【正文】 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、災害增多、惡性疾病的多發(fā)，因此，能源和環(huán)境問題成為當今世界所面臨的兩大重要課題。 風力發(fā)電起源于 20世紀 70 年代，技術(shù)成熟于 80年代，自 90 年代以來風力發(fā)電進入了大發(fā)展階段。通過變距控制可以根據(jù)風速來調(diào)整槳葉節(jié)距角，以滿足發(fā)電機起動與系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定的雙重要求。 利用 控制系統(tǒng)使風力發(fā)電系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(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系統(tǒng)使之恢復正常工作。由于本人的理論水平及實踐經(jīng)驗所限、編寫時間倉促，書中錯 誤疏漏之處難免，敬請老師不咎指正。 風力發(fā)電的原理說起來非常簡單 ， 最簡單的風力發(fā)電機可由葉片 和發(fā)電機兩部分構(gòu)成如圖 11所示。 （ 3）裝機規(guī)模靈活 可根據(jù)資金情況決定一次裝機規(guī)模，有一臺資金就可以安裝一臺投產(chǎn)一臺。 （ 6）運行維護簡單 現(xiàn)代中大型風力發(fā)電機的自動化水平很高，完全可以在無人職守的情況下正常工XX 本科畢業(yè)設計說明書 4 作，只需定期進行必要的維護，不存在火力發(fā)電的大修問題。另外風況是不穩(wěn)定的，有時無風有時又有破壞性的大風，這都是風力發(fā)電必須解決的實際問題。由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軸之間存在 66． 5176。風向是指風吹來的方向 ， 如果風是從 東 方吹來就稱為 東 風。 風玫瑰圖是一個給定地點一段時間內(nèi)的風向分布圖。 由于風速是一個隨機性很大的量 ， 必須通過一段時間的觀測來了解它的平均狀況 ， 一個地方風能潛力的多少要視該地常年平均風能密度的大小。但應用最廣的還是前兩種類型的風輪機。它的主要機械部件都在機艙中，如主軸、齒輪箱、發(fā)電機、液壓系統(tǒng)及調(diào)向裝置等。 (1)機艙 機艙包 含 著風 力發(fā) 電機的關鍵設備 ， 包括齒輪箱、發(fā)電機 等 。 葉片可分為變漿距和定漿距兩種葉片，其作用都是為了調(diào)速，當風力達 到風力發(fā)電機組設計的額定風速時，在風輪上就要采取措施，以保證風力發(fā)電機的輸出功率不會超過允許值。 圖 XX 本科畢業(yè)設計說明書 7 （ 3）增速器 增速器就是齒輪箱，是風力發(fā)電機組關鍵部件之一。 （ 5）制動器 制動器是使風力發(fā)電機停止轉(zhuǎn)動的裝置，也稱剎車。然后電流通過風電機旁的變壓器（或在塔內(nèi)） ， 電壓被提高至13萬伏 ， 這取決于當?shù)仉娋W(wǎng)的 標準。 ③ 同步或異步交流發(fā)電機，它的電樞磁場與主磁場不同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速略低，當并網(wǎng)時轉(zhuǎn)速應提高。為了使風輪運轉(zhuǎn)所需要額定轉(zhuǎn)速下的裝置稱為調(diào)速裝置，調(diào)速裝置只在額定風速以上時調(diào)速。偏航裝置由電子控制器操作 ， 電子控制器可以通過風向標來感覺風向。風電場的機組群可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風機會在微機總站的微機終端和顯示器上讀出、調(diào)出程序和修改程序等，使現(xiàn)代風力發(fā)電機真正實現(xiàn)了現(xiàn)場無人職守的自動控制。風 力發(fā) 電機還會配備有拉動開關在電纜扭曲太厲害時被激發(fā) ，斷開裝置或剎車停機，然后解纜 。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 為是平行風輪軸線的 )，滿足以上條件的風輪稱為“理想風輪”。 如果以 ? 表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量 svm ?? ，此時氣體所具有的動能為 321 svT ?? (15) ? 的單位是 kg/m3； V的單位是 m3； v 的單位是 m/s； T 的單位是 W。通常風輪機風輪葉片接受風能的效率達不到 59． 3％，一般根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片的翼形、功率等情況取 。 SRvTSRvTCT 22221 ?? ?? (120) SvFSvFCF 22221 ?? ?? (121) 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(zhuǎn)變成電能的設備。 由于風電場的特殊性 ， 它的并網(wǎng)和解列 的 操作十分頻繁 ， 而且由于投資成本的限制以及管理、維修等方面的優(yōu)點 ， 現(xiàn)在大多數(shù)的大型風電場都采用異步發(fā)電機作為主力機型。但由于異步發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單價格便宜堅固耐用維修方便啟動容易并網(wǎng)簡單等特點在大中型風力發(fā)電機組中得到廣泛應用。通常異步機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于或 略高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。 （ 2）異步風力發(fā)電機的參數(shù) ○ 1 風輪額定轉(zhuǎn)速 風輪額定轉(zhuǎn) 速是風輪在額定風速時的轉(zhuǎn)速。它是風力發(fā)電機設計的最基礎數(shù)據(jù)。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。 ○ 6 發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速 發(fā)電 機在額定功率運行時的轉(zhuǎn)速用 minr 表示。 ○ 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。在實際應用過程中，尤其是一般風力發(fā)電機組控制與檢測系統(tǒng)中 ,控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上 的要求是不困難的。 我們的目的是希望通過控制系統(tǒng)的設計，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)不出故障或少出故障，并且在出故障之后能夠以最快的速度修復系統(tǒng) ,使之恢復正常工作。 ○ 4 保護環(huán)節(jié)以失效保護為原則進行設計 自動執(zhí)行保護功能：超速、發(fā)電機過載和故障、過振動、電網(wǎng)或負載丟失、脫網(wǎng)時的停機失敗時。 ○ 3 普通故障脫網(wǎng)停機 :參數(shù)越限、狀態(tài)異?！胀ㄍC→剎車→軟脫網(wǎng)→剎機械閘→計算機自行恢復。 ○ 7 對風控制：機組在工作風區(qū)→根據(jù)機艙的靈敏度→確定偏航的調(diào)整角度。 ○10 軟切入控制：軟切入、軟脫網(wǎng)→限制導通角→控制發(fā)電機端的軟切入電流為額定電流的 倍→控制發(fā)電機端電壓。 ○ 4 過繼電保護：運行的所有輸出運轉(zhuǎn)機構(gòu)的過熱、過載保護控制裝置。 （ 2）控制系統(tǒng)采用計算機控制技術(shù)對風力發(fā)電機組的運行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理完成機組的最佳運行狀態(tài)管理和控制。 主要完成下列自動控制功能： ○ 1 大風情況下當風速達到停機風速時風力發(fā)電機組應葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機械閘停機而且在脫網(wǎng)同時 風力發(fā)電機組偏航 90176。 ○ 3 當風速小于停機風速時為了避免風力發(fā)電機組長期逆功率運行造成電網(wǎng)損耗應自動脫網(wǎng)使風力發(fā)電機組處于自由轉(zhuǎn)動的待風狀態(tài)。 ○ 5 風力發(fā)電機組的液壓機械閘在并網(wǎng)運行、開機和待風狀態(tài)下應該松開機械閘其余狀態(tài)下（大風停機、斷電和故障等）均應抱閘。 后機艙保持與風向偏 90176。如果正在運行時風力發(fā)電機組遇到這種情況應能自動脫網(wǎng)和抱閘剎車停機此時偏航機構(gòu)不會動作風力發(fā)電機組的機械結(jié)構(gòu)部分應能承受考驗。 ○11 控制系統(tǒng)應該保證風力發(fā)電機組的所有監(jiān)控參數(shù)在正常允許的范圍內(nèi)一旦超過極限并出現(xiàn)危險情況應該自動處理并安全停機。所有這些完成后，風力發(fā)電機組開始自動運行于風輪的葉尖本來是 90176。其中相位補償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在 至 之間。這時氣流對葉片不產(chǎn)生力矩，整個葉片實際上是一塊阻尼板。 當轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速后電機并入電網(wǎng)。 （ 2）變距控制 [7] 變 槳距控制系統(tǒng)實際上是一個隨動系統(tǒng)，變距控制器是一個非線性比例控制器，它可以補償比例閥的死帶和極限。 必須 分 清 異步 發(fā)電機和功率變換器的絕對極限和常用上限的差別 ，盡量減小對電網(wǎng)的污染。尖速比可 表示為 mRv??? （ 21） 式 中 m? 為風輪機的機械轉(zhuǎn)速 (rad/s)； R 為葉片半徑 (m)； v 為來流的線性風速 (m/s)。 在恒頻應用中， 發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化只比同步轉(zhuǎn)速高 百分之幾， 但風速的變化范圍可以很寬。 從理論上講 風輪機組的輸出功率是無限 大 的 ， 它是 風速立方的函數(shù)。風輪機的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特性的風力發(fā)電機組 稱為定槳距風力發(fā)電機組。 從? ?,PCf??? 的函數(shù)關系來看 ， 難以保 證在額定風速之前 使 PC 值達到 最大 ， 特別 是 在低風速段。 ， 在不同風頻密度的地區(qū)可根據(jù)具體情況在安裝時予以調(diào)整，但 必 須充分考慮到對于風機失速 點的影響。 變 槳距風力發(fā)電機的控制策略 為了盡可能提高 風輪機 風能轉(zhuǎn)換效率和保證 風輪機 輸出功率平穩(wěn) ，風輪機 將進行槳距 調(diào)整。在額 定風速以上時 ， 變槳距機構(gòu)發(fā)揮作用 ， 調(diào)整葉片攻角 ， 保證發(fā)電機的輸出功率在允許范圍內(nèi)。 風機正 常工作時 ， 主要采用功率控制。風機槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)對風速的反應有一定的時延 ， 在陣風 出現(xiàn)時槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)來不及動作而造成風機的瞬時過載 ， 不利于風機的運行。從圖 26 可以 看出 ， 風機轉(zhuǎn)速對于功率系數(shù) PC 影響很大。交流發(fā)電機采用高滑差繞線式轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機。這一點與鼠籠式轉(zhuǎn) 子電流頻率 REf sf? 的結(jié)論是一致的 (s 為電機轉(zhuǎn)差 )。也就是說 ， 可以向 電網(wǎng)提供無功 ， 同時 ， 調(diào)速系統(tǒng)調(diào) 節(jié)更靈敏 ， 風機運行的柔性更好 ， 有利于風機輸出功率更平穩(wěn)和減小 傳動機械的沖擊應力。氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，當風速達到起動風速時，槳葉向 0176。 （ 2） 欠功率狀態(tài) XX 本科畢業(yè)設計說明書 24 欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機并 入電網(wǎng)后，由于風速低于額定風速，發(fā)電機在額定功率以下的低功率狀態(tài)運行。功率反饋信號與額定功率進行比較，功率超過額定功率時，槳葉 節(jié)距向迎風面積減少的方向轉(zhuǎn)動一個角度，反之則向迎風面積增大的方向轉(zhuǎn)動一個角度 。 變槳距控制系統(tǒng) （ 1）變槳距控制系統(tǒng) [10] 在發(fā)電機并入電網(wǎng)時前，發(fā)電機轉(zhuǎn)速由速度控制器 A根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速反饋信號與給定信號直接控制；發(fā)電機并入電網(wǎng)后，速度控制 B與功率控制器起作用。 （ 2）變距控制 變距控制系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)， 如圖 29 所示。 （ 3）速度控制器 A 轉(zhuǎn)速控制器 A在風力發(fā)電機組進入待機狀態(tài)或從待機狀態(tài)重新起動時投入工作，如圖 210 所示在這些過程中通過對節(jié)距角的控制，轉(zhuǎn)速以一定的變化率上升。 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XX 本科畢業(yè)設計說明書 26 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(zhuǎn)子空氣動力學產(chǎn)生的 非線性，因為當功率不變時，轉(zhuǎn)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。 （ 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(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 控制器和一個等效變阻器構(gòu)成。 圖 213 轉(zhuǎn)子電流控制器原理圖 從電磁轉(zhuǎn)矩的關系式來說明轉(zhuǎn)子電阻與發(fā)電機轉(zhuǎn)差率的關系。2R — 折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻 ； X? 折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏抗 。 RCC 控制單元有效地減少了變槳距機構(gòu)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(xiàn)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(wǎng)的不良影響。 （ 2）選擇器 A、 B端輸入?yún)?shù)： A端輸入變量發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 w； B端輸入常數(shù) 1。 圖 215 風輪機轉(zhuǎn)速控制模型 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制的模型（在發(fā)電機并網(wǎng)前） 根據(jù)異步發(fā)電機輸出的機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩利用發(fā)電機多參量模塊可以對發(fā)電機的轉(zhuǎn)速進行控制，其控制模型和參數(shù)如圖 216 所示。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(zhuǎn)速控制切換為功率控制，變距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機的功率信號進行控制。 XX 本科畢業(yè)設計說明書 32 圖 217 槳距角控制輸入模型 圖 218 槳距角控制功率 的 參照量（ Pref） 模型 （ 3） 槳距角控制比例積分環(huán)節(jié)模型 由比例積分控制器將功率比較的差值轉(zhuǎn)換成角度參量。其各部分的參數(shù)如下所示。 在實際與仿真時我們近似認為 wBV 是一個不隨時間變化的分量，也就是取 wBV 為一個常數(shù)。 （ 3）漸變風 wRV wRV 用于 描述風速的逐漸的變化 ， 在 四 個時間區(qū)段內(nèi)有不同風速 ， 漸變風變化過程 如圖 33 所示。 (2)四種風分量的參數(shù) ○ 1 基本風 Bv 輸入?yún)?shù) 在實際或仿真時基本風被認為是一個常數(shù)，并且一般取平均值， ?Bv 9m/s ，如圖 36 所示。 ○ 4 隨機噪聲風 vwN輸入?yún)?shù) XX 本科畢業(yè)設計說明書 39 圖 37 陣行風輸入?yún)?shù) 圖 38 漸變風輸入?yún)?shù) 用于描述在指定高度風速變化的隨機噪聲風的特性是由許多諧波組成的， 根據(jù)實際數(shù)據(jù)可以給出其 噪聲分量數(shù)為 50 個， 如圖 39 所示。如圖 312 所示為 齒輪箱速比控制模型。 (2)選擇開關 StoT 控制模型及參數(shù) 圖 314 異步發(fā)電機模型 選擇開關 StoT 控制是用于 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制選擇的控制器， 選擇開關模型是當選擇 1 時，異步發(fā)電機由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，當選擇 0 時，異步發(fā)電機由輸入機械轉(zhuǎn)矩控制。在高于額定風速時，主要通過變槳距系統(tǒng)改變槳葉節(jié)距來