【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 風(fēng)電場(chǎng)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(diǎn) ， 現(xiàn)在大多數(shù)的大型風(fēng)電場(chǎng)都采用異步發(fā)電機(jī)作為主力機(jī)型。本論文的研究對(duì)象中使 用也是異步發(fā)電機(jī) ， 下面我們對(duì)異步機(jī)做以下的簡(jiǎn)單介紹。 異步電機(jī)一般稱感應(yīng)電機(jī)即可作為發(fā)電機(jī)也可作為電動(dòng)機(jī)。異步機(jī)作為電動(dòng)機(jī)應(yīng)用非常廣泛異步機(jī)作為發(fā)電機(jī)的情況則比較少。但由于異步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)格便宜堅(jiān)固耐用維修方便啟動(dòng)容易并網(wǎng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)在大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。 異步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機(jī)的一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。異步機(jī)的定子與同步機(jī)基本相同，其轉(zhuǎn)子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機(jī)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(jī)是利用電磁感應(yīng)原理通過(guò)定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。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(chǎng)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)基本變量。 若電機(jī)用原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（ snn）則轉(zhuǎn)差率 S0 ，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩者的方向相反即電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此時(shí)轉(zhuǎn)子從原動(dòng)機(jī)吸收機(jī) 械功率通過(guò)電磁感應(yīng)由定子輸出電功率電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。 （ 2）異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù) ○ 1 風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速 風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速是風(fēng)輪在額定風(fēng)速時(shí)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。它是由葉尖速比及發(fā)電機(jī)功率決定的參數(shù)。 ○ 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。它是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的最基礎(chǔ)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(jī)是交流還是直流 微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用直流發(fā)電機(jī)中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用交流發(fā)電機(jī)。這要視用戶的用途、發(fā)電機(jī)功率而確定。交流發(fā)電機(jī)分同步和異步交流發(fā)電機(jī)、異步交流發(fā)電機(jī)也稱感應(yīng)交流發(fā)電機(jī)。永磁交流發(fā)電機(jī)等。 ○ 4 發(fā)電機(jī)額定電壓 發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)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(jī)在額定運(yùn)行時(shí)其有功功率與視在功率的比值用以下公式來(lái)表示 SP/cos ?? (32) P 為有功功率 KW， S 為視在功率 KVA， cos 與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。 ○ 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(shí)的轉(zhuǎn)速用 minr 表示。 ○ 7 額定頻率 發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)其電壓變化的頻率。中國(guó)交流電網(wǎng)電壓頻率為 50Hz。國(guó)外也有交流電網(wǎng) 60Hz 的。 ○ 8 發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流 發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電流。 ○ 9 發(fā)電機(jī)額定溫升 發(fā)電機(jī)在額定功率 輸出及額定負(fù)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(fēng)溫的差值。 ○10 同步轉(zhuǎn)速 對(duì)于額定頻率為 f 的交流發(fā)電機(jī)其同步轉(zhuǎn)速 pfn /60? (33) 式中 p—— 發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)； n —— 同步轉(zhuǎn)速 r/min。 ○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(dòng)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(shù)參數(shù) ○ 1 主發(fā)電機(jī)輸出功率（ 額定） ? ?eP KW ○ 2 發(fā)電機(jī)最大輸出功率 ? ? KW ○ 3 工作風(fēng)速范圍 4 25 /ms? ○ 4 額定風(fēng)速 ? ?/eVms ○ 5 切入風(fēng)速（ 1min 平均值） 4/ms ○ 6 切出風(fēng)速（ 1min 平均值） 25/ms ○ 7 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 ? ?/minNr ○ 8 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速 1 0 0 0 / 1 5 0 0 2 0 / m inr? ○ 9 發(fā)電機(jī)輸出電壓 10%V? ○ 10 發(fā)電機(jī)發(fā)電頻率 50 Hz? ○ 11 并網(wǎng)最大沖擊電流（有效值） ○ 12 電容補(bǔ)償后功率因數(shù) ? （ 2）控制指標(biāo)及效果 ○ 1 方式 專用微控制器 ○ 2 過(guò)載開(kāi)關(guān) 690 ,660VA ○ 3 自動(dòng)對(duì)風(fēng)偏差范圍 15?? ○ 4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)起、停機(jī)時(shí)間 60S ○ 5 系統(tǒng)測(cè)量精度 %? ○ 6 電纜纏繞 圈自動(dòng)解纜 ○ 7 自動(dòng)解纜時(shí)間 55min ○ 8 手動(dòng)操作響應(yīng)時(shí)間 5S (3)保護(hù)功能 ○ 1 超電壓保護(hù)范圍 連續(xù) ? ?30 eS U V ○ 2 欠電流保護(hù)范圍 連續(xù) ? ?30 eS I A ○ 3 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速極限 40 /minr ○ 4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速極限 1800 /minr ○ 5 發(fā)電機(jī)過(guò)功率保護(hù)值 連續(xù) ? ?60 eS P KW ○ 6 發(fā)電機(jī)過(guò)電流保護(hù)值 連續(xù) ? ?30 eS I A ○ 7 大風(fēng)保護(hù)風(fēng)速 連續(xù) 600 25 / minSr ○ 8 系統(tǒng)接地電阻 4? ○ 9 防雷感應(yīng)電壓 3500V 控制系統(tǒng)工作原理 [6] 主開(kāi)關(guān)合上后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器準(zhǔn)備自動(dòng)運(yùn)作。首先系統(tǒng)初始化檢查控制程序、微控制器硬件和外設(shè)、傳感器來(lái)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(yùn)。起動(dòng)的第一秒內(nèi)先檢查電網(wǎng)、設(shè)置各個(gè)計(jì)算器、輸出機(jī)構(gòu)初始工作狀態(tài)及晶閘管的開(kāi)通角。所有這些完成后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行 于風(fēng)輪的葉尖本來(lái)是 90176。，現(xiàn)在恢復(fù)為 0176。，風(fēng)輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)開(kāi)始時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)參數(shù)、輸入，判斷是否可以并網(wǎng)，判斷參數(shù)有否超過(guò)極限、執(zhí)行偏航、相位補(bǔ)償、機(jī)械制動(dòng)或空氣制動(dòng)。其中相位補(bǔ)償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在 至 之間。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變距控制原理 (1)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方式 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的功率與轉(zhuǎn)速是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的，功率控制最終也是通過(guò)速度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 變槳距風(fēng)輪的葉片在靜止時(shí)節(jié)距角為 90176。，這 時(shí)氣流對(duì)葉片不產(chǎn)生力矩，整個(gè)葉片實(shí)際上是一塊阻尼板。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，葉片向 0 度方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)葉片產(chǎn)生一定的功角，風(fēng)輪開(kāi)始起運(yùn)。風(fēng)輪從起運(yùn)到額定轉(zhuǎn)速，其葉片的節(jié)距角隨轉(zhuǎn)速的升高是一個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程。根據(jù)給定的速度參考值調(diào)整節(jié)距角，進(jìn)行所謂的速度控制。 當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后電機(jī)并入電網(wǎng)。這時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速受到電網(wǎng)頻率的牽制變化不大，主要取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)差，電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制實(shí)際上已轉(zhuǎn)為功率控制。為了優(yōu)化功率曲線，在進(jìn)行功率控制的同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)子電流控制器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)差進(jìn)行調(diào)整，從而調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)差 調(diào)到很小 (1%)，轉(zhuǎn)速在同步速附近；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，電機(jī)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(dá)到理想的狀態(tài)。 （ 2）變距控制 [7] 變槳距控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，變距控制器是一個(gè)非線性比例控制器，它可 以補(bǔ)償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號(hào)經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后變成電壓信號(hào)，控制比例閥（或電液伺服閥）驅(qū)動(dòng)油缸活塞推動(dòng)變距機(jī)構(gòu)，使葉片節(jié)距角變化?；钊奈灰品答佇盘?hào)由位移傳感器測(cè)量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略 在風(fēng)力 發(fā)電控制系統(tǒng)中， 風(fēng)輪機(jī)應(yīng) 在轉(zhuǎn)速極限和功率極限內(nèi) 追求在最佳 Cp 目標(biāo)曲線 附近運(yùn)行 ， 應(yīng)當(dāng)把動(dòng)能轉(zhuǎn)換作為設(shè)計(jì)策略 的重點(diǎn)加以規(guī)劃 ；當(dāng) 達(dá)到轉(zhuǎn)速限值 和功率標(biāo)稱值時(shí) ， 要及時(shí)準(zhǔn)確的 進(jìn)行 調(diào)節(jié) ，以使輸出功率平穩(wěn)。 必須 分 清 異步 發(fā)電機(jī)和功率變換器的絕對(duì)極限和常用上限的差別 ，盡量減小對(duì)電網(wǎng)的污染。 下 面 概述的風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)的各種 控制策略在國(guó)內(nèi) 外大中型 并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中均有 應(yīng) 用。 風(fēng)輪機(jī) 的 氣動(dòng)特性 [8] 風(fēng)輪機(jī) 通過(guò)葉片捕獲風(fēng)能 ， 將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。風(fēng)輪機(jī)的特性通常用 風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率 Cp尖 速比 λ 曲線來(lái)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(fēng)輪機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速 (rad/s)； R 為葉片半徑 (m)； v 為來(lái)流的線性風(fēng)速 (m/s)。 根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片的空氣動(dòng)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??? 。典型 PC 與 ? 和 ?的關(guān)系可用圖 23來(lái)表示。由圖中可見(jiàn) ，對(duì)于同 一個(gè) PC 值風(fēng)輪機(jī) 可能運(yùn)行在 A和B 兩個(gè)點(diǎn)， 它們分別對(duì)應(yīng)于風(fēng)輪機(jī)的高風(fēng)速 運(yùn)行區(qū)和低風(fēng)速 運(yùn)行區(qū) ， 當(dāng)風(fēng)速 發(fā)生變化時(shí) 風(fēng)輪機(jī) 的運(yùn)行點(diǎn)將要發(fā)生變化。 在恒頻應(yīng)用中， 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化只比同步轉(zhuǎn)速高 百分之幾， 但風(fēng)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(shè)計(jì) )，風(fēng)輪機(jī) 捕獲風(fēng)力可以寫(xiě)成 PP SC V??機(jī)械 (22) 式 中 P機(jī)械 是氣動(dòng)功率 (W)； ? 是空氣密度 (kg/m3)； A 是掃掠面積 (m2)； PC 是風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)。 由 (22)式 可知 ，風(fēng)機(jī)整體設(shè)計(jì)和相應(yīng)的運(yùn)行控制策略應(yīng) 在追求 PC 最大 的情況 下進(jìn)行相應(yīng)的 調(diào)整，便可增加其輸出功率。 如 圖 24 所示 是理想 風(fēng)輪機(jī)的功率曲線。 從理論上講 風(fēng)輪機(jī)組的輸出功率是無(wú)限 大 的 ， 它是 風(fēng)速立方的函數(shù)。但在實(shí)際應(yīng)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 ； (2)轉(zhuǎn)速限制：由于 系統(tǒng)中的齒輪箱、電機(jī) 都 存在轉(zhuǎn)速的上 限。 因而風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行存在三個(gè)典型區(qū)： 在低風(fēng)速段，按 恒定 PC 途徑控制風(fēng)輪機(jī)直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限 ； 然后按恒 定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)輪機(jī) ，直到功率最大 ； 功率最大后，風(fēng)輪機(jī) 按恒定功率控制。 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略 傳統(tǒng)概念的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般都是上風(fēng)向、三葉片的風(fēng)輪機(jī) ， 通過(guò)齒輪增速箱 來(lái) 驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī) ，并 與電網(wǎng)相連 來(lái)發(fā)電的 。風(fēng)輪機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動(dòng)特 性的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 稱為定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)輪機(jī)吸 收的功率隨風(fēng)速不停地變化 ， 發(fā)電機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速附近 ， 而風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)一般在額定功率時(shí) 風(fēng)輪的轉(zhuǎn)換效率 PC 在最佳區(qū)段。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定 風(fēng)速時(shí) ， 為了保持發(fā)電機(jī)輸出功率恒定 ， 必須通過(guò) 葉片失速效應(yīng) 特性來(lái) 降低 PC 值 ， 以 維持 輸出 功率 的 恒定。對(duì)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。 從? ?,PCf??? 的函數(shù)關(guān)系來(lái)看 ， 難以保 證在額定風(fēng)速之前 使 PC 值達(dá)到 最大 ， 特別 是 在低風(fēng)速段。通常系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩個(gè)不同功率 、 不同極對(duì)數(shù)的異 步發(fā)電機(jī)，以滿足不同風(fēng)速的要求。大功率高轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機(jī)工作于高風(fēng)速區(qū) ，小功率低轉(zhuǎn)速的 異步 發(fā)電機(jī)則 工作于低風(fēng)速區(qū)， 由此來(lái)調(diào)整尖速比 ? ，實(shí)現(xiàn)追求 PC 最大下的整體運(yùn)行控制。定槳矩風(fēng)機(jī)的 功 角一般設(shè)定在 0176。 ， 在不同風(fēng)頻密度的地區(qū)可根據(jù)具體 情況在安裝時(shí)予以調(diào)整，但 必 須充分考慮到對(duì)于風(fēng)機(jī)失速 點(diǎn)的影響。從設(shè)計(jì)的角度考慮 ，葉片的翼形難以做到在失速點(diǎn)之后功率恒定，通常都有些下降 ，因其發(fā)生在高風(fēng)速段 ，對(duì)發(fā)電量有一定影響。風(fēng)機(jī)采用異步發(fā)電技術(shù)，存在功率流向的不確定 性 ，發(fā)電機(jī)可能低于同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行，也可能工作在同步轉(zhuǎn)速之上。在大小發(fā)電機(jī)軟切換控制過(guò) 程中必須慎重處理。 變 槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控