【正文】 XX 本科畢業(yè)設計說明書 41 圖 313 齒輪箱速比控制模型 輸入參數 異 步發(fā)電 機模型的建立 異步電機一般稱為感應電機，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)設計說明書 38 2525Es2 圖 35 外部風速輸入控制模型及參數 圖 36 基本風 輸入參數 ○ 2 陣行風 WGv 輸入參數 陣行風 WGv 用于描述風速的突然變化，根據實際數據可以給出其最大值?maxV 2m/s， 起始時間 3s，持續(xù)周期為 1s，陣性風數量為 1個 。 （ 2）陣行風 wGV wGV 用于表述風速的突然變化，在三個時間段內有不同的風速，陣性風變化過程如圖 32所示。 圖 219 比例積分控制器模型 XX 本科畢業(yè)設計說明書 33 圖 220 傳遞函數 1KS的參數 圖 221 節(jié)距限制的參數 （ 4） 濾波器模型及參數 濾波器對比例積分器輸出的波形進行修整，以便出現諧波分量對系統造成不良影 響。 風力發(fā)電機組的變槳距控制系統模型 變槳距風輪機的槳葉靜止時節(jié)距角為 90176。 變槳距 風力發(fā)電機組控制系統模型的建立 控制選擇器模型的建立 在控制選擇器的模型中， 當輸入 的時間 值低于 1秒時 ,輸出為低水平輸出值 0； 當輸入 的時間 值超過 1 秒時 , 輸出為高水平輸出值 1。發(fā)電機的電磁轉矩為 ? ? ? ? ? ?22 39。外環(huán)通過測量轉速產生功率參考曲線。額定的速度給定值是 1569r/min,相應的發(fā)電機轉差率是 4%。 當風力發(fā)電機組從待機狀態(tài)進入運行狀態(tài)時，變槳距系統先將槳葉節(jié)距角快速地轉到 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。 由于變槳距系統的響應速度受到限制 ,對快速變化的風速 ,通過改變節(jié)距來控制輸出功率的效果并不理想。方向轉動，直到氣流對槳葉產生一定的攻角，風輪起動。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 (特別是轉子 能量 )。工業(yè)控制領域交流電動機調速技術在很多設備中 已有成熟應用。對于功率調節(jié)速度 的反映取決于風機槳距調節(jié)系統的靈敏度。在定槳距 風輪機 的基礎上加裝槳距調整環(huán)節(jié) ， 稱為變槳距 風輪機 組。通常系統設計有兩個不同功率 、 不同極對數的異 步發(fā)電 機，以滿足不同風速的要求。但在實際應用中 ， 它卻 受 到了 如 下 的 限制 ： （ 1）功率限制：由于 構成電路的 所有 電氣元件 都受到了 功率限制 ； (2)轉速限制：由于 系統中的齒輪箱、電機 都 存在轉速的上 限。 根據風機葉片的空氣動力特性， 風能轉換效率 PC 是尖速比 λ 和槳矩 β 的函數 ， 即? ?,PCf??? 。變距系統的執(zhí)行機構是液壓系統，節(jié)距控制器的輸出信號經 D/A 轉換后變成電壓信號，控制比例閥（或電液伺服閥）驅動油缸活塞推動變距機構，使葉片節(jié)距角變化。當風速達到起動風速時，葉片向 0度方向轉動，直到氣流對葉片產生一定的功角，風輪開始起運?，F在恢復為 0176。 ○ 9 風力發(fā)電機組塔架內的懸掛電纜只允許扭轉177。 ○ 6 風力發(fā)電機組的葉尖閘除非在脫網瞬間、超速和斷電時釋放起平穩(wěn)剎車作用。停機后待風速降低到大風開機風速時風力發(fā)電機組又可自動并入電網運行。 ○ 5 接地保護：金屬部分均要實現保護接地。 ○ 8 偏轉 90 度對風控制：機組在大風速或超轉速工作時→降低風 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)設計說明書 15 控制目標方面可實現邏輯“或”結果。往往不是控制系統功能而是它的可靠性直接影響風力發(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)設計說明書 13 KW；也有用視在功率表示的單位為 KVA。旋轉磁場的轉速 sn 與轉子轉速 n 之間的差為轉差 ， 轉差n 與同步轉速 sn 的比值稱為轉差率用 S 表示 ? ? ss nnnS /?? (122) 轉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。 風力發(fā)電機特性系數 貝茨理論提供了風能的基本理論，但在討論風輪機的能量轉換與控制時有幾個特性系數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“理想風輪”葉片上所受到的力及移動的空氣對風輪葉片所做的功。 （ 11）電纜扭纜計數器 電纜 是 用來將電流從風電機運載到塔下 的重要裝置 。目前世界各國所采用的調速裝置主要有以下幾種： ○ 1 可變漿距 的 調速裝置； ○ 2 定漿距葉尖失速控制 的 調速裝置； ○ 3 離心飛球調速裝置； ○ 4 空氣動力調速裝置； ○ 5 扭頭、仰頭調速裝置。 風力發(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、小型風力發(fā)電機上。由于風輪機工作在低轉速下，而發(fā)電機工作在高轉速下，為實現匹配采用增速齒輪箱。 (2)風輪 葉片安裝在輪轂上稱作風輪 ， 它包括葉片、輪轂、主軸等。 風力發(fā)電機的結構與組成 風力發(fā)電機的分類 [5] 風力發(fā)電機組是將風能轉化為電能的裝置，按其容量分可分為：小型（ 10kw 以下）、中型（ 10— 100kw）和大型（ 100kw 以上）風力發(fā)電機組。通過它可以得知當地的主導風向。 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、牧、漁使用?？諝饬鲃拥膭幽茏饔迷谌~輪上 ， 將動能轉換成機械能 ， 從而推動 片 葉旋轉 ， 如果將葉輪的轉軸與發(fā)電機的轉軸相連就會帶動發(fā)電機發(fā)出電來。 本篇論文主要是通過 PSCAD/EMTDC 仿真軟件，建立風力發(fā)電系統控制模型以及完整的風 力發(fā)電樣例系統模型，對自建的風力發(fā)電系統控制模型進行仿真分析，利用運行模塊進行 EMTDC 模擬計算，驗證風力發(fā)電系統控制模型的可用性，并且通過單曲線繪圖對模擬結果進行分析，并利用多曲線繪圖模塊產生可直接用于研究報告的模擬結果圖形。隨著風力發(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。 風力發(fā)電起源于 20世紀 70 年代，技術成熟于 80年代，自 90 年代以來風力發(fā)電進入了大發(fā)展階段。 利用 控制系統使風力發(fā)電系統在規(guī)定的時間內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系統使之恢復正常工作。 風力發(fā)電的原理說起來非常簡單 ， 最簡單的風力發(fā)電機可由葉片 和發(fā)電機兩部分構成如圖 11所示。 （ 6）運行維護簡單 現代中大型風力發(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。由于地球自轉軸與圍繞太陽的公轉軸之間存在 66． 5176。 風玫瑰圖是一個給定地點一段時間內的風向分布圖。但應用最廣的還是前兩種類型的風輪機。 (1)機艙 機艙包 含 著風 力發(fā) 電機的關鍵設備 ， 包括齒輪箱、發(fā)電機 等 。 圖 XX 本科畢業(yè)設計說明書 7 （ 3）增速器 增速器就是齒輪箱，是風力發(fā)電機組關鍵部件之一。然后電流通過風電機旁的變壓器（或在塔內） ， 電壓被提高至13萬伏 ， 這取決于當地電網的 標準。為了使風輪運轉所需要額定轉速下的裝置稱為調速裝置，調速裝置只在額定風速以上時調速。風電場的機組群可以實現聯網管理、互相通信，出現故障的風機會在微機總站的微機終端和顯示器上讀出、調出程序和修改程序等，使現代風力發(fā)電機真正實現了現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葉片后都是垂直葉片掃掠面的 (或稱 為是平行風輪軸線的 )，滿足以上條件的風輪稱為“理想風輪”。通常風輪機風輪葉片接受風能的效率達不到 59． 3％，一般根據葉片的數量、葉片的翼形、功率等情況取 。 由于風電場的特殊性 ， 它的并網和解列 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 ， 現在大多數的大型風電場都采用異步發(fā)電機作為主力機型。通常異步機的轉子轉速總是略低于或 略高于旋轉磁場的轉速。它是風力發(fā)電機設計的最基礎數據。 ○ 6 發(fā)電機額定轉速 發(fā)電 機在額定功率運行時的轉速用 minr 表示。在實際應用過程中，尤其是一般風力發(fā)電機組控制與檢測系統中 ,控制系統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、電網或負載丟失、脫網時的停機失敗時。 ○ 7 對風控制：機組在工作風區(qū)→根據機艙的靈敏度→確定偏航的調整角度。 ○ 4 過繼電保護：運行的所有輸出運轉機構的過熱、過載保護控制裝置。 主要完成下列自動控制功能： ○ 1 大風情況下當風速達到停機風速時風力發(fā)電機組應葉尖限速脫網抱液壓機械閘停機而且在脫網同時 風力發(fā)電機組偏航 90176。 ○ 5 風力發(fā)電機組的液壓機械閘在并網運行、開機和待風狀態(tài)下應該松開機械閘其余狀態(tài)下（大風停機、斷電和故障等）均應抱閘。如果正在運行時風力發(fā)電機組遇到這種情況應能自動脫網和抱閘剎車停機此時偏航機構不會動作風力發(fā)電機組的機械結構部分應能承受考驗。所有這些完成后，風力發(fā)電機組開始自動運行于風輪的葉尖本來是 90176。這時氣流對葉片不產生力矩，整個葉片實際上是一塊阻尼板。 （ 2）變距控制 [7] 變 槳距控制系統實際上是一個隨動系統，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? 為風輪機的機械轉速 (rad/s)； R 為葉片半徑 (m)； v 為來流的線性風速 (m/s)。 從理論上講 風輪機組的輸出功率是無限 大 的 ， 它是 風速立方的函數。 從? ?,PCf??? 的函數關系來看 ， 難以保 證在額定風速之前 使 PC 值達到 最大 ， 特別 是 在低風速段。 變 槳距風力發(fā)電機的控制策略 為了盡可能提高 風輪機 風能轉換效率和保證 風輪機 輸出功率平穩(wěn) ，風輪機 將進行槳距 調整。 風機正 常工作時 ， 主要采用功率控制。從圖 26 可以 看出 ， 風機轉速對于功率系數 PC 影響很大。這一點與鼠籠式轉 子電流頻率 REf sf? 的結論是一致的 (s 為電機轉差 )。氣流對槳葉不產生轉矩，當風速達到起動風速時，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)距向迎風面積減少的方向轉動一個角度，反之則向迎風面積增大的方向轉動一個角度 。 （ 2）變距控制 變距控制系統是一個隨動系統， 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，以此補償由于轉子空氣動力學產生的 非線性，因為當功率不變時，轉矩對節(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 功率控制系統如圖 212 所示，它 由兩個控制環(huán)節(jié)組成。 圖 213 轉子電流控制器原理圖 從電磁轉矩的關系式來說明轉子電阻與發(fā)電機轉差率的關系。 RCC 控制單元有效地減少了變槳距機構的動作頻率及 動作幅度，使得發(fā)電機的輸出功率保持平衡，實現了變槳距風力發(fā)電機組在額定風速以上的額定功率輸出，有效地減少了風力發(fā)電機因風速的變化而造成的對電網的不良影響。 圖 215 風輪機轉速控制模型 發(fā)電機轉速控制的模型（在發(fā)電機并網前） 根據異步發(fā)電機輸出的機械轉矩和電磁轉矩利用發(fā)電機多參量模塊可以對發(fā)電機的轉速進行控制，其控制模型和參數如圖 216 所示。 XX 本科畢業(yè)設計說明書 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換成角度參量。 在實際與仿真時我們近似認為 wBV 是一個不隨時間變化的分量，也就是取 wBV 為一個常數。 (2)四種風分量的參數 ○ 1 基本風 Bv 輸入參數 在實際或仿真時基本風被認為是一個常數，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。在高于額定風速時，主要通過變槳距系統改變槳葉節(jié)距來