并網型異步風力發(fā)電機的控制

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4.2.4偏航控制的軟件36

5總結37并網型異步風力發(fā)電機的控制研究

（3）增高塔架：塔架越高捕獲的風能越大。

（4）變速運行：在風速一定時，變速比恒速捕獲的風能要多。

（5）變槳距：只有葉片的槳距角隨著風速的變化可以自動調理，才能最大限度的捕獲風能，進而提高風電機組的運行效率。

（6）從陸地上向海面上發(fā)展：海上風速大且穩(wěn)定，年均利用風能可達3000h，年發(fā)電量高于陸地50%。海上風電的湍流小、機組疲乏載荷小、機組使用時間長，但機組的各種成本都比較高。我國海岸線較長，可利用的風資源比較豐富，故開發(fā)海上風電場將是一個不錯的發(fā)展方向。

（7）結構設計向緊湊、柔性、輕型化發(fā)展。

（8）風電場向常規(guī)發(fā)電廠發(fā)展：風資源的隨機性、間歇性和不穩(wěn)定性，給電網的運行和控制帶來了很大的困難。電網要求風電能像常規(guī)電廠一樣，在電網故障時能夠支持電網，參與頻率調理和電壓無功控制。

（9）風力發(fā)電的成本向更低發(fā)展：風電機組單機容量的增大減少了基礎設施的投入費用，而且同樣裝機容量時減少了機組的數量，這就降低了成本。隨著科學技術的發(fā)展，風電機組將越來越低廉并高效。風電機組各種設備可靠性的改進，減少了運行維護的成本。

1.3本文主要研究的內容

隨著風力發(fā)電快速發(fā)展，越來越多的人開始重視并網型風力發(fā)電系統(tǒng)的研究。而目前國內使用的大多是異步風力發(fā)電機組，故本課題主要研究并網型異步風力發(fā)電機的控制技術及策略。

如今風電事業(yè)正處于快速發(fā)展時期，在技術上也取得了很大成就，風力發(fā)電機組的裝機容量越來越大，從定槳距控制發(fā)展到變槳距控制，從恒速恒頻到變速恒頻。未來的發(fā)展中，在大型風電機組中可能普遍采用變槳距、變速恒頻技術。風力發(fā)電是一個繁雜的系統(tǒng)工程，要保證風力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行，必需考慮控制環(huán)節(jié)，譬如：風速風向檢測、偏航控制、解纜控制、剎車控制、并網控制等等。風能具有隨機性和時變性，所以最大限度的捕獲風能和控制輸出功率是整個

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系統(tǒng)的關鍵技術。本文主要針對并網型異步風力發(fā)電機，分析它的組成、原理以及并網控制技術，并且對風電機組不可缺少的偏航系統(tǒng)、解纜系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等的控制技術作簡要分析。異步發(fā)電機依據結構簡單，制造、使用和維護便利，運行可靠，效率高，價格低等優(yōu)勢而獨樹一幟。

本文主要工作有一下幾個方面：

（1）闡述了國內外風力發(fā)電的發(fā)展概況及發(fā)展方向。（2）對風力發(fā)電系統(tǒng)的組成及并網控制作簡要介紹。（3）分析了并網型異步風力發(fā)電機的結構、原理及組成。（4）分析了風力發(fā)電機組中偏航系統(tǒng)的原理及控制策略。

（5）對風力發(fā)電系統(tǒng)中定槳距的控制策略及整個系統(tǒng)的運行方式作簡單的分析。

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2風電機組組成及并網控制原理

2.1風力發(fā)電技術概述

風力發(fā)電系統(tǒng)是利用風力機將獲取的風能轉化為機械能，再由發(fā)電機將風力機輸出的機械能轉化為電能的過程。其中風力機和發(fā)電機之間通過軸承和齒輪箱連接，輸出的電能再經過特定的輸電線路送給用戶或接入電網。

風能機械能電能風力機發(fā)電機及其控制系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)圖2.1風力發(fā)電的能量轉換過程

風力發(fā)電機組的類型可以分別從風力機和發(fā)電機這兩個主要單元進行分類。從風力機角度可分為定槳距失速調理和變槳距調理；從發(fā)電機角度可分為恒速恒頻發(fā)電和變速恒頻發(fā)電。還可以分為“并網型〞和“離網型〞?！半x網型〞是指獨立運行的風電系統(tǒng)，利用蓄電池儲能來解決供電問題，在一些偏遠地區(qū)采用這種方式。而規(guī)模較大的風電場都采用“并網型〞，這種方式可以極大的發(fā)揮風能資源，是風力發(fā)電發(fā)展的主要方向。

2.1.1風力機功率調理方式

風能具有隨機性，當風力變化時風力機的輸出功率也會發(fā)生變化，風力機輸出功率的調理對并網運行的發(fā)電機來說十分重要。為了確保風力機在各種環(huán)境（大風、發(fā)生故障、過負荷）下不被損壞，而且在隨機性風速的波動下，能夠順利切入運行，并保持較高的風能利用率，我們很有必要研究風力機的調速和功率調理。1.定槳距風力機的葉片失速調理

定槳距風力發(fā)電機組的主要特點就是：槳葉和輪轂是剛性連接，當風速變化時，槳葉的迎風角不會隨著變化。失速調理的原理是：葉片的攻角沿著軸向從根

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部向葉尖逐漸減小，這樣根部葉面就先進入失速，隨著風速變大，失速部分向葉尖處擴展，原來失速的部分程度加深，沒有失速的部分漸漸的進入失速區(qū)。失速部分功率減小，沒有失速的部分功率在增加，這樣就使得功率保持在額定功率附近。

定槳距失速控制不需要另外增加功率調理構件，也不用維護調理系統(tǒng)，它結構簡單，性能可靠，造價低，但是啟動性差，必需增設可靠地剎車裝置。

2.變槳距功率調理

變槳距控制是通過連接葉片和輪轂的軸承，借助控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)使葉片轉動，以減小迎風角，從而減小翼型的升力，最終減小作用在風輪葉片上的扭矩和功率。變槳距調理時葉片的迎風角是不斷變化的，可以根據風速的大小來調理葉片的攻角，最終使風輪的輸出功率不超過發(fā)電機的額定功率。它的不足之處就是增加了葉尖周邊額外的重量，使葉尖轉軸承受了很高的彎矩，增加了維護難度。3.兩種方式的比較

（1）變槳距風力機在額定功率點以上輸出功率是平穩(wěn)的如圖2-2所示。（2）定槳距風力機一般在低風速段的風能利用系數較高，當風速接近額定風速時，風能利用系數就會大幅下降。而變槳距風力機槳葉的槳距角能夠控制，所以在額定功率點也具有較高的風能利用系數。

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圖2.2定槳距和變槳距風力機功率特性

（3）變槳距風力機的輸出功率不受溫度、海拔、氣流密度的影響。

（4）變槳距風力發(fā)電機組在風速較低時，可以調理槳葉到適合的角度，使得風輪具有最大的啟動力矩，這樣就比定槳距風力發(fā)電機組簡單啟動。

（5）變槳距風力機的輪轂結構繁雜，制造、維護費用高，可靠性差。

2.1.2風力發(fā)電系統(tǒng)的組成

風力發(fā)電系統(tǒng)是將風能轉化為電能的裝置，整個系統(tǒng)的原動力是風力機吸收的風能。風力機是一種能截獲滾動的空氣所具有的動能，并將這部分截獲的動能轉化為有用的機械能的裝置。整個風力發(fā)電機組是由風力機驅動發(fā)電機的機組，故風力機決定了整個系統(tǒng)的有效輸出功率，是系統(tǒng)能量轉化過程中的關鍵部件。風電系統(tǒng)是由風能資源、發(fā)電機組、控制裝置、蓄能裝置、監(jiān)測顯示裝置以及用戶負荷等組成，如圖2.3所示。

監(jiān)測顯示裝蓄能裝風風力發(fā)電機組9負荷

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控制裝備用電圖2.3風力發(fā)電系統(tǒng)組成

2.2風力發(fā)電機的組成

從整體來看包括槳葉、齒輪箱系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、解纜裝置、塔架及控制系統(tǒng)等。

圖2.4風力發(fā)電系統(tǒng)

2.2.1齒輪箱系統(tǒng)

并網型風電機組起停比較頻繁，葉輪自身的轉動慣量又很大，因此風力發(fā)電機組的風輪轉速一般都在幾十轉/分。容量越大的機組，葉輪直徑就越長，轉速就越低，這時為了滿足發(fā)電機的轉速，在風輪和發(fā)電機之間就需要配置齒輪箱。齒輪箱分為增速箱和減速箱，風力發(fā)電機組主傳動鏈上使用增速箱，而偏航系統(tǒng)和

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變槳距系統(tǒng)則使用減速箱。增速箱的低速軸接槳葉，高速軸接風力發(fā)電機。增速箱的特點：

（1）高速級采用行星架浮動，低速級采用太陽輪浮動，這樣使得結構簡化而緊湊，并且均載效果好。

（2）輸入軸的強度高、剛性大、加大支承，可承受的徑向力、軸向力比較大，并且可傳遞大的轉矩，以適應風力發(fā)電的要求。

齒輪箱還配有潤滑系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。潤滑系統(tǒng)對齒輪箱和風輪軸是十分重要的，能夠良好的保護齒輪和軸承。潤滑的作用是：用潤滑油把齒輪及軸承的運動表面潤滑，可減少摩擦、降低接觸應力、減少磨損、降低運動產生的溫度。監(jiān)控系統(tǒng)能夠對齒輪箱中的軸承溫度、潤滑油溫度、潤滑系統(tǒng)的油壓、潤滑油位、潤滑油的加熱和散熱裝置的工作狀態(tài)進行實時地監(jiān)控，控制系統(tǒng)根據監(jiān)控系統(tǒng)檢測到的信號，自動的進行調整，使得齒輪箱可靠地工作在最正確狀態(tài)。

2.2.2發(fā)電機系統(tǒng)

異步風力發(fā)電機在并入電網運行時，只要發(fā)電機轉速接近同步轉速就可以并網，對機組的調速要求不高，不需要同步設備和整步操作。異步發(fā)電機在發(fā)出有功功率的同時還要從系統(tǒng)吸收無功功率，而且其無功需求隨著有功輸出的變化而變化。它的輸出功率與轉速近似成線性關系，可通過轉差率來調整負載。

2.2.3偏航系統(tǒng)

偏航系統(tǒng)是水平軸風力發(fā)電機組的重要部分，主要功能包括：

（1）當風速低于額定風速時，能夠與風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)協(xié)同，使發(fā)電機的風輪處于迎風狀態(tài)，最大限度捕獲風能，從而提高風力發(fā)電機組的效率。

（2）當風速高于額定風速時，能使發(fā)電機的風輪偏離迎風狀態(tài)，降低轉速提供調速功能。

（3）當風速超過風力發(fā)電機的切出風速時，使風輪平面順風，降低風輪轉速提供安全保障功能。

（4）提供必要的阻尼力矩和鎖緊力矩，以保障風力發(fā)電機組穩(wěn)定安全運行。偏航系統(tǒng)分為主動偏航系統(tǒng)和被動偏航系統(tǒng)。被動偏航是借助風力通過相關

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機構來完成風輪對風動作的方式，常用在中小型風力發(fā)電機組中。而主動偏航是通過風向儀和地理方位檢測裝置來檢測風輪軸線與風向的偏差，再由控制系統(tǒng)使用電力或液壓驅動來完成對風動作的偏航方式，有齒輪驅動和滑動兩種形式。并網型風力發(fā)電常用齒輪驅動形式。

2.2.4解纜裝置

自然界中的風是一種不穩(wěn)定的資源，它的速度與風向是不定的。由于風向的不確定性，風力發(fā)電機就需要經常偏航對風，而且偏航的方向也是不確定的，由此引起的后果是電纜會隨風力發(fā)電機的轉動而扭轉。假使風力發(fā)電機屢屢向同一方向轉動，就會造成電纜纏繞，絞死，甚至絞斷，因此偏航系統(tǒng)還要具備扭纜保護的功能設法解纜。偏航齒輪上安有一個獨立的計數傳感器，以記錄相對初始方位所轉過的齒數。不同的風力發(fā)電機需要解纜時的纏繞圈數都有其規(guī)定，當風力機向一個方向持續(xù)偏航達到設定值時，表示電纜已被扭轉到危險的程度，控制器將發(fā)出停機指令并顯示故障，風力發(fā)電機組停機并執(zhí)行順或逆時針解纜操作。為了提高可靠性，在電纜引入塔筒處，還安裝了行程開關，行程開關觸點與電纜相連，當電纜扭轉到一定程度時可直接拉動行程開關，引起安全停機。

2.2.5控制系統(tǒng)

與一般工業(yè)控制過程不同，風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。它不僅要監(jiān)視電網風況和機組運行參數，而且還要根據風速與風向的變化，對機組進行優(yōu)化控制，以提高機組的運行效率和發(fā)電量。

定槳距風力發(fā)電機組主要解決了風力發(fā)電機組的并網問題和運行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網技術、空氣動力剎車技術、偏航與自動解纜技術，這些都是并網運行的風力發(fā)電機組需要解決的最基本的問題。由于功率輸出是由槳葉自身的性能來限制，槳葉的節(jié)距角在安裝時就已確定，發(fā)電機的轉速則由電網頻率決定。因此，在允許的風速范圍內，定槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)在運行過程中對于因風速變化引起的輸出能量的變化是不作任何控制的。這就大大簡化了控制技術和相應的伺服傳動技術。

變槳距風力發(fā)電機組啟動時可對轉速進行控制，并網后可對功率進行控制，

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使風力機的啟動性能和功率輸出特性都有顯著的改善。此時的液壓系統(tǒng)不再是簡單的執(zhí)行機構，它自身已組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用了電液比例閥或電液伺服閥，使控制系統(tǒng)的水平提高到一個新的階段。

針對上述結構，目前絕大多數風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)都選用集散型或分布式工業(yè)控制計算機。而比較普遍采用的是分布式控制系統(tǒng)，它可以便利的實現(xiàn)就地控制，大量控制模塊可直接布置在控制對象的工作點，就地采集信號進行處理。這樣就避免了各類傳感器和艙內執(zhí)行機構與地面主控制器之間的通信線路及控制線路。主控制器通過各類安裝在現(xiàn)場的模塊，對電網風況及風力發(fā)電機組的運行參數進行監(jiān)控，并與其它控制模塊保持通信，通過對各方面的狀況進行綜合分析后，發(fā)出控制指令。風電控制系統(tǒng)的組成如圖2.5所示

電網調度控制室遠程控制正常運行控自動起動陣風控制風力發(fā)電機組控制器統(tǒng)一變槳距控變槳距控獨立變槳距控安全保護控故障檢測處功率解耦控無功功率調有功功率調最正確運行控功率最大輸出控最正確葉尖速比控發(fā)電運行并網解列控制自動偏航解停機控制工作狀態(tài)監(jiān)電網風況監(jiān)液壓系統(tǒng)控潤滑加熱冷風電場中央控

制室中程控制控制柜用戶界面輸入用戶命令，顯示運行狀態(tài)、數據和故障等狀況，變更參數圖2.5風電控制系統(tǒng)的結構

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2.3剎車系統(tǒng)

2.3.1傳統(tǒng)風機的剎車過程

（一）正常停機

（1）由電磁閥釋放葉尖擾流器；

（2）當風輪的轉速低于設定值時，投入第一步剎車；

（3）假使葉尖擾流器釋放后轉速持續(xù)升高，則投入其次步剎車；（4）下一次剎車時，投入的其次步剎車先投入；（5）停機后收回葉尖擾流器。（二）安全停機

（1）在釋放葉尖擾流器的同時投入第一步剎車；

（2）當發(fā)電機的轉速達到同步轉速時，發(fā)電機的主接觸器會跳開，這時其次步剎車投入；

（3）葉尖擾流器不收回。（三）緊急停車

（1）所有的接觸器、繼電器都失電；

（2）葉尖擾流器和兩步剎車同時投入，發(fā)電機脫網。

2.3.2現(xiàn)代剎車系統(tǒng)

（1）風力剎車系統(tǒng)

定槳距風力發(fā)電系統(tǒng)運用葉尖擾流器；變槳距風力發(fā)電系統(tǒng)是利用槳距的變化來實現(xiàn)風力剎車。（2）機械剎車系統(tǒng)

這種剎車系統(tǒng)的剎車閘安裝在高速軸或低速軸上。

安裝在高速軸上的剎車力矩小，齒輪箱可用風輪支撐。但是制動載荷大，對齒輪箱的沖擊相對較大，制動的安全性也較差。

安裝在低速軸上的制動力矩就相對較大，剎車可靠，剎車時制動力矩不會對齒輪箱產生任何沖擊。但由于制動力矩較大，對支撐它的閘體材料要求很高，并且需

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要很大的液壓力，這就要求有很好的密封。

2.3.3改進后的剎車系統(tǒng)

我們以高低速軸轉速差為反饋值，構成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，如下圖。

低速軸轉剎車指—+剎車控制機構剎車高速軸轉比較轉速偏差圖2.6改進后的剎車原理圖

這樣改進后，只要速度差值在一定的范圍內，那么對齒輪箱就不會有太大的沖擊。并且運用單片機來完成剎車機構，將采樣信號送入單片機，單片機遇進行判斷處理，控制通往高低速軸上的液壓電磁閥的通斷，進而控制高低速軸上剎車閥的工作。具體軟件流程圖如下。

開高速軸轉速N1低速軸轉速N2額定差值N同時投兩部剎車N1=N2=0│N1-N2│15Y終止Y并網型異步風力發(fā)電機的控制研究

N2N1>NY低速軸松

圖2.7軟件流程圖

高速軸松2.4風力發(fā)電機組的工作原理

圖2.8風力發(fā)電機組的工作原理

偏航系測風系風速、風向控制系統(tǒng)風力機變系統(tǒng)壓發(fā)電P風M1Ω1主MΩ傳22動系制動系轉速測電網變槳距系調速功率測16

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2.5風力機控制

2.5.1風力機能量轉換過程

由流體力學可知，空氣流的動能為

12E?mv（2.1）

2m為空氣質量，v是氣流速度

密度為ρ的氣流流過面積S的氣體體積V，M=ρV=ρsv，（2.2）

13則單位時間內氣流所具有的動能為E??Sv2由貝茲理論可知：

前后空氣體積相等：S1V1=SV=S2V2再根據牛頓其次定律可知，單位時間內風輪上所受的力為：（2.3）

的功率為：P=Fv=ρsv2(v1-v2)12?E??Sv(v12?v2)(2.4）

2風輪前后動能的變化為：

v1?v2由于風輪吸收的功率就等于風輪前后動能的變化，故可得：v?

2122P?v1?v2)(v經過風輪風速的變化產生的功率為：?S(v2)（2.5）1?418dPv2Pmax??Sv13其最大功率可令?0得?v1代入可得到最大理想功率為：

327dv2故

風

輪

吸

收

圖2.9理想風輪氣流掃略示意圖

2.5.2風力機的主要特性系數

風力機是風電機組的重要部件之一，對風電系統(tǒng)的性能、效率有著直接的影響。風力機可分為水平軸風力機和垂直軸風力機。水平軸風力機風輪的旋轉軸與

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風向平行，而垂直軸風力機風輪的旋轉軸垂直于地面或氣流方向。風力機在一定風速下如何能夠捕獲最大風能，必需研究他的特性。

（1）風能利用系數Cp，Cp表示風輪從自然風中收集能量的大小程度。

(2.6)

式中：

指一定時間內葉輪吸收的風能；指一定時間內刮過葉輪的全部風能；指風力機的輸出功率；指風力機的輸入功率。

（2）葉尖速比λ

λ可以表示為葉尖線速度與風速之比，即λ=葉尖速度╱風速，表示風輪在不同風速中的狀態(tài)。λ的值不同，風輪的效率不同。實踐說明：當葉尖速度超過100m/s時葉片會被破壞，當葉尖速度超過70～80m/s時會產生嚴重噪聲，故葉尖速度一般控制在小于等于65m/s。

圖2.9葉尖速比與風能利用系數曲線圖

（3）異步風力發(fā)電機捕獲風能模型

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（2.7）

式中：為空氣密度；

為風輪掃風面積，

為風能利用系數；為葉尖速比；為葉片半徑；為槳距角；為風速。若風速一定，則

的大小決定了風電機組機械功率的大小。的大小與和有

；

關，是非線性關系。為了捕獲最大風能，即獲得最大功率，可以通過調理槳距角和葉尖速比來獲得最大的

值。

（4）風電機組運行狀態(tài)控制

①當②當③當④當

時，風電機組不運行；

時，風電機組部分運行；時，風電機組全負荷運行；時，風電機組中止運行。

尋常為3～5m/s，是風力機組的切入速度；是額定風速，一般在15m/s

附近；

一般在25m/s，為風力機切出速度。

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2.6風力發(fā)電機組的基本控制要求

（一）控制系統(tǒng)的基本功能

1、根據風速信號自動進行啟動、并網或從電網中切出。2、根據風向信號自動對風。

3、根據功率因數及輸出電功率大小自動進行電容切換補償。4、脫網時能夠保證機組安全停機。

5、運行過程中能夠對電網、風況和機組狀態(tài)進行檢測、分析并記錄，異常狀況判斷并能及時處理。（二）主要檢測參數及作用

1、電力參數：電網三相電壓、發(fā)電機輸出的三相電流、電網頻率、發(fā)電機功率因數等。判斷并網條件、計算電功率和發(fā)電量、無功補償、電壓和電流故障保護。

2、風力參數：風速，每秒采集一次，10分鐘求一次平均值。V>3m/s時發(fā)電，V>25m/s時停機。風向，測量風向的偏差?？刂破较到y(tǒng)工作，當V并網型異步風力發(fā)電機的控制研究

感應電機的定子由定子鐵心、定子繞組和機座三部分組成。鐵心是電機中磁路的組成部分并能夠放置定子繞組。鐵心由0.5mm的硅鋼片疊成，這樣可以減少旋轉磁場在鐵心中引起的損耗，為了放置定子繞組，鐵心還設計了好多槽。

定子繞組主要用來感應電動勢，是電機的電路部分，通過電流來完成機電轉換。定子繞組的槽內有單層和雙層兩種布置方式。

機座主要用來固定和支撐定子鐵心。2、轉子

感應電機的轉子是由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸三部分組成。轉子鐵心由0.5mm的硅鋼片疊成，是電機中的磁路部分。

轉子繞組的作用是感應電動勢、流過電流和產生電磁轉矩。不需要外接電源，可以自行閉合構成短路繞組。3、氣隙

感應電機轉子和定子之間存在一定的氣隙，氣隙的大小會影響感應電機的性能；尋常，氣隙越小，電機的空載電流就越小，電機的功率因數就越高。

3.2異步感應電機的工作原理

籠型感應發(fā)電機的定子上有三相繞組，空間上它們彼此相差120o電角度，每相繞組的匝數一致。轉子槽內有導體，導體兩端用短路環(huán)連接起來，構成一個閉合的繞組。將定子繞組接入頻率一定的三相交流電網上，此時三相繞組中有對稱的三相電流通過，則會產生一個定子旋轉磁場。定子旋轉磁場的同步轉速決定于電網的頻率和電機繞組的極對數。即（3.1）式中

—同步轉速，r/min;—電網頻率，Hz；—發(fā)電機繞組的極對數。

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當轉子由原動機帶動，以高于同步轉速的轉速同方向恒速旋轉時，轉子切

割磁力線就會產生感生電動勢。在該電動勢的作用下，電子繞組向電網輸出電功率，感應發(fā)電機開始發(fā)電。

旋轉磁場與轉子之間的相對轉速為異

步

電

機

的

轉

差

率

，

即

相對轉速與同步轉速的比為

(3.2)

當s0時，異步機工作在發(fā)電機狀態(tài)，將機械能轉化為電能。

3.3籠型感應發(fā)電機的運行

圖3.1籠型感應發(fā)電機相量圖

籠型感應發(fā)電機的基本方程式為：

ù1＝è1-ì）1（R1+jX1eè2ˊ＝—ì（Zˊ2+2ˊìm＝-ì1+ì2ˊ26

Rˊ2）

并網型異步風力發(fā)電機的控制研究è1＝è2ˊè1＝ìmZm

式中Zˊ2＝Rˊ2+jXˊ2e，Zm＝Rm+jXm

轉子側物理量的折算方法為

èˊ2＝keè2s/s

ìˊ2＝

Rˊ2＝kekiR2Xˊ2e＝kekiX2es/s

式中è2s——折算前的轉子電動勢；

——折算前的轉子漏抗；

式中、——電機定子、轉子相數；、

——電機定子、轉子每相串聯(lián)匝數；、——電機定子、轉子繞組系數。

3.4異步風力發(fā)電機的并網方式

主要并網方式有三種：直接并網、降壓并網和通過晶閘管軟并網。1、直接并網

異步風力發(fā)電機直接并網的條件：一是發(fā)電機和電網的相序必需一致；二是

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并網型異步風力發(fā)電機的控制研究

發(fā)電機的轉速應盡可能的接近同步轉速。第一個條件必需嚴格遵守，其次個不是很嚴格，但越接近于同步轉速并網時產生的沖擊電流越小。異步風力發(fā)電機直接并網如下圖。當風力機起動后，異步發(fā)電機的轉子通過增速齒輪箱增加到接近同步轉速時，測速裝置發(fā)出并網信號，斷路器自動合閘完成并網。

增速齒輪箱電步發(fā)電異

風力圖3.2異步風力發(fā)電機直接并網

2、降壓并網

降壓并網是在發(fā)電機和電網間串聯(lián)電阻或電抗器，也可以是自耦變壓器，來降低并網時的沖擊電流和電網電壓下降的幅度。3、晶閘管軟并網

晶閘管軟并網是指在異步發(fā)電機定子和電網之間每相串接一只雙向晶閘管，通過控制晶閘管的導通角來控制并網時的沖擊電流，這樣就可以使并網暫態(tài)過程穩(wěn)定，如下圖。

當發(fā)電機的轉速接近于同步轉速時，并且發(fā)電機的相序和電網的一致后，靠近發(fā)電機輸出端的斷路器閉合，發(fā)電機經雙向晶閘管與電網連接，由計算機控制雙向晶閘管的觸發(fā)延遲角和導通角，將沖擊電流降低到允許的范圍內，這樣異步發(fā)電機就并入電網。并入后，當發(fā)電機的轉速和同步轉速一致后，由控制器發(fā)出信號，用一組斷路器再將晶閘管短接，這樣發(fā)電機輸出的電流就不經過晶閘管直接流入電網。與此同時，應馬上在發(fā)電機端裝設無功補償裝置，將功率因數提高到0.95以上。

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補償電容異步發(fā)電機

圖3.3異步風力發(fā)電機經晶閘管軟并網

S1S2雙向晶閘管增速齒輪RC風力機

3.5風力發(fā)電機組工作狀態(tài)及其轉換

風力發(fā)電機組有以下四種工作狀態(tài)：①運行狀態(tài)；②暫停狀態(tài)；③停機狀態(tài)；④緊急停機狀態(tài)。這四種工作狀態(tài)之間的轉換如下圖。

（1）工作狀態(tài)層次上升

1）從緊急停機到停機：假使?jié)M足停機狀態(tài)的條件，則關掉緊急停機電路；開啟液壓工作壓力；松開機械制動。

2）從停機到暫停：假使?jié)M足暫停條件，則起動自動偏航系統(tǒng)；假使是變槳距風力發(fā)電機組，變槳距系統(tǒng)起動；自動冷卻開啟。

3）從暫停到運行：假使?jié)M足運行條件，則檢查風電機組是不是處在上風向；變槳距系統(tǒng)投入工作；檢測轉速，確定發(fā)電機能否切入電網。（2）工作狀態(tài)層次下降

1）緊急停機：包含3種狀況，從停機到緊急停機；從暫停到緊急停機；從運行到緊急停機。主要控制是：開啟緊急停機電路；置控制器所有輸出信號于無效；機械制動作用；控制器中所有規(guī)律電路復位。

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運暫停

并網型異步風力發(fā)電機的控制研究

2）停機：包含2種狀況，從暫停到停機；從運行到停機。第一種狀況：中止自動偏航；實行空氣動力制動；冷卻中止。其次種狀況：中止自動偏航；實行空氣動力制動；冷卻中止；緊急停發(fā)電機脫網。圖3.4工作狀態(tài)

的轉換

3）暫停：假使發(fā)電機并網，調理功率降到零后切出發(fā)電機；假使發(fā)電機沒有并入電網，則降低風輪轉速至零。

3.6風力發(fā)電機組的運行過程

（1）停機機組停機時，葉片在90o順槳位置，避免承受風載。

（2）待機當風速提高時，機組準備開始發(fā)電，葉片轉動一定角度以吸收風能，轉子的轉速及發(fā)電機的轉速也逐步增加。

（3）并網當發(fā)電機的轉速達到并網轉速時，機組開始并網發(fā)電；隨著風速的增加，發(fā)電機的轉速也在增加；風機將轉子角速度調整到相應的轉速，并使葉片保持0o槳距角。

（4）增加轉子扭矩當發(fā)電機達到額定轉速時，功率控制設備通過增加轉子扭矩使發(fā)電機的輸出功率增加（捕獲最大風能利用率），直到發(fā)電機的輸出功率達到1500KW額定值。

（5）調理葉片角度一旦發(fā)電機達到額定功率，為保持發(fā)電機轉速為額定轉速和額定功率，變槳系統(tǒng)會不斷調理葉片角度。

（6）大風停機當風速達到切出風速時，將葉片槳距調理至90o，執(zhí)行停機程序。

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4偏航系統(tǒng)的控制與研究

偏航系統(tǒng)是風電機組控制系統(tǒng)的重要組成，如圖4.1是偏航控制系統(tǒng)。風能具有隨機性、間歇性和不定向性，為了能夠最大限度的捕獲風能，工業(yè)上常用PI控制器、模糊控制器等來控制偏航系統(tǒng)。但這些控制器的對風精度不高，在一些精度要求比較高的狀況下，風向標就可能會中止工作?；谶@些問題本文提出訪用陀螺儀和爬山算結合在一起的方法來控制偏航系統(tǒng)的策略。

風風力機齒輪箱發(fā)電機變壓器AC減速偏航電機DC電網

DSP控制

齒輪信號轉偏航系統(tǒng)

圖4.1偏航控制系統(tǒng)

4.1偏航系統(tǒng)的工作原理

利用傳感器將風向變化的信號傳給偏航電機控制回路的處理器，經處理器判斷后決定偏航方向和偏航角度，最終達到對風目的。當對風完成后，傳感器失去電信號，電機終止工作，偏航過程完成。如圖4.2所示，偏航系統(tǒng)由控制器、功

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率放大器、執(zhí)行機構、偏航計數器等組成。

風向信號風

輪軸向

—控制功率放大執(zhí)行機風力偏航計數元檢測圖4.2偏航系統(tǒng)

4.2偏航系統(tǒng)的控制原理及其功能4.2.1偏航系統(tǒng)的控制原理

風能普密度函數為:SW?2SK?2|?i|????i????1???????VW????2243(4.1)

式中：

?i?(i?12)???，風波動頻率；

??—積分步長；SK—表面張力因數；?—風波動范圍因數；VW—平均風速。

平均風速VW附近的瞬時風速vW(t)為：

vW(t)?2?i?1n?SW??i?????cos(?i?t??i)（4.2）

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i為時變量，?為自由獨立變量，0180o時

機艙逆時針調向

4.2.2偏航控制系統(tǒng)的功能

偏航控制系統(tǒng)主要具備以下幾個功能：（1）風向標控制的自動偏航；

（2）人工偏航，按其優(yōu)先級別由高到低依次為：頂部機艙控制偏航、面板控制偏航、遠程控制偏航；

（3）風向標控制的90°側風；（4）自動解纜。

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4.2.3偏航控制的硬件

風輪偏角信號經放大和模數轉換后，由CPU進行處理，將處理過的結果再由數模轉換后輸出，最終再經過功率放大驅動執(zhí)行機構。

風速傳感A/D