風力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制設(shè)計畢業(yè)論文

1、風力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制設(shè)計摘要風力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制技術(shù)是風力發(fā)電在控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性已成為風力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風電場長期安全可靠運行的重大問題。在實際應用過程中，尤其是一般風力發(fā)電機組控制與檢測系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上的要求是不困難的。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風力發(fā)電機組的聲譽。有的風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的功能很強,但由于工作不可靠,經(jīng)常出故障,而出現(xiàn)故障后對一般用戶來說維修又十分困難，于是這樣一套控制系統(tǒng)可能發(fā)揮不了它應有的作用。因此對于一個風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計和使用者來說,系統(tǒng)的安全可靠性必須認真加以考慮,

2、必須引起足夠的重視。我們的目的是希望通過控制系統(tǒng)的設(shè)計，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)不出故障或少出故障，并且在出故障之后能夠以最快的速度修復系統(tǒng),使之恢復正常工作。關(guān)鍵詞 ： 風力發(fā)電的基本原理； 風力發(fā)電機的基礎(chǔ)理論 ； 風力發(fā)電控制系統(tǒng)； 風輪機的氣動特性； 變槳距控制系統(tǒng)。1緒論1.1國內(nèi)外風力發(fā)電的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢風能屬于可再生能源，具有取之不盡、用之不竭、無污染的特點。人類面臨的能源、環(huán)境兩大緊迫問題使風能的利用日益受到重視。我國的風能資源豐富，可利用的潛能很大，大力發(fā)展風、水電是我國長期的能源政策。而其中風電是可再生能源中最具發(fā)展?jié)摿蜕虡I(yè)開發(fā)價值的能源方式。從20世紀8

3、0年代問世的現(xiàn)代并網(wǎng)風力發(fā)電機組，只經(jīng)過30多年的發(fā)展，世界上已有近50個國家開發(fā)建設(shè)了風電場(是前期總數(shù)的3倍)，2002年底，風電場總裝機容量約31128兆瓦(是前期總數(shù)的300倍)。2005年以來，全球風電累計裝機容量年平均增長率為27.3%，新增裝機容量年平均增長率為36.1%，保持著世界增長最快能源的地位。2010年全球裝機容量達196630MW，新裝機容量37642MW，比去年同期增長23.6%。目前，德國、西班牙和意大利三國的風電機組的裝機容量約占到歐洲總量的65%。近年來，在歐洲大力發(fā)展風電產(chǎn)業(yè)的國家還有法國、英國、葡萄牙、丹麥、荷蘭、奧地利、瑞典、愛爾蘭。歐洲之外，發(fā)展風電的

4、主要國家有美國、中國、印度、加拿大和日本。迄今為止，世界上已有82個國家在積極開發(fā)和應用風能資源。海上風力資源條件優(yōu)于陸地，將風電場從陸地向近海發(fā)展在歐洲已經(jīng)成為一種新的趨勢。有人把風電的發(fā)展規(guī)劃為3步曲，陸上風電技術(shù)（當前技術(shù)）一近海風電技術(shù)（正研發(fā)技術(shù)）一海上風電技術(shù)（未來發(fā)展方向）。2010年北美的裝機容量有顯著下降，美國年度裝機容量首度不及中國；多數(shù)西歐國家風能發(fā)展處于飽和階段，但風能產(chǎn)業(yè)在東歐國家得到顯著發(fā)展；非洲風能發(fā)展主要集中在北非。隨著海上風電的迅速發(fā)展，單機容量為3 -6MW的風電機組已經(jīng)開始進行商業(yè)化運行。美國7MW風電機組已經(jīng)研制成功，正在研制10MW機組；英國10MW機

5、組也正在進行設(shè)計，挪威正在研制 14MW的機組，歐盟正在考慮研制20MW的風電機組，全球各主要風電機組制造廠家都在為未來更大規(guī)模的海上風電場建設(shè)做前期開發(fā)。1.1.1世界上風力發(fā)電的現(xiàn)狀近年來，世界風電發(fā)展持續(xù)升溫，速度加快。現(xiàn)主要以德國、西班牙、丹麥和美國的一些公司為代表，大規(guī)模地促進了風電產(chǎn)業(yè)化和風機設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展。經(jīng)過四、五年時間的整合，國際上風機制造業(yè)大約有十幾家比較好的大企業(yè)。2003年底，全世界風電是3800萬千瓦左右，而2003年一年就增加了400多萬千瓦，僅德國到2003年底的裝機容量就有1600萬千瓦，其次是西班牙、美國、丹麥等國。國外風電的發(fā)展趨勢，一是發(fā)展速度加快，二是

6、風機機組從小型化向大型化發(fā)展,海上風電廠是下一步發(fā)展的主流。全世界風力發(fā)電總裝機容量:1981年為105萬kW,1994年為350萬kW,1995年達到490萬kW,1996年底為607萬kW,1997年升至780萬kW,1998年已達到968.9萬kW,2000年5月已超過1429萬kWa德國風力發(fā)電在裝機容量方面居于世界領(lǐng)先地位，2000年5月已達到4635萬kW;丹麥是開發(fā)風電最早的國家，而且當前在風力發(fā)電技術(shù)和生產(chǎn)方面等仍處于領(lǐng)先地位，全國裝機容量148萬kW，占發(fā)電總裝機容量的5%以上。國際上許多國家都制定了新世紀的風力發(fā)電計劃，歐洲風能協(xié)會己制定出2020年歐洲風能裝機容量1.0X

7、 lOSMW的目標，并寫入了歐共體關(guān)于可再生能源的白皮書;歐洲風能委員會CEWER)對I99I年歐洲風能發(fā)展目標作了修改，新的EWEA目標是:歐洲風力發(fā)電機裝機容量到2000年約為8000MW,2010年為100000MW。歐洲風能協(xié)會和丹麥能源與發(fā)展論壇的研究報告表明:在20年內(nèi)風力發(fā)電可以滿足世界電力需求量的10%。1.1.2我國風力發(fā)電的現(xiàn)狀風能資源作為一種可再生能源取之不盡，中國更是風能大國，據(jù)統(tǒng)計中國風能的技術(shù)開發(fā)量可達3億千瓦-6億千瓦，而且中國風能資源分布集中，有利于大規(guī)模的開發(fā)和利用。據(jù)考察中國的風能資源主要集中在兩個帶狀地區(qū)，一條是“三北（東北、華北、西北）地區(qū)豐富帶”即西北

8、、華北和東北的草原和戈壁地帶；另一條是“沿海及其島嶼地豐富帶”，即東部和東南沿海及島嶼地帶。這些地區(qū)一般都缺少煤炭等常規(guī)能源并且在時間上冬春季風大、降雨量少，夏季風小、降雨量大，而風電正好能夠彌補火電的缺陷并與水電的枯水期和豐水期有較好的互補性。80年代初，200千瓦風機的研制開發(fā)工作開始實施。從90年代初期在山東容城建設(shè)了第一個商業(yè)化風力發(fā)電廠，到2010年底，中國以約4182.7萬千瓦的累積風電裝機容量首次超越美國位居世界第一，較2009年同比大增62%。按照國家電網(wǎng)此前出具的研究報告，到2015年，電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)可吸納風電上網(wǎng)的規(guī)模達1億千瓦，到2020年可達1.5億千瓦。受國際風電發(fā)展

9、大型化趨勢的驅(qū)使，國內(nèi)風電機組技術(shù)取得了不俗的成果。2005年，中國風電場新安裝的MW級風電機組（1MW）僅占當年新增裝機容量的21.5%。隨著國內(nèi)企業(yè)MW級風電機組產(chǎn)量的增加，2007年MW級風電機組的裝機容量占到當年新增市場的51%，2008年占到72.8%，2009年占到86.8%。2009年中國在多MW級（2MW）風電機組研制方面取得新的成果，如金風科技股份研制的2.5MW和3MW的風電機組已在風電場投入試運行；華銳風電科技股份研制的3MW海上風電機組已在東海大橋海上風電場并網(wǎng)發(fā)電；由沈陽工業(yè)大學研制的3MW風電機組也已經(jīng)成功下線。此外，中國華銳、金風、東汽、海裝、湘電等企業(yè)已開始研制

10、單機容量為5MW的風電機組。中國開始全面邁進多MW級風電機組研制的領(lǐng)域。2010年，國際上公認中國很難建成自主化的海上風電項目，然而，華銳風電科技集團中標的上海東海大橋項目，用完全中國自主的技術(shù)和產(chǎn)品，用兩年的時間實現(xiàn)了裝機，并于2010年成功投產(chǎn)運營，令世界風電行業(yè)震驚。報告預測，2013年，中國風電裝機量很可能達到16.6千兆瓦，在2014年達到17千兆瓦，2015年達到18千兆瓦。按照這個增長速度，中國在2015年末風電并網(wǎng)裝機達到1億千瓦的目標將提前一年實現(xiàn)。風力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制技術(shù)是風力發(fā)電在控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。1.1.3論文主要內(nèi)容的簡介風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性已成為風

11、力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風電場長期安全可靠運行的重大問題。在實際應用過程中，尤其是一般風力發(fā)電機組控制與檢測系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上的要求是不困難的。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風力發(fā)電機組的聲譽。有的風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的功能很強,但由于工作不可靠,經(jīng)常出故障,而出現(xiàn)故障后對一般用戶來說維修又十分困難，于是這樣一套控制系統(tǒng)可能發(fā)揮不了它應有的作用。因此對于一個風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計和使用者來說,系統(tǒng)的安全可靠性必須認真加以考慮,必須引起足夠的重視。我們的目的是希望通過控制系統(tǒng)的設(shè)計，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)不出故障或少出故障，并且在出故障

12、之后能夠以最快的速度修復系統(tǒng),使之恢復正常工作。2 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理2.1 風力發(fā)電的基本原理2.1.1 風力發(fā)電的基本原理風能具有一定的動能，通過風輪機將風能轉(zhuǎn)化為機械能，拖動發(fā)電機發(fā)電。風力發(fā)電的原理是利用風帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速器將旋轉(zhuǎn)的速度提高來促使發(fā)電機發(fā)電的。依據(jù)目前的風車技術(shù)，大約3m/s的微風速度便可以開始發(fā)電。風力發(fā)電的原理說起來非常簡單，最簡單的風力發(fā)電機可由葉片和發(fā)電機兩部分構(gòu)成如圖1-1所示?？諝饬鲃拥膭幽茏饔迷谌~輪上，將動能轉(zhuǎn)換成機械能，從而推動片葉旋轉(zhuǎn)，如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸相連就會帶動發(fā)電機發(fā)出電來。2.1.2 風力發(fā)電的特點（1）可再生的潔凈

13、能源風力發(fā)電是一種可再生的潔凈能源，不消耗化石資源也不污染環(huán)境，這是火力發(fā)電所無法比擬的優(yōu)點。（2）建設(shè)周期短一個十兆瓦級的風電場建設(shè)期不到一年。（3）裝機規(guī)模靈活可根據(jù)資金情況決定一次裝機規(guī)模，有一臺資金就可以安裝一臺投產(chǎn)一臺。（4）可靠性高把現(xiàn)代高科技應用于風力發(fā)電機組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風力發(fā)電機組可靠性從80年代的50%提高到了98%，高于火力發(fā)電且機組壽命可達20年。（5）造價低 從國外建成的風電場看，單位千瓦造價和單位千瓦時電價都低于火力發(fā)電，和常規(guī)能源發(fā)電相比具有競爭力。我國由于中大型風力發(fā)電機組全部從國外引進，造價和電價相對比火力發(fā)電高，但隨著大中型風力發(fā)電機組實現(xiàn)

14、國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，在不久的將來風力發(fā)電的造價和電價都將低于火力發(fā)電。（6）運行維護簡單現(xiàn)代中大型風力發(fā)電機的自動化水平很高，完全可以在無人職守的情況下正常工作，只需定期進行必要的維護，不存在火力發(fā)電的大修問題。（7）實際占地面積小發(fā)電機組與監(jiān)控、變電等建筑僅占火電廠1%的土地，其余場地仍可供農(nóng)、牧、漁使用。（8）發(fā)電方式多樣化風力發(fā)電既可并網(wǎng)運行，也可以和其他能源如柴油發(fā)電、太陽能發(fā)電、水利發(fā)電機組形成互補系統(tǒng)，還可以獨立運行，因此對于解決邊遠地區(qū)的用電問題提供了現(xiàn)實可行性。（9）單機容量小由于風能密度低決定了單臺風力發(fā)電機組容量不可能很大，與現(xiàn)在的火力發(fā)電機組和核電機組無法相比。另外風況是不穩(wěn)

15、定的，有時無風有時又有破壞性的大風，這都是風力發(fā)電必須解決的實際問題。2.2 風資源及風輪機概述2.2.1 風資源概述（1）風的起源風的形成乃是空氣流動的結(jié)果。風就是水平運動的空氣，空氣運動主要是由于地球上各緯度所接受的太陽輻射強度不同而形成的。大氣的流動也像水流一樣，是從壓力高處往壓力低處流，太陽能正是形成大氣壓差的原因。由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軸之間存在665的夾角，因此對地球上不同地點太陽照射角度是不同的，而且對同一地點一年中這個角度也是變化的。地球上某處所接受的太陽輻射能與該地點太陽照射角的正弦成正比。（2）風的參數(shù)風向和風速是兩個描述風的重要參數(shù)。風向是指風吹來的方向，如果風是

16、從東方吹來就稱為東風。風速是表示風移動的速度即單位時間內(nèi)空氣流動所經(jīng)過的距離。風速是指某一高度連續(xù)10min所測得各瞬時風速的平均值。一般以草地上空10m高處的10min內(nèi)風速的平均值為參考。風玫瑰圖是一個給定地點一段時間內(nèi)的風向分布圖。通過它可以得知當?shù)氐闹鲗эL向。（3）風能的基本情況1風能的特點風能的特點主要有：能量密度低、不穩(wěn)定性、分布不均勻、可再生、須在有風地帶、無污染、分布廣泛、可分散利用、另外不須能源運輸、可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等。 風能資源的估算風能的大小實際就是氣流流過的動能，因此可以推導出氣流在單位時間內(nèi)垂直流過單位截面積的風能，即風功率為 (1-1)式中 為風能(w)；為空氣

17、密度(kg/m)；為風速(m/s)。由于風速是一個隨機性很大的量，必須通過一段時間的觀測來了解它的平均狀況，一個地方風能潛力的多少要視該地常年平均風能密度的大小。因此需要求出在一段時間內(nèi)的平均風能密度，這個值可以將風能密度公式對時間積分后平均來求得。在風速V的概率分布p(V)知道后，平均風能密度還可根據(jù)下式求得 （1-2）2.2.2 風輪機的理論4風輪機又稱為風車，是一種將風能轉(zhuǎn)換成機械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風輪機的類型很多通常將其分為水平軸風輪機垂直軸風輪機和特殊風輪機三大類。但應用最廣的還是前兩種類型的風輪機。2.3 風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與組成2.3.1 風力發(fā)電機的分類5風力發(fā)電機組

18、是將風能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，按其容量分可分為：小型（10kw以下）、中型（10100kw）和大型（100kw以上）風力發(fā)電機組。按主軸與地面相對位置又可分為：水平軸風力發(fā)電機組和垂直軸風力發(fā)電機組。水平軸風力發(fā)電機是目前世界各國風力發(fā)電機最為成功的一種形式，主要優(yōu)點是風輪可以架設(shè)到離地面較高的地方，從而減少了由于地面擾動對風輪動態(tài)特性的影響。它的主要機械部件都在機艙中，如主軸、齒輪箱、發(fā)電機、液壓系統(tǒng)及調(diào)向裝置等。而生產(chǎn)垂直軸風力發(fā)電機的國家很少，主要原因是垂直軸風力發(fā)電機效率低，需啟動設(shè)備，同時還有些技術(shù)問題尚待解決。在本文中以后不做特殊說明時所指的風力發(fā)電機組即為大中型的水平軸風力發(fā)電機組。

19、2.3.2 水平軸風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)大中型風力發(fā)電機組是由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機構(gòu)、發(fā)電機、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機艙機座回轉(zhuǎn)體制動器等）組成的。(1)機艙機艙包含著風力發(fā)電機的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機等。 (2)風輪葉片安裝在輪轂上稱作風輪，它包括葉片、輪轂、主軸等。風輪是風力發(fā)電機接受風能的部件。葉片是風力發(fā)電機組最關(guān)鍵的部件，現(xiàn)代風力發(fā)電機上每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為20米葉片數(shù)通常為2枚或3枚，大部分轉(zhuǎn)子葉片用玻璃纖維強化塑料（GRP）制造。葉片可分為變漿距和定漿距兩種葉片，其作用都是為了調(diào)速，當風力達到風力發(fā)電機組設(shè)計的額定風速時，在風輪上就要采取措施，以保證風

20、力發(fā)電機的輸出功率不會超過允許值。輪轂是連接葉片和主軸的零部件。輪轂一般由鑄鋼或鋼板焊接而成，其中不允許有夾渣、砂眼、裂紋等缺陷，并按槳葉可承受的最大離心力載荷來設(shè)計。主軸也稱低速軸，將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起，由于承受的扭矩較大，其轉(zhuǎn)速一般小于50r/min，一般由40Cr或其他高強度合金鋼制成。圖1.2（3）增速器增速器就是齒輪箱，是風力發(fā)電機組關(guān)鍵部件之一。由于風輪機工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機工作在高轉(zhuǎn)速下，為實現(xiàn)匹配采用增速齒輪箱。使用齒輪箱可以將風電機轉(zhuǎn)子上的較低轉(zhuǎn)速、較高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電機上的較高轉(zhuǎn)速、較低轉(zhuǎn)矩。（4）聯(lián)軸器增速器與發(fā)電機之間用聯(lián)軸器連接，為了減少占地空間，往往聯(lián)

21、軸器與制動器設(shè)計在一起。（5）制動器制動器是使風力發(fā)電機停止轉(zhuǎn)動的裝置，也稱剎車。（6）發(fā)電機發(fā)電機是風力發(fā)電機組中最關(guān)鍵的部件，是將風能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。發(fā)電機的性能好壞直接影響整機效率和可靠性。大型風電機（100-150千瓦）通常產(chǎn)生690伏特的三相交流電。然后電流通過風電機旁的變壓器（或在塔內(nèi)），電壓被提高至1-3萬伏，這取決于當?shù)仉娋W(wǎng)的標準。風力發(fā)電機上常用的發(fā)電機有以下幾種： 直流發(fā)電機，常用在微、小型風力發(fā)電機上。 永磁發(fā)電機，常用在小型風力發(fā)電機上?，F(xiàn)在我國已經(jīng)發(fā)明了交流電壓440/240V的高效永磁交流發(fā)電機，可以做成多對極低轉(zhuǎn)速的，特別適合風力發(fā)電機。 同步或異步交流發(fā)電

22、機，它的電樞磁場與主磁場不同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速略低，當并網(wǎng)時轉(zhuǎn)速應提高。 （7）塔架塔架是支撐風力發(fā)電機的支架。塔架有型鋼架結(jié)構(gòu)的，有圓錐型鋼管和鋼筋混凝土的等三種形式，風電機塔載有機艙及轉(zhuǎn)子。 （8）調(diào)速裝置風速是變化的，風輪的轉(zhuǎn)速也會隨風速的變化而變化。為了使風輪運轉(zhuǎn)所需要額定轉(zhuǎn)速下的裝置稱為調(diào)速裝置，調(diào)速裝置只在額定風速以上時調(diào)速。目前世界各國所采用的調(diào)速裝置主要有以下幾種：可變漿距的調(diào)速裝置；定漿距葉尖失速控制的調(diào)速裝置；離心飛球調(diào)速裝置；空氣動力調(diào)速裝置；扭頭、仰頭調(diào)速裝置。（9）調(diào)向（偏航）裝置調(diào)向裝置就是使風輪正常運轉(zhuǎn)時一直使風輪對準風向的裝置。借助電動機轉(zhuǎn)動機艙以使轉(zhuǎn)子正

23、對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。通常在風改變其方向時，風電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。 （10）風力發(fā)電機微機控制系統(tǒng)11風力發(fā)電機的微機控制屬于離散型控制，是將風向標、風速計、風輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機電壓、頻率、電流、發(fā)電機溫升、增速器溫升、機艙振動、塔架振動、電纜過纏繞、電網(wǎng)電壓、電流、頻率等傳感器的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，輸送給單片機再按設(shè)計程序給出各種指令實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、運行中機組故障的自動停機、自動電纜解繞、過振動停機、過大風停機等的自動控制。自我故障診斷及微機終端故障輸出需維修的故障，由維修人員維修后給微機以指令，微機再執(zhí)行自動

24、控制程序。風電場的機組群可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風機會在微機總站的微機終端和顯示器上讀出、調(diào)出程序和修改程序等，使現(xiàn)代風力發(fā)電機真正實現(xiàn)了現(xiàn)場無人職守的自動控制。（11）電纜扭纜計數(shù)器電纜是用來將電流從風電機運載到塔下的重要裝置。但是當風電機偶然沿一個方向偏轉(zhuǎn)太長時間時，電纜將越來越扭曲，導致電纜扭斷或出現(xiàn)其他故障。因此風力發(fā)電機配備有電纜扭曲計數(shù)器，用于提醒操作員應該將電纜解開了。風力發(fā)電機還會配備有拉動開關(guān)在電纜扭曲太厲害時被激發(fā)，斷開裝置或剎車停機，然后解纜。3 風力發(fā)電電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性已成為風力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風電場長期

25、安全可靠運行的重大問題。在實際應用過程中，尤其是一般風力發(fā)電機組控制與檢測系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上的要求是不困難的。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風力發(fā)電機組的聲譽。有的風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的功能很強,但由于工作不可靠,經(jīng)常出故障,而出現(xiàn)故障后對一般用戶來說維修又十分困難，于是這樣一套控制系統(tǒng)可能發(fā)揮不了它應有的作用。因此對于一個風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計和使用者來說,系統(tǒng)的安全可靠性必須認真加以考慮,必須引起足夠的重視。我們的目的是希望通過控制系統(tǒng)的設(shè)計，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)不出故障或少出故障，并且在出故障之后能夠以最快的速度修復系統(tǒng),使之恢復正常

26、工作。3.1 風力發(fā)電機組的基本控制要求3.1.1 風力發(fā)電機組運行的控制要求(1) 控制思想3定槳距失速型機組控制風速超過風力發(fā)電機組額定風速以上時，為確保風力發(fā)電機組輸出功率不再增加，導致風力發(fā)電機組過載，通過空氣動力學的失速特性，使葉片發(fā)生失速，從而控制風力發(fā)電機組的功率輸出。變槳距失速型機組控制風速超過風力發(fā)電機組額定風速以上時，為確保風力發(fā)電機組輸出功率不再增加，導致風力發(fā)電機組過載，通過改變槳葉節(jié)距角和空氣動力學的失速特性，使葉片吸收風功率減少或者發(fā)生失速，從而控制風力發(fā)電機組的功率輸出?？刂乒δ芎涂刂茀?shù)節(jié)距限制、功率限制、風輪轉(zhuǎn)速、電氣負荷的連接、起動和停機過程、電網(wǎng)或負荷丟失

27、時的停機、扭纜的限制、機艙對風、運行時電量和溫度的限制。保護環(huán)節(jié)以失效保護為原則進行設(shè)計自動執(zhí)行保護功能：超速、發(fā)電機過載和故障、過振動、電網(wǎng)或負載丟失、脫網(wǎng)時的停機失敗時。保護環(huán)節(jié)為多級安全鏈互鎖在控制過程中具有“與”的功能在達到控制目標方面可實現(xiàn)邏輯“或”結(jié)果。(2) 自動運動的控制要求開機并網(wǎng)控制:當風速10分內(nèi)的平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)，風力發(fā)電機組起動軟切入狀態(tài)機組并入電網(wǎng)。小風和逆功率脫網(wǎng):機組在待風狀態(tài)10分平均風速小于脫網(wǎng)風速脫網(wǎng)風速再次上升風機旋轉(zhuǎn)并網(wǎng)。普通故障脫網(wǎng)停機:參數(shù)越限、狀態(tài)異常普通停機剎車軟脫網(wǎng)剎機械閘計算機自行恢復。緊急故障脫網(wǎng)停機:緊急故障(飛車、超速、負荷丟失

28、等)緊急停機偏航控制（90度）脫網(wǎng)機械剎車。 安全鏈動作停機：電控制系統(tǒng)軟保護控制失敗硬性停機停機。大風脫網(wǎng)控制：10分平均風速大于25m/s時超速、過載脫網(wǎng)停機氣動剎車偏航控制（90度）功率下降后脫網(wǎng)剎機械閘安全停機風速回到工作風速區(qū)后恢復自動對風轉(zhuǎn)速上升后自動并網(wǎng)運動。對風控制：機組在工作風區(qū)根據(jù)機艙的靈敏度確定偏航的調(diào)整角度。偏轉(zhuǎn)90度對風控制：機組在大風速或超轉(zhuǎn)速工作時降低風力發(fā)電機組的功率安全停機。當10分平均風速大于25m/s時或超過超速上限時風力發(fā)電機組作偏轉(zhuǎn)90度控制氣動剎車脫網(wǎng)停機。功率調(diào)節(jié)：當機組在額定風速以上并網(wǎng)運行時失速型機組發(fā)電機的功率不會超過額定功率的15%過載脫網(wǎng)

29、停機。軟切入控制：軟切入、軟脫網(wǎng)限制導通角控制發(fā)電機端的軟切入電流為額定電流的1.5倍控制發(fā)電機端電壓。（3）控制保護要求主電路保護：變壓器低壓側(cè)三相四線進線處設(shè)置低壓配電低壓斷路器維護操作安全和短路過載保護。過電壓、過電流保護：主電路計算機電源進線端、控制變壓器進線和有關(guān)伺服電動機的進線端均設(shè)置過電壓、過電流保護措施。防雷設(shè)施及熔絲：控制系統(tǒng)有專門設(shè)計的防雷保護裝置。過繼電保護：運行的所有輸出運轉(zhuǎn)機構(gòu)的過熱、過載保護控制裝置。接地保護：金屬部分均要實現(xiàn)保護接地。3.2 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理3.2.1 風力發(fā)電機組的控制目標風力發(fā)電機組是實現(xiàn)由風能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉(zhuǎn)換

30、過程的裝置。風輪系統(tǒng)實現(xiàn)了從風能到機械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機和控制系統(tǒng)則實現(xiàn)了從機械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，在考慮風力發(fā)電機組控制目標時應結(jié)合它們的運行方式，重點實現(xiàn)以下目標：（1）控制系統(tǒng)保持風力發(fā)電機組安全可靠運行同時高質(zhì)量地將不斷變化的風能轉(zhuǎn)化為頻率、電壓恒定的交流電送入電網(wǎng)。（2）控制系統(tǒng)采用計算機控制技術(shù)對風力發(fā)電機組的運行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理完成機組的最佳運行狀態(tài)管理和控制。（3）利用計算機智能控制實現(xiàn)機組的功率優(yōu)化控制定槳距恒速機組主要進行軟切入、軟切出及功率因數(shù)補償控制對變槳距風力發(fā)電機組主要進行最佳葉尖速比和額定風速以上的恒功率控制。（4）大于開機風速并且轉(zhuǎn)速達到并網(wǎng)轉(zhuǎn)

31、速的條件下風力發(fā)電機組能軟切入自動并網(wǎng)保證電流沖擊小于額定電流。當風速在47m/s之間切入小發(fā)電機組（小于300kW）并網(wǎng)運行當風速在730m/s之間切入大發(fā)電機組（大于500kW）并網(wǎng)運行。主要完成下列自動控制功能：大風情況下當風速達到停機風速時風力發(fā)電機組應葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機械閘停機而且在脫網(wǎng)同時風力發(fā)電機組偏航90。停機后待風速降低到大風開機風速時風力發(fā)電機組又可自動并入電網(wǎng)運行。為了避免小風時發(fā)行頻繁開、停機現(xiàn)象在并網(wǎng)后10分內(nèi)不能按風速自動停機。同樣在小風自動脫網(wǎng)停機后5分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。當風速小于停機風速時為了避免風力發(fā)電機組長期逆功率運行造成電網(wǎng)損耗應自動脫網(wǎng)使風力發(fā)電機組處于

32、自由轉(zhuǎn)動的待風狀態(tài)。當風速大于開機風速要求風力發(fā)電機組的偏航機構(gòu)始終能自動跟風。跟風精度范圍15。風力發(fā)電機組的液壓機械閘在并網(wǎng)運行、開機和待風狀態(tài)下應該松開機械閘其余狀態(tài)下（大風停機、斷電和故障等）均應抱閘。風力發(fā)電機組的葉尖閘除非在脫網(wǎng)瞬間、超速和斷電時釋放起平穩(wěn)剎車作用。其余時間（運行期間、正常和故障停機期間）均處于歸位狀態(tài)。在大風停機和超速停機的情況下風力發(fā)電機組除了應該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖閘停機外還應該自動投入偏航控制使風力發(fā)電機組的機艙軸心線與風向成一定的角度增加風力發(fā)電機組脫網(wǎng)的安全度待機艙轉(zhuǎn)約90后機艙保持與風向偏90跟風控制跟風范圍15。在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下風力發(fā)電

33、機組應停止運行此時控制系統(tǒng)不能供電。如果正在運行時風力發(fā)電機組遇到這種情況應能自動脫網(wǎng)和抱閘剎車停機此時偏航機構(gòu)不會動作風力發(fā)電機組的機械結(jié)構(gòu)部分應能承受考驗。風力發(fā)電機組塔架內(nèi)的懸掛電纜只允許扭轉(zhuǎn)2.5圈系統(tǒng)已設(shè)計了正/反向扭纜計數(shù)器超過時自動停機解纜達到要求時再自動開機恢復運行發(fā)電。風力發(fā)電機組應具有手動控制功能（包括遠程遙控手操）手動控制時“自動”功能應該解除相反的投入自動控制時有些“手動”功能自動屏蔽?？刂葡到y(tǒng)應該保證風力發(fā)電機組的所有監(jiān)控參數(shù)在正常允許的范圍內(nèi)一旦超過極限并出現(xiàn)危險情況應該自動處理并安全停機。3.2.2 異步發(fā)電機基本原理（1）異步發(fā)電機基本原理發(fā)電機是風力發(fā)電機組中

34、最關(guān)鍵的零部件，是將風能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。發(fā)電機的性能好壞直接影響整機效率和可靠性。使用異步機作為風力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)的優(yōu)點是：發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單成本低并網(wǎng)控制容易，缺點是要從電網(wǎng)吸收無功功率以提供自身的勵磁。這一缺點可以通過在發(fā)電機端并聯(lián)電容器來改善。由于風電場的特殊性，它的并網(wǎng)和解列的操作十分頻繁，而且由于投資成本的限制以及管理、維修等方面的優(yōu)點，現(xiàn)在大多數(shù)的大型風電場都采用異步發(fā)電機作為主力機型。本論文的研究對象中使用也是異步發(fā)電機，下面我們對異步機做以下的簡單介紹。異步電機一般稱感應電機即可作為發(fā)電機也可作為電動機。異步機作為電動機應用非常廣泛異步機作為發(fā)電機的情況則比較少。但由于異步

35、發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單價格便宜堅固耐用維修方便啟動容易并網(wǎng)簡單等特點在大中型風力發(fā)電機組中得到廣泛應用。異步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機的一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。異步機的定子與同步機基本相同，其轉(zhuǎn)子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機的轉(zhuǎn)子繞組是由端部短接的銅條或鑄鋁制成像鼠籠一樣。異步機是利用電磁感應原理通過定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以進行能量轉(zhuǎn)換。通常異步機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于或略高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的差為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速的比值稱為轉(zhuǎn)差率用表示 (3-1)轉(zhuǎn)差率是表證異步

36、機運行狀態(tài)的一個基本變量。若電機用原動機驅(qū)動使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（）則轉(zhuǎn)差率，此時電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)磁場兩者的方向相反即電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩。此時轉(zhuǎn)子從原動機吸收機械功率通過電磁感應由定子輸出電功率電機處于發(fā)電機狀態(tài)。（2）異步風力發(fā)電機的參數(shù)風輪額定轉(zhuǎn)速風輪額定轉(zhuǎn)速是風輪在額定風速時的轉(zhuǎn)速。風輪額定轉(zhuǎn)速也是風力發(fā)電機設(shè)計的重要參數(shù)之一。它是由葉尖速比及發(fā)電機功率決定的參數(shù)。發(fā)電機額定功率發(fā)電機的額定功率是發(fā)電機在額定功率因數(shù)下連續(xù)運行而輸出的功率它是由用戶提出或由不同的使用目的而確定的。它是風力發(fā)電機設(shè)計的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。單位為KW；也有用視在功率表示的單位為KVA。發(fā)電機是交

37、流還是直流微小型風力發(fā)電機常用直流發(fā)電機中、大型風力發(fā)電機常用交流發(fā)電機。這要視用戶的用途、發(fā)電機功率而確定。交流發(fā)電機分同步和異步交流發(fā)電機、異步交流發(fā)電機也稱感應交流發(fā)電機。永磁交流發(fā)電機等。發(fā)電機額定電壓發(fā)電機額定運行時電壓為定子或轉(zhuǎn)子輸出的電壓，單位為V。額定功率因數(shù)發(fā)電機在額定運行時其有功功率與視在功率的比值用以下公式來表示 (3-2)P為有功功率 KW，S為視在功率KVA，cos與負載性質(zhì)有關(guān)。發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速發(fā)電機在額定功率運行時的轉(zhuǎn)速用表示。額定頻率發(fā)電機額定運行時其電壓變化的頻率。中國交流電網(wǎng)電壓頻率為50Hz。國外也有交流電網(wǎng)60Hz的。發(fā)電機額定勵磁電流發(fā)電機在額定運行時的

38、勵磁電流。發(fā)電機額定溫升發(fā)電機在額定功率輸出及額定負載下定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組允許的最高溫度與額定入口風溫的差值。同步轉(zhuǎn)速對于額定頻率為f 的交流發(fā)電機其同步轉(zhuǎn)速 (3-3)式中 發(fā)電機的極對數(shù)；同步轉(zhuǎn)速r/min。風力發(fā)電機的全效率風力發(fā)電機的全效率為風輪葉片接受風能的效率、增速器的效率、發(fā)電機的效率、傳動系統(tǒng)效率等的積 (3-4)3.2.3 控制系統(tǒng)主要參數(shù)（1）主要技術(shù)參數(shù)主發(fā)電機輸出功率（額定） 發(fā)電機最大輸出功率 工作風速范圍 額定風速 切入風速（1min平均值） 切出風速（1min平均值） 風輪轉(zhuǎn)速 發(fā)電機并網(wǎng)轉(zhuǎn)速 發(fā)電機輸出電壓 發(fā)電機發(fā)電頻率 并網(wǎng)最大沖擊電流（有效值） 電容補償后

39、功率因數(shù) （2）控制指標及效果方式 專用微控制器過載開關(guān) 自動對風偏差范圍 風力發(fā)電機組自動起、停機時間 系統(tǒng)測量精度 電纜纏繞2.5圈自動解纜 自動解纜時間 55min 手動操作響應時間 (3)保護功能超電壓保護范圍 連續(xù)欠電流保護范圍 連續(xù)風輪轉(zhuǎn)速極限 發(fā)電機轉(zhuǎn)速極限 發(fā)電機過功率保護值 連續(xù)發(fā)電機過電流保護值 連續(xù)大風保護風速 連續(xù) 系統(tǒng)接地電阻 防雷感應電壓 3.2.4 控制系統(tǒng)工作原理6主開關(guān)合上后，風力發(fā)電機組控制器準備自動運作。首先系統(tǒng)初始化檢查控制程序、微控制器硬件和外設(shè)、傳感器來的脈沖及比較所選的操作參數(shù)備份系統(tǒng)工作表，接著就正式起運。起動的第一秒內(nèi)先檢查電網(wǎng)、設(shè)置各個計算器

40、、輸出機構(gòu)初始工作狀態(tài)及晶閘管的開通角。所有這些完成后，風力發(fā)電機組開始自動運行于風輪的葉尖本來是90，現(xiàn)在恢復為0，風輪開始轉(zhuǎn)動。計算機開始時監(jiān)測各個參數(shù)、輸入，判斷是否可以并網(wǎng)，判斷參數(shù)有否超過極限、執(zhí)行偏航、相位補償、機械制動或空氣制動。其中相位補償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在0.95至0.99之間。3.2.5 風力發(fā)電機組的變距控制原理(1)變槳距風力發(fā)電機組的控制方式風力發(fā)電機組的變距系統(tǒng)主要包括兩種控制方式，即并網(wǎng)前的速度控制與并網(wǎng)后的功率控制。由于異步發(fā)電機的功率與轉(zhuǎn)速是嚴格對應的，功率控制最終也是通過速度控制來實現(xiàn)的。變槳距風輪的葉片在靜止時節(jié)距角為90，這時氣流對葉片不產(chǎn)生力矩

41、，整個葉片實際上是一塊阻尼板。當風速達到起動風速時，葉片向0度方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對葉片產(chǎn)生一定的功角，風輪開始起運。風輪從起運到額定轉(zhuǎn)速，其葉片的節(jié)距角隨轉(zhuǎn)速的升高是一個連續(xù)變化的過程。根據(jù)給定的速度參考值調(diào)整節(jié)距角，進行所謂的速度控制。當轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速后電機并入電網(wǎng)。這時，電機轉(zhuǎn)速受到電網(wǎng)頻率的牽制變化不大，主要取決于電機的轉(zhuǎn)差，電機的轉(zhuǎn)速控制實際上已轉(zhuǎn)為功率控制。為了優(yōu)化功率曲線，在進行功率控制的同時通過轉(zhuǎn)子電流控制器對電機轉(zhuǎn)差進行調(diào)整，從而調(diào)整風輪轉(zhuǎn)速。當風速較低時，風輪轉(zhuǎn)差調(diào)到很小(1%)，轉(zhuǎn)速在同步速附近；當風速高于額定風速時，電機轉(zhuǎn)差要調(diào)整到很大（10%），使葉尖速比得到優(yōu)化，使

42、功率曲線達到理想的狀態(tài)。（2）變距控制7變槳距控制系統(tǒng)實際上是一個隨動系統(tǒng)，變距控制器是一個非線性比例控制器，它可以補償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號，控制比例閥（或電液伺服閥）驅(qū)動油缸活塞推動變距機構(gòu)，使葉片節(jié)距角變化?；钊奈灰品答佇盘栍晌灰苽鞲衅鳒y量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。3.3 風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略在風力發(fā)電控制系統(tǒng)中，風輪機應在轉(zhuǎn)速極限和功率極限內(nèi)追求在最佳Cp目標曲線附近運行，應當把動能轉(zhuǎn)換作為設(shè)計策略的重點加以規(guī)劃；當達到轉(zhuǎn)速限值和功率標稱值時，要及時準確的進行調(diào)節(jié)，以使輸出功率平穩(wěn)。必須分清異步發(fā)電機和功率變換器

43、的絕對極限和常用上限的差別，盡量減小對電網(wǎng)的污染。下面概述的風力發(fā)電系統(tǒng)的各種控制策略在國內(nèi)外大中型并網(wǎng)發(fā)電的風力發(fā)電機中均有應用。3.3.1 風輪機的氣動特性8風輪機通過葉片捕獲風能，將風能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩。風輪機的特性通常用風能轉(zhuǎn)換效率Cp-尖速比曲線來表示，圖2-2是一條典型的曲線。尖速比可表示為 （2-1） 式中 為風輪機的機械轉(zhuǎn)速(rad/s)；為葉片半徑(m)；為來流的線性風速(m/s)。根據(jù)風機葉片的空氣動力特性，風能轉(zhuǎn)換效率是尖速比和槳矩的函數(shù)，即。典型與和的關(guān)系可用圖2-3來表示。由圖中可見，對于同一個值風輪機可能運行在A和B兩個點，它們分別對應于風輪機的高風速運

44、行區(qū)和低風速運行區(qū)，當風速發(fā)生變化時風輪機的運行點將要發(fā)生變化。在恒頻應用中，發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化只比同步轉(zhuǎn)速高百分之幾，但風速的變化范圍可以很寬。按(2-1)式，尖速比便可以在很寬范圍內(nèi)變化(取決于葉片設(shè)計)，風輪機捕獲風力可以寫成 (2-2)式中 是氣動功率(W)；是空氣密度(kg/m3)；是掃掠面積(m2)；是風輪機的功率系數(shù)。 由(2-2)式可知，風機整體設(shè)計和相應的運行控制策略應在追求最大的情況下進行相應的調(diào)整，便可增加其輸出功率。如圖2-4所示是理想風輪機的功率曲線。從理論上講風輪機組的輸出功率是無限大的，它是風速立方的函數(shù)。但在實際應用中，它卻受到了如下的限制：（1）功率限制：由于構(gòu)

45、成電路的所有電氣元件都受到了功率限制；(2)轉(zhuǎn)速限制：由于系統(tǒng)中的齒輪箱、電機都存在轉(zhuǎn)速的上限。因而風輪機的運行存在三個典型區(qū)：在低風速段，按恒定途徑控制風輪機直到轉(zhuǎn)速達到極限；然后按恒定轉(zhuǎn)速控制風輪機，直到功率最大；功率最大后，風輪機按恒定功率控制。3.3.2 定槳距風力發(fā)電機的控制策略傳統(tǒng)概念的風力發(fā)電機一般都是上風向、三葉片的風輪機，通過齒輪增速箱來驅(qū)動異步發(fā)電機，并與電網(wǎng)相連來發(fā)電的。風輪機的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特性的風力發(fā)電機組稱為定槳距風力發(fā)電機組。風輪機吸收的功率隨風速不停地變化，發(fā)電機工作于同步轉(zhuǎn)速附近，而風電機組的設(shè)計一般在額定功率時風輪的轉(zhuǎn)換效率在最佳區(qū)段。當風速超過

46、額定風速時，為了保持發(fā)電機輸出功率恒定，必須通過葉片失速效應特性來降低值，以維持輸出功率的恒定。對于定槳距系統(tǒng)，發(fā)電機正常工作的滑差小于1%，允許滑差范圍一般在5%以內(nèi)，而風速的變化范圍卻很大。從的函數(shù)關(guān)系來看，難以保證在額定風速之前使值達到最大，特別是在低風速段。通常系統(tǒng)設(shè)計有兩個不同功率、不同極對數(shù)的異步發(fā)電機，以滿足不同風速的要求。大功率高轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機工作于高風速區(qū)，小功率低轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機則工作于低風速區(qū)，由此來調(diào)整尖速比，實現(xiàn)追求最大下的整體運行控制。定槳矩風機的功角一般設(shè)定在0，在不同風頻密度的地區(qū)可根據(jù)具體情況在安裝時予以調(diào)整，但必須充分考慮到對于風機失速點的影響。從設(shè)計的角

47、度考慮，葉片的翼形難以做到在失速點之后功率恒定，通常都有些下降，因其發(fā)生在高風速段，對發(fā)電量有一定影響。風機采用異步發(fā)電技術(shù)，存在功率流向的不確定性，發(fā)電機可能低于同步轉(zhuǎn)速運行，也可能工作在同步轉(zhuǎn)速之上。在大小發(fā)電機軟切換控制過程中必須慎重處理。3.3.3 變槳距風力發(fā)電機的控制策略為了盡可能提高風輪機風能轉(zhuǎn)換效率和保證風輪機輸出功率平穩(wěn)，風輪機將進行槳距調(diào)整。在定槳距風輪機的基礎(chǔ)上加裝槳距調(diào)整環(huán)節(jié)，稱為變槳距風輪機組。變槳距風力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動特性，主要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進行調(diào)節(jié)。在額定風速以下時，葉片攻角處于零度附近，此時葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影響，變

48、化范圍很小，可等同于定槳距風機。在額定風速以上時，變槳距機構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片攻角，保證發(fā)電機的輸出功率在允許范圍內(nèi)。風輪機的槳距控制系統(tǒng)，通常采用典型的PID轉(zhuǎn)速、功率和槳距角三模態(tài)控制。速度控制和直接槳距控制常用于風力發(fā)電機的起動、停止和緊急事故處理。因而，變槳距風輪機的起動風速較定槳距風輪機低，但對功率的貢獻沒有意義；停機時對傳動機械的沖擊應力相對緩和。風機正常工作時，主要采用功率控制。對于功率調(diào)節(jié)速度的反映取決于風機槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。在實際應用中，由于功率與風速的三次方成正比，風速的較小變化將造成風能較大變化，風機輸出功率處于不斷變化中。風速變化頻繁幅度大的狀況出現(xiàn)時將引起風機槳距

49、調(diào)節(jié)機構(gòu)頻繁動作。風機槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)對風速的反應有一定的時延，在陣風出現(xiàn)時槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)來不及動作而造成風機的瞬時過載，不利于風機的運行。針對這一點，提出了混合失速的風機設(shè)計概念。即仍然發(fā)揮葉片的失速效應，在失速點之前進行槳距調(diào)整，即便槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)來不及動作通過葉片的失速效應發(fā)揮作用也不會造成風機的瞬時過載。3.3.4 變速風力發(fā)電機的控制策略9上面的風輪機直接由追求值最優(yōu)進入功率最大的限制，調(diào)整的范圍和靈敏度很有限。從圖2-6可以看出，風機轉(zhuǎn)速對于功率系數(shù)影響很大。工業(yè)控制領(lǐng)域交流電動機調(diào)速技術(shù)在很多設(shè)備中已有成熟應用。同樣，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的大小和相位(RCC)從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)

50、追求最優(yōu)和無功功率的平衡。這一調(diào)速系統(tǒng)與變槳距環(huán)節(jié)結(jié)合起來，就構(gòu)成了變速恒頻變槳距風力發(fā)電機的主要技術(shù)特點。交流發(fā)電機采用高滑差繞線式轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機。變速風機要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風變化，相應轉(zhuǎn)子電流頻率是不定的。轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)的速度為，使得定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率?？刂频闹狄允沟扔陔娋W(wǎng)頻率。這一點與鼠籠式轉(zhuǎn)子電流頻率的結(jié)論是一致的(為電機轉(zhuǎn)差)。值得指出的是發(fā)電狀態(tài)與電動狀態(tài)的區(qū)別在于轉(zhuǎn)差和功率流向的不同，因而造成兩者在功率(能量)平衡上存在差別(特別是轉(zhuǎn)子能量)。在實際應用中，發(fā)電機轉(zhuǎn)速與風速的對應關(guān)系不必完全覆蓋風速的范圍，電機轉(zhuǎn)速范圍為11001700RPM，僅有部分超同步范圍?？刂葡到y(tǒng)負責控制和轉(zhuǎn)

51、子電流相角。也就是說，可以向電網(wǎng)提供無功，同時，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)更靈敏，風機運行的柔性更好，有利于風機輸出功率更平穩(wěn)和減小傳動機械的沖擊應力。功率元件采用IGBT管，一般通過查表獲得調(diào)節(jié)信號：風速57m/s，風機工作于同步轉(zhuǎn)速以下(11001500RPM)；風速79m/s風機工作于同步轉(zhuǎn)速附近(1500RPM)，與一般風機工作方式一致； 風速915m/s，風機工作于同步轉(zhuǎn)速以上(15001625RPM)；風速1525m/s，風機工作于負荷調(diào)節(jié)狀態(tài)，根據(jù)功率調(diào)節(jié)風機行為，電機允許轉(zhuǎn)速范圍為16001650RPM。3.4 變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng) 2 3.4.1變槳距風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)變槳距風力

52、發(fā)電機組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為三種運行狀態(tài)，即風力發(fā)電機組的起動狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）、欠功率控制（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。（1） 起動狀態(tài)變槳距風輪的槳葉在靜止時，節(jié)距角為90，氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，當風速達到起動風速時，槳葉向0方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風輪起動。在發(fā)電機并入電網(wǎng)以前，變距系統(tǒng)的節(jié)距給定值由發(fā)電機的轉(zhuǎn)速信號控制。轉(zhuǎn)速控制器按一定的速度上升斜率給出速度參考值，變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，調(diào)整槳葉節(jié)距角，進行速度控制。（2） 欠功率狀態(tài)欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機并入電網(wǎng)后，由于風速低于額定風速，發(fā)電機在額定功率以下的低功率狀態(tài)運行。為了改善低風速時的風輪

53、氣動特性，采用了Optitip技術(shù)，即根據(jù)風速的大小，調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。（3） 額定功率狀態(tài)當風速達到或超過額定風速后，風力發(fā)電機組進入額定功率狀態(tài)。在傳統(tǒng)的變槳距控制方式中，將轉(zhuǎn)速控制切換為功率控制，變距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機的功率信號進行控制。功率反饋信號與額定功率進行比較，功率超過額定功率時，槳葉節(jié)距向迎風面積減少的方向轉(zhuǎn)動一個角度，反之則向迎風面積增大的方向轉(zhuǎn)動一個角度。由于變槳距系統(tǒng)的響應速度受到限制,對快速變化的風速,通過改變節(jié)距來控制輸出功率的效果并不理想。因此，為了優(yōu)化功率曲線，最新設(shè)計的變槳風力發(fā)電機組在進行功率控制的過程中，其功率

54、反饋信號不再作為直接控制槳葉節(jié)距的變量。變槳距系統(tǒng)由風速低頻分量和發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制，風速的高頻分量產(chǎn)生的機械能波動，通過迅速改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來進行平衡，即通過轉(zhuǎn)子電流控制器對發(fā)電機轉(zhuǎn)差率進行控制，當風速高于額定風速時，允許發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高，將瞬變的風能以風輪動能的形式儲存起來；轉(zhuǎn)速降低時，再將動能釋放出來，使功率曲線達到理想的狀態(tài)。3.4.2 變槳距控制系統(tǒng)（1）變槳距控制系統(tǒng)10在發(fā)電機并入電網(wǎng)時前，發(fā)電機轉(zhuǎn)速由速度控制器A根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速反饋信號與給定信號直接控制；發(fā)電機并入電網(wǎng)后，速度控制B與功率控制器起作用。功率控制器的任務主要是根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速給出相應的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，并確定速度控制器B的速度給定。節(jié)距的給定參考值由控制器根據(jù)風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)給出。如圖2-8所示，當風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)前，由速度控制器A給出；當風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)后由速度控制B給出。（2）變距控制變距控制系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)，如圖2-9所示。變距控制器是一個非線性比例控制器，它可以補償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號控制比例閥（或電液伺服閥），驅(qū)動液壓缸活塞，推動變槳距機構(gòu)，使槳葉節(jié)距角變化。活塞的位移反饋信號由位移傳感器測量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。（4） 速度