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風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)剎車電阻配置對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析

文檔作者：孫必城文檔來(lái)源：中廣核新能源（浙江）有限公司		更新日期： 2026年05月18日	點(diǎn) 擊數(shù)：
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235
　綜述
風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)作為現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心組件之
一，主要功能是通過(guò)調(diào)整葉片角度以優(yōu)化風(fēng)能轉(zhuǎn)化效
率，同時(shí)確保風(fēng)機(jī)在各種風(fēng)速條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。然
而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于剎車電阻配置不同，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)
響應(yīng)特性也存在顯著差異，從而影響風(fēng)機(jī)的整體穩(wěn)定
性。本文旨在建立風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)剎車電阻配置的動(dòng)態(tài)模
型，結(jié)合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的理論基礎(chǔ)，探討了不同剎車
電阻配置方案對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
一、風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)剎車電阻配置動(dòng)態(tài)模型
1.剎車電阻配置的理論模型
在風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)中，剎車電阻（制動(dòng)電阻）的配置
是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，決定了系統(tǒng)在各種工況下的動(dòng)態(tài)響
應(yīng)和穩(wěn)定性。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片在風(fēng)速突變的情況下進(jìn)行頻繁
的變槳操作時(shí)，剎車電阻的配置將直接影響系統(tǒng)能否有
效地釋放多余的電能，以避免系統(tǒng)過(guò)載和不穩(wěn)定現(xiàn)象。
（1）剎車電阻工作原理。剎車電阻的核心任務(wù)是在
風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)中通過(guò)電力電子設(shè)備控制，將多余的電能
以熱能的形式耗散。風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的主要工作原理是通過(guò)
變槳驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)葉片的角度，以應(yīng)對(duì)不同風(fēng)速條件下的發(fā)
電需求。在風(fēng)速劇烈波動(dòng)時(shí)，葉片需要頻繁調(diào)整角度，因
此變槳電機(jī)頻繁加速和減速。變槳電機(jī)通過(guò)直流母線獲得
能量，而在減速過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生回饋電能。如果沒有合適的
剎車電阻來(lái)消耗這些多余電能，系統(tǒng)的直流母線電壓將顯
著升高，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器故障或系統(tǒng)不穩(wěn)定。
剎車電阻的工作過(guò)程的功率消耗公式如下。
2
brake brake b P RI = ?
其中，Pbrake是剎車電阻的功率消耗，Rb是剎車電阻
的阻值，Ibrake是通過(guò)剎車電阻的電流。
根據(jù)公式上式可知，剎車電阻通過(guò)消耗電流產(chǎn)生的能
量來(lái)釋放多余的電能，從而避免系統(tǒng)中直流母線電壓的過(guò)
度上升。合理的剎車電阻阻值能夠在回饋電能增大的情況
下，迅速降低系統(tǒng)的電壓，從而保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。
（2）剎車電阻的電氣模型。為了更好地理解剎車電
阻的作用，本文建立剎車電阻的電氣模型，電阻本身的
電壓Vdc和電流Ibrake關(guān)系如下公式。
brake
brake dc b b
V dI RIL
dt
= ?+?
其中，Lb表示剎車電阻的電感值，Rb是剎車電阻的
阻值，Ibrake是剎車電阻的電流，Vdc是系統(tǒng)直流母線電
壓。剎車電阻不僅有電阻效應(yīng)，還存在電感效應(yīng)。由
于存在電感效應(yīng)，剎車電阻的電流不會(huì)立刻變化，而是
逐步上升，剎車電阻不能瞬時(shí)釋放所有多余的電能。因
此，電感越大，系統(tǒng)在電流變化時(shí)的響應(yīng)越慢，系統(tǒng)在短
時(shí)間內(nèi)無(wú)法充分消耗能量，進(jìn)而影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
（3）動(dòng)力學(xué)方程的構(gòu)建。在風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)中，剎車
電阻的作用不僅體現(xiàn)在電氣模型中，還與葉片的機(jī)械動(dòng)
力學(xué)有著密切的關(guān)系。葉片在不同風(fēng)速條件下的變槳過(guò)
程，可以通過(guò)動(dòng)力學(xué)方程描述。
2
wind brake 2
J d d BTT
dt dt
θ θ
? +?=?
其中，J是葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，θ是葉片的旋轉(zhuǎn)角度，
B是系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，Twind是由風(fēng)力產(chǎn)生的力矩，Tbrake是
剎車電阻通過(guò)驅(qū)動(dòng)器施加的制動(dòng)力矩。葉片的加速度受
到外部風(fēng)力矩和由剎車電阻控制的制動(dòng)力矩共同影響。
當(dāng)風(fēng)速變化劇烈時(shí)，風(fēng)力矩變化較大，系統(tǒng)為了維持穩(wěn)
定的輸出功率，需要快速調(diào)整葉片角度，從而使得葉片
的加速度增大。此時(shí)，剎車電阻的配置對(duì)于調(diào)節(jié)葉片的
動(dòng)態(tài)響應(yīng)至關(guān)重要。
（4）剎車電阻配置對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。為了進(jìn)一
步理解剎車電阻配置對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，本文引入系
統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)函數(shù)。在一個(gè)理想的變槳系統(tǒng)中，剎車電
風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)剎車電阻配置對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的
數(shù)值模擬分析
孫必城　　中廣核新能源（浙江）有限公司
【摘　要】建立剎車電阻配置的理論模型，結(jié)合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的理論基礎(chǔ)，提出了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。基于不
同的剎車電阻配置方案，進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過(guò)對(duì)比不同配置下的模擬結(jié)果，分析剎車電阻的配置
對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要作用。研究表明，合理的剎車電阻配置能夠顯著提高風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為實(shí)
際工程設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)；剎車電阻配置；系統(tǒng)穩(wěn)定性；數(shù)值模擬
【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2025.04.079
236
　綜述
阻能夠迅速吸收多余的電能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能。系統(tǒng)
的動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳遞函數(shù)如下。
2
wind brake ( ) 1 ( )
( )
H s s
üüü
Θ
= =
+ +
其中， 是葉片角度的拉普拉斯變換，Twind(S)是風(fēng)力
矩的拉普拉斯變換，Kbrake是與剎車電阻配置相關(guān)的增益系
數(shù)，反映了剎車電阻對(duì)系統(tǒng)制動(dòng)效果的影響。
通過(guò)對(duì)傳遞函數(shù)的分析可以看出，剎車電阻阻值Rb
過(guò)低會(huì)導(dǎo)致Kbrake過(guò)小，從而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)
的響應(yīng)時(shí)間加長(zhǎng)，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩或不穩(wěn)定。相
反，若阻值Rb過(guò)大，系統(tǒng)的制動(dòng)效果增強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致過(guò)度
制動(dòng)，表現(xiàn)為系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)快，影響系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。
2.系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的理論基礎(chǔ)
通過(guò)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論來(lái)分析非線性系統(tǒng)的穩(wěn)
定性。李雅普諾夫理論認(rèn)為，若存在一個(gè)正定的李雅普
諾夫函數(shù)V(x)，使得其對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為負(fù)，則系統(tǒng)是穩(wěn)
定的。對(duì)于風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)，非線性控制器的設(shè)計(jì)需考慮
剎車電阻配置對(duì)李雅普諾夫函數(shù)的影響，從而確保系統(tǒng)
在非線性條件下的穩(wěn)定性。
二、風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)剎車電阻配置對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響
的數(shù)值模擬
1.數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定
在風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的數(shù)值模擬中，為了準(zhǔn)確評(píng)估剎車
電阻配置對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)性的影響，基于實(shí)際風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境和
設(shè)備特性合理設(shè)定模擬參數(shù)。
（1）風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的基本參數(shù)設(shè)定。風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的
基本物理參數(shù)決定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為。以下是用于
數(shù)值模擬的主要風(fēng)機(jī)參數(shù)：①葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。葉片的轉(zhuǎn)
動(dòng)慣量是系統(tǒng)中非常重要的參數(shù)，它決定了葉片的旋轉(zhuǎn)
慣性。較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量意味著葉片在外力作用下加速或
減速的響應(yīng)較慢。葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通過(guò)風(fēng)機(jī)制造商提供
的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)測(cè)定。②系統(tǒng)阻尼系數(shù)。阻尼系數(shù)反
映了系統(tǒng)中存在的摩擦或耗能效應(yīng)。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的阻尼
來(lái)自空氣阻力和機(jī)械摩擦。較大的阻尼系數(shù)能夠抑制系
統(tǒng)的振蕩行為，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。③彈性恢復(fù)力矩系
數(shù)。葉片在受到擾動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)彈性恢復(fù)力矩，試圖
將其恢復(fù)到初始角度。
（2）電氣系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定。變槳系統(tǒng)中的剎車電阻通
過(guò)消耗電能來(lái)減緩系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，因此電氣系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定也
是模擬的重要組成部分。①剎車電阻。剎車電阻是影響
系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。在數(shù)值模擬中，為了評(píng)估剎車
電阻配置的不同方案，設(shè)定了多個(gè)電阻值，從而更好地
觀察電阻對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。②電流。剎車電阻中的
電流是由變槳系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的。電流的大小取
決于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)的輸出電壓。③功率耗散。剎
車電阻的功率耗散通過(guò)電阻和電流的平方關(guān)系得到，剎車
電阻值越大，系統(tǒng)在相同電流下的功率耗散越大，能夠更
加迅速地吸收系統(tǒng)的多余能量。
（3）控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定。
為了保證風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)在各種運(yùn)行工況下保持穩(wěn)定
運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)配備閉環(huán)控制器。控制器的設(shè)計(jì)直接影響
系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本文設(shè)定了典型的比例－積分－微分
（PID）控制器參數(shù)，用于數(shù)值模擬。①比例增益Kp。比
例增益決定了系統(tǒng)對(duì)誤差的響應(yīng)速度。較大的比例增益
能夠加速系統(tǒng)的響應(yīng)，但同時(shí)也可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。
②積分增益Ki。積分增益用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但
較大的積分增益可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。③微分增
益Kd。微分增益通過(guò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的誤差變化趨勢(shì)來(lái)抑制系
統(tǒng)振蕩。
PID控制器的傳遞函數(shù)表示為：
( ) i
p d
G s K KKs
s
= ++?
通過(guò)調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的
動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
（4）風(fēng)速變化參數(shù)設(shè)定。風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的主要任務(wù)
是根據(jù)不同的風(fēng)速調(diào)整葉片角度，最大化地利用風(fēng)能，
并保護(hù)風(fēng)機(jī)不受極端風(fēng)速的損壞。因此，風(fēng)速變化是數(shù)
值模擬中必須考慮的因素。本文設(shè)定了三種典型的風(fēng)速
工況，如表1所示。
表1　典型風(fēng)速工況
工況 風(fēng)速 風(fēng)機(jī)狀態(tài)
低風(fēng)速 v＝5m/s 風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行狀態(tài)
額定風(fēng)速 v＝12m/s 風(fēng)機(jī)處于額定功率輸出狀態(tài)
高風(fēng)速 v＝20m/s
此時(shí)系統(tǒng)需要迅速調(diào)整變槳角度以減小葉片
承受的風(fēng)力，避免風(fēng)機(jī)損壞
風(fēng)速變化將影響風(fēng)力矩Twind的大小，其關(guān)系為：
3
wind 0.5 p
T v AC ρ
ω
= ????
上述公式中，ρ為空氣密度，設(shè)定為1.225kg/m3；A
為風(fēng)機(jī)掃風(fēng)面積；Cp為功率系數(shù)，假設(shè)Cp＝0.4 ；ω為葉
片轉(zhuǎn)速。
2.不同剎車電阻配置方案的設(shè)計(jì)
在風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)中，當(dāng)葉片角度發(fā)生快速變化時(shí)，
系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的慣性沖擊，進(jìn)而出現(xiàn)超調(diào)或振蕩不穩(wěn)
定現(xiàn)象。剎車電阻的主要作用是通過(guò)耗散系統(tǒng)動(dòng)能，減
小振蕩幅度并增強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼特性。剎車電阻的功率耗
Θ(s)
237
　綜述
散通過(guò)以下公式計(jì)算。
2
brake brake b P RI = ?
其中，Rb為剎車電阻的電阻值，Ibrake為通過(guò)剎車電阻
的電流。
（1）固定電阻配置方案。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行工況較為穩(wěn)
定、風(fēng)速波動(dòng)較小時(shí)，使用固定電阻配置方案。在該方
案中，系統(tǒng)始終使用一個(gè)固定的剎車電阻值Rb，不隨系
統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化。在考慮系統(tǒng)的額定運(yùn)行工況后，設(shè)計(jì)
固定電阻。假設(shè)風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的額定功率輸出為Prated，
并且剎車電阻需要在系統(tǒng)超調(diào)時(shí)吸收部分動(dòng)能。此時(shí)，
電阻的選取可以通過(guò)功率平衡來(lái)確定。
2
rated rated b
R V
P
=
其中，V2
rated為電動(dòng)機(jī)的額定電壓，Prated為系統(tǒng)的額
定功率。在此方案下，剎車電阻的阻尼效果固定，適用
于中等風(fēng)速工況，但在風(fēng)速較大時(shí)可能難以快速響應(yīng)，
因此穩(wěn)定性有所欠缺。
（2）可變電阻配置方案。當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)
控制器自動(dòng)增加剎車電阻的阻值，在可變電阻配置方案
中，剎車電阻與變槳角度θ或葉片轉(zhuǎn)速ω相關(guān)聯(lián)，可變
電阻的阻值Rb(θ,ω)通過(guò)以下公式表示：
0 1 2 ( , ) b R Rkk θ ω θω = +?+?
其中，R0為基準(zhǔn)電阻值，k1和k2為調(diào)節(jié)系數(shù)。可變電
阻配置方案能夠根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，
尤其在大風(fēng)速或風(fēng)速變化較為劇烈的情況下，能夠有效
緩解系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。
（3）分段式電阻配置方案。分段式電阻配置是結(jié)合
固定電阻和可變電阻配置的一種方案。在此方案中，剎車
電阻被分為若干不同阻值的模塊，系統(tǒng)根據(jù)葉片的轉(zhuǎn)速或
變槳角度進(jìn)行分段式切換。
按照不同的風(fēng)速區(qū)域規(guī)劃分段式電阻的阻值。分段
式電阻的動(dòng)態(tài)切換通過(guò)控制器進(jìn)行，切換的準(zhǔn)則基于風(fēng)
速傳感器的實(shí)時(shí)反饋。這種設(shè)計(jì)能夠在系統(tǒng)的不同工作
狀態(tài)下提供相應(yīng)的阻尼，保證系統(tǒng)在不同風(fēng)速工況下都
具有良好的穩(wěn)定性。
（4）自適應(yīng)智能電阻配置方案。自適應(yīng)智能電阻配
置方案基于現(xiàn)代控制技術(shù)，通過(guò)智能算法實(shí)時(shí)調(diào)整剎車電
阻的阻值。該方案結(jié)合了前述幾種方案的優(yōu)點(diǎn)，能夠根據(jù)
系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)速變化、葉片角度和其他多種因素對(duì)
剎車電阻進(jìn)行全局優(yōu)化。
3.數(shù)值模擬結(jié)果分析
通過(guò)對(duì)不同剎車電阻配置方案的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行
綜合分析，可以得出以下結(jié)論：固定電阻配置雖然實(shí)現(xiàn)
簡(jiǎn)單，但在風(fēng)速波動(dòng)較大的情況下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較
差，超調(diào)量大，直流母線電壓易升高。可變電阻配置在
動(dòng)態(tài)調(diào)整電阻值后，系統(tǒng)的響應(yīng)性能得到顯著提升，超
調(diào)量和直流母線電壓均得到有效控制。分段式電阻配置
對(duì)不同風(fēng)速條件下的超調(diào)量和電壓控制表現(xiàn)良好，但在
風(fēng)速頻繁變化時(shí)，切換過(guò)程可能產(chǎn)生短暫的不穩(wěn)定性。
自適應(yīng)智能電阻配置提供了最佳的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性，
能夠在各種工況下保持系統(tǒng)的最優(yōu)性能。
綜合考慮系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和控制復(fù)雜性，
自適應(yīng)智能電阻配置方案在大多數(shù)情況下表現(xiàn)最佳，適
合用于風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。
三、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)中剎車電阻配置對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性
影響的研究，本文建立了相關(guān)的理論模型，并利用數(shù)值
模擬分析了不同剎車電阻配置方案對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)
定性的影響。研究表明，剎車電阻的合理配置對(duì)于風(fēng)機(jī)
變槳系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。本文驗(yàn)證了不
同剎車電阻配置對(duì)風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并
為風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供了理論參考和數(shù)值依
據(jù)。未來(lái)可進(jìn)一步探索更為智能化的剎車電阻控制策
略，結(jié)合人工智能算法實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)
響應(yīng)，以應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的實(shí)際工況。
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作者簡(jiǎn)介：孫必城（1994—），男，漢族，江蘇泰州人，
本科，研究方向：風(fēng)力發(fā)電站運(yùn)行設(shè)備技術(shù)運(yùn)維。

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