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风机变桨系统刹车电阻配置对系统稳定性影响的数值模拟分析

文档作者：孙必城文档来源：中广核新能源（浙江）有限公司		更新日期： 2026年05月18日	点击数：
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235
　综述
风机变桨系统作为现代风力发电机组的核心组件之
一，主要功能是通过调整叶片角度以优化风能转化效
率，同时确保风机在各种风速条件下的稳定运行。然
而，在实际应用中，由于刹车电阻配置不同，系统动态
响应特性也存在显著差异，从而影响风机的整体稳定
性。本文旨在建立风机变桨系统刹车电阻配置的动态模
型，结合系统稳定性分析的理论基础，探讨了不同刹车
电阻配置方案对系统稳定性的影响。
一、风机变桨系统刹车电阻配置动态模型
1.刹车电阻配置的理论模型
在风机变桨系统中，刹车电阻（制动电阻）的配置
是设计的关键参数，决定了系统在各种工况下的动态响
应和稳定性。当风机叶片在风速突变的情况下进行频繁
的变桨操作时，刹车电阻的配置将直接影响系统能否有
效地释放多余的电能，以避免系统过载和不稳定现象。
（1）刹车电阻工作原理。刹车电阻的核心任务是在
风机变桨系统中通过电力电子设备控制，将多余的电能
以热能的形式耗散。风机变桨系统的主要工作原理是通过
变桨驱动器调节叶片的角度，以应对不同风速条件下的发
电需求。在风速剧烈波动时，叶片需要频繁调整角度，因
此变桨电机频繁加速和减速。变桨电机通过直流母线获得
能量，而在减速过程中会产生回馈电能。如果没有合适的
刹车电阻来消耗这些多余电能，系统的直流母线电压将显
著升高，会导致驱动器故障或系统不稳定。
刹车电阻的工作过程的功率消耗公式如下。
2
brake brake b P RI = ⋅
其中，Pbrake是刹车电阻的功率消耗，Rb是刹车电阻
的阻值，Ibrake是通过刹车电阻的电流。
根据公式上式可知，刹车电阻通过消耗电流产生的能
量来释放多余的电能，从而避免系统中直流母线电压的过
度上升。合理的刹车电阻阻值能够在回馈电能增大的情况
下，迅速降低系统的电压，从而保持系统的稳定。
（2）刹车电阻的电气模型。为了更好地理解刹车电
阻的作用，本文建立刹车电阻的电气模型，电阻本身的
电压Vdc和电流Ibrake关系如下公式。
brake
brake dc b b
V dI RIL
dt
= ⋅+⋅
其中，Lb表示刹车电阻的电感值，Rb是刹车电阻的
阻值，Ibrake是刹车电阻的电流，Vdc是系统直流母线电
压。刹车电阻不仅有电阻效应，还存在电感效应。由
于存在电感效应，刹车电阻的电流不会立刻变化，而是
逐步上升，刹车电阻不能瞬时释放所有多余的电能。因
此，电感越大，系统在电流变化时的响应越慢，系统在短
时间内无法充分消耗能量，进而影响系统的动态性能。
（3）动力学方程的构建。在风机变桨系统中，刹车
电阻的作用不仅体现在电气模型中，还与叶片的机械动
力学有着密切的关系。叶片在不同风速条件下的变桨过
程，可以通过动力学方程描述。
2
wind brake 2
J d d BTT
dt dt
θ θ
⋅ +⋅=−
其中，J是叶片的转动惯量，θ是叶片的旋转角度，
B是系统的阻尼系数，Twind是由风力产生的力矩，Tbrake是
刹车电阻通过驱动器施加的制动力矩。叶片的加速度受
到外部风力矩和由刹车电阻控制的制动力矩共同影响。
当风速变化剧烈时，风力矩变化较大，系统为了维持稳
定的输出功率，需要快速调整叶片角度，从而使得叶片
的加速度增大。此时，刹车电阻的配置对于调节叶片的
动态响应至关重要。
（4）刹车电阻配置对系统稳定性的影响。为了进一
步理解刹车电阻配置对系统稳定性的影响，本文引入系
统的动态响应函数。在一个理想的变桨系统中，刹车电
风机变桨系统刹车电阻配置对系统稳定性影响的
数值模拟分析
孙必城　　中广核新能源（浙江）有限公司
【摘　要】建立刹车电阻配置的理论模型，结合系统稳定性分析的理论基础，提出了系统的动态响应指标。基于不
同的刹车电阻配置方案，进行了数值模拟研究。通过对比不同配置下的模拟结果，分析刹车电阻的配置
对系统稳定性的重要作用。研究表明，合理的刹车电阻配置能够显著提高风机变桨系统的稳定性，为实
际工程设计提供了参考依据。
【关键词】风机变桨系统；刹车电阻配置；系统稳定性；数值模拟
【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2025.04.079
236
　综述
阻能够迅速吸收多余的电能，并将其转化为热能。系统
的动态响应传递函数如下。
2
wind brake ( ) 1 ( )
( )
H s s
üüü
Θ
= =
+ +
其中， 是叶片角度的拉普拉斯变换，Twind(S)是风力
矩的拉普拉斯变换，Kbrake是与刹车电阻配置相关的增益系
数，反映了刹车电阻对系统制动效果的影响。
通过对传递函数的分析可以看出，刹车电阻阻值Rb
过低会导致Kbrake过小，从而降低了系统的稳定性，系统
的响应时间加长，甚至可能导致系统振荡或不稳定。相
反，若阻值Rb过大，系统的制动效果增强，会导致过度
制动，表现为系统响应过快，影响系统的平稳运行。
2.系统稳定性分析的理论基础
通过李雅普诺夫稳定性理论来分析非线性系统的稳
定性。李雅普诺夫理论认为，若存在一个正定的李雅普
诺夫函数V(x)，使得其对时间的导数为负，则系统是稳
定的。对于风机变桨系统，非线性控制器的设计需考虑
刹车电阻配置对李雅普诺夫函数的影响，从而确保系统
在非线性条件下的稳定性。
二、风机变桨系统刹车电阻配置对系统稳定性影响
的数值模拟
1.数值模拟参数设定
在风机变桨系统的数值模拟中，为了准确评估刹车
电阻配置对系统稳性的影响，基于实际风机运行环境和
设备特性合理设定模拟参数。
（1）风机系统的基本参数设定。风机变桨系统的
基本物理参数决定了系统的动态响应行为。以下是用于
数值模拟的主要风机参数：①叶片转动惯量。叶片的转
动惯量是系统中非常重要的参数，它决定了叶片的旋转
惯性。较大的转动惯量意味着叶片在外力作用下加速或
减速的响应较慢。叶片的转动惯量通过风机制造商提供
的设计数据或实验测定。②系统阻尼系数。阻尼系数反
映了系统中存在的摩擦或耗能效应。风机系统中的阻尼
来自空气阻力和机械摩擦。较大的阻尼系数能够抑制系
统的振荡行为，提高系统的稳定性。③弹性恢复力矩系
数。叶片在受到扰动时会产生一个弹性恢复力矩，试图
将其恢复到初始角度。
（2）电气系统参数设定。变桨系统中的刹车电阻通
过消耗电能来减缓系统的运动，因此电气系统参数设定也
是模拟的重要组成部分。①刹车电阻。刹车电阻是影响
系统稳定性的关键因素。在数值模拟中，为了评估刹车
电阻配置的不同方案，设定了多个电阻值，从而更好地
观察电阻对系统稳定性的影响。②电流。刹车电阻中的
电流是由变桨系统的电动机驱动产生的。电流的大小取
决于系统的转速和电动机的输出电压。③功率耗散。刹
车电阻的功率耗散通过电阻和电流的平方关系得到，刹车
电阻值越大，系统在相同电流下的功率耗散越大，能够更
加迅速地吸收系统的多余能量。
（3）控制系统参数设定。
为了保证风机变桨系统在各种运行工况下保持稳定
运行，系统会配备闭环控制器。控制器的设计直接影响
系统的动态响应。本文设定了典型的比例－积分－微分
（PID）控制器参数，用于数值模拟。①比例增益Kp。比
例增益决定了系统对误差的响应速度。较大的比例增益
能够加速系统的响应，但同时也可能导致系统不稳定。
②积分增益Ki。积分增益用于消除系统的稳态误差，但
较大的积分增益可能导致系统出现超调现象。③微分增
益Kd。微分增益通过预测系统的误差变化趋势来抑制系
统振荡。
PID控制器的传递函数表示为：
( ) i
p d
G s K KKs
s
= ++⋅
通过调节PID控制器的参数，可以进一步优化系统的
动态响应特性。
（4）风速变化参数设定。风机变桨系统的主要任务
是根据不同的风速调整叶片角度，最大化地利用风能，
并保护风机不受极端风速的损坏。因此，风速变化是数
值模拟中必须考虑的因素。本文设定了三种典型的风速
工况，如表1所示。
表1　典型风速工况
工况 风速 风机状态
低风速 v＝5m/s 风机低速运行状态
额定风速 v＝12m/s 风机处于额定功率输出状态
高风速 v＝20m/s
此时系统需要迅速调整变桨角度以减小叶片
承受的风力，避免风机损坏
风速变化将影响风力矩Twind的大小，其关系为：
3
wind 0.5 p
T v AC ρ
ω
= ⋅⋅⋅⋅
上述公式中，ρ为空气密度，设定为1.225kg/m3；A
为风机扫风面积；Cp为功率系数，假设Cp＝0.4 ；ω为叶
片转速。
2.不同刹车电阻配置方案的设计
在风机变桨系统中，当叶片角度发生快速变化时，
系统会产生较大的惯性冲击，进而出现超调或振荡不稳
定现象。刹车电阻的主要作用是通过耗散系统动能，减
小振荡幅度并增强系统的阻尼特性。刹车电阻的功率耗
Θ(s)
237
　综述
散通过以下公式计算。
2
brake brake b P RI = ⋅
其中，Rb为刹车电阻的电阻值，Ibrake为通过刹车电阻
的电流。
（1）固定电阻配置方案。当系统运行工况较为稳
定、风速波动较小时，使用固定电阻配置方案。在该方
案中，系统始终使用一个固定的刹车电阻值Rb，不随系
统运行状态变化。在考虑系统的额定运行工况后，设计
固定电阻。假设风机变桨系统的额定功率输出为Prated，
并且刹车电阻需要在系统超调时吸收部分动能。此时，
电阻的选取可以通过功率平衡来确定。
2
rated rated b
R V
P
=
其中，V2
rated为电动机的额定电压，Prated为系统的额
定功率。在此方案下，刹车电阻的阻尼效果固定，适用
于中等风速工况，但在风速较大时可能难以快速响应，
因此稳定性有所欠缺。
（2）可变电阻配置方案。当风速增大时，系统通过
控制器自动增加刹车电阻的阻值，在可变电阻配置方案
中，刹车电阻与变桨角度θ或叶片转速ω相关联，可变
电阻的阻值Rb(θ,ω)通过以下公式表示：
0 1 2 ( , ) b R Rkk θ ω θω = +⋅+⋅
其中，R0为基准电阻值，k1和k2为调节系数。可变电
阻配置方案能够根据系统的动态变化进行自适应调节，
尤其在大风速或风速变化较为剧烈的情况下，能够有效
缓解系统的不稳定性，提高系统的动态响应能力。
（3）分段式电阻配置方案。分段式电阻配置是结合
固定电阻和可变电阻配置的一种方案。在此方案中，刹车
电阻被分为若干不同阻值的模块，系统根据叶片的转速或
变桨角度进行分段式切换。
按照不同的风速区域规划分段式电阻的阻值。分段
式电阻的动态切换通过控制器进行，切换的准则基于风
速传感器的实时反馈。这种设计能够在系统的不同工作
状态下提供相应的阻尼，保证系统在不同风速工况下都
具有良好的稳定性。
（4）自适应智能电阻配置方案。自适应智能电阻配
置方案基于现代控制技术，通过智能算法实时调整刹车电
阻的阻值。该方案结合了前述几种方案的优点，能够根据
系统的运行状态、风速变化、叶片角度和其他多种因素对
刹车电阻进行全局优化。
3.数值模拟结果分析
通过对不同刹车电阻配置方案的数值模拟结果进行
综合分析，可以得出以下结论：固定电阻配置虽然实现
简单，但在风速波动较大的情况下，系统的稳定性较
差，超调量大，直流母线电压易升高。可变电阻配置在
动态调整电阻值后，系统的响应性能得到显著提升，超
调量和直流母线电压均得到有效控制。分段式电阻配置
对不同风速条件下的超调量和电压控制表现良好，但在
风速频繁变化时，切换过程可能产生短暂的不稳定性。
自适应智能电阻配置提供了最佳的动态响应和稳定性，
能够在各种工况下保持系统的最优性能。
综合考虑系统的响应速度、稳定性和控制复杂性，
自适应智能电阻配置方案在大多数情况下表现最佳，适
合用于风机变桨系统的实际应用。
三、结束语
通过对风机变桨系统中刹车电阻配置对系统稳定性
影响的研究，本文建立了相关的理论模型，并利用数值
模拟分析了不同刹车电阻配置方案对系统动态响应和稳
定性的影响。研究表明，刹车电阻的合理配置对于风机
变桨系统的稳定性具有至关重要的作用。本文验证了不
同刹车电阻配置对风机变桨系统稳定性的影响规律，并
为风机变桨系统的工程设计提供了理论参考和数值依
据。未来可进一步探索更为智能化的刹车电阻控制策
略，结合人工智能算法实现更高效、更稳定的系统动态
响应，以应对更加复杂的实际工况。
参考文献：
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能源，2023，41(5):618-624.
作者简介：孙必城（1994—），男，汉族，江苏泰州人，
本科，研究方向：风力发电站运行设备技术运维。

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