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1、毕业设计风力发电机组的变桨距系统 2教材风力发电液压变桨姓名：狄万学摘要：液压独立变桨距系统作为大型风力发电机组控制系统的关键部分,对机组的安全、稳定、高效运行具有十分重要的作用。风力机液压独立变桨距系统的原理及特点,采用了带实时故障排除的液压冗余型电液伺服变桨距执行机构;计算分析了桨叶的驱动力矩及液压缸的负载力。关键字：液压独立变桨；高效；电液伺服变桨现代化的机械设备的控制技术手段是多种多样的，电器方法、机械方法、液压方法、电气液压方法以及气动方法等等，均可以用来实现自动控制。其中，机电液一体化设计已成为当代机械工业技术和产品发展的主要趋向，沿用已久的分工脱节，各管一段的设计方法，不仅耗时，

2、而且难以获得一体化系统的最佳设计结果。本设计引入了机、电、液一体化系统的设计理念，寻求有效的设计理论和方法来实现桨叶的快速变距。变桨距调节有全桨叶变距与仅叶尖局部变距两种。变距系统控制叶片的转动，从而使风力机具有最佳的刹车性能。变桨距系统还能够起到主动调节（保持额定功率）和优化(在小于额定风速时优化功率)的作用；在高风速段保持额定功率。无论安装地点的空气密度多少，桨距控制系统都能使叶片角度调到最佳值，从而达到额定功率。这意味着変桨距风电机组对温度和海拔高度的变化而引起的空气密度的变化并不敏感。机械装置设计的重点是同步盘、连杆和偏心盘。其中同步盘上的推杆与液压缸上的出杆的连接很关键。液压缸的驱动

3、控制由液压系统控制，在液压系统中应用了电磁换向阀、蓄能器、单向阀和液控单向阀。电磁换向阀、单向阀和液控单向阀和电动机的控制均由电气控制系统实现。整个装置组成简单，结构精巧，控制方便，性能可靠，有很好的应用前景。由以上分析可见，変桨距风力发电机组有很多优越性，而変桨距风力发电机组核心便是変桨距系统，因此使得对変桨距系统的研究具有重要的现实意义。1液压变桨距控制系统设计在目前国内运行的大型风力发电机组的变桨距装置仍有一部分采用液压系统作为动力系统。所以对液压变桨距控制系统的设计还是很有必要的。1.1液压变桨距控制系统大型风力发电机组随着叶片长度和体积的增大，叶片的质量也越来越大，叶片进行变桨时所用

4、到的力矩也变大，而液压控制系统具有传动力矩大、重量轻、刚度大、定位精确、液压执行机构动态响应速度快等优点，能够保证更加快速、准确地把叶片调节至预定节距。在目前国内运行的大型风力发电机组的变桨距装置仍有一部分采用液压系统作为动力系统。 如图1所示为变桨距风力发电机的简图。调速装置通过增大桨距角的方式减小由于风速增大使叶轮转速加快的趋势。当风速增大时，变桨距液压缸动作，推动叶片向桨距角增大的方向转动使叶片吸收的风能减少，维持风轮运转在额定转速范围内。当风速减小时，实行相反操作，实现风轮吸收的功率能基本保持恒定。目前国内生产和运行的大型风力发电机的变装置大多采用液压系统传递动力 。图1 变桨距风力发

5、电机简图 图2所示为变桨距控制器的原理框图。在发动机并入电网之前由速度控制器根据发动机的转速反馈信号进行变桨距控制，根据转速及风速信号来确定桨叶处于待机或顺桨位置；发动机并入电网之后，功率控制器起作用，功率调节器通常采用PI（或PID控制，功率误差信号经过PI运算后得到桨距角位置。当风力机在停机状态时，桨距角处于90的位置，这时气流对桨叶不产生转矩当风力机由停机状态变为运行状态时，桨距角由90以一定速度（约1/s）减小到待机角度（本系统中为15）；若风速达到并网风速，桨距角继续减小到3（桨距角在3左右时具有最佳风能吸收系数）；发电机并上电网后，当风速小于额定风速时，使桨距角保持在3不变；当风速

6、高于额定风速时，根据功率反馈信号，控制器向比例阀输出-10V+10V电压，控制比例阀输出流量的方向和大小。变桨距液压缸按比例阀输出的流量和方向来操纵叶片的桨距角，使输出功率维持在额定功率附近。若出现故障或有停机命令时，控制器将输出迅速顺桨命令，使得风力机能快速停机，顺桨速度可达20/s。图2 变桨距风力机控制框图全球投入商业运行的兆瓦级以上风力发电机均采用了变桨距技术，变桨距控制与变频技术相配合，提高了风力发电机的发电效率和电能质量，使风力发电机在各种工况下都能够获得最佳的性能，减少风力对风机的冲击，它与变频控制一起构成了兆瓦级变速恒频风力发电机的核心技术。液压变桨系统具有单位体积小、重量轻、

7、动态响应好、转矩大、无需变速机构且技术成熟等优点。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）、欠功率控制（不控制）和额定功率状态（功率控制）。1.2.1起动状态变桨距风轮的桨叶在静止时，节距角为90，气流对桨叶不产生转矩，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，风轮起动。在发电机并入电网以前，变距系统的节距给定值由发电机的转速信号控制。转速控制器按一定的速度上升斜率给出速度参考值，变桨距系统根据给定的速度参考值，调整桨叶节距角，进行速度控制。1.2.2欠功率状态欠功率状态是指

8、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。为了改善低风速时的风轮气动特性，即根据风速的大小，调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。1.2.3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，将转速控制切换为功率控制，变距系统开始根据发电机的功率信号进行控制。功率反馈信号与额定功率进行比较，功率超过额定功率时，桨叶节距向迎风面积减少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。 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

9、此，为了优化功率曲线，最新设计的变桨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1.3 液压控制变桨 液压变桨系统的连续变桨过程是由液压比例阀控制液压油的流量大小来进行位置和速度控制的。当风机停机或紧急情况时，为了迅速停止风机，桨叶将快速转动到90，让风向与桨叶平行，使桨叶

10、失去迎风机变桨调节。风机的变桨作业大致可分为两种工况，即正常运行时的连续变桨和停止（紧急停止）状态下的全顺桨。风机开始启动时桨叶由90向0方向转动以及并网发电时桨叶在 0风面；二是利用桨叶横向拍打空气来进行制动，以达到迅速停机的目的，这个过程叫做全顺桨。液压系统的全顺桨是由电磁阀全导通液压油回路进行快速顺桨控制的。液压变桨系统由电动液压泵作为工作动力，液压油作为传递介质，电磁阀作为控制单元，通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距。 变桨距伺服控制系统的原理图如图3所示。变桨距控制系统由信号给定、 比较器、位置（桨距）控制器、速率控制器、D/A转换器、执行机构和反馈回路组

11、成。 图3控制原理图在液压变距型风机中根据驱动形式的差异可分为叶片单独变距和统一变距两种类型，前者3个液压缸布置在轮毂内，以曲柄滑块的运动形式分别给3个叶片提供变距驱动力，因为变距过程彼此独立，一组变距出现故障后，机组仍然可以通过调整其余两组变距机构完成空气动力制动。因此这种设计可靠性较高，但是由于三组液压缸位于轮毂内部与液压泵之间有相对转动，为此需要加装旋转接头，此外该系统需要精确的同步变距控制以避免个叶片桨距角的差异。统一变距类型通过1个液压缸驱动3个叶片同步变桨距，液压缸放置在机舱里，活塞杆穿过主轴与轮毂内部的同步盘连接。变距机构工作原理过程如下：控制系统根据当前风速，通过预先编制的算法

12、给出电信号，该信号经液压系统进行功率放大，液压油驱动液压缸活塞运动，从而推动推杆、同步盘运动，同步盘通过短转轴、连杆、长转轴推动偏心盘转动，偏心盘带动叶片进行变距。2 液压系统设计液压系统作为変桨距系统的重要部分，设计时必须满足系统工作循环所需的全部技术要求，且静动态性能好，结构简单，工作安全可靠、寿命长，经济性好，使用维护方便。为此，液压系统要与总体设计（包括机械、电气设计）综合考虑，做到机、电、液的相互配合，保证整个装置的性能最高。2.1 液压系统的方案设计一、回路方式的选择本设计中选用了开式回路，即执行元件的排油回油箱，油液经过沉淀、冷却后再进入液压泵的进口。二、执行元件的选择选用活塞液

13、压缸实现直线运动，因为要求液压缸两个方向工作，正向关桨，反向开桨，应选用双作用液压缸。三、调速方式的选择采用三位四通电磁比例阀实现速度的调节与换向，这样能保证系统的实时控制。在本设计中选用了M型比例阀。四、调压方式的选择在先导型溢流阀的遥控口上远接一个二位二通电磁换向阀。当电磁换向阀通电时，系统卸荷。溢流阀调定泵的出口压力。整个系统需要稳定的恒压源，所以此溢流阀为保压阀。五、换向回路的选择本设计的液压设备要求的自动化程度较高，因此应该选用电动换向，即应选择电磁换向，所以选用了三位四通的电磁换向阀。当阀芯处于中位时截断对液压缸供油，使桨叶不动；阀芯处于左位时，液压缸活塞缩回，桨叶开桨；处于右位时

14、，液压缸活塞伸出，桨叶关桨。六、动作转换控制方式在本液压系统的动作控制中，均采用了位置传感器及工控机来控制液压缸的动作。当活塞的位置达到一定值后，工控机就会发出讯号，使油路中的执行元件的动作停止。2.2 截止式换向阀的选取 这种换向阀可绝无泄漏地直接控制执行元件及作为先导阀用于其他液压系统的控制（先导式控制）。此种阀为弹簧加载球式截止结构并由角度杠杆和推杆克服弹簧压力和液体压力进行换向。装在进油口上的滤网能防止较大杂质的侵入。 经过平磨阀板上的油口均设有O型密封圈。对于管式连接可自己制作底板或阀块。 该阀密封性能极好，绝无内泄漏。即使高压下工作，阀芯也不会卡死，而且动作十分可靠。由于杠杆与操纵

15、力之间具有极佳的比率，故该阀换向平稳，无冲击现象。为了避免不利的影响，绝大多数的换向阀均可组装插装式单向阀与背压阀或在进油口组装插装式节流阀。在管接式单只阀的地板可集成旁通单向阀及桥式回路形式的单向阀。2.3液压系统的参数设计和拟定液压原理图2.3.1 选取液压泵a. 确定液压泵的最大工作压力Pp Pa 式中 P1-取液压缸或液压马达最大工作压力 从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单、流速不大的，取=（0.20.5）MPa;管路复杂，进口有调速阀的，（.51.5）MPa 本设计的系统压力为15MPa,

16、故液压泵的出口压力Pp为16 MPa。b. 确定液压泵的流量Qp 多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为： m3/s式中 K-系统泄漏系数，一般取K=1.11.3- 同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，对于在工作过程中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流量，一般取0.510-4 m3/s系统使用蓄能器作辅助动力源时 式中 K-系统泄漏系数，一般取K=1.2 Tt-液压设备工作周期 s Vi-每一个液压缸或液压马达在工作周期中的总耗油量 m3 z-液压缸或液压马达的个数m3/s =21.1 L/min所以，QP=23.21 L/min系列叶片的额定压力为16MPa，该系列泵

17、的结构类似于系列泵，该泵采用减薄叶片厚度（最小厚度仅1.6mm）的措施，减小叶片在中、高压下对吸油区定子的压紧力以降低磨损；同时提高定子强度，使该系统适应中高压力的要求；定子曲线为高次曲线，降低了泵的噪声。2.3.2 选取电动机一、电动机选用的一般原则在选择电动机的类型时要根据工作机的要求来选取。负荷平稳且无特殊要求的长期工作制机械，应首先采用鼠笼型异步电动机。电动机的结构有开启式、防护式、封闭式和防爆式，应根据防护要求及环境条件进行选择。选用电动机的类型，除满足工作机械的要求外，还需满足电网的要求。如启动时能维持电网电压水准，保持功率因数在合理的范围内等。电动机功能应有适当的备用容量。通常对

18、在变载荷作用下，长期稳定连续运行的机械，所选用的电动机额定功率应稍大于工作机的功率。二、选取电机： =16106(23.2110-3/60)=6.2103kw本设计选用了电动机功率7.5KW，转速，同步转速，电流，该电动机的特性：系列电动机是封闭风扇自冷式鼠笼式三相异步电动机。我国统一设计的取代系列的更新换代产品。系列电动机效率高、节能、启动转矩高、噪声低、振动小、运行安全可靠。安装尺寸和功率等级完全符合国际标准（IEC）系列电动机为一般用途的电动机，适用于驱动无特殊性能要求的各种机械设备，如金属切削机床、鼓风机、水泵等。2.3.3液压缸的设计(1)设计风力发电机变桨液压缸主要技术参数：压力机

19、额定输出压力：F=6吨（60000N）液压缸安装方式：竖式布置、铰链固定。液压缸行程：S=600mm液压缸额定压力：P=16MPa液压缸背压：1MPa环境温度：-3070 (2)液压缸的类型和多部分结构的选择1. 结构初型：采用轴线固定类中的头部内法兰式2. 局部结构初选1) 缸筒的结构设计：采用法兰连接；2) 缸筒的材料：采用45号无缝钢管，根据GB-T 3087-2007优质结构钢冷拉刚才技术条件中查的45号钢退火后抗拉强度为3) 缸底：采用45号钢，与缸筒采用法兰连接；4) 缸盖：采用45号钢，与缸筒采用法兰连接；5) 缸体与外部的链接结构为刚性固定：采用铰链连接；6) 活塞：活塞采用铸

20、铁7) 活塞杆：活塞缸采用45号钢，设计为实心8) 排气装置：在缸筒尾端采用组合排气塞9) 密封件的选用：活塞和活塞杆的密封件采用O形密封圈加挡圈。 (3_确定基本参数1. 液压缸负载主要包括：压制力、摩擦力、惯性阻力、惯性密封阻力和背压阻力等。1) 压制力：根据油缸和活塞杆的连接形式知：F=60KN2) 摩擦阻力、重力：由于液压缸的摩擦阻力和重力相对压制力很小，固可忽略不计。3) 惯性阻力：由于液压缸工作运动时速度小，不属于快速往复运动型，固惯性阻力可忽略不计。4) 密封阻力和背压阻力：将密封阻力考虑在液压缸的机械效率中去，去液压缸的机械效率为：0.92；背压阻力是为1MPa2. 缸筒内径D

21、和活塞杆直径d（在此设计的液压缸以无杆腔为工作腔）：由于单柱压力机以力为主，对工作速度无太严格要求，则活塞杆直径3. 工作压力的关系为： 则活塞杆直径为D=0.7d=70mm根据国家标准GB/T 2348-93，取标准直径D=125mm，d=70mm。4. 液压缸轴向各尺寸对于一般油缸，最小导向长度满足下试条件： 在缸筒内径D80mm时，导向滑面的长度A则取活塞杆直径的0.61.0倍， 活塞宽度B取缸筒内径D的0.61.0倍。现在试取A=0.6d=48mm，B=0.6D=75mm.在导向套与活塞之间装一隔套K，长度为C，有以下公式确定： 经查GB/T 2879-2005得，活塞杆动密封沟槽轴向

22、尺寸为M=12.5mm,径向深度为7.5mm(4)缸筒壁厚和外经计算以薄壁试计算缸筒壁厚：a) 缸筒采用45号钢，经查国标GB-T 3078-94，45号钢退货后抗拉强度为540MPab) 全安全系数n=5，则c) 液压缸的额定压力则=1.5=15MPa则根据公式得缸壁厚度,得缸筒外径为118mm,根据国标JB1068-67缸筒外径圆整为120mm,则,D/d=125/10.5=11.910,那么以薄壁计算符合要求。 缸底采用平底缸底，则缸底止口内径 缸底采用45号钢，退火后抗拉强度为540MPa，安全系数n=5； (5).活塞杆强度和液压缸稳定性计算1) 活塞杆强度计算a) 活塞杆上的作用力

23、为F=60000Nb) 活塞杆采用45号钢，退火后抗拉强度为，许用应力为活塞杆的直径按下式进行校核2) 液压缸稳定性计算活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。经计算：活塞杆安装长度L=1025 活塞杆横截面最小回转半径 经查表得：柔性系数，末端系数 , 得，则3 机械设计与计算3.1原始数据及设计要求1 最大输出力为6吨。2 行程小于600毫米。3 系统响应速度为0.01秒。4 系统压力为16 兆帕。5 活塞的运动速度为0.1米每秒。3.2拟

24、定设计方案机械机构主要包括推杆，连杆。活塞杆通过一个套与推杆相连，因为推杆与活塞杆之间存在相对转动，在传递轴向力的同时推杆还要沿轴线转动，所以在轴套中采用两组轴承深沟球轴承和推力球轴承。推杆与同步盘采用键连接，用螺栓固定。因风电机有三个桨叶，故同步盘有三个角，成120度排列。每个角都是相同的，所以只设计一个角就可以。同步盘与连杆用一销轴连接，其与同步盘之间用螺纹固定连接，与连杆之间用一关节轴承连接，可以有一定的振动。连杆由两个螺纹轴和一个螺纹套组成，可以实现一定的尺寸补偿。偏心盘与桨叶用螺栓固定。安装时桨叶与推杆之间有相位要求，故安装精度要求较高。3.3确定系统的机械参数本机构主要是传动轴向力

25、，所以只要校核推杆就可以了。液压缸输出的最大力为6吨，推杆最小的面积为3.4变桨控制 液压原理图如图5所示。从中可以看出，通过改变液压比例阀的电压可以改变进桨或退桨速度，在风力机出现故障或紧急停机时，可控制电磁阀V2闭合、V1和V3打开，使储压罐1中的液压油迅速进入变桨缸，推动桨叶达到顺桨位置（90）。图5 液压变桨距系统原理3.4.1 变桨距控制系统（1）变桨距控制系统在发电机并入电网时前，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

26、B的速度给定。节距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。如图2-8所示，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B给出。（2）变距控制变距控制系统是一个随动系统，如图2-9所示。变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。 图7变桨控制转速控制器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，在这工作过

27、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速（50Hz时1500转/min）时的控制。当发电机转速在同步转速10内持续1s发电机将切入电网。控制器包含着常规的PD控制器和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。 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1500时，节距角给定值从45线性的减小到5。这一过程不仅使转子具有高起动而且在风速快速地增大时

28、能够快速起动。 （4）速度控制器B 发电机切入电网后，速度控制系统B作用。速度控制器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1569r/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。0kl功率输出将稳定地保持在额定值上。从图中可知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。2.4.3 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（Rotor Current Control）技术，

29、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的转差率，从而改变风轮转速，吸收由于瞬变风速引起的功率波动。功率控制系统它由两个控制环节组成。外环通过测量转速产生功率参考曲线。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。（2）转子电流控制器原理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，通过改变转子电路和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到16

30、50）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。 本系统中采用西门子公司的S7-200系列PLC为控制器。发电机的功率信号由高速功率变送器以模拟量的形式（010V对应功率0800KW）输入到PLC，桨距角反馈信号（010V对应桨距角090）以模拟量的形输入到PLC的模拟输入单元;液压传感器1、2也要以模拟量的形式输入。输出信号为-10V+10V，将信号输出到比例阀来控制进桨或退桨速度；用计数器测量发电机的转速，发电机的转速是通过检

31、测与发电机相连的光电码盘，每转输出10个脉冲，输入给计数器。（2）系统的软件设计 本系统的主要功能都是由PLC来实现的，当满足风力机起动条件时，PLC发出指令使叶片桨距角从90匀速减小；当发电机并网后PLC根据反馈的功率进行功率节，在额定风速之下保持较高的风能吸收系数，在额定风速之上，通过调整桨距角使输出功率保持在额定功率上。在有故障停机或急停信号时，PLC控制电磁阀V1和V3打开，V2关闭，使得叶片迅速变到桨距角为90的位置。 风力机起动时变桨控制程序流程如图4.5所示。当风速高于起动风速时PLC通过模拟输出单元向比例阀输出1.8V电压，使叶片以0.9/s的速度变化到15。此时，若发电机的转速大于800r/min或者转速持续一分钟大于700r/min，则桨叶继续进桨到3位置。PLC检测到高速计数单元的转速信号大1000r/min时发出并网指令。若桨距角在到达3后2分钟未并网则由模拟输出单元给比例阀输出-4.1V电压，使桨距角退到15位置。 图8风机启动时变桨距控制程序流程图发电机并上电网后