了气流的速度，风力发电的发展，能够减少常规能源的排放，从而减少了二氧化碳和二氧化硫的排放，对环境保护和生态平衡以及改善能源结构有着重要的意义。因此开发可再生能源，尤其是风能，将变得更为重要。风力发电的前景十分可观。
1.2国际风力发电的现状和趋势
　 自20世纪70年代以来，风能开发和利用在欧美发达国家发展非常迅速，风力发电技术也日趋成熟。风力发电为这些发达国家的经济发展提供了能源供给。在进入21世纪以后，煤电，石油发电消耗了大量的不可再生资源。资源的枯竭，给人类社会的发展提出了严峻的挑战，人类开始探索包括风能在内的新能源。目前，世界风能发电厂以每年30%的增长速度不断发展。不少欧洲发达国家都将风电定为优先发展级别，尤其在英国、丹麦、德国等西欧国家更加重视风能的开发利用。
丹麦靠近北海,是多风之国，风力发电的研究与应用始于丹麦人的大胆探索。19 世界末期，丹麦人成功研制了,世界上第一台风力发电机，并建成了世界上第一个风力发电站，所以可以说丹麦人为人类在寻找新能源上作了一个模范与榜样。进入21世纪，风电大国丹麦的风电规模一直位于世界前几名。
目前，德国是世界风力发电规模最大的国家，其风力发电的装机容量已达3000 Mw。德国的风机制造能力强、水平高，全球10大风机制造商中，德国占有2家。另外，西班牙，印度，意大利，日本等国风力发电的规模也都位于世界前列。德国的风电产业也相当的发达，带动了德国经济的发展。
1999年10月5日，国际能源研究报告指出：到2021年，风能可为世界电力提供10%，增加170万个就业机会，并在全球范围内减少100多亿吨二氧化碳废气的排放。风电技术经过20年的研究日益成熟，，风电的成本从20美分/kWh持续下降到3美分/kWh，商业化机组的单机容量从55kW增加到6000kW，运行可靠性的发电成本接近于常规火电，迅速发展为初具规模的新兴产业。
根据全国风能理事会（GWEC）发布的全球风电市场装机数据，2021年，全球新增风电装机达到237669MW。这一数据表明全球累计装机实现了21%的年增长，新装数据达到6%。到目前为止，全球75个过国家有商业运营的风电装机，其中22个国家的装机容量超过1000MW。预计到2021年底,全球累计安装量达235000 MW,风电占全球总供电量市场的2.3%。
1.3国内风力发电的发展
我国现代风力发电事业起始于上世纪70年代。到1998年底，全国已建成了20个风电场，总装机容量达220 MW。目前，我国有将近30个风电场，总装机容量达到46万kw。目前国内最大的风电场是新疆达坂城二风场，其总装机容量为57.5Mw 。广东省南澳风电场居其次，装机容量为42.8Mw。内蒙古辉腾锡勒风电场，装机容鼍为36.1Mw，国内居第3位。而辽宁省的东岗和横山风电场的装机容量分别为12 MW和5 MW。为解决地处边远、贫困落后、居住分散、难以供电地区的农牧民群众的用电问题，大力推广了户用小型风力发电机。我国风力发电行业在2021年继续保持了较快的发展，据不完全统计，截止到2021年12月末，我国风电累计装机容量为6580.21万千瓦（包括等待并网发电和已经并网发电的），分布在31个省、直辖市、自治区和特别行政区。其中，四川和广州于2021年填补了无风电的空白。累计风电装机超过200万千瓦的省级地区有10个，其中内蒙古风电装机容量以1853.63万千瓦位居第一，河北与甘肃分别位居第二和第三。累计风电装机容量前10位省级地区的合计装机容量达到5671.45万千瓦，占全国累计风电装机容量的86.19%。2021年底xxx累计风电装机容量前十位的省份如下图图1.1所示。

图1.1 2021年底xxx累计风电装机容量前十位的省份
风能作为清洁能源、可再生能源，将会迎来更好会更快的发展。xxx将在“第十二个五年计划”期间重点发展风电产业，政府还将介绍一些xxx促进风电发展的政策，促进健康，风力发电可持续发展。如果国家政府没有出现重大调整，发力发电将继续保持快速发展，根据市场发展预测，风力发电机组装机容量年平均增长将达到180万KW。我国将进入以风能为代表的可再生清洁能源发电的鼎盛时期。
我国的风能资源比较丰富，但是我国的风力资源分布不均。10米高度层的风能资源总储量为32.26亿KW，其中可供开发利用的风能约为2.5亿KW。有沿海（山东、浙江、福建、广东）和东北至西北（内蒙古、新疆、甘肃）两大风带，风的质量好，为开发风电提供了基础环境与条件。我国风能资源比较丰富的地区如表1.1所示。
表1.1我国风能资源比较丰富的省区
省区
风力资源/MW
省区
风力资源/MW
内蒙古
61780
山东
3940
新疆
34330
江西
2930
黑龙江
17230
江苏
2380
甘肃
11430
广东
1950
吉林
6380
浙江
1640
河北
6120
福建
1370
辽宁
6060
海南
640
1.4当前我国风力发电亟待解决的难点
风力资源丰富的地区通常是分布在在沿海地区，在岛上，西北，或偏远地区。这些地方，一般条件比较恶劣，远离城市，给风力发电行业的员工的生活带来了很大的不便所以目前风力发电的发展方向为远程监控和无人值守，但是这样的话对风力发电机的控制技术提出了很高的要求。目前风力机组的可靠性和安全性还达不到要求。风电在xxx仍然面临着许多问题，主要是建设成本高和高关税。此外，xxx的风力发电还处于发展阶段，受国家政策的影响，以及社会和经济的发展，风力发电也很难进入大规模工业发展。一般来说，风电建设综合效益不是很好，加上风力发电具有一次性投资较高，运转初期，还本付息的压力大，所以风电上网也需要政府的支持和鼓励。需要国家出台支持、优惠及奖励政策。一方面地方政府要充分发挥积极主动性，鼓励大力发展风力发电产业，并对风力发电企业给予一定的政策优惠或者适当的财政补贴，同时，还能提供更多的就业机会。另一方面，在科研方面，国家还应加大科技投入和技术创新，扶持民族企业的开拓创新，使产品及时更新换代，使我国的风力装备越来越先进，这样还可以提高风能利用率和提高风力发电总量。以解决我国的电力能源短缺。
1.5 我国风力发电的前景与展望
风力发电经过过去10年的发展，全世界每一年都以大约28.3% 的平均速度在增长，就能够提前5年完成当初设定的2021年的目标；根据市场估计，到2021年，我国有可能实现风电累计装机达到5000万千瓦。到那时，已安装的风电容量的占国家电力将近6%的装机容量，风力发电的发电总量大约占总电量的2.8%。
风力发电在经历了未来10年发展的黄金时期后，风电的地位将会得到很大的提高。风电作为新兴清洁能源，和传统的火力发电以及核电站相比较，具备成本上明显的优势。依照我国当前的风力发电机装机增长速度若届时我国风电每年新增装机才达到目前欧洲的水平，即达到800万千瓦，至2030年累计装机可以达到1.2亿千瓦；若2021年后每年新增装机超过1100万千瓦，约占全国每年新增装机的30% ，即达到欧盟过去五年中风电占新增发电装机的比例，至2030年我国风电累计装机可以达到1.8 亿千瓦左右，此时，风电在全国电力容量中的比重超过11% ，可以满足全国5.7%的电力需求。那时，风电占据总发的电量的比例排第三位。成为第三大发电电源。仅次于风电火电、水电之后。由此可见，我国的风电市场的发展前景非常良好。按照每千瓦时投资8000元计算，到2021年，xxx的风力发电可以达到每一年500亿的投资规模，所以说发展潜力巨大。
我国的对风力资源的开发使用跨入了一个全新的阶段，特别是小型风力发电机的应用相当普遍，成效很好，前景广阔。为了使我国的风力发电得到长远的发展，应该鼓励风力发电的技术创新，加大科研开发，把握当初发电快速发展的机遇。使我国的风力发电事业迈向更高的顶峰。在积极实现坚持火电、水电、核电并举，鼓励海啸能、风能、地热能、生物能源等多种新兴能源快速发展过程，为我国的发展提供足够的能源供应。
1.6 本章小结
本章主要介绍了风力发电研究的意思，和国内外研究背景，以及当前我国风力发电的现状，通过本章的介绍，可以看到风力发电有着良好的发展前景。
2 风力发电机组系统构成及功能简介
2.1 风力发电的原理
风力发电机的基本类型
发电机是利用电磁感应原理把机械能转换成电能的装置，在原动机（风力发电系统中对应的是风力机）的拖动下，当风力发电机中的线圈绕组切割磁力线，则在线圈绕组中产生感应电动势。通常意义上讲，相对于磁极而言，产生感应电动势的线圈绕组通常被称为电枢绕组。无论何种类型的发电机，其基本组成部分都是产生感应电动势的线圈加上产生磁场的磁极或线圈。转动的部分叫转子，不动的部分叫定子。发电机作为机械能转换为电能的装置。根据风力发电机与电网的连接方式划分：
（1）离网运行的发电机，它是单台独立运行的发电机，发出的电不能接入电网当中，直接由发电机通过相应的控制机构向负载直接供电。
（2)并网运行的发电机 ，发电机与电网并联运行发电机的并网运行，发电机发出来的电力可以直接接入到电网中。
目前全世界使用的主要有四种风力发电机组，下面我们就具体介绍一下：
（1）定桨距失速型风力发电机组。通过风轮叶片失速来控制风力发电机组在大风时的功率输出，以及通过叶尖扰流器来实现极端情况下的安全停机问题。变桨距失速型（主动失速型）。风力发电机组在低风速时通过改变桨距角或保持一定的桨距角，使其功率输出增加，而在高风速时通过改变叶片桨距角来控制功率输出。
（2）直驱型风力发电机组。它是无齿轮箱的变桨距变速风力发电机组，风轮轴直接与低速永磁发电机连接。直驱型风力发电机组要采用全功率变流器。
（3）双馈异步变速恒频型风力发电机组。风轮叶片桨距角可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒压电能。在低于额定风速时，它通过改变转速和叶片桨距角使风力发电机组在最佳尖速比下运行，输出最大的功率，而在高风速时通过改变叶片桨距角使风力发电机组功率输出稳定在额定功率。当风的速度过大时，变桨距机构通过改变叶片桨距角，确保风力发电机能够保持稳定的功率输出。
（4）混合风力发电机组。混合型风力发电机组也要采用全功率变流器。混合型风力发电机组。主要采用单级齿轮箱和中速永磁发电机，是直驱型风力发电机组和传统型。
风力发电机按照桨叶、风轮装束以及传动机构可以分为以下几类。
（1）按风轮桨叶分类，
●失速型。高风速时因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作，限制风力发电机的输出转矩与功率。
●变桨型。高风速时通过调整桨距角，限制输出转矩与功率。
（2）按风轮转速分类
●恒速型。风轮始终保持一定转速运行，风能转换率低，与恒速发电机对应。
●变速型。变速性还可以分为以下两类。
1）双速型。可在两个设定的转速间运行，改善风能转换率，与双速发电机对应。
2）连续变速型。在一段转速范围内连续可调，可捕捉最大风能功率，与变速发电机对应。
（3）按传功机构分类
●升速型齿轮箱。用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机。
●直接驱动型。直接连接低速低速风力机和低速发电机。
现代风机
为了解决风力发电机发出来的电能出现的一些问题，比如说电压和频率不稳定的问题，为降低对电能质量的影响。现代风力发电机组一般都增加了齿轮箱和偏航系统，尾部有测量风速的测风系统，还有液压刹车系统和相应的控制系统等，现代风机的示意如图2.1所示。

图2.1现代风力发电机
现代风力发电的原理
现代风力发电系统包括风力发电机组、偏航控制系统、变桨距控制装置、风速和风向传感器等几部分。其中风电系统的最关键的设备当属发电机组，风力发电机一般包含风轮机、变桨机构、继电器、增速器以及控制系统。并网的风力发电系统的结构示意图如图2.2所示。
控制系统 统
风轮
增速器
发电机
主继电器
主开关
熔断器
变压器
晶闸管
电网
风
变桨
风速
转速
并网
功率
无功补偿

风
图2.2风力发电系统的结构示意图
2.2风力发电机的组成结构
风力发电机是将风能转化为电能的设备，现代并网风力机组在过去几十年里的发展中，一直以提高风能利用规模和降低风力发电成本为目标，设计和研发了许多类型和样式的风力机组。随着认识的深入，使用的需要和技术的进步，目前已逐步趋向少数几种结构形式。图2.3为发电机的内部结构。

图2.3发电机的内部结构
风力机桨叶系统
风力发电机的风轮也是风力发电机的一个核心部件，决定了整个风力机组的性能，风轮商业片的气动特性决定了风力机组的风能利用率，也决定了风力机组机械部件的主要载荷。
风力发电机的风轮由叶片、风轮轴及变桨距机构等组成。
风轮桨叶主要实现风能的吸收，因此其形状主要决定于空气动力学特性，设计目标是最大可能的吸收风能，同时使重量竟可能减轻，降低制造成本。风力机组桨叶应该满足以下的要求：
（1） 良好的空气动力外形，能够充分的利用风电场的风资源条件。获得竟可能多的风能.
（2） 可靠地结构强度，具备足够的承受极限载荷和疲劳载荷能力。合理的叶片刚度、叶尖变形位移，避免叶片与塔架碰撞。
（3） 良好的结构动力学特性和气动稳定性，避免发生共振和颤振现象震动和噪声小。
（4） 耐腐蚀性和防雷击性能好，方便维护。
为了达到这个目标，结构优化设计，可以降低叶片重量，降低制造成本。风力发电机组的桨叶系统如图2.4所示

图2.4风力发电机组的桨叶
变桨距系统
大多数现代大型电网的风力机变桨距系统连接，它有两个主要的功能：
1）在通常的稳定运转条件下，如果风的速度高于设定的额定值，变桨距机构可以改变叶片桨距角度，来调节叶片的升力和阻力比，此而保障稳定的功率。
2）当风速大大高于切出风速的时候，以及当风力机组出现了运行故障状，桨距角度可以迅速的从工作角度转化为顺桨的状态，保障安全运行，实现紧急制动。
叶片的变桨距操作是通过变桨距系统实现的。变桨距系统按照驱动方式可分为液压变桨距和电动变桨距系统。按照变桨距操作方式可以分为同步变桨距系统和独立变桨距系统。同步变桨距系统中，风轮各叶片的变桨距动作同步进行，而独立变桨距系统中，每个叶片具有独立的变桨距机构，变桨距动作独立进行。变桨距机构如图2.5所示。

a) 液压变桨距 b) 电动变桨距
图2.6 变桨距机构
叶片变桨距系统主要由叶片和轮毂间的旋转机构、变桨距驱动机构、执行机构、备用供电系统和控制系统组成。变桨距的硬件安装在轮毂内部，由电动机和减速器构成驱动机构和执行机构。叶片变桨距旋转动作通过内呲合齿轮实现。
风力机组传动系统
传动系统用来连接风轮和发电机，将风轮产生的机械装具传递给发电机，同时实现转速的变换。它包括风轮主轴（低速轴）、增速齿轮箱、高速轴（齿轮箱输出轴）以及寄希望刹车制动装置等部件。整个传动系统和发电机安装在主机架上。作用在风轮上的各种气动载荷和重力载荷通过主机架及偏航系统传递给塔架。
风轮主轴一端连接风轮轮毂，另一端连接增速齿轮箱的输入轴，用滚动轴承支撑在主机架上，风轮主轴的支撑结构形式与增速齿轮箱的形式密切相关。按照支撑方式的不同，可以分为三种结构形式，分别为独立轴承支撑结构，三点支撑式主轴，主轴轴承与齿轮箱集成形式。从齿轮箱的维修角度来讲，主轴单独支撑，既便于与齿轮箱分离，又能减轻齿轮箱的承载，大大的降低了维修费用，较为合理。
相比于其他工业齿轮箱，风电齿轮箱的设计条件比较苛刻，同时也是机组的主要故障源之一。由于风轮转速与发电机转速之间的差距巨大，增速齿轮箱成为风力发电机组中的一个必不可少的部件。增速箱的低速轴接桨叶，高速轴联接发电机（直驱式风力发电机则没有齿轮箱机构）。齿轮箱系统的特点是：
(1)速轴采用行星架浮动，高速轴采用斜齿轮（螺旋齿轮）浮动，这种两级或者三级的复合齿轮形式，使结构简化而紧凑，同时均载效果好。
(2)入轴的强度高、刚性大、加大支承，可承受大的径向力、轴向力和传递大的转矩，以适应风力发电的要求。在大型风力发电机中，发电机的极数愈多，增速箱的传动比就可以越小。国外一般采用2-4极的发电机。如图2.7为齿轮箱结构图。

图2.7齿轮箱结构图
1. 主轴（低速轴） 2.一级星形齿轮 3.发电机输入轴（高速轴）4.三级斜齿轮 5.二级斜齿轮
风力发电机组的设计通常要求在无人值班运行条件下工作长达20年之久，因此齿轮箱的轴承在此受到了真正的考验。近年来国内外风力发电机组故障率最高的部件当数齿轮箱，而齿轮箱的故障绝大多数是由于轴承的故障造成。在齿轮箱的使用中，应根据使用地点的不同添加润滑油冷却或加温机构，以确保齿轮箱的润滑，增加其使用寿命。
与传统的风力发电机系统相比，直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率，降低了制造和维护成本，减小了机械效率损失，提高了运行效率。开发直驱式风力发电机组是我国日后风力发电机制造的趋势之一。
发电机系统
风力发电机可以使用同步或异步发电机， 并且可以直接或间接接地将发电机连接在电网上。直接电网连接指的是将发电机直接连接在交流电网上。间接电网连接指的是风力发电机的电流通过一系列电力设备，经调节与电网匹配。采用异步发电机，这个调节过程自动完成。发电机对中最终调整的位置尺寸：上下、前后、左右的尺寸在技术要求范围内即可。
现今，风力发电机的单机容量越来越大。风力发电机所用的发电机一般都是采用异步发电机，对于定桨距风力发电机组，一般还采用单绕组双速异步发电机，这一方案不仅解决了低功率时发电机的效率问题，而且还改善了低风速时的叶尖速比。由于绕线式异步发电机有滑环电刷，这种摩擦接触式结构在风力发电恶劣的运行环境中较易出现故障。所以，有些风力发电系统采用无刷双反馈电机，该电机定子有两套极数不同的绕组，转子为笼型结构，无须滑环与电刷，可靠性高。目前，这种发电机形式成为各风电制造厂商生产的主流形式。但对于直驱式风力发电机系统，采用的是永磁同步发电机形式。这种直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。直驱式风力发电机组在我国是一种新型的产品，但在国外已经发展了很长时间。目前我国在直驱式风机中系统的研究相对传统机型较少，但开发直驱式风力发电机组也是我国日后风机制造的趋势之一 。
偏航系统
偏航系统主要是用于调整风轮的对风方向，即要使风轮对准风的方向，偏航控制系统是风力发电机组特有的一个位置伺服系统。它有两个主要的功能：一个是使追踪风向变化，改变偏航角度，直到风力发电机恢复正常工作。风轮能够时刻跟踪到改变稳定的那个风向;二是当偏航作用时，机舱内的电缆会随着偏航机构的旋转而发生环绕，为防止风力发电机被造成破坏，影响正常工作，对缠绕的电缆进行自动解缆 。
解锁装置
解缆和扭缆保护是风力发电机组的偏航系统所必须具有的主要功能。自然界中的风是一种随机不稳定的资源，风速与风向是不定的。由于风向的不确定性，风力发电机就需要经常利用偏航系统来对风，而且偏航的方向也是不确定的，由此引起的后果是电缆会随风力发电机的转动而扭转。如果风力发电机多次向同一方向转动，就会造成电缆缠绕，绞死，甚至绞断，因此必须设法解缆。不同的风力发电机需要解缆时的缠绕圈数都有其规定。当达到其规定的解缆圈数时，系统应自动解缆，此时启动偏航电机向相反方向转动缠绕圈数解缆，将机舱返回电缆无缠绕位置。若因故障，自动解缆未起作用，风力发电机也规定了一个极值圈数，在纽缆达到极值圈数左右时，纽缆开关动作，报纽缆故障，停机等待人工解缆。在自动解缆过程中，必须屏蔽自动偏航动作。
自动解缆包括纽缆开关控制的安全链动作计算