【正文】 低風(fēng)速段，按 恒定 PC 途徑控制風(fēng)輪機(jī)直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限 ； 然后按恒 定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)輪機(jī) ，直到功率最大 ； 功率最大后，風(fēng)輪機(jī)XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 按恒定功率控制。典型 PC 與 ? 和? 的關(guān)系可用圖 23 來表示?；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。風(fēng)輪從起運(yùn)到額定轉(zhuǎn)速，其葉 片的節(jié)距角隨轉(zhuǎn)速的升高是一個(gè)連續(xù)變化的過程。風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)。 /反向扭纜計(jì)數(shù)器超過時(shí)自動(dòng)停機(jī)解纜達(dá)到要求時(shí)再自動(dòng)開機(jī)恢復(fù)運(yùn)行發(fā)電。其余時(shí)間（運(yùn)行期間、正常和故障停機(jī)期間）均處于歸位狀態(tài)。 ○ 2 為了避免小風(fēng)時(shí)發(fā)行頻繁開、停機(jī)現(xiàn)象在并網(wǎng)后 10 分內(nèi)不能按風(fēng)速自動(dòng)停機(jī)。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 的控制目標(biāo) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)由風(fēng)能到機(jī)械能和由機(jī)械能到電能兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程的裝置?！?dāng) 10 分平均風(fēng)速大于 25m/s 時(shí)或超過超速上限時(shí)→風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作偏轉(zhuǎn) 90 度控制→氣動(dòng)剎車→脫網(wǎng)→停機(jī)。 (2)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的控制要求 ○ 1 開機(jī)并網(wǎng)控制 :當(dāng)風(fēng)速 10 分內(nèi)的平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)→軟切入狀態(tài)→機(jī)組并入電網(wǎng)。有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的功能很強(qiáng) ,但由于工作不可靠 ,經(jīng)常出故障 ,而出現(xiàn)故障后對(duì)一般用戶來說維修又十分困難，于是這樣一套控制系統(tǒng)可能發(fā)揮不了它應(yīng)有的作用。中國(guó)交流電網(wǎng)電壓頻率為 50Hz。 ○ 3 發(fā)電機(jī)是交流還是直流 微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用直流發(fā)電機(jī)中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用交流發(fā)電機(jī)。 若電機(jī)用原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（ snn）則轉(zhuǎn)差率 S0 ，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩者的方向相反即電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 異步電機(jī)一般稱感應(yīng)電機(jī)即可作為發(fā)電機(jī)也可作為電動(dòng)機(jī)。 （ 1）風(fēng)能利用系數(shù) PC 風(fēng)輪機(jī)從自然風(fēng)能中吸到能量的大小和程度可以用風(fēng)能利用率系數(shù) PC 表示 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 SvPCp 3121 ?? (118) （ 2）葉尖速比 ? 為了表示風(fēng)輪在不同的 風(fēng)速中的狀態(tài)用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比來衡量稱為葉尖速比 ? vwRvRn ?? ?? 2 (119) 低速風(fēng)輪 ? 取較小值；高速風(fēng)輪 ? 取較大值。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能，則有 21VV ， 21SS 。但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)偶然沿一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)太長(zhǎng)時(shí)間時(shí) ， 電纜將越來越扭曲 ，導(dǎo)致電纜扭斷或出現(xiàn)其他故障 。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 （ 9）調(diào)向（ 偏航） 裝置 調(diào)向裝置就是使風(fēng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一直使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的裝 置。 ② 永磁發(fā)電機(jī)，常用在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。 使用齒 輪箱可以將風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的較低轉(zhuǎn)速、較高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電機(jī)上的較高轉(zhuǎn)速、較低轉(zhuǎn)矩。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件。按主軸與地面相 對(duì)位置又可分為：水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 （ 3）風(fēng)能的基本情況 [1] ○ 1 風(fēng)能的特點(diǎn) XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 風(fēng)能的特點(diǎn)主要有：能量密度低 、 不穩(wěn)定性 、 分布不均勻 、 可再生 、 須在有風(fēng)地帶 、 無污染 、 分布廣泛 、 可分散利用 、 另外不須能源運(yùn)輸 、 可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等。地球上某處所接受的太陽輻射能 與該地點(diǎn)太陽照射角的正弦成正比。 （ 8）發(fā)電方式多樣化 風(fēng)力發(fā)電既可并網(wǎng)運(yùn)行，也可以和其他能源如柴油發(fā)電、太陽能發(fā)電、水利發(fā)電機(jī)組形成互補(bǔ)系統(tǒng)，還可以獨(dú)立運(yùn)行，因此對(duì)于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題提供了現(xiàn)實(shí)可行性。 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn) （ 1）可再生的潔凈能源 風(fēng)力發(fā)電是一種可再生的潔凈能源，不消耗化石資源也不污染環(huán)境，這是火力發(fā)電所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。 本文在編寫過程中，受到栗文義老師的大力支持和精心指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝。前人在風(fēng)輪機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)原理和能量轉(zhuǎn)換原理的基礎(chǔ)上 ,系統(tǒng)分析了定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求和控制策略，并對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制技術(shù)進(jìn)行了一定的研究。 可以說，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究和進(jìn)行這方面的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我們從事風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的同學(xué)是有著十分重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義的，也是十分有必要的。 通過 控制系統(tǒng)保持了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行， 并 實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定機(jī)組輸出功率和優(yōu)化功率曲線的控制 功能 。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù) ， 大約 3m/s 的 微風(fēng)速度便可以開始發(fā)電。我國(guó)由于中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部從國(guó)外引進(jìn)，造價(jià)和電價(jià)相對(duì)比火力發(fā)電高，但隨著大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化 、產(chǎn)業(yè)化，在不久的將來風(fēng)力發(fā)電的造價(jià)和電價(jià)都將低于火力發(fā)電。大氣的流動(dòng)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。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)輪機(jī)的類型很多通常將其分為水平軸風(fēng)輪機(jī)垂直軸風(fēng)輪機(jī)和特殊風(fēng)輪機(jī)三大類。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 大中型風(fēng)力 發(fā)電機(jī)組是由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機(jī)艙機(jī)座回轉(zhuǎn)體制動(dòng)器等）組成的。 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(qiáng)度合金鋼制成。 大型風(fēng)電機(jī)（ 100150 千瓦）通常產(chǎn)生 690伏特的三相交流電。 （ 8）調(diào)速裝置 風(fēng)速是變化的， 風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨風(fēng)速的變化而變化。自我故障診斷及微機(jī)終端故障輸出需維修的故障，由維修人員維修后給微機(jī)以指令，微機(jī)再執(zhí)行自動(dòng)控制程序。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(duì) 氣流沒有任何阻力。貝茨理論說明理想的風(fēng)能對(duì)風(fēng)輪葉片做功的最高效率是 ％。這一缺點(diǎn)可以通過在發(fā)電機(jī)端并聯(lián)電容器來改善。 異步機(jī)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(chǎng)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(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。 ○ 2 發(fā)電機(jī)額定功率 發(fā)電機(jī)的額定功率是發(fā)電機(jī)在額定功率因數(shù)下連續(xù)運(yùn)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。 ○ 5 額定功率因數(shù) 發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)其有功功率與視在功率的比值用以下公式來表示 SP/cos ?? (123) P 為有功功率 KW， S 為視在功率 KVA， cos 與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。 ○11 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率為風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率 1? 、增速器的效率 2? 、發(fā)電機(jī)的效率 3? 、傳動(dòng)系統(tǒng)效率 3? 等的積 4321 ????? ???? (125) XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 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(jī)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(chǎng)長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的重大問題。 ○ 3 控制功能和控制參數(shù) 節(jié)距限制、功率限制、風(fēng)輪 轉(zhuǎn)速、電氣負(fù)荷的連接、起動(dòng)和停機(jī)過程、電網(wǎng)或負(fù)荷丟失時(shí)的停機(jī)、扭 纜 的 限制、機(jī)艙對(duì)風(fēng)、運(yùn)行時(shí)電量和溫度的限制。 ○ 6 大風(fēng)脫網(wǎng)控制： 10 分平均風(fēng)速大于 25m/s 時(shí)→超速、過載→脫網(wǎng)停機(jī)→氣動(dòng)剎車→偏航控制（ 90 度）→功率下降后脫網(wǎng)→剎機(jī)械閘→安全停機(jī)→風(fēng)速回到工作風(fēng)速區(qū)后→恢復(fù)自動(dòng)對(duì)風(fēng)→轉(zhuǎn)速上升后→自動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)動(dòng)。 ○ 3 防雷設(shè)施及熔絲：控制系統(tǒng)有專門設(shè)計(jì)的防雷保護(hù)裝置。當(dāng)風(fēng)速在 4～ 7m/s 之間切入小發(fā)電機(jī)組（小于300kW）并網(wǎng)運(yùn)行當(dāng)風(fēng)速在 7～ 30m/s 之間切入大發(fā)電機(jī)組（大于 500kW）并網(wǎng)運(yùn)行。 15176。 ○ 8 在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)停止運(yùn)行此時(shí)控制系統(tǒng)不能供電。起動(dòng)的第一秒內(nèi)先檢查電網(wǎng)、設(shè)置各個(gè)計(jì)算器、輸出機(jī)構(gòu)初始工作狀態(tài)及晶閘管的開通角。 變槳距風(fēng)輪的葉片在靜止時(shí)節(jié)距角為 90176。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)差調(diào)到很小 (1%)，轉(zhuǎn)速在同步速附近；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)差 要 調(diào)整到很大（ 10%），使葉尖速比得到優(yōu)化，使功率曲線達(dá)到理想的狀態(tài)。風(fēng)輪機(jī)的特性通常用 風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率 Cp尖速比 λ 曲XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 線來表示 ， 圖 22 是一條典型的 Cp? 曲線。 如 圖 24所示 是理想 風(fēng)輪機(jī)的功率曲線。對(duì)于定槳 距 系統(tǒng) ， 發(fā)電機(jī)正常工作 的 滑差小于 1%， 允許滑差 范圍一般在 5%以內(nèi) ， 而風(fēng)速的變化范圍卻很大。在大小發(fā)電機(jī)軟切換控制過 程中必須慎重處理。因而 ， 變槳距 風(fēng)輪機(jī) 的起動(dòng)風(fēng)速較 定槳距 風(fēng)輪機(jī) 低 ， 但對(duì)功率的貢獻(xiàn)沒有意義 ； 停機(jī)時(shí)對(duì)傳動(dòng)機(jī)械的沖擊應(yīng)力相對(duì)緩和。 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略 [9] XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 上面 的風(fēng)輪機(jī) 直接由追求 PC 值 最優(yōu)進(jìn)入功 率最大 的 限制 ， 調(diào)整的范圍和靈敏度很 有限?？刂?Rf 的值以使 Ef 等于電網(wǎng)頻率。 （ 1） 起動(dòng)狀態(tài) 變槳距風(fēng)輪的槳葉在靜止時(shí)，節(jié)距角為 90176。在傳統(tǒng)的變槳距控制方式中，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(jī)的功率信號(hào)進(jìn)行控制。如圖 28 所示，XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)前，由速度控制器 A 給出；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)后由速度控制 B 給出。10 minr 內(nèi)持續(xù) 1s發(fā)電機(jī)將切入電網(wǎng)。如圖 211 所示，速度控制器 B受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的雙重控制。通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的控制來迅速改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，從而改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，吸收由于瞬變XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 27 風(fēng)速引起的功率波動(dòng)。當(dāng)功率變化即轉(zhuǎn)子電流變化時(shí)， PI 調(diào)節(jié)器迅速調(diào)整轉(zhuǎn)子電阻，使轉(zhuǎn)子電流跟蹤給定值，如果從主控制器傳出的電流給定值是恒定的，它將保持轉(zhuǎn)子電流恒定，從而使功率輸出保持不變。當(dāng)風(fēng)速變大時(shí)，風(fēng)輪及發(fā)電機(jī)上的轉(zhuǎn)速上升，即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率 S 增大，只要改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻即可保持輸出功率不變。 （ 4）時(shí)鐘脈沖 CNT 控制參數(shù)：時(shí)鐘脈沖控制是由一個(gè)時(shí)間信號(hào)模型與一個(gè)單信號(hào)輸入比較儀組成，其功能是當(dāng)輸入時(shí)間信號(hào)低于所設(shè)域值時(shí)，輸出 Low output level 通道所設(shè)值，當(dāng)輸入時(shí)間信號(hào)高于所設(shè)域值時(shí)，輸出 High output level 通道所設(shè)值。 （ 2） 槳距角控制功率的參照量（ Pref）模型 以發(fā)電機(jī)的額定功率作為 控制系統(tǒng)功率輸入的參照量，由實(shí)際值與其進(jìn)行比較，根據(jù)所得值的大小可以判斷功率輸出是否穩(wěn)定，從而可以通過改變槳距角進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。 （ 1）基本風(fēng) wBV 基本風(fēng) 可以由風(fēng)電場(chǎng)測(cè)量所得的威布爾 分布參數(shù)近似確定 )/11( KAv wB ???? （ 31） 式中 A K? —— 表示威布爾分布尺度參數(shù)和形狀參數(shù) ； )(?? —— 伽馬函數(shù) 。 （ 5）綜合風(fēng)速表達(dá)式 wv 綜合風(fēng)速表達(dá)式即是對(duì)前面的四個(gè)分量風(fēng) 速 表達(dá)式 的 求和，其表達(dá)式如下 wNwRwGww vvvvv ???? B （ 36） 風(fēng)速模型的建立 VwESW i n d S o u r c eG u s tM e a nR a m pN o i s e Vw 圖 34 綜合風(fēng)速模型 （ 1） 外部風(fēng)速輸入控制 模型參數(shù) 外部風(fēng)速輸入控制模型 （如圖 35 所示） 是調(diào)節(jié)外加風(fēng)速的模型，它可以隨意調(diào)節(jié)切入風(fēng)速的大小。 圖 311 風(fēng)輪機(jī)輸入?yún)?shù) 齒輪箱速比控制模型 齒輪箱的功能是把風(fēng)輪機(jī)輸入的低轉(zhuǎn)速變成高轉(zhuǎn)速輸出給發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速比也是指齒輪的變比，即低速齒輪與高速齒輪的齒數(shù)比。 圖 323 斷路器分合控制選擇器 模型輸入?yún)?shù) (4)斷路器并網(wǎng)前的參數(shù) 圖 324 斷路器 在并入電網(wǎng)前的 參數(shù) (5)斷路器并網(wǎng)后的參數(shù) XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 45 圖 325 斷路器 在并入電網(wǎng)后的參數(shù) 升壓變壓器 模型 及參數(shù) (1)1 主變壓器模型及參數(shù) ABCABC6 .3210 .6 91 0 0 .0 [M V A ] 圖 326 1 主變壓器 模型及參數(shù) (2)2 主變壓器模型及參數(shù) XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 46 圖 327 2 主變壓器 模型及參數(shù) 無窮大系統(tǒng) 模型及參數(shù) ABC 圖 328 電網(wǎng)（三相電壓源）模型及參數(shù) XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 47 第四 章 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的模擬仿真結(jié)果分析 在低于額定風(fēng)速的條件下 ,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制目標(biāo)是跟蹤 maxpC 曲線，以獲得最佳葉尖速比。 GR 1000GR 圖 312 齒輪箱速比控制模型