【正文】 距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)仿真方面作了初步的探究和 研究 。 風(fēng)力發(fā)電 的原理是利用風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn) ， 再 通 過(guò)增速 器 將旋轉(zhuǎn)的速度提 高 來(lái)促使發(fā)電機(jī)發(fā)電 的 。 （ 5）造價(jià)低 從國(guó)外建成的風(fēng)電場(chǎng)看，單位千瓦造價(jià)和單位千瓦時(shí)電價(jià)都低于火力發(fā)電，和常規(guī)能源發(fā)電相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。風(fēng)就是水平運(yùn)動(dòng)的空氣 ， 空氣運(yùn)動(dòng)主要是由于地球上各緯度所接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不同而形成的。 風(fēng)速是指某一高度連續(xù) 10min 所測(cè)得各瞬時(shí)風(fēng)速的平均值。在風(fēng)速 V 的概率分布 p(V)知道后 ， 平均風(fēng)能密度還可根據(jù)下式求得 30. 5 ( )V P V dV??? （ 12） 風(fēng)輪機(jī) 的 理論 [4] 風(fēng)輪機(jī)又稱 為 風(fēng)車 ， 是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。 在本文中以后不做 特殊 說(shuō)明時(shí)所指的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組即為大中型的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。輪轂一般由鑄鋼或鋼板焊接而成，其中不允許有夾渣、砂眼、裂紋等缺陷，并按槳葉可承受的最大離心力載荷來(lái)設(shè)計(jì)。 發(fā)電機(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。塔架有型鋼架結(jié)構(gòu)的，有圓錐型鋼管和鋼筋混凝土的等三種形式， 風(fēng)電機(jī)塔載有機(jī)艙及轉(zhuǎn)子。 （ 10）風(fēng)力發(fā)電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng) [11] 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的微機(jī)控制屬于離散型控制，是將風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速計(jì)、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電壓、頻率、電流、發(fā)電機(jī)溫升、增速器溫升、機(jī)艙振動(dòng)、塔架振動(dòng)、電纜過(guò)纏繞、電網(wǎng)電壓、電流、頻率等傳感器的信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換，輸送給單片機(jī)再按設(shè)計(jì)程序給出各種指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)調(diào)向、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)解列、運(yùn)行中機(jī)組故障的自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng) 電纜解繞、過(guò)振動(dòng)停機(jī)、過(guò)大風(fēng)停機(jī)等的自動(dòng)控制。貝茨 (Betz)建立的。 風(fēng)作用在葉片上的力由歐拉定理求得 )()( 2121 vvmvvsvF ???? ? (16) 式中 ?—— 空氣當(dāng)時(shí)的密度 風(fēng)輪所接受的功率為 )( 212 vvsvFvP ??? ? (17) 所以經(jīng)過(guò)風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化 )(21)(21 22212221 vvmvvsvT ????? ? (18) 式中 sv? —— 空氣質(zhì)量 TP ?? (19) XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 10 2 21 vvv ??? (110) 因此 ， 風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力 F 和風(fēng)輪輸出的功率 P 分別為 )(21 2221 vvsF ?? ? (111) ))((41212221 vvvvsP ??? ? (112) 風(fēng)速 1V 是給定的， P 的大小取決于 2V ， P 是 2V 的函數(shù)，對(duì) P 微分求最大值得 )32(41 2221212 vvvvsdvdP ??? ? (113) 令其等于 0，求解方程得 12 31vv ? (114) 3131m a x 271621278 svsvP ?? ??? (115) 16/27=0． 593， PC 稱作貝茨功率系數(shù) PCsvP 31m a x 21 ?? (116) 而 3121 sv?正是風(fēng)速為 1V 的風(fēng)能 T ，故 pTCP ?max (117) PC =0． 593，說(shuō)明風(fēng)吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率 maxP 為風(fēng)吹過(guò)葉片掃掠面積 S 的風(fēng)能的 59． 3％。 使用異步機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是：發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低并網(wǎng)控制容易 ， 缺點(diǎn)是要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率以提供自身的勵(lì)磁。異步機(jī)的定子與同步機(jī)基本相同，其轉(zhuǎn)子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是由端部短接的銅條或鑄鋁制成像鼠籠一樣。它是由葉尖速比及發(fā)電機(jī)功率決定的參數(shù)。 ○ 4 發(fā)電機(jī)額定電壓 發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí) 電壓為 定子或轉(zhuǎn)子輸出的電壓 ， 單位為 V。 ○10 同步轉(zhuǎn)速 對(duì)于額定頻率為 f 的交 流發(fā)電機(jī)其同步轉(zhuǎn)速 pfn /60? (124) 式中 p—— 發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù) ； n —— 同步轉(zhuǎn)速 r/min。 ○ 2 變槳距失速型機(jī)組控制 風(fēng)速超過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定風(fēng)速以上時(shí)，為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組過(guò)載，通過(guò)改變槳葉節(jié)距角和空氣動(dòng)力學(xué)的失速特性，使葉片吸收風(fēng) 功率減少或者發(fā)生失速，從而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出。 ○ 5 安全鏈動(dòng)作停機(jī)：電控制系統(tǒng)軟保護(hù)控制失敗→硬性停機(jī)→停機(jī)。 ○ 2 過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)：主電路計(jì)算機(jī)電源進(jìn)線端、控制變壓器進(jìn)線和有關(guān)伺服電動(dòng)機(jī) 的 進(jìn)線端均設(shè)置過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)措施。 （ 4）大于開(kāi)機(jī)風(fēng)速并且轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能軟切入自動(dòng)并網(wǎng)保證電流沖擊小于額定電流。跟風(fēng)精度范圍177。 15176。首先系統(tǒng)初始化檢查控制程序、微控制器硬件和外設(shè)、傳感器來(lái)的脈沖及比較所選的操作參數(shù)備份系統(tǒng)工作表，接著就正式起運(yùn)。由于異步發(fā)電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的，功率控制最終也是通過(guò)速度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了優(yōu)化功率曲線，在進(jìn)行功率控制的同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)子電流控制器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)差進(jìn)行調(diào)整，從而調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。 風(fēng)輪機(jī) 的 氣動(dòng)特性 [8] 風(fēng)輪機(jī) 通過(guò)葉片捕獲風(fēng)能 ， 將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。 由 (22)式 可知 ，風(fēng)機(jī)整體設(shè)計(jì)和相應(yīng)的運(yùn)行控制策略應(yīng) 在追求 PC 最大 的情況下 進(jìn)行相應(yīng)的 調(diào)整，便可增加其輸出功率。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定 風(fēng)速時(shí) ， 為了保持發(fā)電機(jī)輸出功率恒定 ， 必須通過(guò) 葉片失速效應(yīng) 特性來(lái) 降低 PC 值 ， 以 維持 輸出 功率 的 恒定。風(fēng)機(jī)采用異步 發(fā)電技術(shù)，存在功率流向的不確定 性 ，發(fā)電機(jī)可能低于同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行，也可能工作在同步轉(zhuǎn)速之上。速度控制和直接 槳距控制常用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)、停止和緊急事故處理。即仍然發(fā)揮葉片的失速效應(yīng) ，在失速點(diǎn)之前進(jìn)行槳距調(diào)整 ， 即便槳 距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)不及動(dòng)作通過(guò)葉片的失速效應(yīng)發(fā)揮作用也不會(huì)造成風(fēng)機(jī)的瞬時(shí)過(guò)載。轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)的速度為 Mf ， 使 得定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率 E M Rf f f??。 變槳距 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)模型框圖 [2] 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài) 變 槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為三種運(yùn)行狀態(tài)，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）、欠功率控制（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。 （ 3） 額定功率狀態(tài) 當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入額定功率狀態(tài)。 節(jié)距的給定參考值由控制器根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)給出。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速177。 （ 4）速度控制器 B 發(fā)電機(jī)切入電網(wǎng)后，速度控制系統(tǒng) B作用。 功率控制 為了有效地控制高速變化的風(fēng)速引起的功率波動(dòng)，新型的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用了 RCC（ Rotor Current Control）技術(shù)，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)。在額定功率時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率能夠從 1%到 10%（ 1515 到 1650 minr ）變化，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子平均電阻從 0到 100%變化。2RS不變，電磁轉(zhuǎn)矩 eT 就可以不變，發(fā)電機(jī)的功率可保持不變。在軟件環(huán)境中輸入同步轉(zhuǎn)速 314rad/s。 (風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制系統(tǒng)模型 圖見(jiàn)附錄 ) XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 31 圖 216 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的模型 及參數(shù) （ 1） 槳距角控制輸入量模型 根據(jù)控制選擇器來(lái)選擇異步發(fā)電機(jī)的有功功率反饋值或給定值為槳距角控制功率的輸入量。 第 三 章 樣例 系統(tǒng) 模型的建立 風(fēng)速模型的建立 風(fēng)能的數(shù)學(xué)模型 風(fēng)能作用于 風(fēng)輪機(jī) 的 槳 葉上， 是 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原動(dòng)力 ， 為了能較準(zhǔn)確的描述自然界的風(fēng)能變化 的 特點(diǎn)，在工程上一般采用簡(jiǎn)化的四分量模型來(lái)模擬風(fēng)速隨時(shí)間變化的特征。 ? ?3122 2 )/(1 2)( ??? i iNiv Fw wFKwS ?? （ 35） 式中 NK —— 地表摩擦系數(shù) ； F —— 攏動(dòng)范圍 m2； ? —— 相對(duì)高度的平均風(fēng)速（ m/s） 。 圖 39 隨機(jī)噪聲風(fēng)輸入?yún)?shù) XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 40 圖 310 風(fēng)輪機(jī)模型 風(fēng)輪機(jī) 模型及 參數(shù) 如圖 311所示 是 風(fēng)輪機(jī)輸入?yún)?shù) 。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 42 T IM E 1 S to T 圖 315 選擇開(kāi)關(guān) StoT 控制 模型 當(dāng)輸入值低于 秒時(shí) ,輸出為低水平輸出值 1； 當(dāng)輸入值超過(guò) 秒時(shí) , 輸出為高水平輸出值 0. 輸入為自然數(shù) ,則輸出整數(shù) 圖 316 StoT 控制模型及參數(shù) 異步發(fā)電機(jī)參數(shù) 圖 317 異步發(fā)電機(jī)參數(shù) XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 43 無(wú)窮大 系統(tǒng) 模型的建立 圖 318 無(wú)窮大系統(tǒng)模型 補(bǔ)償電容的參數(shù) 圖 319 補(bǔ)償電容 的參 數(shù) 斷路器模型及參數(shù) (1)普通三相斷路器 CBABRK 圖 320 普通三相斷路器模型及參數(shù) (2)有同步監(jiān)視的斷路器 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 44 圖 321 有同步監(jiān)視 的三相斷路器模型及參數(shù) (3)斷路器分合控制選擇器 模型 T IM E 1 B R K 圖 322 斷路器分合控制選擇器 模型 當(dāng)輸入 時(shí)間 值低于 1 秒時(shí) ,輸出為低水平輸出值 1； 當(dāng)輸入 時(shí)間 值超過(guò) 1 秒時(shí) , 輸出為高水平輸出值 0。由于異步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、堅(jiān)固耐用、維修方便、啟動(dòng)容易、并網(wǎng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。如圖 37 所示。 ○ 1 1G 0tT 風(fēng)速 wGV0? ○ 2 )( 11 GGG TTtT ??? 風(fēng)速 wG cosV V? cosV 表示在該時(shí)間段內(nèi)風(fēng)速變化具有 余 弦特性，其表達(dá)式為 ?????? ??? )(2c o s12 1m a xc o s G GG T Ttvv ? （ 32） 式中 maxGV —— 陣行風(fēng)最大的風(fēng)速（ m/s） ； t —— 時(shí)間（ s） ； 1G T —— 出現(xiàn)陣性風(fēng)的時(shí)間 （起動(dòng)時(shí)間 s） ； GT —— 陣性風(fēng)的持續(xù)時(shí)間 。 圖 222 濾波器模型及參數(shù) （ 5）槳距角調(diào)整限制環(huán)節(jié)模型 圖 223 槳距角調(diào)整 限制 環(huán)節(jié) 模型 由槳距角輸出反饋值和經(jīng)濾波器濾波后的輸入值進(jìn)行比較后，輸入微分限制和微分器環(huán)節(jié)進(jìn)行整合后輸出。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速時(shí)槳葉向 0176。 圖 214 系統(tǒng)控制選擇器模型 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型的建立 根據(jù) 系統(tǒng)控制選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)在ω和 1 之間的選擇，利用乘法器乘以轉(zhuǎn)速的基準(zhǔn)值 314rad/s 得到風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速的值，對(duì)風(fēng)輪機(jī)進(jìn)行控制。 39。內(nèi)環(huán)是一個(gè)功率伺服環(huán)，它通過(guò)轉(zhuǎn)子電流控制器（ RCC）對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率進(jìn)行控制，使發(fā)電機(jī)功率跟蹤功率給定值。如果風(fēng)速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率將降低到 2%，節(jié)距控制將根據(jù)風(fēng)速調(diào)整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。風(fēng)輪在空轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號(hào)經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后變成電壓信號(hào)控制比例閥（或電液伺服閥），驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞，推動(dòng)變槳距機(jī)構(gòu)，使槳葉節(jié)距角變化。因此，為了優(yōu)化功率曲線，最新設(shè)計(jì)的變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在進(jìn)行功率控制的過(guò)程中，其功率反饋信號(hào)不再作為直接控制槳葉節(jié)距的變量。在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)以前，變距系統(tǒng)的節(jié)距給定值由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)控制。在實(shí)際應(yīng)用中 ， 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn) 速與風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系不必完全覆蓋風(fēng)速的范圍 ，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為 1100~1700RPM， 僅有部分超同 步范圍。同樣 ， 通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大小和相位 (RCC)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) ， 進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)追求 PC 最優(yōu)和無(wú)功功率的平衡。在實(shí)際應(yīng)用中 ， 由于功率與風(fēng)速的三次方成正比 ， 風(fēng)速 的較小變化將造成風(fēng)能較大變化 ， 風(fēng) 機(jī)輸出功率 處于不斷變化中。變槳距風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動(dòng)特性 ， 主要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。大功率高轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機(jī)工作于高風(fēng)速區(qū) ，小功率低轉(zhuǎn)速的 異步 發(fā)電機(jī)則 工作于低風(fēng)速區(qū)， 由此來(lái)調(diào)整尖速比 ? ，實(shí)現(xiàn)追求 PC 最大下的整體運(yùn)行控制。 因而風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行存在三個(gè)典型區(qū)： 在