【文章內(nèi)容簡介】 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)電機具有結構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)電機的基本結構和同步發(fā)電機的一樣，也是由定子和轉子兩大部分組成。異步機的定子與同步機基本相同，其轉子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機的轉子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機的轉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)生旋轉磁場并與轉子繞組中的感應電流相互作用產(chǎn)生電磁轉矩以進行能量轉換。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。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 /?? (31) 轉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)動使轉子轉速高于旋轉磁場的轉速（ snn）則轉差率 S0 ，此時電磁轉矩的方向與轉子轉向和旋轉磁場兩者的方向相反即電磁轉矩為制動轉矩。此時轉子從原動機吸收機 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 風輪額定轉速 風輪額定轉速是風輪在額定風速時的轉速。風輪額定轉速也是風力發(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)電機額定轉速 發(fā)電機在額定功率運行時的轉速用 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子繞組允許的最高溫度與額定入口風溫的差值。 ○10 同步轉速 對于額定頻率為 f 的交流發(fā)電機其同步轉速 pfn /60? (33) 式中 p—— 發(fā)電機的極對數(shù)； n —— 同步轉速 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 風輪轉速 ? ?/minNr ○ 8 發(fā)電機并網(wǎng)轉速 1 0 0 0 / 1 5 0 0 2 0 / m inr? ○ 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 ○ 2 欠電流保護范圍 連續(xù) ? ?30 eS I A ○ 3 風輪轉速極限 40 /minr ○ 4 發(fā)電機轉速極限 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速，其葉片的節(jié)距角隨轉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。 當轉速達到額定轉速后電機并入電網(wǎng)。這時，電機轉速受到電網(wǎng)頻率的牽制變化不大，主要取決于電機的轉差，電機的轉速控制實際上已轉為功率控制。為了優(yōu)化功率曲線，在進行功率控制的同時通過轉子電流控制器對電機轉差進行調(diào)整，從而調(diào)整風輪轉速。當風速較低時，風輪轉差 調(diào)到很小 (1%)，轉速在同步速附近；當風速高于額定風速時，電機轉差要調(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)。 （ 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)行機構是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng) D/A 轉換后變成電壓信號，控制比例閥（或電液伺服閥）驅(qū)動油缸活塞推動變距機構，使葉片節(jié)距角變化。活塞的位移反饋信號由位移傳感器測量，經(jīng)轉換后輸入比較器。 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 ， 應當把動能轉換作為設計策略 的重點加以規(guī)劃 ；當 達到轉速限值 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)。 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 ， 將風能轉換為作用在輪轂上的機械轉矩。風輪機的特性通常用 風能轉換效率 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)電機轉速的變化只比同步轉速高 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(tǒng)中的齒輪箱、電機 都 存在轉速的上 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速達到極限 ； 然后按恒 定轉速控制風輪機 ，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)電機工作于同步轉速附近 ， 而風電機組的設計一般在額定功率時 風輪的轉換效率 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。大功率高轉速的異步發(fā)電機工作于高風速區(qū) ，小功率低轉速的 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速運行，也可能工作在同步轉速之上。在大小發(fā)電機軟切換控制過 程中必須慎重處理。 變 槳距風力發(fā)電機的控