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XX本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
摘 要
風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，在當(dāng)今能源短缺的情況下，變的越來越重要。由于風(fēng)的不穩(wěn)定性和風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的相互影響也越來越復(fù)雜，因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性提出了更高的要求?？刂葡到y(tǒng)對(duì)提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性有很大的作用，所以有必要對(duì)控制系統(tǒng)和控制過程進(jìn)行分析。
本設(shè)計(jì)主要依據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)和控制策略，通過使用電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬仿真軟件PSCAD/EMTDC，建立變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的模型。為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)模型的可用性，建立風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型，對(duì)樣例系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)所得的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，從而證實(shí)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)模型的可用性,然后得出了它的控制方法。
通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的模擬仿真，可得如下結(jié)論：風(fēng)力發(fā)電機(jī)變漿距控制屬非線性動(dòng)態(tài)控制，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)時(shí)，通過改變槳葉節(jié)距來獲得足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，達(dá)到對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的控制的目的；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，通過自動(dòng)調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對(duì)葉片的攻角，從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定和功率曲線優(yōu)化的雙重要求。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；控制系統(tǒng)；PSCAD/EMTDC；仿真分析
Abstract
The wind energy which is used as a kind of clean and reproducible energy, nowadays gets more and more important in the energy scarcity cases. Because instability of the wind and continuous enlarging capacity of the single machine in wind power generation, mutual effect between the wind power system and the grid is more and more complicated, so the higher demand is brought forward about the stability of output power of the wind power generation system. The control system may enhance the stability of output power, therefore we have the necessity to analyses control system and the control processes.
The design mainly bases on the control target and strategies of the wind power generation. We have established the alterable pitch control model using the power system dynamic simulation software PSCAD/ EMTDC. Also we have established the model of the wind power system for validating the usability of the controller model. We have simulated the whole system and analyzed the result of simulation, and confirmed the usability of the controller model and its control method.
We have simulated the control system model of the wind power generation, and got a conclusions: The alterable pitch control of wind power generation is the non-linear dynamic control, control system changed pitch angle for acquiring starting torque while the wind power generation started; we adjusted the pitch angle for changing angle which airflow blow vane , when the wind speed exceed rated speed, then changed the torque of aerodynamics for Satisfing dual demand which are steady power output of the wind power generation and optimizing the power curve .
Keywords: Wind power generation; Control system; PSCAD/ EMTDC; Simulation and analysis
目 錄
引 言 1
第一章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理 3
1.1 風(fēng)力發(fā)電的基本原理 3
1.1.1 風(fēng)力發(fā)電的基本原理 3
1.1.2 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn) 3
1.2 風(fēng)資源及風(fēng)輪機(jī)概述 4
1.2.1 風(fēng)資源概述 4
1.2.2 風(fēng)輪機(jī)的理論 5
1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成 5
1.3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類 5
1.3.2 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 6
1.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論 8
1.4.1 貝茨(Betz)理論 9
1.4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性系數(shù) 10
1.4.3 異步發(fā)電機(jī)基本原理 11
第二章 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)模型的建立 14
2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求 14
2.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的控制要求 14
2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 16
2.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo) 16
2.2.2 控制系統(tǒng)主要參數(shù) 17
2.2.3 控制系統(tǒng)工作原理 18
2.2.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變距控制原理 18
2.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略 19
2.3.1 風(fēng)輪機(jī)的氣動(dòng)特性 19
2.3.2 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略 21
2.3.3 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略 22
2.3.4 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略 22
2.4 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)模型框圖 23
2.4.1 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài) 23
2.4.2 變槳距控制系統(tǒng) 24
2.4.3 功率控制 26
2.5 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)模型的建立 29
2.5.1 控制選擇器模型的建立 29
2.5.2 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型的建立 29
2.5.3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的模型（在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前） 30
2.5.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制系統(tǒng)模型 30
第三章 樣例系統(tǒng)模型的建立 35
3.1 風(fēng)速模型的建立 35
3.1.1 風(fēng)能的數(shù)學(xué)模型 35
3.1.2 風(fēng)速模型的建立 37
3.2 風(fēng)輪機(jī)模型的建立 39
3.2.1 風(fēng)輪機(jī)模型及參數(shù) 40
3.2.2 齒輪箱速比控制模型 40
3.3 異步發(fā)電機(jī)模型的建立 41
3.3.1 發(fā)電機(jī)控制選擇器參數(shù) 41
3.3.2 異步發(fā)電機(jī)參數(shù) 42
3.4 無(wú)窮大系統(tǒng)模型的建立 43
3.4.1 補(bǔ)償電容的參數(shù) 43
3.4.2 斷路器模型及參數(shù) 43
3.4.3 升壓變壓器模型及參數(shù) 45
3.4.4 無(wú)窮大系統(tǒng)模型及參數(shù) 46
第四章 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的模擬仿真結(jié)果分析 47
4.1 控制系統(tǒng)在樣例模型中的模擬仿真 47
4.1.1 風(fēng)速模擬仿真分析 47
4.1.2 風(fēng)輪機(jī)模擬仿真分析 48
4.1.3 異步發(fā)電機(jī)模擬仿真分析 49
4.1.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)并網(wǎng)模擬仿真分析 54
4.1.5 變槳距控制系統(tǒng)模擬仿真分析 58
4.2 低于額定風(fēng)速時(shí)控制的模擬仿真結(jié)果分析 58
4.2.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析 58
4.2.2 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析 60
4.2.3 變槳距控制模擬仿真結(jié)果分析 60
4.3 高于額定風(fēng)速時(shí)控制的模擬仿真結(jié)果分析 62
4.3.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析 62
4.3.2 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析 65
4.3.3 變槳距控制模擬仿真結(jié)果分析 66
結(jié) 論 68
參考文獻(xiàn) 69
附 錄 70
附錄A PSCAD/EMTDC軟件簡(jiǎn)介 70
A.1 PSCAD/EMTDC軟件的功能 70
A.1.1 PSCAD/EMTDC軟件簡(jiǎn)介 70
A.1.2 RTDS軟件簡(jiǎn)介 70
A.1.3 PSCAD聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和硬件要求 70
A.1.4 PSCAD?應(yīng)用手冊(cè) 71
A.2 PSCAD軟件模塊的構(gòu)成 71
A.2.1 文件管理系統(tǒng) 71
A.2.2 建模(DRAFT)模塊 72
A.2.3 架空線(T-LINE)和電纜(CABLE)模塊 72
A.2.4 運(yùn)行(RUN?TIME)模塊 72
A.2.5 單曲線繪圖(UNIPLOT)和多曲線繪圖(MULTIPLOT)模塊 72
A.3 EMTDC模塊介紹 72
A.3.1 利用EMTDC可進(jìn)行的模似研究范圍為 73
A.3.2 完成一次EMTDC?算題的具體步驟 73
附 錄B 74
B.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制系統(tǒng)模型圖 74
B.2 風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型圖1 75
B.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)樣例模型圖2 76
謝 辭 77
符號(hào)說明
地面高度——h
風(fēng)速——v
風(fēng)能密度——w
空氣密度——ρ
時(shí)間周期——T
形狀參數(shù)——K
尺度參數(shù)——C
概率統(tǒng)計(jì)時(shí)間——N
氣體質(zhì)量——m
氣體體積——V
氣體動(dòng)能——E
有功功率——P
風(fēng)輪角頻率——w
轉(zhuǎn)距系數(shù)——Cr
無(wú)功功率——Q
推力系數(shù)——Cp
風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓——U
風(fēng)力發(fā)電機(jī)電流——I
風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速——r
風(fēng)力發(fā)電機(jī)滑差——s
發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢(shì)——E
發(fā)電機(jī)定子漏抗——X1
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子漏抗——X2
發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電抗——Xm
系統(tǒng)頻率——f0
轉(zhuǎn)距——M
極對(duì)數(shù)——Pn
微分算子——p
槳距角——β
XX本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
引 言
隨著世界工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，使得能源消耗逐漸增加，全球工業(yè)有害物質(zhì)的排放量與日俱增，從而造成氣候異常、災(zāi)害增多、惡性疾病的多發(fā)，因此，能源和環(huán)境問題成為當(dāng)今世界所面臨的兩大重要課題。由能源問題引發(fā)的危機(jī)以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認(rèn)識(shí)到開發(fā)清潔的可再生能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要。可以說，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究和進(jìn)行這方面的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我們從事風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的同學(xué)是有著十分重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義的，也是十分有必要的。
風(fēng)力發(fā)電起源于20世紀(jì)70年代，技術(shù)成熟于80年代，自90年代以來風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了大發(fā)展階段。隨著風(fēng)力發(fā)電容量的不斷增大，控制方式從基本單一的定槳距失速控制向全槳葉變距控制和變速控制發(fā)展。前人在風(fēng)輪機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)原理和能量轉(zhuǎn)換原理的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)分析了定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求和控制策略，并對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制技術(shù)進(jìn)行了一定的研究。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要控制是在起動(dòng)時(shí)對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的控制和并網(wǎng)后對(duì)輸入功率的控制。通過變距控制可以根據(jù)風(fēng)速來調(diào)整槳葉節(jié)距角，以滿足發(fā)電機(jī)起動(dòng)與系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定的雙重要求。但由于對(duì)運(yùn)行工況的認(rèn)識(shí)不足，對(duì)變槳距控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的要求，更達(dá)不到優(yōu)化功率曲線和穩(wěn)定功率輸出的要求。
本篇論文主要介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求和控制策略,在變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)仿真方面作了初步的探究和研究。通過控制系統(tǒng)保持了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定機(jī)組輸出功率和優(yōu)化功率曲線的控制功能。利用控制系統(tǒng)使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不出故障或少出故障，并在出故障之后能夠以最快的速度修復(fù)系統(tǒng)使之恢復(fù)正常工作。
本篇論文主要是通過PSCAD/EMTDC仿真軟件，建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型以及完整的風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型，對(duì)自建的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型進(jìn)行仿真分析，利用運(yùn)行模塊進(jìn)行EMTDC模擬計(jì)算，驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型的可用性，并且通過單曲線繪圖對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，并利用多曲線繪圖模塊產(chǎn)生可直接用于研究報(bào)告的模擬結(jié)果圖形。
本文在編寫過程中，受到栗文義老師的大力支持和精心指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝。
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和PSCAD/EMTDC仿真等的相關(guān)知識(shí)對(duì)我們來講都是平時(shí)很少接觸和涉及的，而且，這些學(xué)科中的很多東西都是較為前沿的。由于本人的理論水平及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所限、編寫時(shí)間倉(cāng)促，書中錯(cuò)誤疏漏之處難免，敬請(qǐng)老師不咎指正。
田 敏
2006年6月
第一章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理
1.1 風(fēng)力發(fā)電的基本原理
1.1.1 風(fēng)力發(fā)電的基本原理
風(fēng)能具有一定的動(dòng)能，通過風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)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(jī)發(fā)電的。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約3m/s的微風(fēng)速度便可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理說起來非常簡(jiǎn)單，最簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由葉片和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成如圖1-1所示?？諝饬鲃?dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而推動(dòng)片葉旋轉(zhuǎn)，如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連就會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電來。
1.1.2 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)
（1）可再生的潔凈能源
風(fēng)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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。
（2）建設(shè)周期短
一個(gè)十兆瓦級(jí)的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期不到一年。
（3）裝機(jī)規(guī)模靈活
可根據(jù)資金情況決定一次裝機(jī)規(guī)模，有一臺(tái)資金就可以安裝一臺(tái)投產(chǎn)一臺(tái)。
（4）可靠性高
把現(xiàn)代高科技應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性從80年代的50%提高到了98%，高于火力發(fā)電且機(jī)組壽命可達(dá)20年。
（5）造價(jià)低
從國(guó)外建成的風(fēng)電場(chǎng)看，單位千瓦造價(jià)和單位千瓦時(shí)電價(jià)都低于火力發(fā)電，和常規(guī)能源發(fā)電相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)由于中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部從國(guó)外引進(jìn)，造價(jià)和電價(jià)相對(duì)比火力發(fā)電高，但隨著大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，在不久的將來風(fēng)力發(fā)電的造價(jià)和電價(jià)都將低于火力發(fā)電。
（6）運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單
現(xiàn)代中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動(dòng)化水平很高，完全可以在無(wú)人職守的情況下正常工作，只需定期進(jìn)行必要的維護(hù)，不存在火力發(fā)電的大修問題。
（7）實(shí)際占地面積小
發(fā)電機(jī)組與監(jiān)控、變電等建筑僅占火電廠1%的土地，其余場(chǎng)地仍可供農(nóng)、牧、漁使用。
（8）發(fā)電方式多樣化
風(fēng)力發(fā)電既可并網(wǎng)運(yùn)行，也可以和其他能源如柴油發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、水利發(fā)電機(jī)組形成互補(bǔ)系統(tǒng)，還可以獨(dú)立運(yùn)行，因此對(duì)于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題提供了現(xiàn)實(shí)可行性。
（9）單機(jī)容量小
由于風(fēng)能密度低決定了單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量不可能很大，與現(xiàn)在的火力發(fā)電機(jī)組和核電機(jī)組無(wú)法相比。另外風(fēng)況是不穩(wěn)定的，有時(shí)無(wú)風(fēng)有時(shí)又有破壞性的大風(fēng)，這都是風(fēng)力發(fā)電必須解決的實(shí)際問題。
1.2 風(fēng)資源及風(fēng)輪機(jī)概述
1.2.1 風(fēng)資源概述
（1）風(fēng)的起源
風(fēng)的形成乃是空氣流動(dòng)的結(jié)果。風(fēng)就是水平運(yùn)動(dòng)的空氣，空氣運(yùn)動(dòng)主要是由于地球上各緯度所接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不同而形成的。大氣的流動(dòng)也像水流一樣，是從壓力高處往壓力低處流，太陽(yáng)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(yáng)的公轉(zhuǎn)軸之間存在66．5°的夾角，因此對(duì)地球上不同地點(diǎn)太陽(yáng)照射角度是不同的，而且對(duì)同一地點(diǎn)一年中這個(gè)角度也是變化的。地球上某處所接受的太陽(yáng)輻射能與該地點(diǎn)太陽(yáng)照射角的正弦成正比。
（2）風(fēng)的參數(shù)
風(fēng)向和風(fēng)速是兩個(gè)描述風(fēng)的重要參數(shù)。風(fēng)向是指風(fēng)吹來的方向，如果風(fēng)是從東方吹來就稱為東風(fēng)。風(fēng)速是表示風(fēng)移動(dòng)的速度即單位時(shí)間內(nèi)空氣流動(dòng)所經(jīng)過的距離。
風(fēng)速是指某一高度連續(xù)10min所測(cè)得各瞬時(shí)風(fēng)速的平均值。一般以草地上空10m高處的10min內(nèi)風(fēng)速的平均值為參考。
風(fēng)玫瑰圖是一個(gè)給定地點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)向分布圖。通過它可以得知當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。
（3）風(fēng)能的基本情況[1]
風(fēng)能的特點(diǎn)
風(fēng)能的特點(diǎn)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(fēng)地帶、無(wú)污染、分布廣泛、可分散利用、另外不須能源運(yùn)輸、可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等。
風(fēng)能資源的估算
風(fēng)能的大小實(shí)際就是氣流流過的動(dòng)能，因此可以推導(dǎo)出氣流在單位時(shí)間內(nèi)垂直流過單位截面積的風(fēng)能，即風(fēng)功率為
(1-1)
式中 為風(fēng)能(w)；
為空氣密度(kg/m)；
為風(fēng)速(m/s)。
由于風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量，必須通過一段時(shí)間的觀測(cè)來了解它的平均狀況，一個(gè)地方風(fēng)能潛力的多少要視該地常年平均風(fēng)能密度的大小。因此需要求出在一段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)能密度，這個(gè)值可以將風(fēng)能密度公式對(duì)時(shí)間積分后平均來求得。在風(fēng)速V的概率分布p(V)知道后，平均風(fēng)能密度還可根據(jù)下式求得
（1-2）
1.2.2 風(fēng)輪機(jī)的理論[4]
風(fēng)輪機(jī)又稱為風(fēng)車，是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)輪機(jī)的類型很多通常將其分為水平軸風(fēng)輪機(jī)垂直軸風(fēng)輪機(jī)和特殊風(fēng)輪機(jī)三大類。但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)輪機(jī)。
1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成
1.3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類[5]
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)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（10—100kw）和大型（100kw以上）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。按主軸與地面相對(duì)位置又可分為：水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前世界各國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為成功的一種形式，主要優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)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(dòng)對(duì)風(fēng)輪動(dòng)態(tài)特性的影響。它的主要機(jī)械部件都在機(jī)艙中，如主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、液壓系統(tǒng)及調(diào)向裝置等。而生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國(guó)家很少，主要原因是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率低，需啟動(dòng)設(shè)備，同時(shí)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(shí)所指的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組即為大中型的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。
1.3.2 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)
大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機(jī)艙機(jī)座回轉(zhuǎn)體制動(dòng)器等）組成的。
(1)機(jī)艙
機(jī)艙包含著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)等。
圖1.2
(2)風(fēng)輪
葉片安裝在輪轂上稱作風(fēng)輪，它包括葉片、輪轂、主軸等。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件。
葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最關(guān)鍵的部件，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)上每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的測(cè)量長(zhǎng)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(qiáng)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(dāng)風(fēng)力達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的額定風(fēng)速時(shí)，在風(fēng)輪上就要采取措施，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率不會(huì)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(jì)。
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(qiáng)度合金鋼制成。
（3）增速器
增速器就是齒輪箱，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件之一。由于風(fēng)輪機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速下，為實(shí)現(xiàn)匹配采用增速齒輪箱。使用齒輪箱可以將風(fēng)電機(jī)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(jī)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(jī)之間用聯(lián)軸器連接，為了減少占地空間，往往聯(lián)軸器與制動(dòng)器設(shè)計(jì)在一起。
（5）制動(dòng)器
制動(dòng)器是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置，也稱剎車。
（6）發(fā)電機(jī)
發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最關(guān)鍵的部件，是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。發(fā)電機(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。大型風(fēng)電機(jī)（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(fēng)電機(jī)旁的變壓器（或在塔內(nèi)），電壓被提高至1-3萬(wàn)伏，這取決于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)上常用的發(fā)電機(jī)有以下幾種：
① 直流發(fā)電機(jī)，常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。
② 永磁發(fā)電機(jī)，常用在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。現(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)發(fā)明了交流電壓440/240V的高效永磁交流發(fā)電機(jī)，可以做成多對(duì)極低轉(zhuǎn)速的，特別適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
③ 同步或異步交流發(fā)電機(jī)，它的電樞磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)不同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速略低，當(dāng)并網(wǎng)時(shí)轉(zhuǎn)速應(yīng)提高。
（7）塔架
塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)電機(jī)塔載有機(jī)艙及轉(zhuǎn)子。
（8）調(diào)速裝置
風(fēng)速是變化的，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨風(fēng)速的變化而變化。為了使風(fēng)輪運(yùn)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(fēng)速以上時(shí)調(diào)速。目前世界各國(guó)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(dòng)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(fēng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一直使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的裝置。借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙以使轉(zhuǎn)子正對(duì)著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風(fēng)向標(biāo)來感覺風(fēng)向。通常在風(fēng)改變其方向時(shí)，風(fēng)電機(jī)一次只會(huì)偏轉(zhuǎn)幾度。
（10）風(fēng)力發(fā)電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)[11]
風(fēng)力發(fā)電機(jī)的微機(jī)控制屬于離散型控制，是將風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速計(jì)、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電壓、頻率、電流、發(fā)電機(jī)溫升、增速器溫升、機(jī)艙振動(dòng)、塔架振動(dòng)、電纜過纏繞、電網(wǎng)電壓、電流、頻率等傳感器的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，輸送給單片機(jī)再按設(shè)計(jì)程序給出各種指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)調(diào)向、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)解列、運(yùn)行中機(jī)組故障的自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng)電纜解繞、過振動(dòng)停機(jī)、過大風(fēng)停機(jī)等的自動(dòng)控制。自我故障診斷及微機(jī)終端故障輸出需維修的故障，由維修人員維修后給微機(jī)以指令，微機(jī)再執(zhí)行自動(dòng)控制程序。風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組群可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風(fēng)機(jī)會(huì)在微機(jī)總站的微機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)真正實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人職守的自動(dòng)控制。
（11）電纜扭纜計(jì)數(shù)器
電纜是用來將電流從風(fēng)電機(jī)運(yùn)載到塔下的重要裝置。但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)偶然沿一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)太長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，電纜將越來越扭曲，導(dǎo)致電纜扭斷或出現(xiàn)其他故障。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)配備有電纜扭曲計(jì)數(shù)器，用于提醒操作員應(yīng)該將電纜解開了。風(fēng)力發(fā)電機(jī)還會(huì)配備有拉動(dòng)開關(guān)在電纜扭曲太厲害時(shí)被激發(fā)，斷開裝置或剎車停機(jī)，然后解纜。
1.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論
1.4.1 貝茨(Betz)理論
世界上第一個(gè)關(guān)于風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的比較完整的理論是1919年由A·貝茨(Betz)建立的。貝茨理論的建立依據(jù)的假設(shè)條件是假定風(fēng)輪是理想的，能全部接受風(fēng)能并且沒有輪轂，葉片是無(wú)限多，對(duì)氣流沒有任何阻力。而空氣流是連續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的(或稱為是平行風(fēng)輪軸線的)，滿足以上條件的風(fēng)輪稱為“理想風(fēng)輪”。
如圖1-3所示，我們分析一個(gè)放置在移動(dòng)的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動(dòng)的空氣對(duì)風(fēng)輪葉片所做的功。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能，則有 ，。
如果假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得
(1-3)
由流體力學(xué)可知?dú)饬鞯膭?dòng)能為
(1-4)
設(shè)單位時(shí)間內(nèi)氣流流過載面積為s的氣體的體積為V，則。
如果以表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量，此時(shí)氣體所具有的動(dòng)能為
(1-5)
的單位是kg/m3；V的單位是m3；的單位是m/s；T的單位是W。
從風(fēng)能公式可以看出風(fēng)能的大小與氣流密度和通過的面積成正比，與氣流速度成正比，其中和隨地理位置、海拔、地形等因素而變。
風(fēng)作用在葉片上的力由歐拉定理求得
(1-6)
式中 ——空氣當(dāng)時(shí)的密度
風(fēng)輪所接受的功率為
(1-7)
所以經(jīng)過風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化
(1-8)
式中 ——空氣質(zhì)量
(1-9)
(1-10)
因此，風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力F和風(fēng)輪輸出的功率P分別為
(1-11)
(1-12)
風(fēng)速是給定的，的大小取決于，是的函數(shù)，對(duì)微分求最大值得
(1-13)
令其等于0，求解方程得
(1-14)
(1-15)
16/27=0．593，稱作貝茨功率系數(shù)
(1-16)
而正是風(fēng)速為的風(fēng)能，故
(1-17)
=0．593，說明風(fēng)吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率為風(fēng)吹過葉片掃掠面積的風(fēng)能的59．3％。貝茨理論說明理想的風(fēng)能對(duì)風(fēng)輪葉片做功的最高效率是59.3％。通常風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率達(dá)不到59．3％，一般根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片的翼形、功率等情況取0.25-0.45。
1.4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性系數(shù)
貝茨理論提供了風(fēng)能的基本理論，但在討論風(fēng)輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換與控制時(shí)有幾個(gè)特性系數(shù)具有特別重要的意義。
（1）風(fēng)能利用系數(shù)
風(fēng)輪機(jī)從自然風(fēng)能中吸到能量的大小和程度可以用風(fēng)能利用率系數(shù)表示
(1-18)
（2）葉尖速比
為了表示風(fēng)輪在不同的風(fēng)速中的狀態(tài)用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比來衡量稱為葉尖速比
(1-19)
低速風(fēng)輪取較小值；高速風(fēng)輪取較大值。
（3）轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推力系數(shù)
為了便于把氣流作用下的風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和推力進(jìn)行比較常以為變量作成轉(zhuǎn)矩和推力的變化曲線，因此轉(zhuǎn)矩和推力也要無(wú)因次化。
(1-20)
(1-21)
1.4.3 異步發(fā)電機(jī)基本原理
（1）異步發(fā)電機(jī)基本原理
發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最關(guān)鍵的零部件，是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。發(fā)電機(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。使用異步機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是：發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低并網(wǎng)控制容易，缺點(diǎn)是要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率以提供自身的勵(lì)磁。這一缺點(diǎn)可以通過在發(fā)電機(jī)端并聯(lián)電容器來改善。
由于風(fēng)電場(chǎng)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(diǎn)，現(xiàn)在大多數(shù)的大型風(fēng)電場(chǎng)都采用異步發(fā)電機(jī)作為主力機(jī)型。本論文的研究對(duì)象中使用也是異步發(fā)電機(jī)，下面我們對(duì)異步機(jī)做以下的簡(jiǎn)單介紹。
異步電機(jī)一般稱感應(yīng)電機(jī)即可作為發(fā)電機(jī)也可作為電動(dòng)機(jī)。異步機(jī)作為電動(dòng)機(jī)應(yīng)用非常廣泛異步機(jī)作為發(fā)電機(jī)的情況則比較少。但由于異步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)格便宜堅(jiān)固耐用維修方便啟動(dòng)容易并網(wǎng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)在大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。
異步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機(jī)的一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。異步機(jī)的定子與同步機(jī)基本相同，其轉(zhuǎn)子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機(jī)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(jī)是利用電磁感應(yīng)原理通過定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。通常異步機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于或略高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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
(1-22)
轉(zhuǎn)差率是表證異步機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)基本變量。
若電機(jī)用原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（）則轉(zhuǎn)差率，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩者的方向相反即電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此時(shí)轉(zhuǎn)子從原動(dòng)機(jī)吸收機(jī)械功率通過電磁感應(yīng)由定子輸出電功率電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。
（2）異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)
風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速
風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速是風(fēng)輪在額定風(fēng)速時(shí)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。它是由葉尖速比及發(fā)電機(jī)功率決定的參數(shù)。
發(fā)電機(jī)額定功率
發(fā)電機(jī)的額定功率是發(fā)電機(jī)在額定功率因數(shù)下連續(xù)運(yùn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)是交流還是直流
微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用直流發(fā)電機(jī)中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用交流發(fā)電機(jī)。這要視用戶的用途、發(fā)電機(jī)功率而確定。交流發(fā)電機(jī)分同步和異步交流發(fā)電機(jī)、異步交流發(fā)電機(jī)也稱感應(yīng)交流發(fā)電機(jī)。永磁交流發(fā)電機(jī)等。
發(fā)電機(jī)額定電壓
發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)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(jī)在額定運(yùn)行時(shí)其有功功率與視在功率的比值用以下公式來表示
(1-23)
P為有功功率 KW，S為視在功率KVA，cos與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。
發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速
發(fā)電機(jī)在額定功率運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速用表示。
額定頻率
發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)其電壓變化的頻率。中國(guó)交流電網(wǎng)電壓頻率為50Hz。國(guó)外也有交流電網(wǎng)60Hz的。
發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流
發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電流。
發(fā)電機(jī)額定溫升
發(fā)電機(jī)在額定功率輸出及額定負(fù)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(fēng)溫的差值。
同步轉(zhuǎn)速
對(duì)于額定頻率為f 的交流發(fā)電機(jī)其同步轉(zhuǎn)速
(1-24)
式中 ——發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；
——同步轉(zhuǎn)速r/min。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率
風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率為風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率、增速器的效率、發(fā)電機(jī)的效率、傳動(dòng)系統(tǒng)效率等的積
(1-25)
第二章 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)模型的建立
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性已成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的重大問題。在實(shí)際應(yīng)用過程中，尤其是一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制與檢測(cè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聲譽(yù)。有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的功能很強(qiáng),但由于工作不可靠,經(jīng)常出故障,而出現(xiàn)故障后對(duì)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(yīng)有的作用。因此對(duì)于一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用者來說,系統(tǒng)的安全可靠性必須認(rèn)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(jì)，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)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(fù)系統(tǒng),使之恢復(fù)正常工作。
2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求
2.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的控制要求
(1) 控制思想[3]
定槳距失速型機(jī)組控制
風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定風(fēng)速以上時(shí)，為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組過載，通過空氣動(dòng)力學(xué)的失速特性，使葉片發(fā)生失速，從而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出。
變槳距失速型機(jī)組控制
風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定風(fēng)速以上時(shí)，為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組過載，通過改變槳葉節(jié)距角和空氣動(dòng)力學(xué)的失速特性，使葉片吸收風(fēng)功率減少或者發(fā)生失速，從而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出。
控制功能和控制參數(shù)
節(jié)距限制、功率限制、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、電氣負(fù)荷的連接、起動(dòng)和停機(jī)過程、電網(wǎng)或負(fù)荷丟失時(shí)的停機(jī)、扭纜的限制、機(jī)艙對(duì)風(fēng)、運(yùn)行時(shí)電量和溫度的限制。
保護(hù)環(huán)節(jié)以失效保護(hù)為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)
自動(dòng)執(zhí)行保護(hù)功能：超速、發(fā)電機(jī)過載和故障、過振動(dòng)、電網(wǎng)或負(fù)載丟失、脫網(wǎng)時(shí)的停機(jī)失敗時(shí)。保護(hù)環(huán)節(jié)為多級(jí)安全鏈互鎖在控制過程中具有“與”的功能在達(dá)到控制目標(biāo)方面可實(shí)現(xiàn)邏輯“或”結(jié)果。
(2) 自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的控制要求
開機(jī)并網(wǎng)控制:當(dāng)風(fēng)速10分內(nèi)的平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)→軟切入狀態(tài)→機(jī)組并入電網(wǎng)。
小風(fēng)和逆功率脫網(wǎng):機(jī)組在待風(fēng)狀態(tài)→10分平均風(fēng)速小于脫網(wǎng)風(fēng)速→脫網(wǎng)→風(fēng)速再次上升→風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)→并網(wǎng)。
普通故障脫網(wǎng)停機(jī):參數(shù)越限、狀態(tài)異?！胀ㄍC(jī)→剎車→軟脫網(wǎng)→剎機(jī)械閘→計(jì)算機(jī)自行恢復(fù)。
緊急故障脫網(wǎng)停機(jī):緊急故障(飛車、超速、負(fù)荷丟失等)→緊急停機(jī)→偏航控制（90度）→脫網(wǎng)→機(jī)械剎車。
安全鏈動(dòng)作停機(jī)：電控制系統(tǒng)軟保護(hù)控制失敗→硬性停機(jī)→停機(jī)。
大風(fēng)脫網(wǎng)控制：10分平均風(fēng)速大于25m/s時(shí)→超速、過載→脫網(wǎng)停機(jī)→氣動(dòng)剎車→偏航控制（90度）→功率下降后脫網(wǎng)→剎機(jī)械閘→安全停機(jī)→風(fēng)速回到工作風(fēng)速區(qū)后→恢復(fù)自動(dòng)對(duì)風(fēng)→轉(zhuǎn)速上升后→自動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)動(dòng)。
對(duì)風(fēng)控制：機(jī)組在工作風(fēng)區(qū)→根據(jù)機(jī)艙的靈敏度→確定偏航的調(diào)整角度。
偏轉(zhuǎn)90度對(duì)風(fēng)控制：機(jī)組在大風(fēng)速或超轉(zhuǎn)速工作時(shí)→降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率→安全停機(jī)?！?dāng)10分平均風(fēng)速大于25m/s時(shí)或超過超速上限時(shí)→風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作偏轉(zhuǎn)90度控制→氣動(dòng)剎車→脫網(wǎng)→停機(jī)。
功率調(diào)節(jié)：當(dāng)機(jī)組在額定風(fēng)速以上并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)→失速型機(jī)組→發(fā)電機(jī)的功率不會(huì)超過額定功率的15%→過載→脫網(wǎng)停機(jī)。
軟切入控制：軟切入、軟脫網(wǎng)→限制導(dǎo)通角→控制發(fā)電機(jī)端的軟切入電流為額定電流的1.5倍→控制發(fā)電機(jī)端電壓。
（3）控制保護(hù)要求
主電路保護(hù)：變壓器低壓側(cè)三相四線進(jìn)線處設(shè)置低壓配電低壓斷路器→維護(hù)操作安全和短路過載保護(hù)。
過電壓、過電流保護(hù)：主電路計(jì)算機(jī)電源進(jìn)線端、控制變壓器進(jìn)線和有關(guān)伺服電動(dòng)機(jī)的進(jìn)線端均設(shè)置過電壓、過電流保護(hù)措施。
防雷設(shè)施及熔絲：控制系統(tǒng)有專門設(shè)計(jì)的防雷保護(hù)裝置。
過繼電保護(hù)：運(yùn)行的所有輸出運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的過熱、過載保護(hù)控制裝置。
接地保護(hù)：金屬部分均要實(shí)現(xiàn)保護(hù)接地。
2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理
2.2.1 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)換過程，在考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制目標(biāo)時(shí)應(yīng)結(jié)合它們的運(yùn)行方式，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：
（1）控制系統(tǒng)保持風(fēng)力發(fā)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)。
（2）控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)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。
（3）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)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要進(jìn)行最佳葉尖速比和額定風(fēng)速以上的恒功率控制。
（4）大于開機(jī)風(fēng)速并且轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能軟切入自動(dòng)并網(wǎng)保證電流沖擊小于額定電流。當(dāng)風(fēng)速在4～7m/s之間切入小發(fā)電機(jī)組（小于300kW）并網(wǎng)運(yùn)行當(dāng)風(fēng)速在7～30m/s之間切入大發(fā)電機(jī)組（大于500kW）并網(wǎng)運(yùn)行。
主要完成下列自動(dòng)控制功能：
大風(fēng)情況下當(dāng)風(fēng)速達(dá)到停機(jī)風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(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)力發(fā)電機(jī)組偏航90°。停機(jī)后待風(fēng)速降低到大風(fēng)開機(jī)風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又可自動(dòng)并入電網(wǎng)運(yùn)行。
為了避免小風(fēng)時(shí)發(fā)行頻繁開、停機(jī)現(xiàn)象在并網(wǎng)后10分內(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分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。
當(dāng)風(fēng)速小于停機(jī)風(fēng)速時(shí)為了避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長(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)力發(fā)電機(jī)組處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)的待風(fēng)狀態(tài)。
當(dāng)風(fēng)速大于開機(jī)風(fēng)速要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航機(jī)構(gòu)始終能自動(dòng)跟風(fēng)。跟風(fēng)精度范圍±15°。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓機(jī)械閘在并網(wǎng)運(yùn)行、開機(jī)和待風(fēng)狀態(tài)下應(yīng)該松開機(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。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉尖閘除非在脫網(wǎng)瞬間、超速和斷電時(shí)釋放起平穩(wěn)剎車作用。其余時(shí)間（運(yùn)行期間、正常和故障停機(jī)期間）均處于歸位狀態(tài)。
在大風(fēng)停機(jī)和超速停機(jī)的情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組除了應(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)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙軸心線與風(fēng)向成一定的角度增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(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°。
在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(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)力發(fā)電機(jī)組遇到這種情況應(yīng)能自動(dòng)脫網(wǎng)和抱閘剎車停機(jī)此時(shí)偏航機(jī)構(gòu)不會(huì)動(dòng)作風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分應(yīng)能承受考驗(yàn)。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jì)了正/反向扭纜計(jì)數(shù)器超過時(shí)自動(dòng)停機(jī)解纜達(dá)到要求時(shí)再自動(dòng)開機(jī)恢復(fù)運(yùn)行發(fā)電。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(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)該解除相反的投入自動(dòng)控制時(shí)有些“手動(dòng)”功能自動(dòng)屏蔽。
控制系統(tǒng)應(yīng)該保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(xiǎn)情況應(yīng)該自動(dòng)處理并安全停機(jī)。
2.2.2 控制系統(tǒng)主要參數(shù)
（1）主要技術(shù)參數(shù)
主發(fā)電機(jī)輸出功率（額定）
發(fā)電機(jī)最大輸出功率
工作風(fēng)速范圍
額定風(fēng)速
切入風(fēng)速（1min平均值）
切出風(fēng)速（1min平均值）
風(fēng)輪轉(zhuǎn)速
發(fā)電機(jī)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速
發(fā)電機(jī)輸出電壓
發(fā)電機(jī)發(fā)電頻率
并網(wǎng)最大沖擊電流（有效值）
電容補(bǔ)償后功率因數(shù)
（2）控制指標(biāo)及效果
方式 專用微控制器
過載開關(guān)
自動(dòng)對(duì)風(fēng)偏差范圍
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)起、停機(jī)時(shí)間
系統(tǒng)測(cè)量精度
電纜纏繞2.5圈自動(dòng)解纜
自動(dòng)解纜時(shí)間 55min
手動(dòng)操作響應(yīng)時(shí)間
(3)保護(hù)功能
超電壓保護(hù)范圍 連續(xù)
欠電流保護(hù)范圍 連續(xù)
風(fēng)輪轉(zhuǎn)速極限
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速極限
發(fā)電機(jī)過功率保護(hù)值 連續(xù)
發(fā)電機(jī)過電流保護(hù)值 連續(xù)
大風(fēng)保護(hù)風(fēng)速 連續(xù)
系統(tǒng)接地電阻
防雷感應(yīng)電壓
2.2.3 控制系統(tǒng)工作原理[6]
主開關(guān)合上后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器準(zhǔn)備自動(dòng)運(yùn)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(yùn)。起動(dòng)的第一秒內(nèi)先檢查電網(wǎng)、設(shè)置各個(gè)計(jì)算器、輸出機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始自動(dòng)運(yùn)行于風(fēng)輪的葉尖本來是90°，現(xiàn)在恢復(fù)為0°，風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)開始時(shí)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)有否超過極限、執(zhí)行偏航、相位補(bǔ)償、機(jī)械制動(dòng)或空氣制動(dòng)。其中相位補(bǔ)償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在0.95至0.99之間。
2.2.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變距控制原理
(1)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方式
風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的功率與轉(zhuǎn)速是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的，功率控制最終也是通過速度控制來實(shí)現(xiàn)的。
變槳距風(fēng)輪的葉片在靜止時(shí)節(jié)距角為90°，這時(shí)氣流對(duì)葉片不產(chǎn)生力矩，整個(gè)葉片實(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)，葉片向0度方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)葉片產(chǎn)生一定的功角，風(fēng)輪開始起運(yùn)。風(fēng)輪從起運(yùn)到額定轉(zhuǎn)速，其葉片的節(jié)距角隨轉(zhuǎn)速的升高是一個(gè)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(jìn)行所謂的速度控制。
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)的轉(zhuǎn)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)通過轉(zhuǎn)子電流控制器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)差進(jìn)行調(diào)整，從而調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)差調(diào)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)轉(zhuǎn)差要調(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)。
（2）變距控制[7]
變槳距控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，變距控制器是一個(gè)非線性比例控制器，它可以補(bǔ)償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號(hào)，控制比例閥（或電液伺服閥）驅(qū)動(dòng)油缸活塞推動(dòng)變距機(jī)構(gòu)，使葉片節(jié)距角變化?；钊奈灰品答佇盘?hào)由位移傳感器測(cè)量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。
2.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略
在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，風(fēng)輪機(jī)應(yīng)在轉(zhuǎn)速極限和功率極限內(nèi)追求在最佳Cp目標(biāo)曲線附近運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)把動(dòng)能轉(zhuǎn)換作為設(shè)計(jì)策略的重點(diǎn)加以規(guī)劃；當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)速限值和功率標(biāo)稱值時(shí)，要及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使輸出功率平穩(wěn)。必須分清異步發(fā)電機(jī)和功率變換器的絕對(duì)極限和常用上限的差別，盡量減小對(duì)電網(wǎng)的污染。下面概述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各種控制策略在國(guó)內(nèi)外大中型并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中均有應(yīng)用。
2.3.1 風(fēng)輪機(jī)的氣動(dòng)特性[8]
風(fēng)輪機(jī)通過葉片捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。風(fēng)輪機(jī)的特性通常用風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp-尖速比λ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(fēng)輪機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速(rad/s)；
為葉片半徑(m)；
為來流的線性風(fēng)速(m/s)。
根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片的空氣動(dòng)力特性，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率是尖速比λ和槳矩β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(duì)于同一個(gè)值風(fēng)輪機(jī)可能運(yùn)行在A和B兩個(gè)點(diǎn)，它們分別對(duì)應(yīng)于風(fēng)輪機(jī)的高風(fēng)速運(yùn)行區(qū)和低風(fēng)速運(yùn)行區(qū)，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)將要發(fā)生變化。
在恒頻應(yīng)用中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化只比同步轉(zhuǎn)速高百分之幾，但風(fēng)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(jì))，風(fēng)輪機(jī)捕獲風(fēng)力可以寫成
(2-2)
式中 是氣動(dòng)功率(W)；
是空氣密度(kg/m3)；
是掃掠面積(m2)；
是風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)。
由(2-2)式可知，風(fēng)機(jī)整體設(shè)計(jì)和相應(yīng)的運(yùn)行控制策略應(yīng)在追求最大的情況下進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，便可增加其輸出功率。如圖2-4所示是理想風(fēng)輪機(jī)的功率曲線。
從理論上講風(fēng)輪機(jī)組的輸出功率是無(wú)限大的，它是風(fēng)速立方的函數(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，它卻受到了如下的限制：
（1）功率限制：由于構(gòu)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(jī)都存在轉(zhuǎn)速的上限。
因而風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行存在三個(gè)典型區(qū)：在低風(fēng)速段，按恒定途徑控制風(fēng)輪機(jī)直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限；然后按恒定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)輪機(jī)，直到功率最大；功率最大后，風(fēng)輪機(jī)按恒定功率控制。
2.3.2 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略
傳統(tǒng)概念的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般都是上風(fēng)向、三葉片的風(fēng)輪機(jī)，通過齒輪增速箱來驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī)，并與電網(wǎng)相連來發(fā)電的。風(fēng)輪機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動(dòng)特性的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組稱為定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)輪機(jī)吸收的功率隨風(fēng)速不停地變化，發(fā)電機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速附近，而風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)一般在額定功率時(shí)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)換效率在最佳區(qū)段。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，為了保持發(fā)電機(jī)輸出功率恒定，必須通過葉片失速效應(yīng)特性來降低值，以維持輸出功率的恒定。對(duì)于定槳距系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)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(fēng)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(fēng)速之前使值達(dá)到最大，特別是在低風(fēng)速段。通常系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩個(gè)不同功率、不同極對(duì)數(shù)的異步發(fā)電機(jī)，以滿足不同風(fēng)速的要求。大功率高轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機(jī)工作于高風(fēng)速區(qū)，小功率低轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機(jī)則工作于低風(fēng)速區(qū)，由此來調(diào)整尖速比，實(shí)現(xiàn)追求最大下的整體運(yùn)行控制。定槳矩風(fēng)機(jī)的功角一般設(shè)定在0°，在不同風(fēng)頻密度的地區(qū)可根據(jù)具體情況在安裝時(shí)予以調(diào)整，但必須充分考慮到對(duì)于風(fēng)機(jī)失速點(diǎn)的影響。從設(shè)計(jì)的角度考慮，葉片的翼形難以做到在失速點(diǎn)之后功率恒定，通常都有些下降，因其發(fā)生在高風(fēng)速段，對(duì)發(fā)電量有一定影響。風(fēng)機(jī)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(jī)可能低于同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行，也可能工作在同步轉(zhuǎn)速之上。在大小發(fā)電機(jī)軟切換控制過程中必須慎重處理。
2.3.3 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略
為了盡可能提高風(fēng)輪機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)輪機(jī)輸出功率平穩(wěn)，風(fēng)輪機(jī)將進(jìn)行槳距調(diào)整。在定槳距風(fēng)輪機(jī)的基礎(chǔ)上加裝槳距調(diào)整環(huán)節(jié)，稱為變槳距風(fēng)輪機(jī)組。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動(dòng)特性，主要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進(jìn)行調(diào)節(jié)。在額定風(fēng)速以下時(shí)，葉片攻角處于零度附近，此時(shí)葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影響，變化范圍很小，可等同于定槳距風(fēng)機(jī)。在額定風(fēng)速以上時(shí)，變槳距機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片攻角，保證發(fā)電機(jī)的輸出功率在允許范圍內(nèi)。風(fēng)輪機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)、停止和緊急事故處理。因而，變槳距風(fēng)輪機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速較定槳距風(fēng)輪機(jī)低，但對(duì)功率的貢獻(xiàn)沒有意義；停機(jī)時(shí)對(duì)傳動(dòng)機(jī)械的沖擊應(yīng)力相對(duì)緩和。
風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)，主要采用功率控制。對(duì)于功率調(diào)節(jié)速度的反映取決于風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。在實(shí)際應(yīng)用中，由于功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)速的較小變化將造成風(fēng)能較大變化，風(fēng)機(jī)輸出功率處于不斷變化中。風(fēng)速變化頻繁幅度大的狀況出現(xiàn)時(shí)將引起風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作。風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)速的反應(yīng)有一定的時(shí)延，在陣風(fēng)出現(xiàn)時(shí)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來不及動(dòng)作而造成風(fēng)機(jī)的瞬時(shí)過載，不利于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。針對(duì)這一點(diǎn)，提出了混合失速的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)概念。即仍然發(fā)揮葉片的失速效應(yīng)，在失速點(diǎn)之前進(jìn)行槳距調(diào)整，即便槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來不及動(dòng)作通過葉片的失速效應(yīng)發(fā)揮作用也不會(huì)造成風(fēng)機(jī)的瞬時(shí)過載。
2.3.4 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略[9]
上面的風(fēng)輪機(jī)直接由追求值最優(yōu)進(jìn)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)于功率系數(shù)影響很大。工業(yè)控制領(lǐng)域交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)在很多設(shè)備中已有成熟應(yīng)用。同樣，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大小和相位(RCC)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)追求最優(yōu)和無(wú)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)。交流發(fā)電機(jī)采用高滑差繞線式轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機(jī)。變速風(fēng)機(jī)要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風(fēng)變化，相應(yīng)轉(zhuǎn)子電流頻率是不定的。轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)的速度為，使得定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率?？刂频闹狄允沟扔陔娋W(wǎng)頻率。這一點(diǎn)與鼠籠式轉(zhuǎn)子電流頻率的結(jié)論是一致的(為電機(jī)轉(zhuǎn)差)。值得指出的是發(fā)電狀態(tài)與電動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系不必完全覆蓋風(fēng)速的范圍，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1100~1700RPM，僅有部分超同步范圍?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)控制和轉(zhuǎn)子電流相角。也就是說，可以向電網(wǎng)提供無(wú)功，同時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)更靈敏，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的柔性更好，有利于風(fēng)機(jī)輸出功率更平穩(wěn)和減小傳動(dòng)機(jī)械的沖擊應(yīng)力。功率元件采用IGBT管，一般通過查表獲得調(diào)節(jié)信號(hào)：風(fēng)速5~7m/s，風(fēng)機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速以下(1100~1500RPM)；風(fēng)速7~9m/s風(fēng)機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速附近(1500RPM)，與一般風(fēng)機(jī)工作方式一致； 風(fēng)速9~15m/s，風(fēng)機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速以上(1500~1625RPM)；風(fēng)速15~25m/s，風(fēng)機(jī)工作于負(fù)荷調(diào)節(jié)狀態(tài)，根據(jù)功率調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)行為，電機(jī)允許轉(zhuǎn)速范圍為1600~1650RPM。
2.4 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)模型框圖[2]
2.4.1 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)
變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為三種運(yùn)行狀態(tài)，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)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(dòng)狀態(tài)
變槳距風(fēng)輪的槳葉在靜止時(shí)，節(jié)距角為90°，氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，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，風(fēng)輪起動(dòng)。在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)以前，變距系統(tǒng)的節(jié)距給定值由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)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(jìn)行速度控制。
（2） 欠功率狀態(tài)
欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后，由于風(fēng)速低于額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī)在額定功率以下的低功率狀態(tài)運(yùn)行。為了改善低風(fēng)速時(shí)的風(fēng)輪氣動(dòng)特性，采用了Optitip技術(shù)，即根據(jù)風(fēng)速的大小，調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運(yùn)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(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)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(jī)的功率信號(hào)進(jìn)行控制。功率反饋信號(hào)與額定功率進(jìn)行比較，功率超過額定功率時(shí)，槳葉節(jié)距向迎風(fēng)面積減少的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，反之則向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。
由于變槳距系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到限制,對(duì)快速變化的風(fēng)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(jì)的變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在進(jìn)行功率控制的過程中，其功率反饋信號(hào)不再作為直接控制槳葉節(jié)距的變量。變槳距系統(tǒng)由風(fēng)速低頻分量和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，風(fēng)速的高頻分量產(chǎn)生的機(jī)械能波動(dòng)，通過迅速改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行平衡，即通過轉(zhuǎn)子電流控制器對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率進(jìn)行控制，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，允許發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，將瞬變的風(fēng)能以風(fēng)輪動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來；轉(zhuǎn)速降低時(shí)，再將動(dòng)能釋放出來，使功率曲線達(dá)到理想的狀態(tài)。
2.4.2 變槳距控制系統(tǒng)
（1）變槳距控制系統(tǒng)[10]
在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)時(shí)前，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由速度控制器A根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)與給定信號(hào)直接控制；發(fā)電機(jī)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(wù)主要是根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給出相應(yīng)的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)給出。如圖2-8所示，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)前，由速度控制器A給出；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，如圖2-9所示。變距控制器是一個(gè)非線性比例控制器，它可以補(bǔ)償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號(hào)控制比例閥（或電液伺服閥），驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞，推動(dòng)變槳距機(jī)構(gòu)，使槳葉節(jié)距角變化?；钊奈灰品答佇盘?hào)由位移傳感器測(cè)量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。
（3）速度控制器A
轉(zhuǎn)速控制器A在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)或從待機(jī)狀態(tài)重新起動(dòng)時(shí)投入工作，如圖2-10所示在這些過程中通過對(duì)節(jié)距角的控制，轉(zhuǎn)速以一定的變化率上升?？刂破饕灿糜谠谕剿伲?0Hz時(shí)1500轉(zhuǎn)/min）時(shí)的控制。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速±10內(nèi)持續(xù)1s發(fā)電機(jī)將切入電網(wǎng)。
控制器包含著常規(guī)的PD控制器和PI控制器，接著是節(jié)距角的非線性化環(huán)節(jié)，通過非線性化處理，增益隨節(jié)距角的增加而減小，以此補(bǔ)償由于轉(zhuǎn)子空氣動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的
非線性，因?yàn)楫?dāng)功率不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩對(duì)節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。
當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變槳距系統(tǒng)先將槳葉節(jié)距角快速地轉(zhuǎn)到45°，風(fēng)輪在空轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?增加到1500時(shí)，節(jié)距角給定值從45°線性的減小到5°。這一過程不僅使轉(zhuǎn)子具有高起動(dòng)力矩，而且在風(fēng)速快速地增大時(shí)能夠快速起動(dòng)。
（4）速度控制器B
發(fā)電機(jī)切入電網(wǎng)后，速度控制系統(tǒng)B作用。如圖2-11所示，速度控制器B受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的雙重控制。在達(dá)到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加。額定的速度給定值是1569r/min,相應(yīng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率是4%。如果風(fēng)速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率將降低到2%，節(jié)距控制將根據(jù)風(fēng)速調(diào)整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。
如果風(fēng)速高于額定值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速通過改變節(jié)距來跟蹤相應(yīng)的速度給定值。功率輸出將穩(wěn)定地保持在額定值上。從圖中可知在風(fēng)速信號(hào)輸入端設(shè)有低通濾波器，節(jié)距控制對(duì)瞬變風(fēng)速并不響應(yīng)。
2.4.3 功率控制
為了有效地控制高速變化的風(fēng)速引起的功率波動(dòng)，新型的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用了RCC（Rotor Current Control）技術(shù)，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)。通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的控制來迅速改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，從而改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，吸收由于瞬變風(fēng)速引起的功率波動(dòng)。
（1）功率控制系統(tǒng)
功率控制系統(tǒng)如圖2-12所示，它由兩個(gè)控制環(huán)節(jié)組成。外環(huán)通過測(cè)量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生功率參考曲線。內(nèi)環(huán)是一個(gè)功率伺服環(huán)，它通過轉(zhuǎn)子電流控制器（RCC）對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率進(jìn)行控制，使發(fā)電機(jī)功率跟蹤功率給定值。如果功率低于額定功率值，這一控制環(huán)將通過改變轉(zhuǎn)差率，進(jìn)而改變槳葉節(jié)距角，使風(fēng)輪獲得最大功率。
（2）轉(zhuǎn)子電流控制器原理[8]
轉(zhuǎn)子電流控制器由快速數(shù)字式PI控制器和一個(gè)等效變阻器構(gòu)成。它根據(jù)給定的電流值，通過改變轉(zhuǎn)子電路和電阻來改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。在額定功率時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率能夠從1%到10%（1515到1650）變化，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子平均電阻從0到100%變化。當(dāng)功率變化即轉(zhuǎn)子電流變化時(shí)，PI調(diào)節(jié)器迅速調(diào)整轉(zhuǎn)子電阻，使轉(zhuǎn)子電流跟蹤給定值，如果從主控制器傳出的電流給定值是恒定的，它將保持轉(zhuǎn)子電流恒定，從而使功率輸出保持不變。
圖2-13 轉(zhuǎn)子電流控制器原理圖
從電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式來說明轉(zhuǎn)子電阻與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率的關(guān)系。發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為
(2-3)
式中 —電機(jī)極對(duì)數(shù)；
—電機(jī)定子相數(shù)；
—定子角頻率,即電網(wǎng)角頻率；
—定子額定相電壓；
—轉(zhuǎn)差率；
—定子繞組的電阻；
--定子繞組的漏抗；
—折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；
--折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏抗。
式中只要不變，電磁轉(zhuǎn)矩就可以不變，發(fā)電機(jī)的功率可保持不變。當(dāng)風(fēng)速變大時(shí)，風(fēng)輪及發(fā)電機(jī)上的轉(zhuǎn)速上升，即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率增大，只要改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻即可保持輸出功率不變。RCC控制單元有效地減少了變槳距機(jī)構(gòu)的動(dòng)作頻率及動(dòng)作幅度，使得發(fā)電機(jī)的輸出功率保持平衡，實(shí)現(xiàn)了變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速以上的額定功率輸出，有效地減少了風(fēng)力發(fā)電機(jī)因風(fēng)速的變化而造成的對(duì)電網(wǎng)的不良影響。
2.5 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)模型的建立
2.5.1 控制選擇器模型的建立
在控制選擇器的模型中，當(dāng)輸入的時(shí)間值低于1秒時(shí),輸出為低水平輸出值0；當(dāng)輸入的時(shí)間值超過1秒時(shí), 輸出為高水平輸出值1。
圖2-14 系統(tǒng)控制選擇器模型
2.5.2 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型的建立
根據(jù)系統(tǒng)控制選擇器來實(shí)現(xiàn)在ω和1之間的選擇，利用乘法器乘以轉(zhuǎn)速的基準(zhǔn)值314rad/s得到風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速的值，對(duì)風(fēng)輪機(jī)進(jìn)行控制。
（1）選擇器參數(shù)：選擇器功能是當(dāng)運(yùn)行時(shí)間在0到所設(shè)域值時(shí)，由B通道輸入,到達(dá)所設(shè)定的值以后由A通道輸入。
（2）選擇器A、B端輸入?yún)?shù)：A端輸入變量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w；B端輸入常數(shù)1。
（3）乘法模塊輸入?yún)?shù)：乘法模塊功能是把兩個(gè)輸入相乘后在輸出。在軟件環(huán)境中輸入同步轉(zhuǎn)速314rad/s。
（4）時(shí)鐘脈沖CNT控制參數(shù)：時(shí)鐘脈沖控制是由一個(gè)時(shí)間信號(hào)模型與一個(gè)單信號(hào)輸入比較儀組成，其功能是當(dāng)輸入時(shí)間信號(hào)低于所設(shè)域值時(shí)，輸出Low output level 通道所設(shè)值，當(dāng)輸入時(shí)間信號(hào)高于所設(shè)域值時(shí)，輸出High output level 通道所設(shè)值。
圖2-15 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型
2.5.3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的模型（在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前）
根據(jù)異步發(fā)電機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩利用發(fā)電機(jī)多參量模塊可以對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，其控制模型和參數(shù)如圖2-16所示。
2.5.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制系統(tǒng)模型
變槳距風(fēng)輪機(jī)的槳葉靜止時(shí)節(jié)距角為90°，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)生一定的攻角后風(fēng)輪才起動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入額定功率狀態(tài)，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(jī)的功率信號(hào)進(jìn)行控制。功率反饋信號(hào)與額定功率進(jìn)行比較，功率超過額定功率時(shí)，槳葉節(jié)距向迎風(fēng)面積減少的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，反之則向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。(風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制系統(tǒng)模型圖見附錄B.1)
圖2-16 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的模型及參數(shù)
（1） 槳距角控制輸入量模型
根據(jù)控制選擇器來選擇異步發(fā)電機(jī)的有功功率反饋值或給定值為槳距角控制功率的輸入量。
（2） 槳距角