【正文】 小由于風(fēng)能密度低決定了單臺風(fēng)力發(fā)電機組容量不可能很大，與現(xiàn)在的火力發(fā)電機組和核電機組無法相比。大氣的流動也像水流一樣，是從壓力高處往壓力低處流，太陽能正是形成大氣壓差的原因。（2）風(fēng)的參數(shù)風(fēng)向和風(fēng)速是兩個描述風(fēng)的重要參數(shù)。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)能資源的估算風(fēng)能的大小實際就是氣流流過的動能，因此可以推導(dǎo)出氣流在單位時間內(nèi)垂直流過單位截面積的風(fēng)能，即風(fēng)功率為 (11)式中 為風(fēng)能(w)；為空氣密度(kg/m)；為風(fēng)速(m/s)。風(fēng)輪機的類型很多通常將其分為水平軸風(fēng)輪機垂直軸風(fēng)輪機和特殊風(fēng)輪機三大類。水平軸風(fēng)力發(fā)電機是目前世界各國風(fēng)力發(fā)電機最為成功的一種形式，主要優(yōu)點是風(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對風(fēng)輪動態(tài)特性的影響。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)大中型風(fēng)力發(fā)電機組是由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機構(gòu)、發(fā)電機、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機艙機座回轉(zhuǎn)體制動器等）組成的。葉片是風(fēng)力發(fā)電機組最關(guān)鍵的部件，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機上每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為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化塑料（GRP）制造。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或其他高強度合金鋼制成。（4）聯(lián)軸器增速器與發(fā)電機之間用聯(lián)軸器連接，為了減少占地空間，往往聯(lián)軸器與制動器設(shè)計在一起。大型風(fēng)電機（100150千瓦）通常產(chǎn)生690伏特的三相交流電?，F(xiàn)在我國已經(jīng)發(fā)明了交流電壓440/240V的高效永磁交流發(fā)電機，可以做成多對極低轉(zhuǎn)速的，特別適合風(fēng)力發(fā)電機。 （8）調(diào)速裝置風(fēng)速是變化的，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會隨風(fēng)速的變化而變化。借助電動機轉(zhuǎn)動機艙以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。自我故障診斷及微機終端故障輸出需維修的故障，由維修人員維修后給微機以指令，微機再執(zhí)行自動控制程序。因此風(fēng)力發(fā)電機配備有電纜扭曲計數(shù)器，用于提醒操作員應(yīng)該將電纜解開了。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，葉片是無限多，對氣流沒有任何阻力。如果假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得 (13)由流體力學(xué)可知氣流的動能為 (14)設(shè)單位時間內(nèi)氣流流過載面積為s的氣體的體積為V，則。％。（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)輪機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和推力進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)矩和推力也要無因次化。這一缺點可以通過在發(fā)電機端并聯(lián)電容器來改善。異步機作為電動機應(yīng)用非常廣泛異步機作為發(fā)電機的情況則比較少。異步機是利用電磁感應(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)矩以進行能量轉(zhuǎn)換。此時轉(zhuǎn)子從原動機吸收機械功率通過電磁感應(yīng)由定子輸出電功率電機處于發(fā)電機狀態(tài)。發(fā)電機額定功率發(fā)電機的額定功率是發(fā)電機在額定功率因數(shù)下連續(xù)運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。這要視用戶的用途、發(fā)電機功率而確定。額定功率因數(shù)發(fā)電機在額定運行時其有功功率與視在功率的比值用以下公式來表示 (123)P為有功功率 KW，S為視在功率KVA，cos與負載性質(zhì)有關(guān)。國外也有交流電網(wǎng)60Hz的。風(fēng)力發(fā)電機的全效率風(fēng)力發(fā)電機的全效率為風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率、增速器的效率、發(fā)電機的效率、傳動系統(tǒng)效率等的積 (125)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)電場長期安全可靠運行的重大問題。因此對于一個風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計和使用者來說,系統(tǒng)的安全可靠性必須認真加以考慮,必須引起足夠的重視?？刂乒δ芎涂刂茀?shù)節(jié)距限制、功率限制、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、電氣負荷的連接、起動和停機過程、電網(wǎng)或負荷丟失時的停機、扭纜的限制、機艙對風(fēng)、運行時電量和溫度的限制。小風(fēng)和逆功率脫網(wǎng):機組在待風(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)機旋轉(zhuǎn)→并網(wǎng)。大風(fēng)脫網(wǎng)控制：10分平均風(fēng)速大于25m/s時→超速、過載→脫網(wǎng)停機→氣動剎車→偏航控制（90度）→功率下降后脫網(wǎng)→剎機械閘→安全停機→風(fēng)速回到工作風(fēng)速區(qū)后→恢復(fù)自動對風(fēng)→轉(zhuǎn)速上升后→自動并網(wǎng)運動。功率調(diào)節(jié)：當(dāng)機組在額定風(fēng)速以上并網(wǎng)運行時→失速型機組→發(fā)電機的功率不會超過額定功率的15%→過載→脫網(wǎng)停機。防雷設(shè)施及熔絲：控制系統(tǒng)有專門設(shè)計的防雷保護裝置。風(fēng)輪系統(tǒng)實現(xiàn)了從風(fēng)能到機械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機和控制系統(tǒng)則實現(xiàn)了從機械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，在考慮風(fēng)力發(fā)電機組控制目標(biāo)時應(yīng)結(jié)合它們的運行方式，重點實現(xiàn)以下目標(biāo)：（1）控制系統(tǒng)保持風(fēng)力發(fā)電機組安全可靠運行同時高質(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)。當(dāng)風(fēng)速在4～7m/s之間切入小發(fā)電機組（小于300kW）并網(wǎng)運行當(dāng)風(fēng)速在7～30m/s之間切入大發(fā)電機組（大于500kW）并網(wǎng)運行。同樣在小風(fēng)自動脫網(wǎng)停機后5分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。15176。在大風(fēng)停機和超速停機的情況下風(fēng)力發(fā)電機組除了應(yīng)該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖閘停機外還應(yīng)該自動投入偏航控制使風(fēng)力發(fā)電機組的機艙軸心線與風(fēng)向成一定的角度增加風(fēng)力發(fā)電機組脫網(wǎng)的安全度待機艙轉(zhuǎn)約90176。在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)停止運行此時控制系統(tǒng)不能供電。控制系統(tǒng)應(yīng)該保證風(fēng)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(yīng)該自動處理并安全停機。所有這些完成后，風(fēng)力發(fā)電機組開始自動運行于風(fēng)輪的葉尖本來是90176。 風(fēng)力發(fā)電機組的變距控制原理(1)變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的控制方式風(fēng)力發(fā)電機組的變距系統(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。當(dāng)風(fēng)速達到起動風(fēng)速時，葉片向0度方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對葉片產(chǎn)生一定的功角，風(fēng)輪開始起運。這時，電機轉(zhuǎn)速受到電網(wǎng)頻率的牽制變化不大，主要取決于電機的轉(zhuǎn)差，電機的轉(zhuǎn)速控制實際上已轉(zhuǎn)為功率控制。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號，控制比例閥（或電液伺服閥）驅(qū)動油缸活塞推動變距機構(gòu)，使葉片節(jié)距角變化。下面概述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各種控制策略在國內(nèi)外大中型并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機中均有應(yīng)用。根據(jù)風(fēng)機葉片的空氣動力特性，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率是尖速比λ和槳矩β的函數(shù)，即。按(21)式，尖速比便可以在很寬范圍內(nèi)變化(取決于葉片設(shè)計)，風(fēng)輪機捕獲風(fēng)力可以寫成 (22)式中 是氣動功率(W)；是空氣密度(kg/m3)；是掃掠面積(m2)；是風(fēng)輪機的功率系數(shù)。但在實際應(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、電機都存在轉(zhuǎn)速的上限。風(fēng)輪機吸收的功率隨風(fēng)速不停地變化，發(fā)電機工作于同步轉(zhuǎn)速附近，而風(fēng)電機組的設(shè)計一般在額定功率時風(fēng)輪的轉(zhuǎn)換效率在最佳區(qū)段。通常系統(tǒng)設(shè)計有兩個不同功率、不同極對數(shù)的異步發(fā)電機，以滿足不同風(fēng)速的要求。從設(shè)計的角度考慮，葉片的翼形難以做到在失速點之后功率恒定，通常都有些下降，因其發(fā)生在高風(fēng)速段，對發(fā)電量有一定影響。在定槳距風(fēng)輪機的基礎(chǔ)上加裝槳距調(diào)整環(huán)節(jié)，稱為變槳距風(fēng)輪機組。風(fēng)輪機的槳距控制系統(tǒng)，通常采用典型的PID轉(zhuǎn)速、功率和槳距角三模態(tài)控制。對于功率調(diào)節(jié)速度的反映取決于風(fēng)機槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。針對這一點，提出了混合失速的風(fēng)機設(shè)計概念。工業(yè)控制領(lǐng)域交流電動機調(diào)速技術(shù)在很多設(shè)備中已有成熟應(yīng)用。變速風(fēng)機要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風(fēng)變化，相應(yīng)轉(zhuǎn)子電流頻率是不定的。值得指出的是發(fā)電狀態(tài)與電動狀態(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)。功率元件采用IGBT管，一般通過查表獲得調(diào)節(jié)信號：風(fēng)速5~7m/s，風(fēng)機工作于同步轉(zhuǎn)速以下(1100~1500RPM)；風(fēng)速7~9m/s風(fēng)機工作于同步轉(zhuǎn)速附近(1500RPM)，與一般風(fēng)機工作方式一致； 風(fēng)速9~15m/s，風(fēng)機工作于同步轉(zhuǎn)速以上(1500~1625RPM)；風(fēng)速15~25m/s，風(fēng)機工作于負荷調(diào)節(jié)狀態(tài)，根據(jù)功率調(diào)節(jié)風(fēng)機行為，電機允許轉(zhuǎn)速范圍為1600~1650RPM。方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪起動。為了改善低風(fēng)速時的風(fēng)輪氣動特性，采用了Optitip技術(shù)，即根據(jù)風(fēng)速的大小，調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。由于變槳距系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到限制,對快速變化的風(fēng)速,通過改變節(jié)距來控制輸出功率的效果并不理想。功率控制器的任務(wù)主要是根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速給出相應(yīng)的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，并確定速度控制器B的速度給定。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?？刂破饕灿糜谠谕剿伲?0Hz時1500轉(zhuǎn)/min）時的控制。 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組從待機狀態(tài)進入運行狀態(tài)時，變槳距系統(tǒng)先將槳葉節(jié)距角快速地轉(zhuǎn)到45176。這一過程不僅使轉(zhuǎn)子具有高起動力矩，而且在風(fēng)速快速地增大時能夠快速起動。額定的速度給定值是1569r/min,相應(yīng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)差率是4%。從圖中可知在風(fēng)速信號輸入端設(shè)有低通濾波器，節(jié)距控制對瞬變風(fēng)速并不響應(yīng)。外環(huán)通過測量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生功率參考曲線。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)電機的轉(zhuǎn)差率。發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩為 (23)式中 —電機極對數(shù)；—電機定子相數(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。 變槳距風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型的建立 控制選擇器模型的建立在控制選擇器的模型中，當(dāng)輸入的時間值低于1秒時,輸出為低水平輸出值0；當(dāng)輸入的時間值超過1秒時, 輸出為高水平輸出值1。（3）乘法模塊輸入?yún)?shù)：乘法模塊功能是把兩個輸入相乘后在輸出。 風(fēng)力發(fā)電機組的變槳距控制系統(tǒng)模型變槳距風(fēng)輪機的槳葉靜止時節(jié)距角為90176。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(fēng)面積減少的方向轉(zhuǎn)動一個角度，反之則向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動一個角度。圖219 比例積分控制器模型圖220 傳遞函數(shù)的參數(shù)圖221 節(jié)距限制的參數(shù)（4） 濾波器模型及參數(shù)濾波器對比例積分器輸出的波形進行修整，以便出現(xiàn)諧波分量對系統(tǒng)造成不良影響。圖224 RATE LIMITER微分限制參數(shù)圖225 微分器環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的參數(shù)圖226 槳距角的角度限制參數(shù)以上是對完整的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)模型的建立過程,通過以上模型可以對風(fēng)力發(fā)電機組進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)速控制和功率控制,使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行在安全穩(wěn)定的狀態(tài)。（2）陣行風(fēng)用于表述風(fēng)速的突然變化，在三個時間段內(nèi)有不同的風(fēng)速，陣性風(fēng)變化過程如圖32所示。 風(fēng)速 風(fēng)速 表示在該時間區(qū)段內(nèi)風(fēng)速線性變化表達式　　　　　 （33）所以當(dāng)時 = 0 當(dāng)時 = vmax 風(fēng)速 風(fēng)速圖33漸變風(fēng)隨時間變化曲線圖（4）隨機噪聲風(fēng)用以描述在指定的高度的風(fēng)速變化的隨機風(fēng)的特性，由許多諧波分量構(gòu)成，其表達式為　　　　　?。?4）式中 ——隨機分布的離散間距；——第I個分量的角頻率，；——第I個分量的初相角為0~2Pi之間分布的隨機量；——第I個分量的振幅。 圖35　外部風(fēng)速輸入控制模型及參數(shù)圖36 基本風(fēng)輸入?yún)?shù) 陣行風(fēng)輸入?yún)?shù)陣行風(fēng)用于描述風(fēng)速的突然變化，根據(jù)實際數(shù)據(jù)可以給出其最大值2m/s，起始時間3s，持續(xù)周期為1s，陣性風(fēng)數(shù)量為1個。 風(fēng)輪機模型的建立風(fēng)輪機是風(fēng)力發(fā)電機組的原動機，也是主要區(qū)別于其他類型發(fā)電廠的關(guān)鍵地方，它是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機械能的裝置，通過吸收風(fēng)能，然后轉(zhuǎn)化成機械能，最后把機械能傳輸給發(fā)電機，如圖310所示。 圖312 齒輪箱速比控制模型圖313 齒輪箱速比控制模型輸入?yún)?shù) 異步發(fā)電機模型的建立異步電機一般稱為感應(yīng)電機，既可作為發(fā)電機使用也可作為電動機使用。它是由一個時間信號模型與一個單信號比較儀來控制。加入變槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)，顯著提高了傳動系統(tǒng)的柔性及輸出的穩(wěn)定性。(3)仿真結(jié)果分析在前面我們已經(jīng)討論過，風(fēng)是近似的服從威布爾分布，也就是說，近似的服從正態(tài)分布。（2）機械功率輸出及仿真結(jié)果如圖45和圖46所示。異步發(fā)電機有功功率仿真結(jié)果分析在1s時異步發(fā)電機并網(wǎng)，由于采用的是直接并網(wǎng)，在并網(wǎng)時出現(xiàn)了很大的沖擊電流，導(dǎo)致有功功率1s時發(fā)生突變，然后有功功率下降并逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。在3s和4s分別受到陣行風(fēng)和漸變風(fēng)的影響，無功功率的曲線有很小的上升，然后又達到穩(wěn)定狀態(tài)。在3s和4s分別受到陣行風(fēng)和漸變風(fēng)的影響，轉(zhuǎn)速曲線有很小的變化，然后又達到穩(wěn)定狀態(tài)。在3s和4s時分別受到陣行風(fēng)和漸變風(fēng)的影響，電磁轉(zhuǎn)距曲線有明顯的下降，之后又達到穩(wěn)定。高壓母線電壓穩(wěn)定在121KV左右。即槳矩角初始值為90度，在機組起動的過程中逐漸變小，這樣葉片吸收風(fēng)能逐漸增大，葉片的轉(zhuǎn)速也逐漸加快，且保持不變，此時葉片吸收風(fēng)能達到了最大。 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制器是一個六階的動態(tài)模型，發(fā)電機制轉(zhuǎn)速輸入值是根據(jù)發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩在模塊中進行計算而得到的，其輸出總是保持發(fā)電機轉(zhuǎn)速在恒定