【正文】 如圖 312 所示為 齒輪箱速比控制模型。 在實(shí)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)。 圖 215 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的模型（在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前） 根據(jù)異步發(fā)電機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩利用發(fā)電機(jī)多參量模塊可以對發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，其控制模型和參數(shù)如圖 216 所示。 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(jī)轉(zhuǎn)差率的關(guān)系。在達(dá)到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加。 （ 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。氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動風(fēng)速時，槳葉向 0176。從圖 26 可以 看出 ， 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對于功率系數(shù) PC 影響很大。 變 槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略 為了盡可能提高 風(fēng)輪機(jī) 風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證 風(fēng)輪機(jī) 輸出功率平穩(wěn) ，風(fēng)輪機(jī) 將進(jìn)行槳距 調(diào)整。 從理論上講 風(fēng)輪機(jī)組的輸出功率是無限 大 的 ， 它是 風(fēng)速立方的函數(shù)。 （ 2）變距控制 [7] 變 槳距控制系統(tǒng)實(shí)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(bǔ)償比例閥的死帶和極限。所有這些完成后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始自動運(yùn)行于風(fēng)輪的葉尖本來是 90176。 ○ 5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓機(jī)械閘在并網(wǎng)運(yùn)行、開機(jī)和待風(fēng)狀態(tài)下應(yīng)該松開機(jī)械閘其余狀態(tài)下（大風(fēng)停機(jī)、斷電和故障等）均應(yīng)抱閘。 ○ 4 過繼電保護(hù)：運(yùn)行的所有輸出運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的過熱、過載保護(hù)控制裝置。 ○ 4 保護(hù)環(huán)節(jié)以失效保護(hù)為原則進(jìn)行設(shè)計 自動執(zhí)行保護(hù)功能：超速、發(fā)電機(jī)過載和故障、過振動、電網(wǎng)或負(fù)載丟失、脫網(wǎng)時的停機(jī)失敗時。 ○ 6 發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 發(fā)電 機(jī)在額定功率運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速用 minr 表示。通常異步機(jī)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。通常風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率達(dá)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 。風(fēng)電場的機(jī)組群可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風(fēng)機(jī)會在微機(jī)總站的微機(jī)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(jī)真正實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場無人職守的自動控制。然后電流通過風(fēng)電機(jī)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)。 (1)機(jī)艙 機(jī)艙包 含 著風(fēng) 力發(fā) 電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備 ， 包括齒輪箱、發(fā)電機(jī) 等 。 風(fēng)玫瑰圖是一個給定地點(diǎn)一段時間內(nèi)的風(fēng)向分布圖。 （ 6）運(yùn)行維護(hù)簡單 現(xiàn)代中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jìn)行必要的維護(hù)，不存在火力發(fā)電的大修問題。 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。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?？諝饬鲃拥膭幽茏饔迷谌~輪上 ， 將動能轉(zhuǎn)換成機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)軸相連就會帶動發(fā)電機(jī)發(fā)出電來。 的夾角 ， 因此對地球上不 同地點(diǎn)太陽照射角度是不同的 ，而且對 同一地點(diǎn)一年中這個角度也是變化的。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類 [5] 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組。由于風(fēng)輪機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速下，為實(shí)現(xiàn)匹配采用增速齒輪箱。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。 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。本論文的研究對象中使用也是異步發(fā)電機(jī) ， 下面我們對異步機(jī)做以下的簡單介紹。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。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(jī)組的聲譽(yù)。 ○ 8 偏轉(zhuǎn) 90 度對風(fēng)控制：機(jī)組在大風(fēng)速或超轉(zhuǎn)速工作時→降低風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組的功率→安全停機(jī)。停機(jī)后待風(fēng)速降低到大風(fēng)開機(jī)風(fēng)速時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又可自動并入電網(wǎng)運(yùn)行。 ○ 9 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架內(nèi)的懸掛電纜只允許扭轉(zhuǎn)177。當(dāng)風(fēng)速達(dá)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(yùn)。 根據(jù)風(fēng)機(jī)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??? 。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(jī)，以滿足不同風(fēng)速的要求。對于功率調(diào)節(jié)速度 的反映取決于風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。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 )。 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。 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)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。外環(huán)通過測量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生功率參考曲線。 變槳距 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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。 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(jìn)行修整，以便出現(xiàn)諧波分量對系統(tǒng)造成不良影 響。 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(shí)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 。 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。 （ 5）綜合風(fēng)速表達(dá)式 wv 綜合風(fēng)速表達(dá)式即是對前面的四個分量風(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。 （ 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)。當(dāng)風(fēng)速變大時，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。通過對發(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)計說明書 27 風(fēng)速引起的功率波動。10 minr 內(nèi)持續(xù) 1s發(fā)電機(jī)將切入電網(wǎng)。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)的功率信號進(jìn)行控制?？刂?Rf 的值以使 Ef 等于電網(wǎng)頻率。因而 ， 變槳距 風(fēng)輪機(jī) 的起動風(fēng)速較 定槳距 風(fēng)輪機(jī) 低 ， 但對功率的貢獻(xiàn)沒有意義 ； 停機(jī)時對傳動機(jī)械的沖擊應(yīng)力相對緩和。對于定槳 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。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)計說明書 20 線來表示 ， 圖 22 是一條典型的 Cp? 曲線。 變槳距風(fēng)輪的葉片在靜止時節(jié)距角為 90176。 ○ 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)行此時控制系統(tǒng)不能供電。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。 ○ 6 大風(fēng)脫網(wǎng)控制： 10 分平均風(fēng)速大于 25m/s 時→超速、過載→脫網(wǎng)停機(jī)→氣動剎車→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)自動對風(fēng)→轉(zhuǎn)速上升后→自動并網(wǎng)運(yùn)動。 ○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? 、傳動系統(tǒng)效率 3? 等的積 4321 ????? ???? (125) XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 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)電場長期安全可靠運(yùn)行的重大問題。 ○ 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。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。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 氣流沒有任何阻力。 （ 8）調(diào)速裝置 風(fēng)速是變化的， 風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會隨風(fēng)速的變化而變化。 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。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。大氣的流動也像水流一樣 ， 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。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。 可以說，對風(fēng)力發(fā)電的研究和進(jìn)行這方面的畢業(yè)設(shè)計對我們從事風(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。 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。 （ 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，因此對于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題提供了現(xiàn)實(shí)可行性。 （ 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。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件。 ② 永磁發(fā)電機(jī)，常用在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)偶然沿一個方向偏轉(zhuǎn)太長時間時 ， 電纜將越來越扭曲 ，導(dǎo)致電纜扭斷或出現(xiàn)其他故障 。 （ 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。 若電機(jī)用原動機(jī)驅(qū)動使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)