【正文】 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 41 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。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 38 2525Es2 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) ○ 2 陣行風(fēng) WGv 輸入?yún)?shù) 陣行風(fēng) WGv 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?maxV 2m/s， 起始時間 3s，持續(xù)周期為 1s，陣性風(fēng)數(shù)量為 1個 。 （ 2）陣行風(fēng) wGV wGV 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。 圖 219 比例積分控制器模型 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 33 圖 220 傳遞函數(shù) 1KS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。 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。 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。發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩為 ? ? ? ? ? ?22 39。外環(huán)通過測量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生功率參考曲線。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%。 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。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。 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。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。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 s 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 )。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。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。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。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。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。 根據(jù)風(fēng)機葉片的空氣動力特性， 風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率 PC 是尖速比 λ 和槳矩 β 的函數(shù) ， 即? ?,PCf??? 。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。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。現(xiàn)在恢復(fù)為 0176。 ○ 9 風(fēng)力發(fā)電機組塔架內(nèi)的懸掛電纜只允許扭轉(zhuǎn)177。 ○ 6 風(fēng)力發(fā)電機組的葉尖閘除非在脫網(wǎng)瞬間、超速和斷電時釋放起平穩(wěn)剎車作用。停機后待風(fēng)速降低到大風(fēng)開機風(fēng)速時風(fēng)力發(fā)電機組又可自動并入電網(wǎng)運行。 ○ 5 接地保護：金屬部分均要實現(xiàn)保護接地。 ○ 8 偏轉(zhuǎn) 90 度對風(fēng)控制：機組在大風(fēng)速或超轉(zhuǎn)速工作時→降低風(fēng) 力發(fā)電機組的功率→安全停機。保護環(huán)節(jié)為多級安全鏈互鎖在控制過程中具有“與”的功能在達到XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 15 控制目標(biāo)方面可實現(xiàn)邏輯“或”結(jié)果。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風(fēng)力發(fā)電機組的聲譽。 ○ 7 額定頻率 發(fā)電機額定運行時其電壓變化的頻率。單位為XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 13 KW；也有用視在功率表示的單位為 KVA。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 sn 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 之間的差為轉(zhuǎn)差 ， 轉(zhuǎn)差n 與同步轉(zhuǎn)速 sn 的比值稱為轉(zhuǎn)差率用 S 表示 ? ? ss nnnS /?? (122) 轉(zhuǎn)差率是表證異步機運行狀態(tài)的一個基本變量。本論文的研究對象中使用也是異步發(fā)電機 ， 下面我們對異步機做以下的簡單介紹。 風(fēng)力發(fā)電機特性系數(shù) 貝茨理論提供了風(fēng)能的基本理論，但在討論風(fēng)輪機的能量轉(zhuǎn)換與控制時有幾個特性系數(shù)具有特別重要的意義。 如圖 13 所示，我們分析一個放置在移動的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動的空氣對風(fēng)輪葉片所做的功。 （ 11）電纜扭纜計數(shù)器 電纜 是 用來將電流從風(fēng)電機運載到塔下 的重要裝置 。目前世界各國所采用的調(diào)速裝置主要有以下幾種： ○ 1 可變漿距 的 調(diào)速裝置； ○ 2 定漿距葉尖失速控制 的 調(diào)速裝置； ○ 3 離心飛球調(diào)速裝置； ○ 4 空氣動力調(diào)速裝置； ○ 5 扭頭、仰頭調(diào)速裝置。 風(fēng)力發(fā)電機上常用的發(fā)電機有以下幾種： ① 直流發(fā)電機，常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機上。由于風(fēng)輪機工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機工作在高轉(zhuǎn)速下，為實現(xiàn)匹配采用增速齒輪箱。 (2)風(fēng)輪 葉片安裝在輪轂上稱作風(fēng)輪 ， 它包括葉片、輪轂、主軸等。 風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與組成 風(fēng)力發(fā)電機的分類 [5] 風(fēng)力發(fā)電機組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，按其容量分可分為：小型（ 10kw 以下）、中型（ 10— 100kw）和大型（ 100kw 以上）風(fēng)力發(fā)電機組。通過它可以得知當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。 的夾角 ， 因此對地球上不 同地點太陽照射角度是不同的 ，而且對 同一地點一年中這個角度也是變化的。 （ 7）實際占地面積小 發(fā)電機組與監(jiān)控、變電等建筑僅占火電廠 1%的土地，其余場地仍可供農(nóng)、牧、漁使用?？諝饬鲃拥膭幽茏饔迷谌~輪上 ， 將動能轉(zhuǎn)換成機械能 ， 從而推動 片 葉旋轉(zhuǎn) ， 如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸相連就會帶動發(fā)電機發(fā)出電來。 本篇論文主要是通過 PSCAD/EMTDC 仿真軟件，建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型以及完整的風(fēng) 力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型，對自建的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型進行仿真分析，利用運行模塊進行 EMTDC 模擬計算，驗證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型的可用性，并且通過單曲線繪圖對模擬結(jié)果進行分析，并利用多曲線繪圖模塊產(chǎn)生可直接用于研究報告的模擬結(jié)果圖形。隨著風(fēng)力發(fā)電容量的不斷增大，控制方式從基本單一的定槳距失速控制向全槳葉變距控制和變速控制發(fā)展。 風(fēng)力發(fā)電起源于 20世紀(jì) 70 年代，技術(shù)成熟于 80年代，自 90 年代以來風(fēng)力發(fā)電進入了大發(fā)展階段。 利用 控制系統(tǒng)使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)不出故障或少出故障，并在出故障之后能夠以最快的速度修復(fù)系統(tǒng)使之恢復(fù)正常工作。 風(fēng)力發(fā)電的原理說起來非常簡單 ， 最簡單的風(fēng)力發(fā)電機可由葉片 和發(fā)電機兩部分構(gòu)成如圖 11所示。 （ 6）運行維護簡單 現(xiàn)代中大型風(fēng)力發(fā)電機的自動化水平很高，完全可以在無人職守的情況下正常工XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 4 作，只需定期進行必要的維護，不存在火力發(fā)電的大修問題。由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軸之間存在 66． 5176。 風(fēng)玫瑰圖是一個給定地點一段時間內(nèi)的風(fēng)向分布圖。但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)輪機。 (1)機艙 機艙包 含 著風(fēng) 力發(fā) 電機的關(guān)鍵設(shè)備 ， 包括齒輪箱、發(fā)電機 等 。 圖 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 7 （ 3）增速器 增速器就是齒輪箱，是風(fēng)力發(fā)電機組關(guān)鍵部件之一。然后電流通過風(fēng)電機旁的變壓器（或在塔內(nèi)） ， 電壓被提高至13萬伏 ， 這取決于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的 標(biāo)準(zhǔn)。為了使風(fēng)輪運轉(zhuǎn)所需要額定轉(zhuǎn)速下的裝置稱為調(diào)速裝置，調(diào)速裝置只在額定風(fēng)速以上時調(diào)速。風(fēng)電場的機組群可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風(fēng)機會在微機總站的微機終端和顯示器上讀出、調(diào)出程序和修改程序等，使現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機真正實現(xiàn)了現(xiàn)場無人職守的自動控制。而空氣流是連續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的 (或稱 為是平行風(fēng)輪軸線的 )，滿足以上條件的風(fēng)輪稱為“理想風(fēng)輪”。通常風(fēng)輪機風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率達不到 59． 3％，一般根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片的翼形、功率等情況取 。 由于風(fēng)電場的特殊性 ， 它的并網(wǎng)和解列 的 操作十分頻繁 ， 而且由于投資成本的限制以及管理、維修等方面的優(yōu)點 ， 現(xiàn)在大多數(shù)的大型風(fēng)電場都采用異步發(fā)電機作為主力機型。通常異步機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于或 略高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。它是風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 ○ 6 發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速 發(fā)電 機在額定功率運行時的轉(zhuǎn)速用 minr 表示。在實際應(yīng)用過程中，尤其是一般風(fēng)力發(fā)電機組控制與檢測系統(tǒng)中 ,控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上 的要求是不困難的。 ○ 4 保護環(huán)節(jié)以失效保護為原則進行設(shè)計 自動執(zhí)行保護功能：超速、發(fā)電機過載和故障、過振動、電網(wǎng)或負(fù)載丟失、脫網(wǎng)時的停機失敗時。 ○ 7 對風(fēng)控制：機組在工作風(fēng)區(qū)→根據(jù)機艙的靈敏度→確定偏航的調(diào)整角度。 ○ 4 過繼電保護：運行的所有輸出運轉(zhuǎn)機構(gòu)的過熱、過載保護控制裝置。 主要完成下列自動控制功能： ○ 1 大風(fēng)情況下當(dāng)風(fēng)速達到停機風(fēng)速時風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機械閘停機而且在脫網(wǎng)同時 風(fēng)力發(fā)電機組偏航 90176。 ○ 5 風(fēng)力發(fā)電機組的液壓機械閘在并網(wǎng)運行、開機和待風(fēng)狀態(tài)下應(yīng)該松開機械閘其余狀態(tài)下（大風(fēng)停機、斷電和故障等）均應(yīng)抱閘。如果正在運行時風(fēng)力發(fā)電機組遇到這種情況應(yīng)能自動脫網(wǎng)和抱閘剎車停機此時偏航機構(gòu)不會動作風(fēng)力發(fā)電機組的機械結(jié)構(gòu)部分應(yīng)能承受考驗。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。這時氣流對葉片不產(chǎn)生力矩，整個葉片實際上是一塊阻尼板。 （ 2）變距控制 [7] 變 槳距控制系統(tǒng)實際上是一個隨動系統(tǒng)，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。尖速比可 表示為 mRv??? （ 21） 式 中 m? 為風(fēng)輪機的機械轉(zhuǎn)速 (rad/s)； R 為葉片半徑 (m)； v 為來流的線性風(fēng)速 (m/s)。 從理論上講 風(fēng)輪機組的輸出功率是無限 大 的 ， 它是 風(fēng)速立方的函數(shù)。 從? ?,PCf??? 的函數(shù)關(guān)系來看 ， 難以保 證在額定風(fēng)速之前 使 PC 值達到 最大 ， 特別 是 在低風(fēng)速段。 變 槳距風(fēng)力發(fā)電機的控制策略 為了盡可能提高 風(fēng)輪機 風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證 風(fēng)輪機 輸出功率平穩(wěn) ，風(fēng)輪機 將進行槳距 調(diào)整。 風(fēng)機正 常工作時 ， 主要采用功率控制。從圖 26 可以 看出 ， 風(fēng)機轉(zhuǎn)速對于功率系數(shù) PC 影響很大。這一點與鼠籠式轉(zhuǎn) 子電流頻率 REf sf? 的結(jié)論是一致的 (s 為電機轉(zhuǎn)差 )。氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，當(dāng)風(fēng)速達到起動風(fēng)速時，槳葉向 0176。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 。 （ 2）變距控制 變距控制系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)， 如圖 29 所示。 控制器包含著常規(guī)的 PD控制器和 PI 控制器，接著是節(jié)距角的非線性化環(huán)節(jié)，通XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 26 過非線性化處理，增益隨節(jié)距角的增加而減小，以此補償由于轉(zhuǎn)子空氣動力學(xué)產(chǎn)生的 非線性，因為當(dāng)功率不變時，轉(zhuǎn)矩對節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。在達到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加。 （ 1） 功率控制系統(tǒng) 功率控制系統(tǒng)如圖 212 所示，它 由兩個控制環(huán)節(jié)組成。 圖 213 轉(zhuǎn)子電流控制器原理圖 從電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式來說明轉(zhuǎn)子電阻與發(fā)電機轉(zhuǎn)差率的關(guān)系。 RCC 控制單元有效地減少了變槳距機構(gòu)的動作頻率及 動作幅度，使得發(fā)電機的輸出功率保持平衡，實現(xiàn)了變槳距風(fēng)力發(fā)電機組在額定風(fēng)速以上的額定功率輸出，有效地減少了風(fēng)力發(fā)電機因風(fēng)速的變化而造成的對電網(wǎng)的不良影響。 圖 215 風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速控制模型 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制的模型（在發(fā)電機并網(wǎng)前） 根據(jù)異步發(fā)電機輸出的機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩利用發(fā)電機多參量模塊可以對發(fā)電機的轉(zhuǎn)速進行控制，其控制模型和參數(shù)如圖 216 所示。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 32 圖 217 槳距角控制輸入模型 圖 218 槳距角控制功率 的 參照量（ Pref） 模型 （ 3） 槳距角控制比例積分環(huán)節(jié)模型 由比例積分控制器將功率比較的差值轉(zhuǎn)換成角度參量。 在實際與仿真時我們近似認(rèn)為 wBV 是一個不隨時間變化的分量，也就是取 wBV 為一個常數(shù)。 (2)四種風(fēng)分量的參數(shù) ○ 1 基本風(fēng) Bv 輸入?yún)?shù) 在實際或仿真時基本風(fēng)被認(rèn)為是一個常數(shù)，并且一般取平均值， ?Bv 9m/s ，如圖 36 所示。如圖 312 所示為 齒輪箱速比控制模型。在高于額定風(fēng)速時，主要通過變槳距系統(tǒng)改變槳葉節(jié)距來