【正文】 制器準(zhǔn)備自動(dòng)運(yùn)作。 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。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。 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。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(jì) )，風(fēng)輪機(jī)捕獲風(fēng)力可以寫成 PP SC V??機(jī)械 (22) 式 中 P機(jī)械 是氣動(dòng)功率 (W)； ? 是空氣密度 (kg/m3)； A 是掃掠面積 (m2)； PC 是風(fēng)輪機(jī)的功 率系數(shù)。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 PC在最佳區(qū)段。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)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。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。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 Rf 是不定的。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。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。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。控制器也用于在同步速（ 50Hz 時(shí) 1500 轉(zhuǎn) /min）時(shí)的控制。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)。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)。它根據(jù)給定的XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 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。 式中只要 39。 （ 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。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。 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) 4KS的參數(shù) 圖 226 槳距角的 角度限制參數(shù) 以上是對(duì)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(duì)風(fēng)力發(fā)XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 35 電機(jī)組進(jìn)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(yùn)行在 安全穩(wěn)定的 狀態(tài) 。 ○ 1 1R 0tT 風(fēng)速 wRV0? ○ 2 RR TtT 21 〈? 風(fēng)速 wRV rampV? rampV 表示在該時(shí)間區(qū)段內(nèi)風(fēng)速線性變化表達(dá)式 )1(212m a xRRRRra m p TT Ttvv ???? （ 33） 所以當(dāng) 1R t=T 時(shí) rampV = 0 當(dāng) 2R t=T 時(shí) rampV = vmax ○ 3 RRR TTtT ??? 22 風(fēng)速 wR maxV =V ○ 4 RR TTt ?? 2 風(fēng)速 wRV =0 圖 33 漸變風(fēng)隨時(shí)間變化曲線圖 （ 4）隨機(jī)噪聲風(fēng) wNv XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 37 wNv 用以描述在指定的高度的風(fēng)速變化的隨機(jī)風(fēng)的特性，由許多諧波分量構(gòu)成，其表達(dá)式為 ? ??? ??? Nt iiiVwN sv 1 2/1 )c o s ()(2 ? （ 34） 式中 w? —— 隨機(jī)分布的離散間距 ； iw —— 第 I 個(gè)分量的角頻率 ， wiwi ??? )2/1( ； i? —— 第 I 個(gè)分量的初相角為 0~2Pi之間分布的隨機(jī)量 ； )( iv ws —— 第 I 個(gè)分量的振幅 。 風(fēng)輪機(jī)模型的建立 風(fēng)輪機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)，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(jī)械能的裝置，通過吸收風(fēng)能，然后轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，最后把機(jī)械 能傳輸給發(fā)電機(jī)，如圖 310 所示。它是由一個(gè)時(shí)間信號(hào)模型與一個(gè)單信號(hào)比較儀來控制。 發(fā)電機(jī)控制 選擇器 參數(shù) (1)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制參數(shù)輸入同步轉(zhuǎn)速（標(biāo)幺值）的 99%，即為 。 ○ 3 漸變風(fēng) WRv 輸入?yún)?shù) 漸變風(fēng) WRv 用于描述風(fēng)速的逐漸變化，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)可以給出其最大值?maxV 2m/s，起始時(shí)間為 4s，持續(xù)周期為 1s，陣性風(fēng)數(shù)量為 個(gè)， 如圖 38 所示。 ○ 3 1G+TGtT 風(fēng)速 wGV0? 所以 當(dāng) Gt=T 時(shí) cos 0V ? 當(dāng) 1G G/2 t=(T +T ) 時(shí) cos maxVV ? 當(dāng) 1G Gt=(T +T ) 時(shí) cos 0V ? XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 36 圖 32 陣行風(fēng)隨時(shí)間變化曲線圖 在分析風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)電壓波動(dòng)的影響時(shí)，通常用陣性風(fēng)來考核較大的風(fēng)速變化時(shí)的電壓波動(dòng)的特性。再與槳距角給定值進(jìn)行比較，輸入槳距角限制環(huán)節(jié)，輸出XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 34 槳距角。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)。 （ 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 ,XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 30 到達(dá) 所設(shè) 定的 值 以后由 A 通道輸入。1 1 2 1 1 2 1 2eT m p U R S R R S X X? ?? ?? ? ? ????? (23) 式中 P — 電機(jī)極對(duì)數(shù) ； 1m — 電機(jī)定子相數(shù) ； 1? — 定子角頻率 ,即電網(wǎng)角頻率 ； 1U — 定子額定相電壓 ； S — 轉(zhuǎn)差率 ； XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 29 1R — 定子繞組的電阻 ； 1X 定子繞組的漏抗 ； 39。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。 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。當(dāng)轉(zhuǎn)速從 0 增加到 1500 minr 時(shí)，節(jié)距角給定值從 45176?；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。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)。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?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé) Rf 控制和 轉(zhuǎn)子電流相角。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)。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。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)。定XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 槳矩風(fēng)機(jī)的 功 角一般設(shè)定在 0176。 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 。由圖中可見 ， 對(duì)于同 一個(gè) PC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。 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)。根據(jù)給定的速度參考值調(diào)整節(jié)距角，進(jìn)行所謂的XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 速度控制。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) 。 ○10 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。 ○ 7 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XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 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 90176。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)。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)。 ○ 9 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)。 ○ 2 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)。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。國(guó)外也有交流電網(wǎng) 60Hz 的。這要視用戶的用途、發(fā)電機(jī)功率而確定。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)。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。 （ 3）轉(zhuǎn)矩系數(shù) TC 和推力系數(shù) FC 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)矩和推力也要無因次化。 如果假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得 VVSSVVS ??? 2211 (13) 由流體力學(xué)可知?dú)饬鞯膭?dòng)能為 mvT? (14) 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 svV? 。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。 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)?，F(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)。 （ 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。 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。 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。 ○ 2 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 V??? (11) 式中 ? 為風(fēng)能 (w)； ? 為空氣密度 (kg/m )； v 為風(fēng)速 (m/s)。 （ 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)。 （ 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)組無法相比。 （ 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。 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XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 和涉及的，而且，這些學(xué)科中的很多東西都是較為前沿的。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。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。 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