【文章內(nèi)容簡介】 過在發(fā)電機端并聯(lián)電容器來改善。 由于風電場的特殊性 ， 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)的大型風電場都采用異步發(fā)電機作為主力機型。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。 異步電機一般稱感應電機即可作為發(fā)電機也可作為電動機。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。但由于異步發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單價格便宜堅固耐用維修方便啟動容易并網(wǎng)簡單等特點在大中型風力發(fā)電機組中得到廣泛應用。 異步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機的一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。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。 異步 機是利用電磁感應原理通過定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以進行能量轉(zhuǎn)換。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。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 /?? (31) 轉(zhuǎn)差率是表證異步機運行狀態(tài)的一個基本變量。 若電機用原動機驅(qū)動使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（ snn）則轉(zhuǎn)差率 S0 ，此時電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)磁場兩者的方向相反即電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩。此時轉(zhuǎn)子從14 原動機吸收機 械功率通過電磁感應由定子輸出電功率電機處于發(fā)電機狀態(tài)。 （ 2）異步風力發(fā)電機的參數(shù) ○ 1 風輪額定轉(zhuǎn)速 風輪額定轉(zhuǎn)速是風輪在額定風速時的轉(zhuǎn)速。風輪額定轉(zhuǎn)速也是風力發(fā)電機設計的重要參數(shù)之一。它是由葉尖速比及發(fā)電機功率決定的參數(shù)。 ○ 2 發(fā)電機額定功率 發(fā)電機的額定功率是發(fā)電機在額定功率因數(shù)下連續(xù)運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。它是風力發(fā)電機設計的最基礎數(shù)據(jù)。單位為 KW；也有用視在功率表示的單位為 KVA。 ○ 3 發(fā)電機是交流還是直流 微小型風力發(fā)電機常用直流發(fā)電機中、大型風力發(fā)電機常用交流發(fā)電機。這要視用戶的用途、發(fā)電機功率而確定。交流發(fā)電機分同步和異步交流發(fā)電機、異步交流發(fā)電機也稱感應交流發(fā)電機。永磁交流發(fā)電機等。 ○ 4 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。 ○ 5 額定功率因數(shù) 發(fā)電機在額定運行時其有功功率與視在功率的比值用以下公式來表示 SP/cos ?? (32) P 為有功功率 KW， S 為視在功率 KVA， cos 與負載性質(zhì)有關。 ○ 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。 ○ 7 額定頻率 發(fā)電機額定運行時其電壓變化的頻率。中國交流電網(wǎng)電壓頻率為 50Hz。國外也有交流電網(wǎng) 60Hz 的。 ○ 8 發(fā)電機額定勵磁電流 發(fā)電機在額定運行時的勵磁電流。 ○ 9 發(fā)電機額定溫升 發(fā)電機在額定功率 輸出及額定負載下定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組允許的最高溫度與額定入口風溫的差值。 ○10 同步轉(zhuǎn)速 對于額定頻率為 f 的交流發(fā)電機其同步轉(zhuǎn)速 pfn /60? (33) 15 式中 p —— 發(fā)電機的極對數(shù)； n —— 同步轉(zhuǎn)速 r/min。 ○11 風力發(fā)電機的全效率 風力發(fā)電機的全效率為風輪葉 片接受風能的效率 1? 、增速器的效率 2? 、發(fā)電機的效率3? 、傳動系統(tǒng)效率 3? 等的積 4321 ????? ???? (34) 控制系統(tǒng)主要參數(shù) （ 1）主要技術參數(shù) ○ 1 主發(fā)電機輸出功率（ 額定） ? ?eP KW ○ 2 發(fā)電機最大輸出功率 ? ? KW ○ 3 工作風速范圍 4 25 /ms? ○ 4 額定風速 ? ?/eVms ○ 5 切入風速（ 1min 平均值） 4/ms ○ 6 切出風速（ 1min 平均值） 25/ms ○ 7 風輪轉(zhuǎn)速 ? ?/minNr ○ 8 發(fā)電機并網(wǎng)轉(zhuǎn)速 1 0 0 0 / 1 5 0 0 2 0 / m i nr? ○ 9 發(fā)電機輸出電壓 10%V? ○ 10 發(fā)電機發(fā)電頻率 50 Hz? ○ 11 并網(wǎng)最大沖擊電流（有效值） ○ 12 電容補償后功率因數(shù) ? （ 2）控制指標及效果 ○ 1 方式 專用微控制器 ○ 2 過載開關 690 ,660VA ○ 3 自動對風偏差范圍 15?? ○ 4 風力發(fā)電機組自動起、停機時間 60S ○ 5 系統(tǒng)測量精度 %? ○ 6 電纜纏繞 圈自動解纜 ○ 7 自動解纜時間 55min ○ 8 手動操作響應時間 5S (3)保護功能 ○ 1 超電壓保護范圍 連續(xù) ? ?30 eS U V 16 ○ 2 欠電流保護范圍 連續(xù) ? ?30 eS I A ○ 3 風輪轉(zhuǎn)速極限 40 /minr ○ 4 發(fā)電機轉(zhuǎn)速極限 1800 /minr ○ 5 發(fā)電機過功率保護值 連續(xù) ? ?60 eS P KW ○ 6 發(fā)電機過電流保護值 連續(xù) ? ?30 eS I A ○ 7 大風保護風速 連續(xù) 600 25 / minSr ○ 8 系統(tǒng)接地電阻 4? ○ 9 防雷感應電壓 3500V 控制系統(tǒng)工作原理 [6] 主開關合上后，風力發(fā)電機組控制器準備自動運作。首先系統(tǒng)初始化檢查控制程序、微控制器硬件和外設、傳感器來的脈沖及比較所選的操作參數(shù)備份系統(tǒng)工作表，接著就正式起運。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。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。，現(xiàn)在恢復為 0176。，風輪開始轉(zhuǎn)動。計算機開始時監(jiān)測各個參數(shù)、輸入，判斷是否可以并網(wǎng)，判斷參數(shù)有否超過極限、執(zhí)行偏航、相位補償、機械制動或空氣制動。其中相位補償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在 至 之間。 風力發(fā)電機組的變距控制原理 (1)變槳距風力發(fā)電機組的控制方式 風力發(fā)電機組的變距系統(tǒng)主要包括兩種控制方式，即并網(wǎng)前的速度控制與并網(wǎng)后的功率控制。由于異步發(fā)電機的功率與轉(zhuǎn)速是嚴格對應的，功率控制最終也是通過速度控制來實現(xiàn)的。 變槳距風輪的葉片在靜止時節(jié)距角為 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。當風速達到起動風速時，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，風輪開始起運。風輪從起運到額定轉(zhuǎn)速，其葉片的節(jié)距角隨轉(zhuǎn)速的升高是一個連續(xù)變化的過程。根據(jù)給定的速度參考值調(diào)整節(jié)距角，進行所謂的速度控制。 當轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速后電機并入電網(wǎng)。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。為了優(yōu)化功率曲線，在進行功率控制的同時通過轉(zhuǎn)子電流控制器對電機轉(zhuǎn)差進行調(diào)整，從而調(diào)整風輪轉(zhuǎn)速。當風速較低時，風輪轉(zhuǎn)差 調(diào)到很小 (1%)，轉(zhuǎn)速在同步速附近；當風速高于額定風速時，電機轉(zhuǎn)差要調(diào)整到很大（ 10%），使葉尖速比得到優(yōu)化，使功率曲線達到理想的狀態(tài)。 17 （ 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。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?；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。 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 18 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)。 必須 分 清 異步 發(fā)電機和功率變換器的絕對極限和常用上限的差別 ，盡量減小對電網(wǎng)的污染。 下 面 概述 的風 力發(fā)電系統(tǒng)的各種 控制策略在國內(nèi) 外大中型 并網(wǎng)發(fā)電的風力發(fā)電機中均有 應 用。 風輪機 的 氣動特性 [8] 風輪機 通過葉片捕獲風能 ， 將風能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩。風輪機的特性通常用 風能轉(zhuǎn)換效率 Cp尖 速比 λ 曲線來表示 ， 圖 22 是一條典型的 Cp? 曲線。尖速比可 表示為 mRv??? （ 21） 式 中 m? 為風輪機的機械轉(zhuǎn)速 (rad/s)； R 為葉片半徑 (m)； v 為來流的線性風速 (m/s)。 根據(jù)風機葉片的空氣動力特性， 風能轉(zhuǎn)換效率 PC 是尖速比 λ 和槳矩 β 的函數(shù) ， 即 ? ?,PCf??? 。典型 PC 與 ? 和 ?的關系可用圖 23來表示。由圖中可見 ，對于同 一個 PC 值風輪機 可能運行在 A和B 兩個點， 它們分別對應于風輪機的高風速 運行區(qū)和低風速 運行區(qū) ， 當風速 發(fā)生變化時 風輪機 的運行點將要發(fā)生變化。 在恒頻應用中， 發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化只比同步轉(zhuǎn)速高 百分之幾， 但風速的變化范圍可以很寬。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 PP SC V??機械 (22) 式 中 P機械 是氣動功率 (W)； ? 是空氣密度 (kg/m3)； A 是掃掠面積 (m2)； PC 是風輪機的功率系數(shù)。 由 (22)式 可知 ，風機整體設計和相應的運行控制策略應 在追求 PC 最大 的情況 下 進行相應的 調(diào)整，便可增加其輸出功率。 如 圖 24 所示 是理想 風輪機的功率曲線。 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)。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(gòu)成電路的 所有 電氣元件 都受到了 功率限制 ； 19 (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。 因而風輪機的運行存在三個典型區(qū)： 在低風速段，按 恒定 PC 途徑控制風輪機直到轉(zhuǎn)速達到極限 ； 然后按恒 定轉(zhuǎn)速控制風輪機 ，直到功率最大 ； 功率最大后，風輪機 按恒定功率控制。 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 。風輪機的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特 性 的風力發(fā)電機組 稱為定槳距風力發(fā)電機組。風輪機吸 收的功率隨風速不停地變化 ， 發(fā)電機工作于同步轉(zhuǎn)速附近 ， 而風電機組的設計一般在額定功率時 風輪的轉(zhuǎn)換效率 PC 在最佳區(qū)段。當風速超過額定 風速時 ， 為了保持發(fā)電機輸出功率恒定 ， 必須通過 葉片失速效應 特性來 降低 PC 值 ，以 維持 輸出 功率 的 恒定。對于定槳 距 系統(tǒng) ， 發(fā)電機正常工作 的 滑差小于 1%， 允許滑差 范圍一般在 5%以內(nèi) ， 而風速的變化范圍卻很大。 從 ? ?,PCf??? 的函數(shù)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。通常系統(tǒng)設計有兩個不同功率 、 不同極對數(shù)的異 步發(fā)電機，以滿足不同風速的要求。大功率高轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機工作于高風20 速區(qū) ，小功率低轉(zhuǎn)速的 異步 發(fā)電機 則 工作于低風速區(qū)， 由此來調(diào)整尖速比 ? ，實現(xiàn)追求 PC最大下的整體運行控制。定槳矩風機的 功 角一般設定在 0176。 ， 在不同風頻密度的地區(qū)可根據(jù)具體 情況在安裝時予以調(diào)整，但 必 須充分考慮到對于風機失速 點的影響。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。風機采用異步發(fā)電技術，存在功率流向的不確定 性 ，發(fā)電機可能低于同步轉(zhuǎn)速運行，也可能工作在同步轉(zhuǎn)