【正文】 制器準備自動運作。 風力發(fā)電機組的變距控制原理 (1)變槳距風力發(fā)電機組的控制方式 風力發(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。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。 下 面 概述 的風 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)電的風力發(fā)電機中均有 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 )，風輪機捕獲風力可以寫成 PP SC V??機械 (22) 式 中 P機械 是氣動功率 (W)； ? 是空氣密度 (kg/m3)； A 是掃掠面積 (m2)； PC 是風輪機的功 率系數(shù)。風輪機吸 收的功率隨風速不停地變化 ， 發(fā)電機工作于同步轉(zhuǎn)速附近 ， 而風電機組的設(shè)計一般在額定功率時 風輪的轉(zhuǎn)換效率 PC在最佳區(qū)段。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)生在高風速段 ，對發(fā)電量有一定影響。 風輪機 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。針對這一點 ， 提出了 混合失速的風機設(shè)計概念。變速風機要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風變化 ， 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 ： 風速 5~7m/s， 風 機工作于同步轉(zhuǎn)速以下(1100~1500RPM)； 風速 7~9m/s 風機 工作于同步轉(zhuǎn)速附近 (1500RPM)， 與一般風機工作方式一 致 ； 風速 9~15m/s， 風機工作于同步轉(zhuǎn)速以上 (1500~1625RPM)； 風速15~25m/s， 風機 工作于負荷調(diào)節(jié)狀態(tài) ， 根據(jù)功率調(diào)節(jié)風機行為 ， 電機允許轉(zhuǎn)速范圍為1600~1650RPM。為了改善低風速時的風輪氣動特性，采用了 Optitip 技術(shù)，即根據(jù)風速的大小，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。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。控制器也用于在同步速（ 50Hz 時 1500 轉(zhuǎn) /min）時的控制。這一過程不僅使轉(zhuǎn)子具有高起動力矩，而且在風速快速地增大時能夠快速起動。從圖中可知在風速信號輸入端設(shè)有低通濾波器，節(jié)距控制對瞬變風速并不響應(yīng)。它根據(jù)給定的XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 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輸入相乘后在輸出。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。 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) 以上是對完整的風力發(fā)電控制 系統(tǒng) 模型的建立過程 ,通過以上模型可以對風力發(fā)XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 35 電機組進行 相應(yīng)的 轉(zhuǎn)速 控制 和功率控制 ,使 風力發(fā)電系統(tǒng) 運行在 安全穩(wěn)定的 狀態(tài) 。 ○ 1 1R 0tT 風速 wRV0? ○ 2 RR TtT 21 〈? 風速 wRV rampV? rampV 表示在該時間區(qū)段內(nèi)風速線性變化表達式 )1(212m a xRRRRra m p TT Ttvv ???? （ 33） 所以當 1R t=T 時 rampV = 0 當 2R t=T 時 rampV = vmax ○ 3 RRR TTtT ??? 22 風速 wR maxV =V ○ 4 RR TTt ?? 2 風速 wRV =0 圖 33 漸變風隨時間變化曲線圖 （ 4）隨機噪聲風 wNv XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 37 wNv 用以描述在指定的高度的風速變化的隨機風的特性，由許多諧波分量構(gòu)成，其表達式為 ? ??? ??? Nt iiiVwN sv 1 2/1 )c o s ()(2 ? （ 34） 式中 w? —— 隨機分布的離散間距 ； iw —— 第 I 個分量的角頻率 ， wiwi ??? )2/1( ； i? —— 第 I 個分量的初相角為 0~2Pi之間分布的隨機量 ； )( iv ws —— 第 I 個分量的振幅 。 風輪機模型的建立 風輪機是風力發(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 ，它是把風能轉(zhuǎn)化成機械能的裝置，通過吸收風能，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。它是由一個時間信號模型與一個單信號比較儀來控制。 發(fā)電機控制 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（標幺值）的 99%，即為 。 ○ 3 漸變風 WRv 輸入?yún)?shù) 漸變風 WRv 用于描述風速的逐漸變化，根據(jù)實際數(shù)據(jù)可以給出其最大值?maxV 2m/s，起始時間為 4s，持續(xù)周期為 1s，陣性風數(shù)量為 個， 如圖 38 所示。 ○ 3 1G+TGtT 風速 wGV0? 所以 當 Gt=T 時 cos 0V ? 當 1G G/2 t=(T +T ) 時 cos maxVV ? 當 1G Gt=(T +T ) 時 cos 0V ? XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 36 圖 32 陣行風隨時間變化曲線圖 在分析風電系統(tǒng)對電壓波動的影響時，通常用陣性風來考核較大的風速變化時的電壓波動的特性。再與槳距角給定值進行比較，輸入槳距角限制環(huán)節(jié)，輸出XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 34 槳距角。方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角后風輪才起動。 （ 1）選擇器參數(shù)：選擇器功能是當運行時間在 0到所設(shè)域值 時，由 B 通道輸入 ,XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 30 到達 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 — 電機極對數(shù) ； 1m — 電機定子相數(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，進而改變槳葉節(jié)距角，使風輪獲得最大功率。 如果風速高 于額定值，發(fā)電機轉(zhuǎn)速通過改變節(jié)距來跟蹤相應(yīng)的速度給定值。當轉(zhuǎn)速從 0 增加到 1500 minr 時，節(jié)距角給定值從 45176。活塞的位移反饋信號由位移傳感器測量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。變槳距系統(tǒng)由風速低頻分量和發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制，風速的高頻分量產(chǎn)生的機械能波動，通過迅速改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來進行平衡，即通過轉(zhuǎn)子電流控制器對發(fā)電機轉(zhuǎn)差率進行控制，當風速高于額定風速時，允許發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高，將瞬變的風能以風輪動能的形式儲存起來；轉(zhuǎn)速降低時，再將動能釋放出來，使功率曲線達到理想的狀態(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，進行速度控制?？刂葡到y(tǒng)負責 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 距風力發(fā)電機的主要技術(shù)特點。風速變化頻繁幅度大的狀況出現(xiàn)時將引起風機槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)頻繁動作。在額定風速以下時 ， 葉片攻角處于零 度附近 ， 此時葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影 響 ， 變化范圍很小 ， 可等同于 定槳距風機。定XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 22 槳矩風機的 功 角一般設(shè)定在 0176。 定槳距風力發(fā)電機的控制策略 傳統(tǒng)概念的風力發(fā)電機一般都是上風向、三葉片的風輪機 ， 通過齒輪增速箱 來 驅(qū)動異步發(fā)電機 ，并 與電網(wǎng)相連 來發(fā)電的 。由圖中可見 ， 對于同 一個 PC值風輪機 可能運行在 A和 B兩個點， 它們分別對應(yīng)于風輪機的高風速運行區(qū)和低風速 運行區(qū) ， 當風速 發(fā)生變化時 風輪機 的運行點將要發(fā)生變化。 風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略 在風力發(fā)電控制系統(tǒng)中， 風輪機應(yīng) 在轉(zhuǎn)速極限和功率極限內(nèi) 追求在最佳 Cp 目標曲線 附近運行 ， 應(yīng)當把動能轉(zhuǎn)換作為設(shè)計策略 的重點加以規(guī)劃 ；當 達到轉(zhuǎn)速限值和功率標稱值時 ， 要及時準確的 進 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，進行所謂的XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 19 速度控制。計算機開始時監(jiān)測各個參數(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、相位補償、機械制動或空氣制動 。 ○10 風力發(fā)電機組應(yīng)具有手動控制功 能（包括遠程遙控手操）手動控制時“自動”功能應(yīng)該解除相反的投入自動控制時有些“手動”功能自動屏蔽。 ○ 7 在大風停機和超速停機的情況下風力發(fā)電機組除了應(yīng)該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 17 閘停機外還應(yīng)該自動投入偏航控制使風力發(fā)電機組的機艙軸心線與風向成一定的角度增加風力發(fā)電機組脫網(wǎng)的安全度待機艙轉(zhuǎn)約 90176。同樣在小風自動脫網(wǎng)停機后 5 分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。風輪系統(tǒng)實現(xiàn)了從風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，在考慮風力發(fā)電機組控制目標時應(yīng)結(jié)合它們的運行方式，重點實現(xiàn)以下目標： （ 1）控制系統(tǒng)保持風力發(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)：當機組在額定風速以上并網(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。 ○ 2 小 風 和逆功率脫網(wǎng) :機組在待風狀態(tài)→ 10 分平均風速小于脫網(wǎng)風速→脫網(wǎng)→風速再次上升→風機旋轉(zhuǎn)→并網(wǎng)。因此對于一個風力發(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。國外也有交流電網(wǎng) 60Hz 的。這要視用戶的用途、發(fā)電機功率而確定。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)。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。 （ 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。 如果假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得 VVSSVVS ??? 2211 (13) 由流體力學可知氣流的動能為 mvT? (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 svV? 。因此風 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。 借助電動機轉(zhuǎn)動機艙以使轉(zhuǎn)子正對著風?，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 ，特別適合風力發(fā)電機。 （ 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。 葉片是風力發(fā)電機組最關(guān)鍵的部件， 現(xiàn)代風 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。 水平軸風力發(fā)電機是目前世界各國風力發(fā)電機最為成功的一種形式，主要優(yōu)點是風輪可以架設(shè)到離地面較高的地方，從而減少了由于地面擾動對風輪動態(tài)特性的影響。 ○ 2 風能資源的估算 風能的大小實際就是氣流流過的動能 ， 因此可以推導出氣流在單位時間內(nèi)垂直流過單位截面積的風能 ， 即風功率為 V??? (11) 式中 ? 為風能 (w)； ? 為空氣密度 (kg/m )； v 為風速 (m/s)。 （ 2）風的參數(shù) 風向和風速是兩個描述風的重要參數(shù)。 （ 9）單機容量小 由于風能 密度低決定了單臺風力發(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。 （ 2）建設(shè)周期 短 一 個十兆 瓦級的風電場建設(shè)期不到一年。 風力發(fā)電技術(shù)和 PSCAD/EMTDC 仿真等的相關(guān)知識對我們來講都是平時很少接觸XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 2 和涉及的，而且，這些學科中的很多東西都是較為前沿的。變槳距風力發(fā)電機組的主要控制是在起動時對風輪轉(zhuǎn)速的控制和并網(wǎng)后對輸入功率的控制。由能源問題引發(fā)的危機以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認識到開發(fā)清潔的可再生能源是保護生態(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力發(fā)電機組的基本控制要求和控制策略 ,在變槳