CN113726236A - 风力发电机组及其控制系统 - Google Patents

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CN113726236A
CN113726236A CN202110921077.2A CN202110921077A CN113726236A CN 113726236 A CN113726236 A CN 113726236A CN 202110921077 A CN202110921077 A CN 202110921077A CN 113726236 A CN113726236 A CN 113726236A
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torque
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刘嘉明
吴立建
方杭杭
王思奇
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Zhejiang University ZJU
Shanghai Electric Wind Power Group Co Ltd
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Zhejiang University ZJU
Shanghai Electric Wind Power Group Co Ltd
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Abstract

本申请提供一种风力发电机组及其控制系统，其中，风力发电机组包括发电机和变流器；风力发电机组控制系统包括：主控回路，用于根据发电机的转速，确定发电机的目标转矩；和变流器控制回路，包括转矩控制单元、加阻控制单元及第一合并单元；其中，加阻控制单元用于根据变流器的速度观测器观测获得的发电机的转速或者外部的加速度传感器检测获得的发电机的振动信息，确定第一阻尼转矩，第一合并单元用于对目标转矩和第一阻尼转矩进行合并，获得转矩给定，转矩控制单元用于根据转矩给定，对发电机进行控制。本申请通过在变流器控制回路中增加加阻控制单元以及第一合并单元，实现在变流器中实现加阻控制，大幅降低控制延时，提高控制效果。

Description

风力发电机组及其控制系统
技术领域
本申请涉及风力发电机组领域，尤其涉及一种风力发电机组及其控制系统。
背景技术
常见的主动式传动链与塔架的加阻控制由风力发电机组的主控回路实现，如图1所示，风力发电机组的速度观测器或者加速度传感器提取到发电机产生的转速波动分量ωg(rpm)，并将该转速波动分量作为加阻控制单元的输入，加阻控制单元输出的阻尼转矩
Figure BDA0003207467030000012
加入到主控回路发给变流器的转矩给定
Figure BDA0003207467030000011
中，经过变流器控制输出相应的阻尼控制转矩T，从而控制发电机的转速。
当前的加阻控制在主控回路中实现，由于主控回路的控制周期较长(1ms以上)，与变流器通信周期较长(20ms)以上，在控制中不可避免的出现较大的通信与控制延时，导致阻尼转矩控制效果不佳。
发明内容
本申请提供一种风力发电机组及其控制系统。
具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：
本申请实施例的第一方面，提供一种风力发电机组控制系统，其中，风力发电机组包括发电机和变流器；所述风力发电机组控制系统包括：
主控回路，用于根据所述变流器的速度观测器观测获得的所述发电机的转速，确定所述发电机的目标转矩；和
变流器控制回路，包括转矩控制单元、加阻控制单元及第一合并单元；
其中，所述加阻控制单元用于根据所述变流器的速度观测器观测获得的所述发电机的转速或者外部的加速度传感器检测获得的所述发电机的振动信息，确定第一阻尼转矩，所述第一合并单元用于对所述目标转矩和所述第一阻尼转矩进行合并，获得转矩给定，所述转矩控制单元用于根据所述转矩给定，对所述发电机进行控制。
可选地，所述加阻控制单元用于根据所述变流器的速度观测器观测获得的所述发电机的转速或者外部的加速度传感器检测获得的所述发电机的振动信息，确定在所述风力发电机组处于不同谐振点时的第二阻尼转矩，所述第一阻尼转矩为所述不同谐振点的第二阻尼转矩合并获得。
可选地，所述不同谐振点包括第一谐振点和第二谐振点，所述加阻控制单元包括第一控制链路、第二控制链路和第二合并单元，在所述第一谐振点获得的所述转速或者所述振动信息经所述第一控制链路处理后获得所述第一谐振点对应的第二阻尼转矩，在所述第二谐振点获得的所述转速或者所述振动信息经所述第二控制链路处理后获得所述第二谐振点对应的第二阻尼转矩，所述第二合并单元用于将所述第一谐振点对应的第二阻尼转矩和所述第二谐振点对应的第二阻尼转矩进行合并并输出所述第一阻尼转矩。
可选地，所述第一控制链路包括带通滤波器、第一超前滞后滤波器和第一增益控制器，在所述第一谐振点获得的所述转速或者所述振动信息依次经所述带通滤波器、第一超前滞后滤波器和第一增益控制器后获得所述第一谐振点对应的第二阻尼转矩。
可选地，所述带通滤波器为二阶带通滤波器；和/或，
所述第一超前滞后滤波器为二阶超前滞后滤波器。
可选地，所述第一谐振点包括多个，所述第一控制链路的数量与所述第一谐振点的数量相等且一一对应。
可选地，所述第二控制链路包括离散时间传递函数、第二超前滞后滤波器和第二增益控制器，在所述第二谐振点获得的所述转速或者所述振动信息依次经所述离散时间传递函数、所述第二超前滞后滤波器和所述第二增益控制器后获得所述第二谐振点对应的第二阻尼转矩。
可选地，所述第二超前滞后滤波器为二阶超前滞后滤波器。
可选地，所述加阻控制单元还包括饱和器，用于将所述第二合并单元输出的第一阻尼转矩大小限制在预设转矩范围内。
可选地，所述加阻控制单元还包括参数整定单元，用于根据所述风力发电机组的多个运行参数，确定所述第一控制链路和/或所述第二控制链路中的滤波器的相位和/或频率和/或增益控制器的增益大小。
可选地，所述加阻控制单元还包括多个低通滤波器，多个所述运行参数分别经对应的低通滤波器进行滤波，所述参数整定单元用于将滤波后的多个所述运行参数，确定所述第一控制链路和/或所述第二控制链路中的滤波器的相位和/或频率和/或增益控制器的增益大小。
可选地，所述低通滤波器为一阶低通滤波器。
可选地，所述多个运行参数包括转矩、转速、功率和桨距角中的至少两种。
本申请实施例的第二方面，提供一种风力发电机组，包括发电机、变流器和第一方面任一项所述的风力发电机组控制系统。
根据本申请实施例提供的技术方案，通过在变流器控制回路中增加加阻控制单元以及第一合并单元，实现在变流器中实现加阻控制，大幅降低控制延时，提高控制效果。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是常规的风力发电机组控制系统的结构示意图；
图2是本申请一示例性实施例示出的一种风力发电机组控制系统的结构示意图；
图3是本申请一示例性实施例示出的一种加阻控制单元的结构示意图；
图4是图示3所示实施例的加阻控制单元的一种具体结构示意图；
图5是本申请一示例性实施例示出的一种加阻控制单元的另一结构示意图。
附图标记：
10、主控回路；11、转矩给定控制单元；20、变流器控制回路；21、转矩控制单元；22、加阻控制单元；221、第一控制链路；2211、带通滤波器；2212、第一超前滞后滤波器；2213、第一增益控制器；222、第二控制链路；2221、离散时间传递函数；2222、第二超前滞后滤波器；2223、第二增益控制器；223、第二合并单元；224、饱和器；225、参数整定单元；226、低通滤波器；23、第一合并单元。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
下面结合附图，对本申请的风力发电机组及其控制系统进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
本申请实施例的风力发电机组可包括发电机和变流器。
参见图2，本申请实施例提供一种风力发电机组控制系统，风力发电机组控制系统可包括主控回路10和变流器控制回路20，其中，主控回路10用于根据变流器的速度观测器观测获得的发电机的转速，确定发电机的目标转矩。变流器控制回路20可包括转矩控制单元21、加阻控制单元22及第一合并单元23，在本申请实施例中，加阻控制单元22用于根据变流器的速度观测器观测获得的发电机的转速或者外部的加速度传感器检测获得的发电机的振动信息，确定第一阻尼转矩。第一合并单元23用于对目标转矩和第一阻尼转矩进行合并，获得转矩给定，本申请实施例的第一合并单元23用于对目标转矩和第一阻尼转矩相加，获得转矩给定。转矩控制单元21用于根据转矩给定，对发电机进行控制，从而使得变流器的速度观测器观测获得的发电机的转速的大小趋近于转矩给定对应的转速大小。
本申请实施例中，主控回路10可包括转矩给定控制单元11，转矩给定控制单元11用于根据转速与转矩的变换关系曲线以及发电机的转速，确定目标转矩T*，并将目标转矩T*传输给第一合并单元23，目标转矩T*及第一阻尼转矩Td的合并获得转矩给定
Figure BDA0003207467030000051
是在变流器控制回路20中进行的，即在变流器中实现加阻控制，相比现有在主控回路10中对目标转矩T*和阻尼转矩
Figure BDA0003207467030000053
获得转矩给定
Figure BDA0003207467030000052
(即在主控回路10中实现加阻控制的方式)，在变流器中实现加阻控制的方式的控制周期由于在变流器内部实现，因此与变流器的转矩控制相同，且无传输延时，故大幅降低控制延时，提高控制效果，同时还能够降低对主控回路10的资源占用。
本申请实施例通过在变流器控制回路20中增加加阻控制单元22以及第一合并单元23，实现在变流器中实现加阻控制，大幅降低控制延时，提高控制效果。
本申请实施例中，采用未滤波高频转速或者振动信号作为加阻控制单元22的输入。
如果使用滤波的高频转速，则含在其中的谐振数据会有丢失，而若如果使用低频速度，则有些谐振不会体现出来，因此，本申请采用未滤波高频转速，从而能够提供完整谐振数据。
其中，在一些实施例中，加阻控制单元22用于根据变流器的速度观测器观测获得的发电机的转速或者外部的加速度传感器检测获得的发电机的振动信息，确定在风力发电机组处于某个谐振点时的第二阻尼转矩，第一阻尼转矩的大小等于上述某个谐振点的第二阻尼转矩的大小。
在另外一些实施例中，加阻控制单元22用于根据变流器的速度观测器观测获得的发电机的转速或者外部的加速度传感器检测获得的发电机的振动信息，确定在风力发电机组处于不同谐振点时的第二阻尼转矩，第一阻尼转矩为不同谐振点的第二阻尼转矩合并获得，即第一阻尼转矩为不同谐振点的第二阻尼转矩之和，如此，通过变流器实现对风力发电机组谐振抑制的有效控制。
不同谐振点可包括第一谐振点和第二谐振点，例如，第一谐振点可在常规谐振频率范围内，第二谐振点可在常规谐振频率范围外，此时，第一谐振点可称作为常规谐振点，第二谐振点可称作为非常规谐振点。其中，常规谐振频率范围可基于风力发电机组的历史谐振频率数据计算获得，其余谐振点即为非常规谐振点。而在另外一些实施例中，第一谐振点、第二谐振点也可按照其他方式区分。
参见图3，加阻控制单元22可包括第一控制链路221、第二控制链路222和第二合并单元223，在第一谐振点获得的转速或者振动信息经第一控制链路221处理后获得第一谐振点对应的第二阻尼转矩，在第二谐振点获得的转速或者振动信息经第二控制链路222处理后获得第二谐振点对应的第二阻尼转矩，第二合并单元223用于将第一谐振点对应的第二阻尼转矩和第二谐振点对应的第二阻尼转矩进行合并并输出第一阻尼转矩Td。这样，由第一控制链路221对第一谐振点进行加阻控制，由第二控制链路222对第二谐振点进行加阻控制，从而有效抑制风力发电机组的谐振。
通过设置第一控制链路221、第二控制链路222和第二合并单元223，将复杂的工况细分化，从而针对不同的工况做出判断并给出个性化的控制策略。
参见图4，第一控制链路221可包括带通滤波器2211、第一超前滞后滤波器2212和第一增益控制器2213，在第一谐振点获得的转速或者振动信息依次经带通滤波器2211、第一超前滞后滤波器2212和第一增益控制器2213后获得第一谐振点对应的第二阻尼转矩。带通滤波器2211用于将最大振幅(转速或者振动信息对应的最大幅值)设置在需要阻尼的频率(即第一谐振点对应的谐振频率)，第一超前滞后滤波器2212用于调节相位延迟和相位偏差，第一增益用于控制第一控制链路221的开通和关断，具体通过设置第一增益中的0和1，来控制第一控制链路221的开通和关断。
带通滤波器2211可以为二阶带通滤波器，如RLC的串联回路，二阶带通滤波器2211实现简单。可以理解地是，带通滤波器2211也可为其他类型的带通滤波器。
第一超前滞后滤波器2212为二阶超前滞后滤波器，实现简单。可以理解地是，第一超前滞后滤波器2212也可为其他类型的超前滞后滤波器。
示例性的，在一可行的实施例中，带通滤波器2211为二阶带通滤波器，第一超前滞后滤波器2212为二阶超前滞后滤波器。
第一谐振点的数量可以为一个，也可以为多个。
示例性的，第一谐振点包括多个，第一控制链路221的数量与第一谐振点的数量相等且一一对应，即通过一个第一控制链路221对一个第一谐振点进行加阻控制。图4所示的实施例中，第一谐振点包括3个，第一控制链路221的数量也为3个。
再次参见图4，第二控制链路222可包括离散时间传递函数2221、第二超前滞后滤波器2222和第二增益控制器2223，在第二谐振点获得的转速或者振动信息依次经离散时间传递函数2221、第二超前滞后滤波器2222和第二增益控制器2223后获得第二谐振点对应的第二阻尼转矩。其中，离散时间传递函数2221链路包含有高阶(如10阶或以上)离散时间传递函数2221，用于提供第一控制链路221无法提供的复杂加阻控制，也即，第二控制链路222的加阻控制方式的复杂程度大于第一控制链路221的加阻控制方式复杂程度，从而可通过第二控制链路222对非常规的第二谐振点进行加阻控制。
第二超前滞后滤波器2222为二阶超前滞后滤波器，实现简单。可以理解地是，第二超前滞后滤波器2222也可为其他类型的超前滞后滤波器。
第二合并单元223的数量可以根据需要设置，例如，当第一控制链路221和第二控制链路222的数量较少时，可以仅使用一个第二合并单元223，如第一控制链路221和第二控制链路222分别包括一个，第一控制链路221输出的第二阻尼转矩和第二控制链路222输出的第二阻尼转矩作为该第二合并单元223的输入，在第二合并单元223中进行合并后获得第一阻尼转矩；当第一控制链路221和第二控制链路222的数量较多时，可以使用多个第二合并单元223，如图4所示的实施例中，三条第一控制链路221中的两条第一控制链路221输出的第二阻尼转矩输入其中一个第二合并单元223进行合并，合并获得的阻尼转矩与三条第一控制链路221中的另外一条第一控制链路221输出的第二阻尼转矩及第二控制链路222输出的第二阻尼转矩在另外一个第二合并单元223中进行合并，获得第一阻尼转矩。
在一些实施例中，第二合并单元223输出的第一阻尼转矩即为加阻控制单元22输出的第一阻尼转矩。
在另外一些实施例中，需对第二合并单元223输出的第一阻尼转矩进一步处理，获得加阻控制单元22输出的第一阻尼转矩。例如，参见图4，本申请实施例的加阻控制单元22还可包括饱和器224，该饱和器224用于将第二合并单元223输出的第一阻尼转矩大小限制在预设转矩范围内。举例而言，当第二合并单元223输出的第一阻尼转矩大小在预设转矩范围内，则第二合并单元223输出的第一阻尼转矩即为加阻控制单元22输出的第一阻尼转矩；当第二合并单元223输出的第一阻尼转矩大小不在预设转矩范围内时，加阻控制单元22输出的第一阻尼转矩的大小为预设转矩范围的最大转矩值和最小转矩值中最靠近第二合并单元223输出的第一阻尼转矩大小的一个值。比如，当第二合并单元223输出的第一阻尼转矩大小大于最大转矩值，则饱和器224用于将加阻控制单元22输出的第一阻尼转矩的大小设置为最大转矩值；当第二合并单元223输出的第一阻尼转矩大小小于最小转矩值，则饱和器224用于将加阻控制单元22输出的第一阻尼转矩的大小设置为最小转矩值。可以理解地是，饱和器224也可采用其他策略将第二合并单元223输出的第一阻尼转矩大小限制在预设转矩范围内。
其中，预设转矩范围可以根据需要设置。
上述实施例中的第一控制链路221和/或第二控制链路222中的滤波器的相位和/或频率和/或增益控制器的增益大小可在线实时调整。
示例性的，参见图5，加阻控制单元22还可包括参数整定单元225，该参数整定单元225用于根据风力发电机组的多个运行参数，确定第一控制链路221和/或第二控制链路222中的滤波器的相位和/或频率和/或增益控制器的增益大小，这是由于传动系统的动力学系统会因不同的运行条件而变化，因此选择的滤波器的特性和增益等参数需要根据不同的运行条件采用不同的数值，参数整定单元225采用多维参数整定策略能够提高加阻控制效果。通过参数整定单元225进行多角度多维度的参数分析及整定，有效降低整定过程的错误发生的概率和有效减少误差。
在一可行的实施例中，参数整定单元225用于根据风力发电机组的多个运行参数，确定第一控制链路221和第二控制链路222中的各滤波器的相位和频率以及各增益控制器的增益大小，参数整定单元225可通过多维线性化参数整定策略在线调整相位、频率和增益等参数。
示例性的，参见图5，加阻控制单元22还可包括多个低通滤波器226，多个运行参数分别经对应的低通滤波器226进行滤波，参数整定单元225用于将滤波后的多个运行参数，确定第一控制链路221和/或第二控制链路222中的滤波器的相位和/或频率和/或增益控制器的增益大小。
由于风力发电机组的谐振主要存在于0.1～10Hz，因此采用低通滤波器226将对应运行参数的谐振过滤出来。
低通滤波器226可为一阶低通滤波器，实现简单。可以理解地是，低通滤波器226也可为其他类型的低通滤波器。
其中，多个运行参数可包括转矩(即发电机的实际转矩)、转速(即发电机的转速)、功率和桨距角中的至少两种，但不限于此。在图5所示的实施例中，多个运行参数包括转矩、转速、功率和桨距角。
本申请实施例中，主控回路10可通过风力发电机组的主控器实现，变流器控制回路20可通过变流器的控制器实现。
本申请实施例还提供一种风力发电机组，该风力发电机组可包括发电机、变流器和上述实施例中的风力发电机组控制系统。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (14)

1.一种风力发电机组控制系统，其中，风力发电机组包括发电机和变流器；其特征在于，所述风力发电机组控制系统包括：
主控回路(10)，用于根据所述变流器的速度观测器观测获得的所述发电机的转速，确定所述发电机的目标转矩；和
变流器控制回路(20)，包括转矩控制单元(21)、加阻控制单元(22)及第一合并单元(23)；
其中，所述加阻控制单元(22)用于根据所述变流器的速度观测器观测获得的所述发电机的转速或者外部的加速度传感器检测获得的所述发电机的振动信息，确定第一阻尼转矩，所述第一合并单元(23)用于对所述目标转矩和所述第一阻尼转矩进行合并，获得转矩给定，所述转矩控制单元(21)用于根据所述转矩给定，对所述发电机进行控制。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，所述加阻控制单元(22)用于根据所述变流器的速度观测器观测获得的所述发电机的转速或者外部的加速度传感器检测获得的所述发电机的振动信息，确定在所述风力发电机组处于不同谐振点时的第二阻尼转矩，所述第一阻尼转矩为所述不同谐振点的第二阻尼转矩合并获得。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，所述不同谐振点包括第一谐振点和第二谐振点，所述加阻控制单元(22)包括第一控制链路(221)、第二控制链路(222)和第二合并单元(223)，在所述第一谐振点获得的所述转速或者所述振动信息经所述第一控制链路(221)处理后获得所述第一谐振点对应的第二阻尼转矩，在所述第二谐振点获得的所述转速或者所述振动信息经所述第二控制链路(222)处理后获得所述第二谐振点对应的第二阻尼转矩，所述第二合并单元(223)用于将所述第一谐振点对应的第二阻尼转矩和所述第二谐振点对应的第二阻尼转矩进行合并并输出所述第一阻尼转矩。
4.根据权利要求3所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，所述第一控制链路(221)包括带通滤波器(2211)、第一超前滞后滤波器(2212)和第一增益控制器(2213)，在所述第一谐振点获得的所述转速或者所述振动信息依次经所述带通滤波器(2211)、第一超前滞后滤波器(2212)和第一增益控制器(2213)后获得所述第一谐振点对应的第二阻尼转矩。
5.根据权利要求4所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，所述带通滤波器(2211)为二阶带通滤波器；和/或，
所述第一超前滞后滤波器(2212)为二阶超前滞后滤波器。
6.根据权利要求4所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，所述第一谐振点包括多个，所述第一控制链路(221)的数量与所述第一谐振点的数量相等且一一对应。
7.根据权利要求3或4所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，所述第二控制链路(222)包括离散时间传递函数(2221)、第二超前滞后滤波器(2222)和第二增益控制器(2223)，在所述第二谐振点获得的所述转速或者所述振动信息依次经所述离散时间传递函数(2221)、所述第二超前滞后滤波器(2222)和所述第二增益控制器(2223)后获得所述第二谐振点对应的第二阻尼转矩。
8.根据权利要求7所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，所述第二超前滞后滤波器(2222)为二阶超前滞后滤波器。
9.根据权利要求2所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，所述加阻控制单元(22)还包括饱和器(224)，用于将所述第二合并单元(223)输出的第一阻尼转矩大小限制在预设转矩范围内。
10.根据权利要求2所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，所述加阻控制单元(22)还包括参数整定单元(225)，用于根据所述风力发电机组的多个运行参数，确定所述第一控制链路(221)和/或所述第二控制链路(222)中的滤波器的相位和/或频率和/或增益控制器的增益大小。
11.根据权利要求10所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，所述加阻控制单元(22)还包括多个低通滤波器(226)，多个所述运行参数分别经对应的低通滤波器(226)进行滤波，所述参数整定单元(225)用于将滤波后的多个所述运行参数，确定所述第一控制链路(221)和/或所述第二控制链路(222)中的滤波器的相位和/或频率和/或增益控制器的增益大小。
12.根据权利要求11所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，所述低通滤波器(226)为一阶低通滤波器。
13.根据权利要求10所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，所述多个运行参数包括转矩、转速、功率和桨距角中的至少两种。
14.一种风力发电机组，其特征在于，包括发电机、变流器和权利要求1至13任一项所述的风力发电机组控制系统。
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