【正文】 入工作，如圖210 所示在這些過程中通過對節(jié)距角的控制，轉速以一定的變化率上升。 24 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，以此補償由于轉子空氣動力學產生的 非線性，因為當功率不變時，轉矩對節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的 增加而增加的。線性的減小到 5176。在達到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加。功率輸出將穩(wěn)定地保持在額定值上。 25 （ 1） 功率控制系統(tǒng) 功率控制系統(tǒng)如圖 212 所示，它由兩個控制環(huán)節(jié)組成。 （ 2）轉子電流控制器原理 [8] 轉子電流控制器由快速數字式 PI 控制器和一個等 效變阻器構成。 圖 213 轉子電流控制器原理圖 從電磁轉矩的關系式來說明轉子電阻與發(fā)電機轉差率的關系。2R — 折算到定子側的轉子每相電阻； X? 折算到定子側的轉子每相漏抗。 RCC 控制單元有效地減少了變槳距機構的動作頻率及動作幅度，使得發(fā)電機的輸出功率保持平衡，實現了變槳距風力發(fā)電機組在額定風速以上的額定功率輸出，有效地減少了風力發(fā)電機因風速的變化而造成的對電網的不良影響。當風速達到或超過額定風速后，風力發(fā)電機組進入額定功率狀態(tài)，將轉速控制切換為功率控制，變距系統(tǒng)開始根據發(fā)電機的功率信號進行控制。 28 4 變槳程序設計 變槳系統(tǒng) 的基礎理論 貝茨 (Betz)理論 世界上第一個關于風輪機風輪葉片接受風能的比較完整的理論是 1919 年由 A178。 如圖 13 所示，我們分析一個放置在移動的空氣中的“理想風輪”葉片上所受到的力及移動的空氣對風輪葉片所做的功。 從風能公式可以看出風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29 比，其中 ? 和 v 隨地理位置、海拔、地形等因素而變。 風力發(fā)電機特性 系數 貝茨理論提供了風能的基本理論，但在討論風輪機的能量轉換與控制時有幾個特性系數具有特別重要的意義。當發(fā)電機組需要脫網時，可以先轉動葉片使之減小功率。并網成功后，由變換器返回一個并網成功信號給主控制器。 變槳距控制電路設計 變 槳 距是指安裝在輪轂上的葉片通過控制可以改變其槳距角的大小 ，通過伺服驅動器控制伺服電機，伺服電機連接齒輪，從而完成調節(jié) 調整 槳 距 角的大小。此時控制系統(tǒng)參與調節(jié)，形成閉環(huán)控制 。 偏航檢測機構 風向信號作為偏航控制系統(tǒng)中最關鍵的輸入信號，對其準確的測量將影響整個控制系統(tǒng)的性能。 由于風力機總是選擇最短距離最短時間內偏航對風，由于風向的變化隨意性，風力機有可能長時間往一個方向偏航對風，這樣就會造成電纜的纏繞，如果纏繞圈過多，超過了規(guī)定值，將造成電纜的損壞。網絡層通過TCP/IP 協(xié)議可以實現遠程操作、資源共享及網絡化 。控制器和通訊模塊配置數量如表 所示。在設計中選用 CU240S 35 DPF型號 的控制單元。 4=， 考慮 倍的裕量 i=179。針對軸承的潤滑，設計了自動潤滑系統(tǒng)，其由潤滑泵、油脂分配器、潤滑小齒輪、潤滑管等組成如圖，主要用于偏航軸承滾道及齒面的潤滑，潤滑系統(tǒng)原理圖如圖 。偏航時，電磁剎車通電，剎車釋放。 為了得到對稱的驅動扭矩，在設計中用四臺電機驅動偏航系統(tǒng)。制動器在液壓驅動管路上一般裝有一個預壓閥，以使在松閘狀態(tài)時，制動液壓缸仍保持有很小的壓力，使偏航過程中。 為了保證風力機停止偏航時不會因葉片受風載荷而被動偏離風向的情況，風力機上多裝有偏航制動器 ,在設計中采用了電磁抱閘制動和液壓制動兩套制動系統(tǒng)，以防止停止偏航時機艙被動偏離風向。附加的電磁剎車手動釋放裝置，在需要時可將手柄抬起剎車釋放。 圖 自動潤滑系統(tǒng)原理圖 偏航驅動裝置包括偏航電機和偏航減速齒輪機構。 同時，根據設計要求以及制動電阻的選型手冊，選用了選型為 6SE64004BD165CA0 的制動電阻 。由于在偏航系統(tǒng)中采用 Bonfiglioli 公司 4個 100LB 電磁抱閘一體化的三相異步電動機，額定電流為 。 控 制 器C X 1 0 2 0 0 0 0 0電 源 模 塊C X 1 1 0 0 0 0 0 2數 字 量 輸 入 模 塊K L 1 4 0 8數 字 量 輸 出 模 塊K L 2 1 3 4現 場 總 線 主 站 接 口C X 1 5 0 0 M 3 1 0總 線 末 端 模 塊K L 9 0 1 0手 動 控 制 狀 態(tài) 顯 示編 碼 器 接 口 模 塊K L 5 0 0 1數 字 量 輸 出 模 塊K L 2 1 3 4總 線 耦 合 器B K 3 1 5 0總 線 末 端 模 塊K L 9 0 1 0位 置 編 碼 器 接 觸 器模 擬 量 輸 入 模 塊K L 3 1 2 2風 向 、 風 速傳 感 器安 全 總 線 端 子 模 塊K L 1 9 0 4故 障 檢 測 裝 置控 制 對 象變 頻 器 異 步 電 機P r o f i b u s D P 通 信P r o f i b u s D P 通 信中 央 監(jiān) 控 計 算 機工 業(yè) 以 太 網 圖 偏航控制平臺 結構圖 為了使偏航系統(tǒng)達到很好的控制效果，為避免在不同的風速下風力發(fā)電機組在偏航過程中產生過大的振動而造成整機的共振，設計中選用的變頻器，實現了在不同風速下的變頻控制，風速與頻率對應的關系曲線如圖 圖 風速與頻率對應的關系曲線 設計中選用了 SINAMICS G120 變頻器，該變頻器是一個由多種不同功能單元組成的模塊化變頻器。現場層由變頻器、偏航電機、風向傳感器及電磁閥等組成，完成物理量的檢測與變送、接收并執(zhí)行控制量、實現對偏航電機的控制。設計中采用了 絕對值編碼器 ，選型為 HEIDENHAIN 公司 ROQ425 的絕對型多轉編碼器。設計中測風感器采用的 Thies Clima 公司測風傳感器，風向傳感器型號： 。 伺服驅動器與電機型號都與偏航控制電路所選類型相同，因此電路圖如 32 圖 42所示。 當發(fā)電機輸出功率達到額定功率， 則無相應的動作。額定風速以上，調節(jié)槳距角限制風力機接受的風能的增大，限制發(fā)電機轉速的增加，通過改變槳距角來跟蹤相應的速度給定值。當有緊急情況需要停機時，通過變槳機構可以使槳葉迅速調節(jié)到順槳位置，起到氣動剎車的作用，使發(fā)電機組迅速停下來。 （ 3）轉矩系數 TC 和推力系數 FC 為了便于把氣流作用下的風輪機產生的轉矩和推力 進行比較常以 ? 為變量作成轉矩和推力的變化曲線 ， 因此轉矩和推力也要無因次化。貝茨理論說明理想的風能對風輪葉片做功的最高效率是 ％。 如果假設空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得 VVSSVVS ??? 2211 (41) 由流體力學可知氣流的動能為 mvT? (42) 設單位時間內氣流流過載面積為 s 的氣體的體積為 V，則 svV? 。貝茨理論的建立依據的假設條件是假定風輪是理想的，能全部接受風能并且沒有輪轂，葉片是無限多，對氣流沒有任何阻力。 （ 1） 槳距角控制輸入量模型 根據控制選擇器來選擇異步發(fā)電機的有功功率反饋值或給定值為槳距角控制功率的輸入量。當風速達到起動風速時槳葉向 0176。2RS不變，電磁轉矩 eT 就可以不變，發(fā)電機的功率可保持不變。 39。在額定功率時，發(fā)電機的轉差率能26 夠從 1%到 10%（ 1515 到 1650 minr ）變化，相應的轉子平均電阻從 0 到 100%變化。內環(huán)是一個功率伺服環(huán)，它通過轉子電流控制器（ RCC）對發(fā)電機轉差率進行控制，使發(fā)電機功率跟蹤功率給定值。 功率控制 為了有效地控制高速變化的風速引起的功率波動，新型的變槳距風力發(fā)電機組采用了RCC（ Rotor Current Control）技術，即發(fā)電機轉子 電流控制技術。如果風速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機轉差率將降低到 2%，節(jié)距控制將根據風速調整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。 （ 4）速度控制器 B 發(fā)電機切入電網后，速度控制系統(tǒng) B 作用。風輪在空轉狀態(tài)進入同步轉速。當發(fā)電機轉速在同步轉速177。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機構是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經 D/A 轉換后變成電壓信號控制比例閥（或電液伺服閥），驅動液壓缸活塞，推動變槳距機構，使槳葉節(jié)距角變化。 23 節(jié)距的給定參考值 由控制器根據風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)給出。因此，為了優(yōu)化功率曲線，最新設計的變槳風力發(fā)電機組在進行功率控制的過程中，其功率反饋信號不再作為直接控制槳葉節(jié)距的變量。 （ 3） 額定功率狀態(tài) 當風速達到或超過額定風速后，風力發(fā)電機組進入額定功率狀態(tài)。在發(fā)電機并入電網以前， 變距系統(tǒng)的節(jié)距給定值由發(fā)電機的轉速信號控制。 變槳距 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng) [2] 變槳距風力發(fā)電機組的運行狀態(tài) 變槳距風力發(fā)電機組根據變距系統(tǒng)所起的作用可分為三種運行狀態(tài)，即風力發(fā)電機組的起動狀態(tài)（轉速控制）、欠功率控制（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。在實際應用中 ， 發(fā)電機轉 速與風速的對應關系不必完全覆蓋風速的范圍 ， 電機轉速范圍為 1100~1700RPM， 僅有部分超同 步范 圍。轉子機械旋轉的速度為 Mf ， 使 得定子旋轉磁場的頻率 E M Rf f f??。同樣 ， 通過調節(jié)發(fā)電機轉子電流的大小和相位 (RCC)從而實現轉速調節(jié) ， 進而 實現追求 PC 最優(yōu)和無功功率的平衡。即仍然發(fā)揮葉片的失速效應 ， 在失速點之前進行槳距調整 ， 即便槳 距調節(jié)機構來 不及動作通過葉片的失速效應發(fā)揮作用也不會造成風機的瞬時過載。在實際應用中 ， 由于功率與風速的三次方成正比 ， 風速 的較小變化將造成風能較大變化 ， 風機輸出功率 處于不斷變化中。速度控制和直接 槳距控制常用于風力發(fā)電機的起動、停止和緊急事故處理。變 槳距風力發(fā)電 機組的功率調節(jié)不完全依靠葉片的氣動特性 ， 主要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進行調節(jié)。風機采用異步發(fā)電技術，存在功率流向的不確定 性 ，發(fā)電機可能低于同步轉速運行，也可能工作在同步轉速之上。大功率高轉速的異步發(fā)電機工作于高風20 速區(qū) ，小功率低轉速的 異步 發(fā)電機 則 工作于低風速區(qū)， 由此來調整尖速比 ? ，實現追求 PC最大下的整體運行控制。當風速超過額定 風速時 ， 為了保持發(fā)電機輸出功率恒定 ， 必須通過 葉片失速效應 特性來 降低 PC 值 ，以 維持 輸出 功率 的 恒定。 因而風輪機的運行存在三個典型區(qū)： 在低風速段，按 恒定 PC 途徑控制風輪機直到轉速達到極限 ； 然后按恒 定轉速控制風輪機 ，直到功率最大 ； 功率最大后，風輪機 按恒定功率控制。 由 (22)式 可知 ，風機整體設計和相應的運行控制策略應 在追求 PC 最大 的情況 下 進行相應的 調整，便可增加其輸出功率。典型 PC 與 ? 和 ?的關系可用圖 23 來表示。 風輪機 的 氣動特性 [8] 風輪機 通過葉片捕獲風能 ， 將風能轉換為作用在輪轂上的機械轉矩?；钊奈灰品答佇盘栍晌灰苽鞲衅鳒y量，經轉換后輸入比較器。為了優(yōu)化功率曲線，在進行功率控制的同時通過轉子電流控制器對電機轉差進行調整，從而調整風輪轉速。風輪從起運到額定轉速，其葉片的節(jié)距角隨轉速的升高是一個連續(xù)變化的過程。由于異步發(fā)電機的功率與轉速是嚴格對應的，功率控制最終也是通過速度控制來實現的。風輪開始轉動。首先系統(tǒng)初始化檢查控制程序、微控制器硬件和外設、傳感器來的脈沖及比較所選的操作參數備份系統(tǒng)工作表，接著就正式起運。 ○ 8 發(fā)電機額定勵磁電流 發(fā)電機在額定運行時的勵磁電流。 ○ 6 發(fā)電機額定轉速 發(fā)電機在額定功率運行時的轉速用 minr 表示。交流發(fā)電機分同步和異步交流發(fā)電機、異步交流發(fā)電機也稱感應交流發(fā)電機。它是風力發(fā)電機設計的最基礎數據。 （ 2）異步風力發(fā)電機的參數 ○ 1 風輪額定轉速 風輪額定轉速是風輪在額定風速時的轉速。通常異步機的轉子轉速總是略低于或略高于旋轉磁場的轉速。但由于異步發(fā)電機具有結構簡單價格便宜堅固耐用維修方便啟動容易并網簡單等特點在大中型風力發(fā)電機組中得到廣泛應用。 由于風電場的特殊性 ， 它的并網和解列 的 操作十分頻繁 ， 而且由于投資成本的限制以及管理、維修等方面的優(yōu)點 ， 現在大多數的大型風電場都采用異步發(fā)電機作為主力機型。 異步發(fā)電機基本原理 （ 1） 異步發(fā)電機基本原理 發(fā)電機是風力發(fā)電機組中最關鍵的零部件， 是將風能最終轉變成電能的設備。 ○ 9 風力發(fā)電機組塔架內的懸掛電纜只允許扭轉177。跟風控制跟風范圍177。 ○ 6 風力發(fā)電機組的葉尖閘除非在脫網瞬間、超速和斷電時釋放起平穩(wěn)剎車作 用。 ○ 4 當風速大于開機風速要求風力發(fā)電機組的偏航機構始終能自動跟風。停機后待風速降低到大風開機風速時風力發(fā)電機組又可自動并入電網運行。 （ 3）利用計算機智能控制實現機組的功率優(yōu)化控制定槳距恒速機組主要進行軟切入、軟切出及功率因數補償控制對變槳距風力發(fā)電機組主要進行最佳葉尖速比和額定風速以上的恒功率控制。 ○ 5 接地保護：金屬部分均要實現保護接地。 （ 3）控制保護要求 ○ 1 主電路保護：變壓器低壓側三相四線進線處設置低壓配電低壓斷路器