風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)第四章風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)組成及工作原理風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)簡(jiǎn)介控制理論基礎(chǔ)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方案風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制要求、功能和設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制技術(shù)矢速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行控制變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距功率控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行控制第4章風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)基礎(chǔ)4.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理4.1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)1．自動(dòng)控制的定義自動(dòng)控制就是利用控制裝置自動(dòng)地操縱機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程，功能。使其具有希望的狀態(tài)或能夠?qū)崿F(xiàn)某種生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的所有設(shè)備集合即為自動(dòng)控制系統(tǒng)。4.1.1.2組成它主要有控制裝置和廣義被控對(duì)象(包括被控對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)變送器等)兩大部分組成。簡(jiǎn)單自動(dòng)控制系統(tǒng)可以分為被控制對(duì)象和自動(dòng)控制裝置(包括測(cè)量變送組件、控制器給定器給定器給定器給定器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象變送器廣義對(duì)象控制裝置被調(diào)量4.1.1.3分類圖1.1通常自動(dòng)控制系統(tǒng)組成由于各種被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性不盡圖1.1通常自動(dòng)控制系統(tǒng)組成相同，因此，設(shè)計(jì)滿足性能指標(biāo)要求的自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式也隨之不同；考慮到所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能價(jià)格比，在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)備的選型也會(huì)不同?？紤]以上種種因素，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)就其結(jié)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源形式、系統(tǒng)結(jié)定位形式以及所選擇的控制器形式做以下分類：a、按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類(1)．開(kāi)環(huán)(前饋)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被控對(duì)象之間的信號(hào)傳遞只有順向作用，而沒(méi)有反饋聯(lián)系的控制過(guò)程即被調(diào)量的變化情況不參與系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。開(kāi)環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)作用直接而快速，它在擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生作用的同時(shí)即參與調(diào)節(jié)，但是，它的調(diào)節(jié)作用的針對(duì)性極強(qiáng)。(2)．閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)是控制系統(tǒng)最常規(guī)的構(gòu)成形式。被調(diào)量信號(hào)的變化情況是系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用的依據(jù)，即調(diào)節(jié)作用是根據(jù)被調(diào)量的測(cè)量值與給定值的偏差而形成的。許多工程實(shí)例均屬這種結(jié)構(gòu)形式。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論系統(tǒng)的擾動(dòng)來(lái)自何方，只要被調(diào)量的測(cè)量值偏離給定值，則系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。不足之處則是調(diào)節(jié)速度較開(kāi)環(huán)控制相比要饅些，因?yàn)樗恼{(diào)節(jié)作用是在被調(diào)量的測(cè)量值已經(jīng)偏離給定值之后才開(kāi)始的。(3)．復(fù)合控制系統(tǒng)閉環(huán)控制與開(kāi)環(huán)控制的有機(jī)結(jié)合，可以構(gòu)成具有較好性能指標(biāo)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。(4)．串級(jí)控制系統(tǒng)由于被控對(duì)象的控制難度大大，一個(gè)控制器不能產(chǎn)生良好的控制效果時(shí)，可以選擇兩個(gè)控制器串行連接形成雙回路串級(jí)反饋控制系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的控制水平。b、按執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力源分類(I)電動(dòng)控制系統(tǒng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)；(2)液動(dòng)控制系統(tǒng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液體壓力驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)：(3)氣動(dòng)控制系統(tǒng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由氣體壓力驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。c、按給定值形式分類(1)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。給定值是一個(gè)確定的常數(shù)(如汽包水位控制系統(tǒng))：(2)隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。給定值是九法預(yù)知的變數(shù)(如單元機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng))：(3)程序調(diào)節(jié)系統(tǒng)。給定值是己知變化規(guī)律的變數(shù)(如全程主汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)d、按控制器形式分類(U常規(guī)控制系統(tǒng)。由常規(guī)控制器構(gòu)成的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)：(2)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。由專用計(jì)算機(jī)作為控制器構(gòu)成的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。e、按數(shù)學(xué)描述分類(1)線性系統(tǒng)?？梢杂镁€性微分方程描述的系統(tǒng)，具有齊坎性和疊加性：(2)非線性系統(tǒng)。只能用非線性微分方程描述的系統(tǒng)。4.1.2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)4.1.2.1控制組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)有許多種類型，大體分為水平軸和立軸兩種類型，機(jī)組的控制系統(tǒng)大體的結(jié)構(gòu)都相同。它通過(guò)系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各子系統(tǒng)按照機(jī)組發(fā)電運(yùn)行的要求協(xié)調(diào)有序的工作，控制機(jī)組運(yùn)行在最佳的設(shè)計(jì)工況，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出符合用戶要求的電功率質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)硬件組成圖所示：圖2：控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成框圖如：圖3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)組成框圖控制系統(tǒng)主要包括五大部分：機(jī)組各子系統(tǒng)傳感器、發(fā)電運(yùn)行核心控制器、功率控制器、變速控制器和控制輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如失速定數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)組成如圖2。雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)組成如圖3所示。4.1.2.2、控制系統(tǒng)工作原理控制系統(tǒng)上電以后,系統(tǒng)初始化,檢查控制硬件、程序、傳感器及相關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，確定比較所選的操作參數(shù),接著就按機(jī)組要求正式啟動(dòng)，控制機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，如果是變槳距機(jī)型，利用氣動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，控制轉(zhuǎn)速?gòu)?-18RPM范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速增加，轉(zhuǎn)速上升，計(jì)算機(jī)開(kāi)始時(shí)刻監(jiān)測(cè)各個(gè)參數(shù)、輸入,判斷是否可以并網(wǎng),判斷參數(shù)有否超過(guò)極限、執(zhí)行偏航、外設(shè)狀態(tài)、機(jī)械制動(dòng)或空氣制動(dòng)。當(dāng)達(dá)到規(guī)定的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)并入電網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行。其詳細(xì)的控制系統(tǒng)工作原理，對(duì)于不同的機(jī)型有不同控制工作原理。以雙饋式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組為例，說(shuō)明如下：控制系統(tǒng)的運(yùn)行控制器對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行辨別處理，根據(jù)平均風(fēng)速作開(kāi)機(jī)和停機(jī)判斷，根據(jù)轉(zhuǎn)速進(jìn)行并網(wǎng)和脫網(wǎng)控制；由變速恒頻控制器完成機(jī)組功率優(yōu)化和恒頻輸出控制，由變槳距控制器完成機(jī)組氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制，實(shí)現(xiàn)額定風(fēng)速以上的恒功率控制。變槳距控制器主要由槳葉迎風(fēng)位置檢測(cè)傳感器、槳距調(diào)節(jié)速度檢測(cè)傳感器、位置調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液壓伺服機(jī)構(gòu)等組成，參照?qǐng)D3變距控制器按智能控制模塊給定的控制目標(biāo)，分別調(diào)節(jié)變槳距機(jī)構(gòu)的位置和速度，完成風(fēng)電機(jī)組的變槳距控制。變槳距控制是風(fēng)電機(jī)組是保持額定風(fēng)速以上輸出恒定額定功率，而通過(guò)葉片沿其縱向軸心轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)槳葉迎風(fēng)角的功率控制。其主要調(diào)節(jié)方式分為三個(gè)階段：第一階段為開(kāi)機(jī)階段，當(dāng)風(fēng)力機(jī)達(dá)到運(yùn)行條件時(shí)，計(jì)算給定槳葉節(jié)距角，第一步節(jié)距角調(diào)節(jié)到起動(dòng)角位置左右；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速（如600R/min）時(shí)，再調(diào)節(jié)到零功率角度槳位（如36°），直到風(fēng)力機(jī)達(dá)到發(fā)電轉(zhuǎn)速并網(wǎng)發(fā)電。第二階段為：當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速值時(shí)，即輸出功率小于額定功率時(shí)，槳葉節(jié)距角保持在最大捕風(fēng)槳位置不變。第三階段是：當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速值時(shí)，且功率達(dá)到額定值后，變槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入運(yùn)行。調(diào)節(jié)控制目標(biāo)是額定風(fēng)速以上的額定功率，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，且輸出功率大于額定功率時(shí)，即調(diào)大槳葉槳距角，反之既然，槳距調(diào)節(jié)不斷隨風(fēng)速的變化而進(jìn)行。在系統(tǒng)中變距控制與變速控制相結(jié)合來(lái)達(dá)到功率優(yōu)化控制的目的。變速控制器是變速恒頻控制關(guān)鍵點(diǎn)。變速控制器大體分成三大部分、變速控制核心控制器硬件、變速控制原理實(shí)現(xiàn)軟件、變速控制器主電路。變速控制策略是采用定子磁鏈定向矢量控制技術(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)差變流器的頻率、相位、幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)目的，實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪轉(zhuǎn)子按控制目標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制。變速恒頻控制程序圖如圖5，控制以機(jī)組轉(zhuǎn)速和功率優(yōu)化控制、定子和轉(zhuǎn)子并網(wǎng)發(fā)電控制為主，并網(wǎng)采用變速恒頻切入后轉(zhuǎn)子首先并網(wǎng)，然后定子并網(wǎng)的辦法，用雙饋發(fā)電機(jī)同步機(jī)并網(wǎng)調(diào)節(jié)方法，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于1100RPM時(shí)，且風(fēng)輪的功率基本調(diào)節(jié)到零，調(diào)整轉(zhuǎn)差電流使轉(zhuǎn)子繞組并網(wǎng)，然后進(jìn)行定子并網(wǎng)。機(jī)組并入電網(wǎng)后，漿葉的節(jié)距角逐漸減小，系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行發(fā)電控制?？刂瞥绦蛉鐖D4。圖4、雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制原理框圖采樣處理氣象、電網(wǎng)、風(fēng)機(jī)、控制器參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)采樣處理氣象、電網(wǎng)、風(fēng)機(jī)、控制器參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)開(kāi)機(jī)準(zhǔn)備Y偏航控制YN1850>轉(zhuǎn)速>1100N故障判別處理置升力最大角脫網(wǎng)停機(jī)，安全工作位調(diào)整并網(wǎng)準(zhǔn)備NY按V-β變距調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Y工作位給定槳距位置調(diào)槳速度風(fēng)機(jī)葉輪槳距NNY接電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子N反饋速度功率優(yōu)化發(fā)電機(jī)功率優(yōu)化控制、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速優(yōu)化控制，機(jī)組恒頻恒壓控制，PWM輸出控制方式選取功率因數(shù)給定電機(jī)轉(zhuǎn)子電機(jī)定子液壓伺服限速運(yùn)行電網(wǎng)磁鏈反饋?zhàn)儤嗫刂破髯兯倏刂破鬟\(yùn)行控制器四象限雙向變頻電源Vq〉風(fēng)速V〉VrYN智能控制模塊轉(zhuǎn)子τIrq、Ird。τ定子IEδ4.2風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)簡(jiǎn)介隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)和環(huán)境的日益惡化，被稱為綠色清潔能源的風(fēng)能越來(lái)越受到世界各國(guó)的廣泛重視。風(fēng)是山于太陽(yáng)照射到地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差引起大氣運(yùn)動(dòng)形成的。風(fēng)能就是空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能。能夠?qū)L(fēng)能動(dòng)力轉(zhuǎn)化成電力的裝置稱為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。由在風(fēng)力富足的場(chǎng)地安裝多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，經(jīng)電力輸送設(shè)備將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)的電力送進(jìn)電網(wǎng)的工廠稱為風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。圍繞風(fēng)力發(fā)電廠的電力生產(chǎn)、輸送目標(biāo)的電力設(shè)備組成的系統(tǒng)稱為風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)發(fā)電系統(tǒng)。我國(guó)風(fēng)電建設(shè)始于20世紀(jì)80年代中期。經(jīng)過(guò)了近20年的發(fā)展，到2005年底，全國(guó)共建設(shè)了40多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量為105萬(wàn)KW，年發(fā)電量約21億KW/h。此外，我國(guó)還約有20萬(wàn)臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)(總?cè)萘考s為3.5萬(wàn)KW，用于邊遠(yuǎn)地區(qū)居民用電。我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造技術(shù)和水平也有了很大的進(jìn)步，己經(jīng)基本掌握了單機(jī)容量1000KW以下大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的制造能力。經(jīng)過(guò)多年的努力，己掌握了一定的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，并造就了一批風(fēng)電設(shè)計(jì)、施上的技術(shù)人員，為風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用奠定了良好的基礎(chǔ)。與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的風(fēng)電建設(shè)雖然起步較早，但總體發(fā)展速度較慢，總體規(guī)模在亞洲也落后于印度和日本，距離大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用仍有一定的差距。首先我國(guó)缺乏詳實(shí)的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，以現(xiàn)有有限的地面氣象站的資料，無(wú)法滿足大規(guī)模風(fēng)場(chǎng)建設(shè)的要求。目前風(fēng)力發(fā)電的成本價(jià)和常規(guī)火力發(fā)電相比，仍有很大差距。風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電成本高主要有以下原因:一是由于國(guó)內(nèi)不能制造商品化并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組，進(jìn)口風(fēng)電機(jī)組價(jià)格較貴:二是風(fēng)電和水電一樣，不消耗燃料，沒(méi)有進(jìn)項(xiàng)抵扣，所以風(fēng)力發(fā)電每度電的納稅額高于常規(guī)能源發(fā)電:三是風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模較小，沒(méi)有形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的特殊問(wèn)題。風(fēng)力發(fā)電和常規(guī)水電、火電和核電等相比，基本的區(qū)別有三點(diǎn):1)風(fēng)電機(jī)組的有功功率輸出是隨機(jī)的，其大小取決于風(fēng)的變化:而火電等常規(guī)發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率和無(wú)功功率都可以準(zhǔn)確控制:2)目前采用的風(fēng)電機(jī)組絕大多數(shù)是異步發(fā)電機(jī)組，輸出隨機(jī)有功功率的同時(shí)，要吸收無(wú)功功率，而火電和水電機(jī)組全部都是同步發(fā)電機(jī)組:3)具有相對(duì)容量較小的大量風(fēng)電機(jī)組并列運(yùn)行是風(fēng)電場(chǎng)的一個(gè)重要特點(diǎn)。另外，風(fēng)電機(jī)組是高度自動(dòng)化的發(fā)電設(shè)備，可.以無(wú)人職守、自動(dòng)運(yùn)行:當(dāng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)(如電壓和頻率等)超過(guò)一定范圍時(shí)，風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)停機(jī)。風(fēng)電場(chǎng)的隨機(jī)功率注入可能影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)風(fēng)電機(jī)組對(duì)這些運(yùn)行參數(shù)又有嚴(yán)格的要求。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行控制是風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模發(fā)展必須研究的解決問(wèn)題。4.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)基礎(chǔ)3.1控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型分折與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，首先要建立它的數(shù)學(xué)模型．?dāng)?shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)中各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式?？刂葡到y(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作條件下．或系統(tǒng)中各變量隨時(shí)間變化緩慢情況下．以至于它們對(duì)時(shí)間的變化率可以忽略不計(jì)(即變量的各階導(dǎo)數(shù)為零)情況下，此時(shí)描述變量之間關(guān)系的代數(shù)方程稱為穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。如果各變量對(duì)時(shí)間的變化率不可忽略(即變量的各階導(dǎo)數(shù)不為零)，則描述變量各階導(dǎo)數(shù)之間關(guān)系的微分方程稱為動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，因?yàn)橹挥邪盐兆∠到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，才能從理論上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定量的分析和計(jì)算?？刂葡到y(tǒng)的種類很多，如機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)等。這些表面上完全不同的物理系統(tǒng)，卻可能具有完全相同的數(shù)學(xué)模型，因此．?dāng)?shù)學(xué)模型可以表達(dá)這些系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的共同特性。這樣只要我們深入研究一種數(shù)學(xué)模型．也就了解了具有這種數(shù)學(xué)模型的各類系統(tǒng)的特性。由此可見(jiàn)，控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一旦建立后，對(duì)于系統(tǒng)的分析與研究主要是針對(duì)系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，而不再涉及實(shí)際物理系統(tǒng)的具體性質(zhì)和特點(diǎn)。建立數(shù)學(xué)模型的方法通常有機(jī)理分析法和實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法兩種，機(jī)理分析法是對(duì)系統(tǒng)各部分的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分折，根據(jù)它們所依據(jù)的物理、化學(xué)及各種科學(xué)規(guī)律，列寫相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程．例如，力學(xué)中的牛頓定律，電學(xué)中的基爾霍夫定律等。實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法是人為地給被測(cè)系統(tǒng)施加某種測(cè)試信號(hào)，根據(jù)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用某種數(shù)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，擬合出與實(shí)際系統(tǒng)比較接近的數(shù)學(xué)模型，這種方法稱為系統(tǒng)辨識(shí)。本節(jié)只討論機(jī)理分析法。在控制系統(tǒng)的分折與設(shè)計(jì)中，由于系統(tǒng)的類型不同，采用的分析設(shè)計(jì)方法不同，數(shù)學(xué)模型也相應(yīng)有多種形式。在時(shí)域中常用的數(shù)學(xué)模型有微分方程、差分方程、狀態(tài)方程等，在夏域中有傳遞函數(shù)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖(方框圖)；頻域中有頻率特性等。本章只研究微分方程以及由此派生出的傳遞函數(shù)和方框圖或簡(jiǎn)稱框圖，其應(yīng)用范圍只限于線性定常系統(tǒng)。3.1.1控制系統(tǒng)微分方程的建立微分方程是在時(shí)域中描述系統(tǒng)(或元件)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型。利用微分方程可以得到其他多種形式的數(shù)學(xué)模型。因此它是數(shù)學(xué)模型的最基本形式。一、列寫微分方程的一舶方法列寫微分方程的目的在于確定系統(tǒng)的輸出與輸入間的函數(shù)關(guān)系。每個(gè)系統(tǒng)由不同的元、部件組成的，因此列寫微分方程可按下述步驟進(jìn)行。(1)確定系統(tǒng)(或元件)的輸人量、輸出量。系統(tǒng)的翰人量包括給定輸入和擾動(dòng)輸入兩類信號(hào)，而輸出量是指被控制量，對(duì)于一個(gè)元件或一個(gè)環(huán)節(jié)而言，輸人輸出量的確定可以根據(jù)信號(hào)傳遞的先后順序來(lái)確定。(2)按照信號(hào)傳遞的順序，根據(jù)各變量所遵循的運(yùn)動(dòng)規(guī)律列寫出各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)方程。列寫過(guò)程中要考慮到相鄰元件間的負(fù)載效應(yīng)，有時(shí)要做些必要的簡(jiǎn)化，忽略某些次要因素，必要時(shí)對(duì)非線性因素還要做線性化處理。列寫完后一般構(gòu)成微分方程組，稱之為系統(tǒng)原始模型。(3)消擊中間變量，導(dǎo)出只有輸人變量和輸出變量的系統(tǒng)微分方程。(4)規(guī)范化、整理微分方程，將輸出項(xiàng)歸放到方程左側(cè)，輸人項(xiàng)歸放到方程右側(cè)，各階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)技階次從高到低的順序排列。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的關(guān)鍵是系統(tǒng)及其元、部件所屬學(xué)科領(lǐng)域的有關(guān)科學(xué)規(guī)律，而不是數(shù)學(xué)本身。但是微分方程的求解過(guò)程卻需要數(shù)學(xué)工具(如拉氏變換)。下而舉例說(shuō)明系統(tǒng)(或元件)動(dòng)態(tài)方程的列寫過(guò)程。例1R—L—C電路如圖2．1所示，ur為輸入電壓，uc為輸出電壓，試列出ur和uc之間的微分方程，解設(shè)回路電流為i，根據(jù)基爾霍夫定律?？傻茫?.1-1）消去中間式中TL=L／R，Tc=RCC）、用拉氏變換求解微分方程求解步驟為：([)對(duì)微分方程進(jìn)行拉氏變換，將微分方程轉(zhuǎn)換為以‘為變量的代數(shù)方程(2)求解象方程，得到輸出的象函數(shù)c(3)劉輸出象函數(shù)求拉氏反變換，得到微分方程的解：例2．11設(shè)有微分方程初始條件為解首先對(duì)上述方程兩邊求拉氏變換，得代入初始條件，求得y(s)求反變換(查表)y(t)=1—4e-3t十5e-2t(t＞0)該解由兩部分組成：穩(wěn)態(tài)分量即為終值y(∞)為1，瞬態(tài)分量為(-4e-3t+5e-2t根據(jù)終值定理檢驗(yàn)穩(wěn)態(tài)解為。3.1.2控制對(duì)象的數(shù)學(xué)表示方法a、線姓常系數(shù)微分方程當(dāng)系統(tǒng)的輸入為x(t)，輸出y(t)．則數(shù)學(xué)模型描述為線性定常微分方程的形式b、傳遞函數(shù)(數(shù)學(xué)模型的最主要形式)對(duì)上述線性常系數(shù)微分方程進(jìn)行零初始條件下的LaPLace變化，可以得到輸出的拉氏變換和輸入的拉氏變換之比，即為傳遞函數(shù)，用符號(hào)G(S)描述。傳遞函數(shù)是由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)、參數(shù)確定的，與輸入信號(hào)和初始條件無(wú)關(guān)即c、頻率特性設(shè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(S)的自變量S＝j(luò)ω。得G(jω)，稱G(jω)為系統(tǒng)的頻率特性。頻率域內(nèi)研究系統(tǒng)性能的數(shù)學(xué)模型。如液壓系統(tǒng)的電磁閥,幅頻響應(yīng)特性曲線如圖圖1.5、傳遞函數(shù)的幅頻特性曲線可求得傳遞函數(shù)996.2/[s^2+44.04s+962]3.1.3系統(tǒng)傳遞函數(shù)G1(S)G1(S)G2（s）H(S)C(S)R(S)E(S)圖1.6自控系統(tǒng)傳遞函數(shù)X1(s)-1+X2(S)N(S)圖1.6是控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯?，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)有兩個(gè)輸入量：控制輸入與擾動(dòng)(即干擾)輸入。對(duì)于線性系統(tǒng)，可以分別求出給定信號(hào)及干擾信號(hào)單獨(dú)作用下的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。當(dāng)兩者同時(shí)作用時(shí)，可以應(yīng)用疊加原理，求出系統(tǒng)的輸出量(注意，不是傳遞函數(shù))。下面我們討論典型控制系統(tǒng)的幾個(gè)典型的傳遞函數(shù)。對(duì)于圖1.6所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)G(s)＝Gl(s)G2(s)H(s)(4-11)稱為系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。等于前向通道傳遞函數(shù)與反饋通道傳遞函數(shù)的乘積。它是當(dāng)主反饋通路在比較點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，反饋信號(hào)與給定信號(hào)之間的傳遞函數(shù)。(2)給定信號(hào)作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)令N(s)＝o，則圖1.6可以簡(jiǎn)化為圖1.7，由圖直接求取給定信號(hào)作用r的閉環(huán)傳遞函數(shù)，即輸出信號(hào)C(s)與給定信號(hào)R(s)之間的傳遞函數(shù)。G1(S)GG1(S)G2（s）H(S)C(S)R(S)E(S)圖1.7給定信號(hào)下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-1在給定信號(hào)r(t)單獨(dú)作用下，系統(tǒng)的輸出信號(hào)c(t)[此處記作cr(s)]可以用下式求得（4-13）G1G1(S)G2（s）H(S)C(S)N(S)E(S)圖1.8干擾信號(hào)下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-1-1令R(S)＝0，則圖1.6可以改畫為因1.8，由圖直接求取干擾信號(hào)作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)，即輸出信號(hào)C(s)與干擾信號(hào)N(S)之間的傳遞函數(shù)。求得（4.14）在干擾信號(hào)n（t)單獨(dú)作用下，系統(tǒng)的輸出信號(hào)c(s)(此處記作Cn(s))可以用下式（4.15）（3）干擾信號(hào)作用下的閉環(huán)誤差傳遞函數(shù)系統(tǒng)在干擾信號(hào)單獨(dú)作用下的誤差傳遞函數(shù)由φen(S)可以這樣求取。將圖1.6H(S)-1H(S)-1G1(S)N(S)圖1.9干擾作用下的誤差輸出結(jié)構(gòu)+G2(S)E(S)（4.16）在給之倍號(hào)單獨(dú)作用下，系統(tǒng)的誤差信號(hào)可以用下式求得（4.17）3.1.4狀態(tài)方程3.1.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模風(fēng)輪轉(zhuǎn)子方程若只考慮轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)的方位角，則轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的一階模型是：這里，是轉(zhuǎn)子空氣動(dòng)力學(xué)的轉(zhuǎn)矩，是到軸的反作用轉(zhuǎn)矩。注意在這個(gè)等式中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，代替了整個(gè)的渦流轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。傳動(dòng)裝置對(duì)于剛性主動(dòng)軸及增速齒輪的傳動(dòng)系統(tǒng)，所有柔性均集中在次傳動(dòng)軸上。以ξ代表增速齒輪箱次傳動(dòng)軸兩端的相對(duì)位移角，見(jiàn)圖。因此有下述運(yùn)動(dòng)方程：兩邊對(duì)時(shí)間取微分，得當(dāng)認(rèn)為轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)速度一致時(shí)，發(fā)電機(jī)與轉(zhuǎn)子的速度比為齒輪箱增速比ν。對(duì)于柔性傳動(dòng)系統(tǒng)其中是轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)的方位角，而是轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度狀態(tài)，習(xí)慣也可表示為ωg和ωr。驅(qū)動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，是驅(qū)動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)的阻尼系數(shù)。發(fā)電機(jī)模型根據(jù)電機(jī)傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式，有等式成立：其中,Jg發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωg發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，Tm作用在次傳動(dòng)軸上的扭矩，Te發(fā)電機(jī)反扭矩。其中：g發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)，m1相數(shù)，U1電網(wǎng)電壓，C1修正系數(shù)，ωG發(fā)電機(jī)的當(dāng)量轉(zhuǎn)速，ω1發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，r1,x1分別為定子繞組的電阻和漏抗，r2′,x2分別為歸算后轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏抗，又有：變槳距模型槳距角β變化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，假定為一階慣性環(huán)節(jié)其中，Tβ為時(shí)間常數(shù)。控制系統(tǒng)建模異步發(fā)電機(jī)的測(cè)速裝置，由于存在滯后，用一個(gè)慣性環(huán)節(jié)表示其中,ωgm為速度傳感器測(cè)得的發(fā)電機(jī)的角速度,Tω為時(shí)間常數(shù)。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系式：3.2控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與典型輸入信號(hào)3.2.1關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定性概念對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制系統(tǒng)由于控制對(duì)象不同，工作方式不同，完成的任務(wù)不同，因此對(duì)系統(tǒng)的品質(zhì)要求也往往各不一樣，但是自動(dòng)控制理論是研究各類系統(tǒng)共同規(guī)律的一門科學(xué)，對(duì)于閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)時(shí)．我們惑興趣的是在某種典型輸入信號(hào)的作用下，輸出量(被控量)變化的全過(guò)程。例如，對(duì)于恒值控制系統(tǒng)，主要是研究擾動(dòng)作用引起輸出量變化的全過(guò)程；對(duì)于隨動(dòng)系統(tǒng)，主要是研究輸出量怎樣克服擾動(dòng)影響并跟隨參考輸入量變化的全過(guò)程。各類系統(tǒng)對(duì)被控量變化全過(guò)程所提出的基本要求是一樣的，一般可歸納為穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)。1．穩(wěn)定性穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常工作的先決條件，因?yàn)椴环€(wěn)定的系統(tǒng)是無(wú)法完成預(yù)定控制任務(wù)的。所謂穩(wěn)定性是指系統(tǒng)偏離平衡工作狀態(tài)后，自動(dòng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。出于控制系統(tǒng)中一般含有慣性元件或儲(chǔ)能元件，而這些元件的能量不能突變，因此當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，控制過(guò)程不會(huì)立即完成，使該系統(tǒng)的輸出響應(yīng)偏離了平衡狀態(tài)，如果在隨后的時(shí)間里被控量經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(稱為過(guò)渡過(guò)程時(shí)間)能夠最終回到原來(lái)的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的：反之，如果系統(tǒng)的輸出響應(yīng)逐漸增大趨于無(wú)窮．或出現(xiàn)發(fā)散振蕩的情況．則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。線性自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)決定的，與外界因素?zé)o關(guān)，自動(dòng)控制理論應(yīng)研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參量問(wèn)的關(guān)系，并給出穩(wěn)定性的判別方法，因此穩(wěn)定性的研究是自動(dòng)控制理論中的一個(gè)基本問(wèn)題。2．快速性快速性是系統(tǒng)在穩(wěn)定工作的前提下提出的，所謂快速性是指系統(tǒng)在消除輸出響應(yīng)與給定輸入量之間的偏差時(shí)的快慢程度?？焖傩允呛饬肯到y(tǒng)過(guò)渡過(guò)程性能的形式和快慢的重要指標(biāo)，通常稱為動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。為了保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程快速、均勻，通常把調(diào)節(jié)時(shí)間(即過(guò)渡過(guò)程時(shí)間)、超調(diào)量、振蕩次數(shù)統(tǒng)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)(或稱哲態(tài)、田態(tài)品質(zhì)指標(biāo))。3．準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性又稱穩(wěn)態(tài)精度。系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后實(shí)際輸出量與給定期望值之間的偏差，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差越小，說(shuō)明控制系統(tǒng)的控制精度越高。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)性能好壞的另一項(xiàng)重要指標(biāo)，設(shè)計(jì)者的任務(wù)之一就是在兼顧控制系統(tǒng)其他性能指標(biāo)的同時(shí)，使穩(wěn)態(tài)誤差盡可能小或小于某個(gè)允許的誤差范圍。應(yīng)當(dāng)指出，上面提出的三個(gè)基本要求，對(duì)于不同的控制系統(tǒng)，具體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也各有側(cè)重，例如，恒值控制系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求嚴(yán)格，隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)快速性的要求較高。另外，對(duì)于同一系統(tǒng)，穩(wěn)、俠、準(zhǔn)的要求是相互制約的。例如．提高系統(tǒng)的快速性，往往會(huì)誘發(fā)系統(tǒng)強(qiáng)烈的振蕩；若改善平穩(wěn)性，控制過(guò)程又可能延緩，甚至?xí)绊懛€(wěn)態(tài)精度。分析與解決這些矛盾，也是控制理論研究的主要問(wèn)題。系統(tǒng)典型輸入信號(hào)在工程實(shí)踐中，作用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)是多種多樣的，既有確定性信號(hào)，也有非確定性信號(hào)，如隨機(jī)信號(hào)。為了便于系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，常選用幾種確定性信號(hào)作為典型輸入信號(hào)。典型輸入信號(hào)的選取原則是：該信號(hào)的函數(shù)形式容易在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)中獲得；系統(tǒng)在這種信號(hào)作用下的性能可以代表實(shí)際工作條件下的性能；這種信號(hào)的函數(shù)表達(dá)式簡(jiǎn)單，便于計(jì)算，工程設(shè)計(jì)中常用的典型輸入信號(hào)有：階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、拋物線函數(shù)、脈沖函數(shù)、正弦函數(shù)，此外還有偽隨機(jī)函數(shù)等。Af（t）Af（t）Ot階躍函數(shù)圖形如1.2所示他的表達(dá)式為(A為常量)(1．1)幅值為l的階躍函數(shù)，稱為單位階躍函數(shù)。它的表達(dá)式為圖2.1階躍函數(shù)（1.2）階躍函數(shù)的圖形如圖2.1所示，它的表達(dá)式為式（1.2）常記為1(t)，幅值為A的階躍函數(shù)可表示為f(t)＝A．1（t）在任意時(shí)刻可表示為可表示為f(t-t0)=A．1(t-t0)。Af（t）OAf（t）Ot圖2.2斜坡函數(shù)斜坡函數(shù)的圖形如圖2.2所示、它的表達(dá)式為(A為常量)(1.3)斜坡函數(shù)也稱為等速度函數(shù)。它等于階躍函數(shù)對(duì)時(shí)間的積分，而它的導(dǎo)數(shù)就是階躍函數(shù)。當(dāng)A=1時(shí)．稱為單位斜坡函數(shù)。在工程實(shí)踐中，某些隨動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)常工作于這種函數(shù)作用之下。c．拋物線函數(shù)Af（t）Af（t）Ot圖2.2拋物線函數(shù)(A為常量)(1.4)拋物線函數(shù)也稱為加速度函數(shù)，它等于斜坡函數(shù)對(duì)時(shí)間的積分，而它對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)就是斜坡函數(shù)。當(dāng)A=1／2時(shí)，稱為單位加速度函數(shù)。d．脈沖函數(shù)脈沖函數(shù)的圖形如圖1．12所示，它的表達(dá)式為(A為常量)(1.5)A/εA/εδ（t）Oδ（t）b)ε=0tOOa.)εa.)ε>0t圖2.4脈沖函數(shù)圖2.4脈沖函數(shù)當(dāng)A=1時(shí)，計(jì)為δε見(jiàn)圖2.4a)；若令ε—o，則稱為單位脈沖函數(shù)δ(5)，見(jiàn)圖2.4b)。理想單位脈沖函數(shù)δ(f)的表達(dá)式為且（1.6）式δ(t)表明，理想單位脈沖函數(shù)是一個(gè)寬度為零、幅值為無(wú)窮大、面積為1的脈沖。脈沖函數(shù)的強(qiáng)度通常用其面積表示，強(qiáng)度為A的脈沖函數(shù)可表示為f(t)＝A·δ(t)。在時(shí)刻to出現(xiàn)的單位脈沖函數(shù)可表示為δ(t-t0)。單位脈沖函數(shù)是單位階躍函數(shù)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，而單位階躍函數(shù)則是單位脈沖函數(shù)對(duì)時(shí)間的積分。應(yīng)當(dāng)指出，脈沖函數(shù)只是數(shù)學(xué)上的定義和假設(shè)，在現(xiàn)實(shí)中并不存在，但它是一個(gè)重要的數(shù)學(xué)工具。在控制理論研究中，它亦有重要作用。如—個(gè)任意形式的外作用函數(shù)，可以分解為不同時(shí)刻一系列脈沖函數(shù)之和.這樣，通過(guò)研究系統(tǒng)在脈沖函數(shù)作用下的響應(yīng)特性，便可了解系統(tǒng)在任意形式函數(shù)作用下的響應(yīng)特性。e．正弦函數(shù)正弦函數(shù)的表達(dá)式為f(t)=Asin(ωt—φ)(1.7)式中：A為振幅ω＝2π為角頻率φ為初始相角。正弦函數(shù)是控制系統(tǒng)常用的一種典型外作用信號(hào)，許多隨動(dòng)系統(tǒng)就是在這種函數(shù)作用下工作的，如艦船的消擺系統(tǒng)、穩(wěn)定平臺(tái)的隨動(dòng)系統(tǒng)等，就是處于類似于正弦函數(shù)的波浪下工作的。用正弦函數(shù)作為輸入信號(hào)，可以求得不同頻率的正弦函數(shù)輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，稱之為頻率響應(yīng)，利用頻率響應(yīng)來(lái)分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，稱為頻域設(shè)計(jì)法，這部分內(nèi)容可參考相關(guān)的書(shū)籍。3.2.2系統(tǒng)的性能指標(biāo)為保證風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，必須給出明確的系統(tǒng)性能指標(biāo)，即控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性指標(biāo)。通常用這三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià)一個(gè)控制系統(tǒng)的控制水平。已知反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成形式的原則性框圖如圖2.5所示，在系統(tǒng)處在動(dòng)態(tài)平衡的前提條件下，要獲取系統(tǒng)的性能指標(biāo)，必須對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生激勵(lì)作用，從而讓測(cè)量值偏離給定值，此時(shí)，系統(tǒng)控制器才能產(chǎn)生控制作用，才能觀測(cè)出系統(tǒng)的控制水平。首先，系統(tǒng)必須具備能夠抗拒擾動(dòng)重新回到平衡狀態(tài)的能力，這就是系統(tǒng)的穩(wěn)定性概念。再?gòu)臏y(cè)量值與給定值動(dòng)靜態(tài)偏差的大小及消失速度給出具體的、定量的描述。a．激勵(lì)信號(hào)的選擇依據(jù)(1)使系統(tǒng)計(jì)算性能指標(biāo)的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單：(2)能夠代表系統(tǒng)實(shí)際擾動(dòng)的形式：(3)激勵(lì)信號(hào)的強(qiáng)度足夠激發(fā)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程并且系統(tǒng)設(shè)備又能夠承受?？刂破鞅豢刂茖?duì)象控制器被控制對(duì)象測(cè)量值輸出輸入偏差圖2.4反饋控制原理圖控制量反饋(1)階躍信號(hào)；(2)脈沖信號(hào)t理想)或方波信號(hào)(3)斜坡信號(hào)：(4)加速度信號(hào)。c．衡量系統(tǒng)測(cè)量值跟蹤給定值能力的技術(shù)指標(biāo)對(duì)于穩(wěn)定的系統(tǒng)，在給定值為單位階躍擾動(dòng)的情況下，獲得輸出值(測(cè)量值)隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線如圖2.6所示。從系統(tǒng)三項(xiàng)性能指標(biāo)的綜合性考慮，一般情況下，響應(yīng)曲線為衰減振蕩過(guò)程的形式最佳。從響應(yīng)曲線上可收取以下常用性能指標(biāo)。圖2.6a為采用系統(tǒng)階躍干擾輸入時(shí)，常規(guī)PID控制器的控制輸出結(jié)果圖2.6b、為當(dāng)系統(tǒng)為加入10倍的隨機(jī)大干擾時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制輸出仿真結(jié)果(1)調(diào)節(jié)時(shí)間ts系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程所需要的時(shí)間。(2)超調(diào)量σ％＝(Cmax—1)X100％：在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，測(cè)量值超過(guò)給定位的最大幅度的百分比。(3)最大動(dòng)態(tài)偏差emax在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，測(cè)量值超過(guò)結(jié)定位的最大幅度。(4)靜態(tài)偏差ess，任動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，測(cè)量值與給定值之差。(5)振蕩次數(shù)x。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中產(chǎn)生周期振蕩的次數(shù)。e．衡量系統(tǒng)測(cè)量值抗拒干擾信號(hào)能力的技術(shù)指標(biāo)對(duì)于穩(wěn)定的系統(tǒng)，在干擾信號(hào)為單位階躍擾動(dòng)的情況下，獲得輸出值(測(cè)量值)隨時(shí)間的響應(yīng)曲線如圖2.5a所示。從響應(yīng)曲線上可獲取以下常用性能指標(biāo)；〔1)調(diào)節(jié)時(shí)間ts在干擾的作用下動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程所需要的時(shí)間。(2)衰減率ψ％＝1—C3／Cmax表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程的衰減程度。(3)最大動(dòng)態(tài)偏差emax。(4)靜態(tài)偏差ess。(5)振蕩次數(shù)x。怎樣確定控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是控制系統(tǒng)的分析問(wèn)題；怎樣使自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造問(wèn)題，這些問(wèn)題要結(jié)合實(shí)際必須掌握。3.2.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制運(yùn)行穩(wěn)定性分析已知反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成形式的原則性框圖如圖1—11所示*在系統(tǒng)處在動(dòng)態(tài)平衡的前提條件·F，要獲取系統(tǒng)的性能指標(biāo)，必須對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生激勵(lì)作用，從而讓測(cè)量值偏離給定值，此時(shí)，系統(tǒng)控制器才能產(chǎn)生控制作用，才能觀測(cè)出系統(tǒng)的控制水平。首先，系統(tǒng)必須具備能夠抗拒擾動(dòng)重新回到平衡狀態(tài)的能力，這就是系統(tǒng)的穩(wěn)定性概念。再?gòu)臏y(cè)量值與給定值動(dòng)靜態(tài)偏差的大小及消失速度給出具體的、定量的描述。（1）1．激勵(lì)信號(hào)的選擇依據(jù)(1)使系統(tǒng)計(jì)算性能指標(biāo)的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單：(2)能夠代表系統(tǒng)實(shí)際擾動(dòng)的形式：(3)激勵(lì)信號(hào)的強(qiáng)度足夠激發(fā)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程并且系統(tǒng)設(shè)備又能夠承受。（2）．常用激勵(lì)信號(hào)的形式(1)階躍信號(hào)；(2)脈沖信號(hào)（理想)或方波信號(hào)(3)斜坡信號(hào)：(4)加速度信號(hào)。（3）系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性第二方法李雅普諾夫穩(wěn)定第二方法，又叫做直接法，它不需要直接求解微分方程，而是把判別解的穩(wěn)定性建立在這樣—個(gè)白觀的物理概念的基礎(chǔ)上：如果一個(gè)系統(tǒng)的未擾運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的，那么當(dāng)它受到擾動(dòng)之后，系統(tǒng)所存貯的“能量”在擾動(dòng)消除之后．應(yīng)該隨時(shí)間的增長(zhǎng)而衰減，而當(dāng)它恢復(fù)到末擾動(dòng)狀態(tài)時(shí)，或者恢復(fù)到充分小的鄰域時(shí)，這種能量將取極小值。反之，未擾運(yùn)動(dòng)是不穩(wěn)定的。根據(jù)這種直觀的物理概念而建立的李雅普諾夫穩(wěn)定第二方法，實(shí)際上可歸結(jié)為一個(gè)描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的n個(gè)一階微分方程組?？紤]動(dòng)態(tài)系統(tǒng)X；＝fi(Xi，t)(i＝1，2，…．n)(1)如果存在稱作李雅普諾夫函數(shù)的標(biāo)量函數(shù)V(XJ)，且該函數(shù)在系統(tǒng)原點(diǎn)的鄰域內(nèi)滿足下列兩個(gè)條件：①V(X1，X2，…，Xn)具有對(duì)X1，X2...Xn的一階偏導(dǎo)數(shù)且連續(xù)；②V(X1，x2，…，Xn)O，且僅在Xi=Xi0(i=1,2,,,n)時(shí)才有V=0即函數(shù)V在原點(diǎn)有嚴(yán)格極小值。則當(dāng)即V函數(shù)在原點(diǎn)的鄰域內(nèi)沿方程解曲線對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)是負(fù)定的時(shí)，系統(tǒng)的原點(diǎn)Xi=Xio(i＝1，2，…，n)是漸近穩(wěn)定的。而當(dāng)時(shí)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。須注意上述給出的李雅普諾夫穩(wěn)定性理論是系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件。嚴(yán)格意義下的李雅普諾夫穩(wěn)定性充分必要條件是這樣陳述的：考慮動(dòng)態(tài)系統(tǒng)X＝f(X，t)(4)其中狀態(tài)x∈Rn，假設(shè)系統(tǒng)(4)在給定初始條件下有惟一解．且解對(duì)初始條件有連續(xù)的依依賴性X（t）=ψ（tj，X0，t0）這里的X0為初始狀態(tài)，即Xo=ψ(t、X0，t0)t =t0。若果一狀態(tài)Xe滿足：對(duì)所有t≥t。．f(Xe，t)=0，則稱X0為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的平衡態(tài)。如果Xe是(4)式的孤立平衡態(tài)，且滿足下列條件，則Xe稱為李雅普諾大意義下穩(wěn)定：對(duì)任意實(shí)數(shù)ε＞o，存在—實(shí)數(shù)δ(ε，t。)，使由滿足X0—Xe≤(ε，t。)的任意初態(tài)出發(fā)的解均滿足ψ(tj，Xo，t。)—Xe≤ε，Vt＞t0(6)如果上述的δ與to的選擇無(wú)關(guān)，則稱平衡態(tài)Xe是——致穩(wěn)定的.(4)式的狀態(tài)解是有界的，是指對(duì)實(shí)數(shù)δ＞0，存在ε(δ，t0)＞o位滿足x0-xe≤δ的任意初態(tài)出發(fā)的解滿足ψ(tj，Xo，t。)—Xe≤ε(δ，t0)，Vt＞t0若ε與t0無(wú)關(guān)，則稱此解是一致有界的。3.2.5控制系統(tǒng)參數(shù)整定對(duì)一個(gè)具體的調(diào)節(jié)系統(tǒng),設(shè)置和調(diào)整PID參數(shù),使調(diào)節(jié)過(guò)程達(dá)到令人滿意的品質(zhì),稱為參數(shù)整定,不管是常規(guī)調(diào)節(jié)儀表或DCS控制,統(tǒng)稱為調(diào)節(jié)器參數(shù)整定"目前很多企業(yè)生產(chǎn)裝置的自控系統(tǒng)配置不錯(cuò),但其控制回路的自控投用率卻不高,控制效果不好，這種現(xiàn)象往往與其自控系統(tǒng)的參數(shù)整定工作做得好不好有很大關(guān)系。（1）幾種常用的參數(shù)整定的方法常用的參數(shù)整定方法有:經(jīng)驗(yàn)法!衰減曲線法!臨界比例度法!反應(yīng)曲線法"用衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法是:在純比例作用下,Ti為∞,Td為0,目的是要得到4：1,衰減振蕩過(guò)度過(guò)程曲線"根據(jù)所得曲線,若衰減大于4：1應(yīng)調(diào)整σ朝小比例帶方向;若小于4：1,應(yīng)調(diào)整σ朝大比例帶方向記下4：1的比例帶σ,并在記錄曲線上求得4：1衰減時(shí)的調(diào)節(jié)周期Tp,然后計(jì)算σ,Ti,Td各值臨界比例度法考慮的實(shí)質(zhì)是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)找到等幅振蕩的過(guò)渡過(guò)程,得到臨界比例度和等幅振蕩周期。當(dāng)操縱變量作階躍變化時(shí),被控變量隨時(shí)間變化的曲線稱為反應(yīng)曲線"對(duì)有自衡的非振蕩過(guò)程,廣義對(duì)象傳遞函數(shù)?？捎肎0(s)=K0e-sτ/(Ts+1)近似"K0,τ和T可用圖解法等得出"調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的反應(yīng)曲線是依據(jù)廣義對(duì)象的K0,τ和T確定調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法。（2）經(jīng)驗(yàn)法以上幾種方法有的繁瑣,有的對(duì)過(guò)程影響較大,有的理論性較強(qiáng),均影響了它們的應(yīng)用，而在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛的則是經(jīng)驗(yàn)法,操作起來(lái)最為安全可靠。經(jīng)驗(yàn)法是一種湊試法,參數(shù)預(yù)先設(shè)置的數(shù)值范圍和反復(fù)湊試的程序是該方法的核心需要整定的參數(shù)預(yù)先定在哪個(gè)范圍內(nèi),要依據(jù)對(duì)象的特性,也要參考測(cè)量?jī)x表的量程。經(jīng)驗(yàn)法的湊試程序有兩種。一種程序是先用簡(jiǎn)單的比例(P)作用，后加積分（I），再后加微分（D）作用的方法。按照這種程序，參數(shù)整定要按如下步驟進(jìn)行：在單獨(dú)比例作用下湊試比例系數(shù)的數(shù)值，而后加積分，最后再加微分。在加積分作用之前，應(yīng)將比例帶Kp放大20%左右，總的原則是：振蕩過(guò)強(qiáng)，則加大比例帶，延長(zhǎng)積分時(shí)間；回復(fù)過(guò)慢，則縮小比例系數(shù)，縮短積分時(shí)間。最后引入微分作用。當(dāng)微分作用引入后，可將比例系數(shù)比單獨(dú)比例作用時(shí)減小20%左右，積分時(shí)間也可放小一點(diǎn)。微分時(shí)間也要湊試，以使過(guò)度時(shí)間最短，超調(diào)量最小。另一種程序是先將積分時(shí)間Ti和微分Td定下來(lái)，取表達(dá)式所列范圍內(nèi)的某一數(shù)值，如果需要微分作用，則取Td=(1/4~1/3))Ti，然后對(duì)比例進(jìn)行湊試，直至滿足調(diào)節(jié)質(zhì)量要求。如果根據(jù)調(diào)節(jié)過(guò)程曲線，定出的比例系數(shù)Kp覺(jué)得不理想，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td即可。（3）參數(shù)自整定隨著可編程調(diào)節(jié)器和DCS的廣泛應(yīng)用,我們?cè)絹?lái)越多地接觸到了參數(shù)自整定"首先,PID算法的參數(shù)整定是不基于模型和參數(shù)的,它是一種根據(jù)過(guò)程對(duì)象的時(shí)間特性或頻率特性來(lái)整定PID參數(shù)的方法"PID調(diào)節(jié)器對(duì)于一些小的干擾和非線性方法一般是離線進(jìn)行的，即在系統(tǒng)投運(yùn)之前先用一些方法(如經(jīng)驗(yàn)法)得出各PID參數(shù)的方法,然后在過(guò)程中得出一套較理想的參數(shù),這些參數(shù)在系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中一般是不變的,不會(huì)隨生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)的變化而變化"為了提高整定效益,并克服生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)的變化,人們提出了很多整定PID的方法,市場(chǎng)上也已出現(xiàn)了很多成熟的PID自整定軟件和調(diào)節(jié)器產(chǎn)品，常用的幾種PID自整定方法!如極限環(huán)法!探索整定法!專家系統(tǒng)等"有的也提出了一些應(yīng)用專家系統(tǒng)和模糊控制的方法在實(shí)現(xiàn)模糊PID和專家系統(tǒng)自整定PID算法。（4）用實(shí)測(cè)法估計(jì)系統(tǒng)滯后時(shí)間對(duì)象的滯后是對(duì)象的一種固有特性，其大小可以通過(guò)辨識(shí)的方法得到。例如，在對(duì)象的輸入端施加一個(gè)階躍信號(hào)，并同時(shí)從階躍信號(hào)加入時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，直至在對(duì)象的輸出中能夠觀測(cè)到響應(yīng)的時(shí)刻為止，這一段計(jì)時(shí)時(shí)間稱為滯后時(shí)間，通常用符號(hào)表示。這是一個(gè)開(kāi)環(huán)辨識(shí)滯后時(shí)間的方法。對(duì)象滯后時(shí)間的閉環(huán)辨識(shí)方法，同樣是對(duì)系統(tǒng)施加一給定階躍信號(hào)，通過(guò)觀察系統(tǒng)不響應(yīng)的時(shí)間來(lái)確定。上述兩種方法對(duì)于沒(méi)有死區(qū)的對(duì)象是適用的。當(dāng)對(duì)象具有死區(qū)時(shí)，必須首先辨別死區(qū)的大小。死區(qū)又稱不靈敏區(qū)，通常是由測(cè)量元件的死區(qū)、放大元件的死區(qū)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)造成的。例如永磁直線同步電機(jī)，由于導(dǎo)軌間存在摩擦力和負(fù)載力，因此只有當(dāng)輸入電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，電機(jī)才會(huì)運(yùn)動(dòng)，即存在死區(qū)。死區(qū)特性表現(xiàn)為靜態(tài)特性，滯后時(shí)間則表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)特性。在有死區(qū)的場(chǎng)合下，不響應(yīng)的時(shí)間不等于滯后時(shí)間。滯后時(shí)間等于不響應(yīng)時(shí)間減去死區(qū)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。滯后時(shí)間辨識(shí)的一個(gè)困難問(wèn)題是被控象經(jīng)常承受隨機(jī)性的擾動(dòng)，其輸出信號(hào)本身就處于變動(dòng)的狀態(tài)，因此應(yīng)用簡(jiǎn)單的測(cè)試方法和人為的肉眼觀測(cè)，時(shí)常會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。通常，采用加入偽隨機(jī)信號(hào)的測(cè)試方法，能夠比較準(zhǔn)確地獲得滯后時(shí)間。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的實(shí)質(zhì)是要改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,為此,必須事先了解系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性，系統(tǒng)是由對(duì)象與自動(dòng)化裝置方面組成,因此必須了解對(duì)象的特性和自動(dòng)化裝置性能"一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)象的特性都相當(dāng)復(fù)雜,如果能測(cè)試則最好,不能測(cè)試的應(yīng)根據(jù)化工生產(chǎn)機(jī)理,作出粗略的估計(jì),對(duì)容量的大小!負(fù)荷變化的情況!滯后的長(zhǎng)短及有否自衡能力等有所掌握，如果這也辦不到,至少應(yīng)了解工藝流程!控制指標(biāo)!操作情況等"各種自動(dòng)化儀表都有其獨(dú)有的特性,自控人員不僅要了解它,更重要的是通過(guò)調(diào)校檢查,使之合乎要求"只有在對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象及自動(dòng)化儀表全面了解后,才能正確地進(jìn)行參數(shù)整定"由于參數(shù)整定直接關(guān)系到一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)能否達(dá)到靈!準(zhǔn)!穩(wěn)的控制目標(biāo),我們必須給予足夠的重視并加以研究"然而,整定調(diào)節(jié)器參數(shù)只能在一定范圍內(nèi)改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì),如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,裝置或傳感器使用不當(dāng),調(diào)節(jié)閥不合要求,僅靠改變調(diào)節(jié)器參數(shù)則無(wú)濟(jì)于事"改變調(diào)節(jié)器參數(shù),是提高調(diào)節(jié)過(guò)程品質(zhì)的重要因素,但不是惟一的因素，遇到整定參數(shù)不能滿足調(diào)節(jié)品質(zhì)要求或系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)運(yùn)行時(shí),必須認(rèn)真分析對(duì)象特性、系統(tǒng)構(gòu)成問(wèn)題才能使系統(tǒng)正常運(yùn)行。3.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的線性化狀態(tài)空間模型第5章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)5.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制要求、功能和設(shè)計(jì)5.1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)由風(fēng)能到機(jī)械能和由機(jī)械能到電能兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的裝置，風(fēng)輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從風(fēng)能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，在考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)時(shí)，應(yīng)結(jié)合它們的運(yùn)行方式重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下控制目標(biāo)：控制系統(tǒng)保持風(fēng)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行，同時(shí)高質(zhì)量地將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率、電壓恒定的交流電送入電網(wǎng)?？刂葡到y(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理，完成機(jī)組的最佳運(yùn)行狀態(tài)管理和控制。利用計(jì)算機(jī)智能控制實(shí)現(xiàn)機(jī)組的功率優(yōu)化控制，定槳距恒速機(jī)組主要進(jìn)行軟切入、軟切出及功率因數(shù)補(bǔ)償控制，對(duì)變槳距變速風(fēng)電機(jī)組主要進(jìn)行最佳尖速比控制、額定風(fēng)速以上的恒功率控制和變速恒頻控制。主要完成的控制功能有：自動(dòng)啟動(dòng)/停機(jī)、手自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換、自動(dòng)偏航、機(jī)艙扭纜、自動(dòng)解繞控制、最佳葉尖速比控制、脫網(wǎng)關(guān)機(jī)、風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)除濕、加熱、冷卻控制、液壓驅(qū)動(dòng)、逆功率自動(dòng)停機(jī)控制等。5.1.2、基本設(shè)計(jì)功能1、大風(fēng)情況下，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到停機(jī)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)應(yīng)葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機(jī)械閘停機(jī)，而且在脫網(wǎng)同時(shí)，風(fēng)機(jī)偏航90°。停機(jī)后待風(fēng)速降低到大風(fēng)開(kāi)機(jī)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)又可自動(dòng)并入電網(wǎng)運(yùn)行。2、為了避免小風(fēng)時(shí)發(fā)生頻繁開(kāi)、停機(jī)現(xiàn)象，在并網(wǎng)后10分鐘內(nèi)不能按風(fēng)速自動(dòng)停機(jī)。同樣，在小風(fēng)自動(dòng)脫網(wǎng)停機(jī)后，5分鐘內(nèi)不能再次并網(wǎng)。3、當(dāng)風(fēng)速小于停機(jī)風(fēng)速時(shí)，為了避免風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期逆功率運(yùn)行，造成電網(wǎng)損耗，應(yīng)自動(dòng)脫網(wǎng)，使風(fēng)機(jī)處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)的待風(fēng)狀態(tài)。4、當(dāng)風(fēng)速大于開(kāi)機(jī)風(fēng)速，要求偏航機(jī)構(gòu)始終能自動(dòng)跟風(fēng)。跟風(fēng)精度范圍±15°。5、風(fēng)機(jī)的液壓機(jī)械閘在并網(wǎng)運(yùn)行、開(kāi)機(jī)和待風(fēng)狀態(tài)下應(yīng)該松機(jī)械閘，其余狀態(tài)下（大風(fēng)停機(jī)、斷電和故障等）均應(yīng)抱閘。6、風(fēng)機(jī)的葉尖氣動(dòng)閘除非在脫網(wǎng)瞬間、超速和斷電時(shí)釋放，起平穩(wěn)剎車作用。7、在大風(fēng)停機(jī)和超速停機(jī)的情況下，風(fēng)機(jī)除了應(yīng)該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖閘停機(jī)外，還應(yīng)該自動(dòng)投入偏航控制，使風(fēng)機(jī)的機(jī)艙軸心線與風(fēng)向成一定的角度，增加風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的安全度，待機(jī)艙轉(zhuǎn)約90°后，機(jī)艙保持與風(fēng)向偏90°跟風(fēng)控制，跟風(fēng)范圍±15°。8、在電網(wǎng)中斷、缺相和過(guò)壓的情況下，風(fēng)機(jī)應(yīng)停止運(yùn)行，此時(shí)控制系統(tǒng)不能供電。如果正在運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)遇到這種情況，應(yīng)能自動(dòng)脫網(wǎng)和抱閘停機(jī)，此時(shí)偏航機(jī)構(gòu)不會(huì)動(dòng)作，風(fēng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分應(yīng)能承受考驗(yàn)。9、風(fēng)機(jī)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(jì)了正/反向扭纜計(jì)數(shù)器，超過(guò)時(shí)自動(dòng)停機(jī)解纜，達(dá)到要求后再自動(dòng)開(kāi)機(jī)，恢復(fù)運(yùn)行發(fā)電。10、風(fēng)機(jī)應(yīng)具有手動(dòng)控制功能（包括遠(yuǎn)程遙控手操），手動(dòng)控制時(shí)“自動(dòng)”功能應(yīng)該解除，相反地投入自動(dòng)控制時(shí)，有些“手動(dòng)”功能自動(dòng)屏蔽。11、控制系統(tǒng)應(yīng)該保證風(fēng)機(jī)的所有監(jiān)控參數(shù)在正常允許的范圍內(nèi)，一旦超過(guò)極限并出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，應(yīng)能自動(dòng)處理并安全停機(jī)。5.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)5.2.1風(fēng)機(jī)傳感器傳感器的功能是把風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)傳遞到控制系統(tǒng)，測(cè)量的變量包括：速度信號(hào)（發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、偏航速率、轉(zhuǎn)動(dòng)方向等）溫度信號(hào)（齒輪箱油溫、液壓油溫、齒輪箱軸承、發(fā)電機(jī)軸承、發(fā)電機(jī)繞組、環(huán)境氣溫、電器柜內(nèi)溫度等）位置信號(hào)（葉片槳距角位置、擺角位置、副翼位置、葉片角方位、偏航位置、纏繞故障、風(fēng)向等）電氣特性（電網(wǎng)電流、功率因數(shù)、電壓、電網(wǎng)頻率、接地故障、逆變器運(yùn)行信息等）液流特性（液壓或氣壓，液壓油位、液壓油流量等）運(yùn)動(dòng)、壓力、張力傳感（塔頂加速計(jì)、軸轉(zhuǎn)矩、齒輪箱振動(dòng)、葉根彎矩等）環(huán)境條件（傳感器結(jié)冰、濕度、雷電等）5.2.2機(jī)組運(yùn)行工作狀態(tài)劃分及轉(zhuǎn)換定義風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有4種工作狀態(tài)：運(yùn)行狀態(tài)暫停狀態(tài)停機(jī)狀態(tài)緊急停機(jī)狀態(tài)每種狀態(tài)是一個(gè)活動(dòng)層次，運(yùn)行狀態(tài)層次最高，急停狀態(tài)最低，四種工作狀態(tài)的主要特征和說(shuō)明如下：（1）、運(yùn)行狀態(tài)機(jī)械閘松開(kāi)允許機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組自動(dòng)偏航調(diào)向槳距控制系統(tǒng)選擇優(yōu)化工作模式，根據(jù)風(fēng)速狀況選擇優(yōu)化的槳距角。液壓系統(tǒng)保持工作壓力冷卻系統(tǒng)自動(dòng)狀態(tài)操作面板顯示“運(yùn)行”狀態(tài)（2）、暫停狀態(tài)機(jī)械閘松開(kāi)液壓系統(tǒng)保持工作壓力機(jī)組自動(dòng)偏航調(diào)向葉片槳距角調(diào)到接近全翼展?fàn)顟B(tài)葉輪空轉(zhuǎn)或停止冷卻系統(tǒng)自動(dòng)狀態(tài)操作面板顯示“暫?！睜顟B(tài)這個(gè)狀態(tài)在調(diào)試時(shí)很有用，主要用來(lái)調(diào)試時(shí)測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的功能是否正常。（3）、停機(jī)狀態(tài)機(jī)械閘松開(kāi)葉片處于全翼展?fàn)顟B(tài)液壓系統(tǒng)保持工作壓力機(jī)組自動(dòng)偏航調(diào)向停止冷卻系統(tǒng)非自動(dòng)狀態(tài)操作面板顯示“停機(jī)”狀態(tài)（4）、緊急停機(jī)狀態(tài)機(jī)械閘抱閘緊急電路（安全鏈）開(kāi)啟控制器所有輸出信號(hào)無(wú)效控制器仍在運(yùn)行和測(cè)量所有輸入信號(hào)操作面板顯示“緊急停機(jī)”狀態(tài)當(dāng)急停電路（安全鏈）動(dòng)作時(shí)，所有接觸器斷開(kāi)，控制器輸出的任何信號(hào)都無(wú)效。這種狀態(tài)多在手動(dòng)操作和按下緊急停機(jī)按鈕時(shí)出現(xiàn)。這幾種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換如圖所示，并遵循以下原則：運(yùn)行暫停運(yùn)行暫停停機(jī)緊停圖9-2：工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換由上到下的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變可以越過(guò)一層或多層工作層次上升狀態(tài)下：緊?！C(jī)，須滿足如下條件緊急電路（安全鏈）關(guān)閉液壓系統(tǒng)建立工作壓力機(jī)械閘松開(kāi)停機(jī)→暫停，須滿足如下條件自動(dòng)偏航系統(tǒng)啟動(dòng)全翼展閥門關(guān)閉，變槳距系統(tǒng)激活自動(dòng)冷卻開(kāi)啟暫停→運(yùn)行，須滿足如下條件核對(duì)機(jī)組是否處于上風(fēng)向風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速，可以并網(wǎng)發(fā)電工作層次下降狀態(tài)下運(yùn)行→緊停，暫停→緊停，停機(jī)→緊停，主要控制指令為打開(kāi)緊停電路置控制器所有輸出信號(hào)無(wú)效機(jī)械閘抱閘控制器中所有邏輯電路復(fù)位暫?！C(jī)，主要控制指令為自動(dòng)偏航停止全翼展閥打開(kāi)，槳距角調(diào)到全翼展?fàn)顟B(tài)自動(dòng)冷卻系統(tǒng)停止運(yùn)行→停機(jī)，主要控制指令為自動(dòng)偏航停止全翼展閥打開(kāi)，槳距角調(diào)到920自動(dòng)冷卻系統(tǒng)停止發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)運(yùn)行→暫停，主要控制指令為如果發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，調(diào)節(jié)輸出功率降為0，發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)如果發(fā)電機(jī)未并網(wǎng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降為05.2.3機(jī)組啟動(dòng)功能風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)功能包括自啟動(dòng)功能、頂部機(jī)艙啟動(dòng)功能、面板啟動(dòng)功能、遠(yuǎn)程啟動(dòng)功能四種啟動(dòng)方式，而機(jī)艙頂部啟動(dòng)又包括手動(dòng)啟動(dòng)和電動(dòng)啟動(dòng)兩種方式。=1\*GB2⑴自啟動(dòng)功能風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行10分鐘的系統(tǒng)自檢，并對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)無(wú)故障后，安全鏈復(fù)位。首先啟動(dòng)液壓泵，系統(tǒng)建壓，在系統(tǒng)壓力正常且風(fēng)電機(jī)組無(wú)故障的情況下，執(zhí)行正常的啟動(dòng)程序。=2\*GB2⑵頂部機(jī)艙啟動(dòng)在頂部機(jī)艙有兩種啟動(dòng)方式，即手動(dòng)啟動(dòng)和電動(dòng)啟動(dòng)功能。頂部機(jī)艙啟動(dòng)具有最高優(yōu)先權(quán)。在進(jìn)行機(jī)艙頂部起動(dòng)時(shí)，應(yīng)屏蔽面板啟動(dòng)和遠(yuǎn)程啟動(dòng)功能。=3\*GB2⑶面板啟動(dòng)面板啟動(dòng)與頂部機(jī)艙啟動(dòng)方式相同，也包括手動(dòng)啟動(dòng)、電動(dòng)啟動(dòng)兩種方式。這兩種啟動(dòng)方式與頂部機(jī)艙的啟動(dòng)方式執(zhí)行的功能及動(dòng)作過(guò)程相同，但當(dāng)頂部機(jī)艙的維護(hù)按鈕處在維護(hù)位置狀態(tài)，則不能響應(yīng)該啟動(dòng)命令。=4\*GB2⑷遠(yuǎn)程啟動(dòng)遠(yuǎn)程啟動(dòng)是通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)單機(jī)中心控制器發(fā)出啟動(dòng)命令，在PLC收到遠(yuǎn)程啟動(dòng)命令后，首先判斷系統(tǒng)是否處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)或者正在啟動(dòng)狀態(tài)，且是否允許風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)。若不允許啟動(dòng)，將對(duì)該命令不響應(yīng)同時(shí)清除該命令標(biāo)志；若電控系統(tǒng)有頂部或底部的維護(hù)狀態(tài)命令時(shí)，同樣清除命令，并對(duì)其不響應(yīng)；當(dāng)風(fēng)電機(jī)組處于待機(jī)狀態(tài)并且無(wú)故障時(shí)，才能在收到遠(yuǎn)程開(kāi)機(jī)命令后，執(zhí)行與面板開(kāi)機(jī)相同的啟動(dòng)程序。在啟動(dòng)完成后，清除遠(yuǎn)程啟動(dòng)標(biāo)志。5.2.4偏航系統(tǒng)運(yùn)行功能大中型上風(fēng)向機(jī)組多采用主動(dòng)對(duì)風(fēng)控制，由調(diào)向機(jī)構(gòu)跟蹤測(cè)量的風(fēng)向標(biāo)變化，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的風(fēng)向跟蹤控制。風(fēng)向瞬時(shí)波動(dòng)頻繁，但幅度不大，設(shè)置一定的允許偏差，如±150，如果在此容差范圍內(nèi)，就可以認(rèn)為對(duì)風(fēng)狀態(tài)。風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)向的測(cè)量由風(fēng)向標(biāo)來(lái)完成。隨著數(shù)字電路的發(fā)展，風(fēng)向標(biāo)的種類也有許多。其中一種內(nèi)部帶有一個(gè)8位的格雷碼盤，當(dāng)風(fēng)向標(biāo)隨風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)也帶動(dòng)格雷碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，由此得到不同的格雷碼數(shù)，通過(guò)光電感應(yīng)元件，形成一組8位的數(shù)字輸入信號(hào)。格雷碼盤將360°劃分成256個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)分為1.41°，所以其測(cè)量精度為1.41°。這種風(fēng)向標(biāo)可以確定風(fēng)向具體位置。偏航控制系統(tǒng)主要包括風(fēng)向標(biāo)控制的自動(dòng)偏航、90°側(cè)風(fēng)、自動(dòng)解纜、頂部機(jī)艙控制偏航、面板控制偏航和遠(yuǎn)程控制偏航等功能。其控制流程如下圖9-3所示：圖9-3：偏航系統(tǒng)工作流程圖自動(dòng)偏航功能描述當(dāng)偏航系統(tǒng)收到中心控制器發(fā)出的需要自動(dòng)偏航的信號(hào)后，連續(xù)3min時(shí)間內(nèi)檢測(cè)風(fēng)向情況，若風(fēng)向確定同時(shí)機(jī)艙不處于對(duì)風(fēng)位置，松開(kāi)偏航剎車，啟動(dòng)偏航電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，開(kāi)始偏航對(duì)風(fēng)程序，同時(shí)偏航計(jì)時(shí)器開(kāi)始工作，根據(jù)機(jī)艙所要偏轉(zhuǎn)的角度，使葉輪法線方向與風(fēng)向基本一致。手動(dòng)偏航功能描述手動(dòng)偏航控制包括頂部機(jī)艙控制、面板控制和遠(yuǎn)程控制偏航三種方式。自動(dòng)解纜功能描述自動(dòng)解纜功能是偏航控制器通過(guò)檢測(cè)偏航角度、偏航時(shí)間及偏航傳感器，使發(fā)生扭轉(zhuǎn)的電纜自動(dòng)解開(kāi)的控制過(guò)程。當(dāng)偏航控制器檢測(cè)到紐纜達(dá)到2.5~3.5圈時(shí)，根據(jù)電纜粗細(xì)和布局情況可隨意設(shè)置，控制器收到響應(yīng)信號(hào)時(shí)，若風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在暫?；騿?dòng)狀態(tài)，則進(jìn)行解纜；若正在運(yùn)行，則中心控制器將不允許解纜，偏航系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行正常偏航對(duì)風(fēng)跟蹤。當(dāng)偏航控制器檢測(cè)到扭纜達(dá)到保護(hù)極限3~4圈時(shí)，偏航控制器請(qǐng)求中心控制器正常停機(jī)，此時(shí)中心控制器允許偏航系統(tǒng)強(qiáng)制進(jìn)行解纜操作。在解纜完成后，偏航系統(tǒng)便發(fā)出解纜完成信號(hào)。90°側(cè)風(fēng)功能描述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的90°側(cè)風(fēng)功能是在風(fēng)輪過(guò)速或遭遇切出風(fēng)速以上的大風(fēng)時(shí)，控制系統(tǒng)為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全，控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)艙進(jìn)行90°側(cè)風(fēng)偏航處理。由于90°側(cè)風(fēng)是在外界環(huán)境對(duì)風(fēng)電機(jī)組有較大影響的情況下，為了保證風(fēng)電機(jī)組的安全所實(shí)施的措施，所以在90°側(cè)風(fēng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)使機(jī)艙走最短路徑，且屏蔽自動(dòng)偏航指令。在側(cè)風(fēng)結(jié)束后，應(yīng)當(dāng)抱緊偏航剎車盤，同時(shí)當(dāng)風(fēng)向變化時(shí)，繼續(xù)追蹤風(fēng)向的變化，確保風(fēng)電機(jī)組的安全。其控制過(guò)程和自動(dòng)偏航類似。5.2.5液壓系統(tǒng)運(yùn)行功能液壓系統(tǒng)的控制主要為控制液壓泵的起停，同時(shí)監(jiān)控各個(gè)壓力工作值及油泵的油位和油溫。液壓泵的起停是根據(jù)液壓系統(tǒng)壓力傳感器信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于設(shè)定值時(shí)，壓力檢測(cè)傳感器信號(hào)觸發(fā)，啟動(dòng)液壓泵；當(dāng)壓力超過(guò)設(shè)定的上限值時(shí)，壓力傳感器動(dòng)作，停止液壓泵工作。如果液壓泵連續(xù)工作超過(guò)設(shè)定時(shí)間仍未停止工作，或油位低于設(shè)定值、油溫超過(guò)設(shè)定值時(shí)，此時(shí)故障報(bào)警并反饋給中心控制器，執(zhí)行正常停機(jī)程序，同時(shí)封鎖液壓泵工作。5.2.6雙速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中大小電機(jī)并網(wǎng)、切換控制技術(shù)當(dāng)發(fā)電機(jī)從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組執(zhí)行小發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)程序。當(dāng)軟并網(wǎng)控制器接收到中心控制器允許小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)信號(hào)后，閉合小發(fā)電機(jī)接觸器，觸發(fā)可控硅開(kāi)始工作，一定時(shí)間后，可控硅導(dǎo)通角為180°時(shí)，閉合旁路接觸器，反饋并網(wǎng)成功或失敗信號(hào)給中心控制器，小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)結(jié)束。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在開(kāi)機(jī)時(shí)若風(fēng)速>8m/s，則大發(fā)電機(jī)直接進(jìn)入并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組執(zhí)行大發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)程序。當(dāng)軟并網(wǎng)控制器接收到中心控制器允許大發(fā)電機(jī)并網(wǎng)信號(hào)后，閉合大發(fā)電機(jī)接觸器，觸發(fā)可控硅開(kāi)始工作，一定時(shí)間后，可控硅導(dǎo)通角為180°時(shí)，閉合旁路接觸器，反饋并網(wǎng)成功或失敗信號(hào)給中心控制器，大發(fā)電機(jī)并網(wǎng)結(jié)束。在小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中，控制系統(tǒng)對(duì)其輸出功率進(jìn)行檢測(cè)，若瞬時(shí)功率超過(guò)小發(fā)電機(jī)額定功率的20%或設(shè)定時(shí)間內(nèi)的平均功率大于某一設(shè)定值，或風(fēng)速>8m/s時(shí)，則執(zhí)行小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換。小電機(jī)向大電機(jī)切換的具體過(guò)程：收到中心控制器允許切換的命令后，首先切出小發(fā)電機(jī)補(bǔ)償電容，斷開(kāi)小電機(jī)的旁路接觸器，切出小發(fā)電機(jī)的接觸器，小發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速到達(dá)或接近大發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速時(shí)，啟動(dòng)大發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)。即閉合大發(fā)電機(jī)接觸器，觸發(fā)可控硅，當(dāng)可控硅完全打開(kāi)時(shí)，閉合大電機(jī)旁路接觸器，可控硅停止工作，反饋切換成功或失敗信號(hào)反饋給中心控制器，小電機(jī)向大電機(jī)切換結(jié)束。若在切換過(guò)程中風(fēng)速突然變小時(shí)，再將小發(fā)電機(jī)進(jìn)行軟并網(wǎng)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)大發(fā)電機(jī)的輸出功率，若設(shè)定時(shí)間內(nèi)的平均功率小于一設(shè)定值或瞬時(shí)功率小于另一設(shè)定值時(shí)，立即切換到小發(fā)電機(jī)運(yùn)行。大電機(jī)向小電機(jī)切換的具體過(guò)程：收到中心控制器允許切換的信號(hào)后，切出大發(fā)電機(jī)補(bǔ)償電容，斷開(kāi)大電機(jī)的旁路接觸器，同時(shí)葉尖剎車啟動(dòng)，若風(fēng)輪過(guò)速，則執(zhí)行安全停機(jī)，停機(jī)復(fù)位后，再重新啟動(dòng)。若不過(guò)速，則斷開(kāi)大發(fā)電機(jī)的接觸器，大發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到小發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速附近時(shí)，閉合小發(fā)電機(jī)接觸器，觸發(fā)可控硅，當(dāng)可控硅完全打開(kāi)時(shí)，閉合小電機(jī)旁路接觸器，可控硅停止工作，反饋切換成功或失敗信號(hào)給中心控制器，再根據(jù)無(wú)功情況切入補(bǔ)償電容，大電機(jī)向小電機(jī)切換結(jié)束。5.2.7安全保護(hù)系統(tǒng)安全保護(hù)系統(tǒng)功能是保護(hù)風(fēng)機(jī)在嚴(yán)重、惡劣環(huán)境下不受損壞，如極端風(fēng)速、失電、嚴(yán)重故障等，一般采用停機(jī)或剎車方式保證系統(tǒng)安全。安全保護(hù)系統(tǒng)是主控系統(tǒng)的冗余備份系統(tǒng)，如果主控系統(tǒng)出現(xiàn)故障失效，由安全保護(hù)系統(tǒng)代之執(zhí)行，也可以通過(guò)操作員手動(dòng)按下急停按鈕激活。安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)盡可能與主控系統(tǒng)獨(dú)立，設(shè)計(jì)成高可靠度失效-安全型，一般采用硬件繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，正常情況為閉合狀態(tài)，任何一個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，跳變就會(huì)引起安全保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，采取的動(dòng)作為失效安全動(dòng)作，順槳、彈簧儲(chǔ)能的軸剎車。觸發(fā)安全保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作的條件有：葉輪超速，采取硬件設(shè)置超速上限，此上限高于軟件設(shè)置的超速上限，一般在低速軸處設(shè)置葉輪轉(zhuǎn)速傳感器，一旦超出檢測(cè)上限，就引發(fā)安全保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。振動(dòng)傳感器跳閘，表明出現(xiàn)了主要的機(jī)械故障。主控制器看門狗定時(shí)器溢出信號(hào)，如果看門狗定時(shí)器在一定時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有收到控制器給出的復(fù)位信號(hào)，則表明控制器出現(xiàn)故障，無(wú)法正確實(shí)施控制功能，此時(shí)安全保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作動(dòng)作。操作員按下急停按鈕。表明主控制器不能正確實(shí)施控制功能的其他故障信號(hào)。第6章風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)控制技術(shù)6.1變槳距控制技術(shù)變距葉輪的槳葉在靜止時(shí)，節(jié)距角為90°，如圖9-4所示，這時(shí)氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生力矩，整個(gè)槳葉實(shí)際上是一塊阻尼板。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0°方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，葉輪開(kāi)始起動(dòng)。圖9-4：變距調(diào)節(jié)示意圖對(duì)于失速型風(fēng)機(jī)，葉輪從起動(dòng)到并網(wǎng)前，其槳葉的節(jié)距角隨轉(zhuǎn)速的升高是一個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程。根據(jù)給定的速度參考值，調(diào)整節(jié)距角，也可稱為槳距角，進(jìn)行速度控制。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，電機(jī)并入電網(wǎng)。這時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速受到電網(wǎng)頻率的牽制，變化不大，主要取決于電機(jī)的滑差，電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制實(shí)際上已轉(zhuǎn)為功率控制。為了優(yōu)化功率曲線，在進(jìn)行功率控制的同時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)子電流控制器對(duì)電機(jī)滑差進(jìn)行調(diào)整，從而調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，電機(jī)滑差調(diào)整到很小(1%)，轉(zhuǎn)速在同步速附近；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，電機(jī)滑差調(diào)整到很大(10%)，使葉尖速比得到優(yōu)化，使功率曲線達(dá)到理想的狀態(tài)。圖9-4：變距調(diào)節(jié)示意圖對(duì)于變距變速型風(fēng)機(jī)，葉片在切入電網(wǎng)后到額定功率輸出前，正常小風(fēng)啟動(dòng)時(shí)，葉片節(jié)距角維持在00左右，基本不變化，這時(shí)主要調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使其跟隨風(fēng)速的變化保持最佳葉尖速比運(yùn)行，從而達(dá)到額定風(fēng)速下的最大能量捕獲效率，額定風(fēng)速之上，通過(guò)葉片節(jié)距角逐漸增大，減低Cp值，限制功率輸出，達(dá)到切出風(fēng)速時(shí)，節(jié)距角調(diào)整為900脫網(wǎng)停機(jī)。6.2最佳葉尖速比控制技術(shù)風(fēng)力機(jī)的特性可由一簇功率系數(shù)Cp的無(wú)因次性能曲線來(lái)表示，功率系數(shù)是風(fēng)力機(jī)葉尖速比λ的函數(shù)，如圖9-5所示。圖9-5：風(fēng)力機(jī)性能曲線Cp(λ)曲線是槳葉節(jié)距角和葉尖速比的3維函數(shù)，圖是Cp(λ)曲線對(duì)槳葉節(jié)距角的變化規(guī)律：當(dāng)槳葉節(jié)距角逐漸增大時(shí)Cp(λ)曲線將顯著縮小，λ是葉尖轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的對(duì)比，對(duì)于變速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，最佳葉尖速比控制即在較寬風(fēng)速范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)、葉輪轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，保持可達(dá)最大Cp值點(diǎn)的最佳葉尖速比狀態(tài)，使得風(fēng)能捕獲效率最大。對(duì)于失速型恒速風(fēng)機(jī)，葉輪轉(zhuǎn)速固定，而風(fēng)速不斷變換，葉尖速比跟隨風(fēng)速不斷變化，并不固定在一個(gè)特定值，所以只能在某個(gè)風(fēng)速上保持最佳葉尖速比，所以風(fēng)能捕獲效率大大降低。圖9-6：風(fēng)能利用系數(shù)曲線以1MWFD62-1000風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行曲線圖9-7為例，風(fēng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，葉輪的槳距角為0度，此時(shí)的Cp（λ）曲線最為飽滿，最高點(diǎn)處的Cp值最大，但此時(shí)的葉尖速比沒(méi)有達(dá)到最佳值，主要受到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，所以風(fēng)輪的Cp值沒(méi)有達(dá)到最大。隨著風(fēng)速的增加，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使風(fēng)輪尖速比在最佳值，即風(fēng)輪的Cp值達(dá)到最大值，當(dāng)風(fēng)速在4m/s～8m/s，風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)Cp值最大，圖中所示陰影區(qū)。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加，超過(guò)額定風(fēng)速以后，受到發(fā)電機(jī)功率限制，必須使風(fēng)輪Cp值下降，通過(guò)調(diào)整風(fēng)輪槳距角來(lái)實(shí)現(xiàn)。最佳葉尖速比控制技術(shù)的關(guān)鍵在于如何實(shí)時(shí)的跟隨風(fēng)速變化給出最佳轉(zhuǎn)速控制參考值，作為變速恒頻控制器的輸入。由于Cp（λ）為未知的非線性曲線，采用現(xiàn)代先進(jìn)的優(yōu)化預(yù)測(cè)控制技術(shù)成為必要，如自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、數(shù)學(xué)搜索方法等，建立風(fēng)速與最大功率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到最大化能量捕獲效率的目的。圖9-7：1MWFD62-1000風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行曲線6.3閉環(huán)控制技術(shù)風(fēng)機(jī)中常見(jiàn)的閉環(huán)控制技術(shù)有：額定風(fēng)速之上的變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)，目的是限制功率輸出；啟動(dòng)或停機(jī)過(guò)程中的葉片槳距調(diào)節(jié)技術(shù)；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，目的是調(diào)節(jié)變速風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；偏航電機(jī)控制，目的是最小化偏航跟蹤錯(cuò)誤。為了跟蹤正確的運(yùn)行曲線，需要這些閉環(huán)控制響應(yīng)快速，調(diào)節(jié)無(wú)靜差。6.4恒速變距機(jī)組閉環(huán)控制技術(shù)感應(yīng)發(fā)電機(jī)直接與電網(wǎng)連接，以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，葉片采用變距方法，在額定風(fēng)速之上，降低氣動(dòng)效率，限制功率輸出，采用的控制策略為根據(jù)測(cè)量功率和額定功率間的偏差信號(hào)閉環(huán)調(diào)節(jié)葉片節(jié)距角，控制目標(biāo)為動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)葉片槳距角，最小化功率偏差?？刂苹芈啡鐖D9-11所示，控制器常用的算法為PI或PID算法。圖9-11：恒速變距機(jī)組閉環(huán)控制回路6.5變速變距機(jī)組控制技術(shù)6.5.1變速變距控制策略變速機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是額定風(fēng)速下，可以調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到優(yōu)化葉尖速比，使風(fēng)能捕獲效率Cp最大，氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與風(fēng)速U、葉尖速比和葉輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下： (9-1)其中為風(fēng)輪半徑，為空氣密度，為葉輪掃掠面積，為轉(zhuǎn)矩利用系數(shù)，為功率利用系數(shù)，即葉輪的風(fēng)能利用系數(shù)。風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速、葉尖速比之間的關(guān)系：，可得： (9-2)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與葉輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：，為齒輪箱傳輸比。經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈的機(jī)械損耗，氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平衡方程為： (9-3)如果考慮葉輪加速度的話，轉(zhuǎn)矩平衡方程為： (9-4)對(duì)于剛性連接的驅(qū)動(dòng)鏈，忽略頻率變換器動(dòng)態(tài)，轉(zhuǎn)矩平衡方程為： (9-5)其中，是葉輪、驅(qū)動(dòng)鏈、發(fā)電機(jī)的整個(gè)慣性，為葉輪轉(zhuǎn)速，則有： (9-6)另一種方法是用現(xiàn)有的測(cè)量方法估計(jì)風(fēng)速，根據(jù)最大Cp計(jì)算葉輪轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩可表示為： (9-7)忽略驅(qū)動(dòng)鏈扭曲柔性，氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的簡(jiǎn)化估計(jì)算法為： (9-8)如果考慮驅(qū)動(dòng)鏈扭曲柔性，估計(jì)函數(shù)算法為： (9-9)從穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)分析中知道，然后推導(dǎo)出當(dāng)前葉尖速比，根據(jù)最佳葉尖速比可推導(dǎo)出理想發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速： (9-10)采用簡(jiǎn)單的PI控制器，根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)，跟蹤調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，PI控制器增益越大，Cp跟蹤越好，但功率波動(dòng)大。6.5.2轉(zhuǎn)矩控制和變距控制之間的轉(zhuǎn)換變速機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩