【正文】 我們通過利用變槳距控制系統(tǒng)，根據(jù)風速的大小來調(diào)整槳葉節(jié)距，使系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定，并使輸出功率曲線得到了優(yōu)化，提高了風力發(fā)電系統(tǒng)運行的可靠性。電磁功率的輸出曲線大于機械功率的輸出曲線，這樣電功率輸出的變化可從起點跟蹤，在起動區(qū)電功率是負值，說明是作電動機起動的區(qū)域。風輪機的風輪轉(zhuǎn)速和能量轉(zhuǎn)換必須低于某個極限值，否則各部件的機械和疲勞強度就受到挑戰(zhàn)。在并網(wǎng)前,風輪機的轉(zhuǎn)速為給定值,由于有風模型的輸入,使得風輪機輸出機械轉(zhuǎn)矩，但是由于風模型的輸入的風速有波動，所以風輪機的輸出轉(zhuǎn)矩受到了影響。(2)低壓母線和高壓母線的線電壓輸出及仿真結(jié)果分析圖420 低壓母線和高壓母線的線電壓輸出及仿真結(jié)果低壓母線和高壓母線的線電壓仿真結(jié)果分析在正常運行時,低壓母線和高壓母線電壓均從0迅速上升并均達到各自的額定值，然后一直保持穩(wěn)定。 （2）發(fā)電機有功功率輸出及仿真結(jié)果分析異步發(fā)電機有功功率輸出及參數(shù)設置如圖48，由于異步發(fā)電機只能輸出有功功率，根據(jù)電力系統(tǒng)對異步機作為電動機狀態(tài)的有關(guān)規(guī)定，它的基本參量的正方向是按電動機狀態(tài)定義的，則有功功率輸出為負值。(2)選擇開關(guān)StoT控制模型及參數(shù)圖314 異步發(fā)電機模型選擇開關(guān)StoT控制是用于發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制選擇的控制器，選擇開關(guān)模型是當選擇1時，異步發(fā)電機由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，當選擇0時，異步發(fā)電機由輸入機械轉(zhuǎn)矩控制。（3）漸變風用于描述風速的逐漸的變化，在四個時間區(qū)段內(nèi)有不同風速，漸變風變化過程如圖33所示。當風速達到或超過額定風速后，風力發(fā)電機組進入額定功率狀態(tài)，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)電機的功率信號進行控制。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。在達到額定值前，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，當風速達到起動風速時，槳葉向0176。從圖26可以看出，風機轉(zhuǎn)速對于功率系數(shù)影響很大。 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(zhuǎn)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(diào)整。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(shù)。（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。起動的第一秒內(nèi)先檢查電網(wǎng)、設置各個計算器、輸出機構(gòu)初始工作狀態(tài)及晶閘管的開通角。跟風精度范圍177。過電壓、過電流保護：主電路計算機電源進線端、控制變壓器進線和有關(guān)伺服電動機的進線端均設置過電壓、過電流保護措施。變槳距失速型機組控制風速超過風力發(fā)電機組額定風速以上時，為確保風力發(fā)電機組輸出功率不再增加，導致風力發(fā)電機組過載，通過改變槳葉節(jié)距角和空氣動力學的失速特性，使葉片吸收風功率減少或者發(fā)生失速，從而控制風力發(fā)電機組的功率輸出。發(fā)電機額定電壓發(fā)電機額定運行時電壓為定子或轉(zhuǎn)子輸出的電壓，單位為V。異步機的定子與同步機基本相同，其轉(zhuǎn)子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機的轉(zhuǎn)子繞組是由端部短接的銅條或鑄鋁制成像鼠籠一樣。風作用在葉片上的力由歐拉定理求得 (16)式中 ——空氣當時的密度風輪所接受的功率為 (17)所以經(jīng)過風輪葉片的風的動能轉(zhuǎn)化 (18)式中 ——空氣質(zhì)量 (19) (110)因此，風作用在風輪葉片上的力F和風輪輸出的功率P分別為 (111) (112)風速是給定的，的大小取決于，是的函數(shù)，對微分求最大值得 (113)令其等于0，求解方程得 (114) (115)16/27=0．593，稱作貝茨功率系數(shù) (116)而正是風速為的風能，故 (117)=0．593，說明風吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率為風吹過葉片掃掠面積的風能的59．3％。 （10）風力發(fā)電機微機控制系統(tǒng)[11]風力發(fā)電機的微機控制屬于離散型控制，是將風向標、風速計、風輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機電壓、頻率、電流、發(fā)電機溫升、增速器溫升、機艙振動、塔架振動、電纜過纏繞、電網(wǎng)電壓、電流、頻率等傳感器的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，輸送給單片機再按設計程序給出各種指令實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、運行中機組故障的自動停機、自動電纜解繞、過振動停機、過大風停機等的自動控制。發(fā)電機的性能好壞直接影響整機效率和可靠性。在本文中以后不做特殊說明時所指的風力發(fā)電機組即為大中型的水平軸風力發(fā)電機組。風速是指某一高度連續(xù)10min所測得各瞬時風速的平均值。（5）造價低 從國外建成的風電場看，單位千瓦造價和單位千瓦時電價都低于火力發(fā)電，和常規(guī)能源發(fā)電相比具有競爭力。（2）建設周期短一個十兆瓦級的風電場建設期不到一年。（2）風的參數(shù)風向和風速是兩個描述風的重要參數(shù)。水平軸風力發(fā)電機是目前世界各國風力發(fā)電機最為成功的一種形式，主要優(yōu)點是風輪可以架設到離地面較高的地方，從而減少了由于地面擾動對風輪動態(tài)特性的影響。（4）聯(lián)軸器增速器與發(fā)電機之間用聯(lián)軸器連接，為了減少占地空間，往往聯(lián)軸器與制動器設計在一起。借助電動機轉(zhuǎn)動機艙以使轉(zhuǎn)子正對著風。如果假設空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得 (13)由流體力學可知氣流的動能為 (14)設單位時間內(nèi)氣流流過載面積為s的氣體的體積為V，則。異步機作為電動機應用非常廣泛異步機作為發(fā)電機的情況則比較少。這要視用戶的用途、發(fā)電機功率而確定。因此對于一個風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設計和使用者來說,系統(tǒng)的安全可靠性必須認真加以考慮,必須引起足夠的重視。功率調(diào)節(jié)：當機組在額定風速以上并網(wǎng)運行時→失速型機組→發(fā)電機的功率不會超過額定功率的15%→過載→脫網(wǎng)停機。同樣在小風自動脫網(wǎng)停機后5分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。控制系統(tǒng)應該保證風力發(fā)電機組的所有監(jiān)控參數(shù)在正常允許的范圍內(nèi)一旦超過極限并出現(xiàn)危險情況應該自動處理并安全停機。這時，電機轉(zhuǎn)速受到電網(wǎng)頻率的牽制變化不大，主要取決于電機的轉(zhuǎn)差，電機的轉(zhuǎn)速控制實際上已轉(zhuǎn)為功率控制。按(21)式，尖速比便可以在很寬范圍內(nèi)變化(取決于葉片設計)，風輪機捕獲風力可以寫成 (22)式中 是氣動功率(W)；是空氣密度(kg/m3)；是掃掠面積(m2)；是風輪機的功率系數(shù)。從設計的角度考慮，葉片的翼形難以做到在失速點之后功率恒定，通常都有些下降，因其發(fā)生在高風速段，對發(fā)電量有一定影響。針對這一點，提出了混合失速的風機設計概念。功率元件采用IGBT管，一般通過查表獲得調(diào)節(jié)信號：風速5~7m/s，風機工作于同步轉(zhuǎn)速以下(1100~1500RPM)；風速7~9m/s風機工作于同步轉(zhuǎn)速附近(1500RPM)，與一般風機工作方式一致； 風速9~15m/s，風機工作于同步轉(zhuǎn)速以上(1500~1625RPM)；風速15~25m/s，風機工作于負荷調(diào)節(jié)狀態(tài)，根據(jù)功率調(diào)節(jié)風機行為，電機允許轉(zhuǎn)速范圍為1600~1650RPM。功率控制器的任務主要是根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速給出相應的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，并確定速度控制器B的速度給定。這一過程不僅使轉(zhuǎn)子具有高起動力矩，而且在風速快速地增大時能夠快速起動。它根據(jù)給定的電流值，通過改變轉(zhuǎn)子電路和電阻來改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率。 風力發(fā)電機組的變槳距控制系統(tǒng)模型變槳距風輪機的槳葉靜止時節(jié)距角為90176。（2）陣行風用于表述風速的突然變化，在三個時間段內(nèi)有不同的風速，陣性風變化過程如圖32所示。 圖312 齒輪箱速比控制模型圖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電機，既可作為發(fā)電機使用也可作為電動機使用。（2）機械功率輸出及仿真結(jié)果如圖45和圖46所示。在3s和4s時分別受到陣行風和漸變風的影響，電磁轉(zhuǎn)距曲線有明顯的下降，之后又達到穩(wěn)定。圖425 低于額定風速時發(fā)電機起動時轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果發(fā)電機在準備起動時轉(zhuǎn)速為0，發(fā)電機并網(wǎng)前由于風輪機的機械轉(zhuǎn)矩在不斷升高，帶動發(fā)電機使其轉(zhuǎn)速達到并超過額定轉(zhuǎn)速。由圖46的模擬仿真結(jié)果可知，風力發(fā)電機在并網(wǎng)時電壓和電流均出現(xiàn)了沖擊，為了確保并網(wǎng)平穩(wěn)，對電網(wǎng)產(chǎn)生盡可能小的沖擊，變槳距系統(tǒng)可以在一定時間內(nèi)，保持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近，尋找最佳時機并網(wǎng)。由于風模型的輸入具有一定的波動性,使得受到一定的影響。如果風速繼續(xù)增大，則風輪的節(jié)距角會繼續(xù)增大，直到風力發(fā)電機不能承受的風速出現(xiàn)時，槳距角變?yōu)?0度后自動停機。通過風輪機槳距角控制系統(tǒng)對葉片槳距角進行控制，使風力發(fā)電機組的機械部分與發(fā)電機的電氣部分配合，達到提高風能利用效率及改善供電質(zhì)量的目的。功率反饋信號與給定值進行比較，當功率超過額定功率時，槳葉節(jié)距就圖434 高于額定風速時的變槳距控制模擬仿真結(jié)果向迎風面積減小的方向轉(zhuǎn)動一個小的角度。通常采用兩個方法控制風輪的功率系數(shù)，一是控制發(fā)電機的反力矩，通過改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來改變風輪的葉尖速比；二是改變槳葉節(jié)距角以改變空氣動力轉(zhuǎn)矩。風輪機的機械功率是低風速時風輪產(chǎn)生的氣動功率，與風速和瞬時值有關(guān)，功率極限取作恒定的話，功率輸出如圖426所示。 圖421 低壓電流輸出及參數(shù)設置圖422 低壓母線相電流輸出及仿真結(jié)果 變槳距控制系統(tǒng)模擬仿真分析通過控制槳距角的大小的改變就可以控制葉片吸收風功率的多少，槳距角的調(diào)節(jié)可以使發(fā)電機輸出功率平穩(wěn)。圖47 異步發(fā)電機輸出參數(shù)圖48 異步發(fā)電機有功功率輸出及參數(shù)設置 異步發(fā)電機有功功率仿真結(jié)果圖49 異步發(fā)電機有功功率模擬仿真結(jié)果（3）發(fā)電機無功功率輸出及仿真結(jié)果分析異步發(fā)電機無功功率輸出及參數(shù)設置如圖49，由于作為異步發(fā)電機勵磁的無功功率只能從電網(wǎng)吸收，根據(jù)電力系統(tǒng)對異步機作為電動機狀態(tài)的有關(guān)規(guī)定，它的基本參量的正方向是按電動機狀態(tài)定義的，則無功功率輸出為正值。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)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) 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) 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) 圖328 電網(wǎng)（三相電壓源）模型及參數(shù)第四章 風力發(fā)電控制系統(tǒng)的模擬仿真結(jié)果分析在低于額定風速的條件下,風力發(fā)電機組的基本控制目標是跟蹤曲線，以獲得最佳葉尖速比。（5）綜合風速表達式綜合風速表達式即是對前面的四個分量風速表達式的求和，其表達式如下 　 　　　　　　　　　（36） 風速模型的建立圖34 綜合風速模型（1）外部風速輸入控制模型參數(shù)外部風速輸入控制模型（如圖35所示）是調(diào)節(jié)外加風速的模型，它可以隨意調(diào)節(jié)切入風速的大小。（2） 槳距角控制功率的參照量（Pref）模型以發(fā)電機的額定功率作為控制系統(tǒng)功率輸入的參照量，由實際值與其進行比較，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行功率調(diào)節(jié)。當風速變大時，風輪及發(fā)電機上的轉(zhuǎn)速上升，即發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率增大，只要改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電阻即可保持輸出功率不變。如果風速高于額定值，發(fā)電機轉(zhuǎn)速通過改變節(jié)距來跟蹤相應的速度給定值?；钊奈灰品答佇盘栍晌灰苽鞲衅鳒y量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。轉(zhuǎn)速控制器按一定的速度上升斜率給出速度參考值，變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，調(diào)整槳葉節(jié)距角，進行速度控制。這一調(diào)速系統(tǒng)與變槳距環(huán)節(jié)結(jié)合起來，就構(gòu)成了變速恒頻變槳距風力發(fā)電機的主要技術(shù)特點。在額定風速以下時，葉片攻角處于零度附近，此時葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影響，變化范圍很小，可等同于定槳距風機。 定槳距風力發(fā)電機的控制策略傳統(tǒng)概念的風力發(fā)電機一般都是上風向、三葉片的風輪機，通過齒輪增速箱來驅(qū)動異步發(fā)電機，并與電網(wǎng)相連來發(fā)電的。 風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略在風力發(fā)電控制系統(tǒng)中，風輪機應在轉(zhuǎn)速極限和功率極限內(nèi)追求在最佳Cp目標曲線附近運行，應當把動能轉(zhuǎn)換作為設計策略的重點加以規(guī)劃；當達到轉(zhuǎn)速限值和功率標稱值時，要及時準確的進行調(diào)節(jié)，以使輸出功率平穩(wěn)。風輪開始轉(zhuǎn)動。風力發(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。接地保護：金屬部分均要實現(xiàn)保護接地。保護環(huán)節(jié)為多級安全鏈互鎖在控制過程中具有“與”的功能在達到控制目標方面可實現(xiàn)邏輯“或”結(jié)果。額定頻率發(fā)電機額定運行時其電壓變化的頻率。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的差為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速的比值稱為轉(zhuǎn)差率用表示 (122)轉(zhuǎn)差率是表證異步機運行狀態(tài)的一個基本變