【文章內(nèi)容簡介】 8 偏轉(zhuǎn) 90 度對(duì)風(fēng)控制：機(jī)組在大風(fēng)速或超轉(zhuǎn)速工作時(shí)→降低風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組的功率→安全停機(jī)?！?dāng) 10 分平均風(fēng)速大于 25m/s 時(shí)或超過超速上限時(shí)→風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作偏轉(zhuǎn) 90 度控制→氣動(dòng)剎車→脫網(wǎng)→停機(jī)。 ○ 9 功率調(diào)節(jié)：當(dāng)機(jī)組在額定風(fēng)速以上并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)→失速型機(jī)組→發(fā)電機(jī)的功率不會(huì)超過額定功率的 15%→過載→脫網(wǎng)停機(jī)。 ○10 軟切入控制：軟切入、軟脫網(wǎng)→限制導(dǎo)通角→控制發(fā)電機(jī)端的軟切入電流為額定電流的 倍→控制發(fā)電機(jī)端電壓。 （ 3）控制保護(hù)要求 ○ 1 主電路保護(hù)：變壓器低壓側(cè)三相四線進(jìn)線處設(shè)置低 壓配電低壓斷路器→維護(hù)操作安全和短路過載保護(hù)。 ○ 2 過電壓、過電流保護(hù)：主電路計(jì)算機(jī)電源進(jìn)線端、控制變壓器進(jìn)線和有關(guān)伺服電動(dòng)機(jī) 的 進(jìn)線端均設(shè)置過電壓、過電流保護(hù)措施。 ○ 3 防雷設(shè)施及熔絲：控制系統(tǒng)有專門設(shè)計(jì)的防雷保護(hù)裝置。 ○ 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。 ○ 5 接地保護(hù)：金屬部分均要實(shí)現(xiàn)保護(hù)接地。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 的控制目標(biāo) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)由風(fēng)能到機(jī)械能和由機(jī)械能到電能兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程的裝置。風(fēng)輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從風(fēng)能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，在考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制目標(biāo)時(shí)應(yīng)結(jié)合它們的運(yùn)行方式，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)： （ 1）控制系統(tǒng)保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行同時(shí)高質(zhì)量地將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率、電壓恒定的交流電送入電網(wǎng)。 （ 2）控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理完成機(jī)組的最佳運(yùn)行狀態(tài)管理和控制。 （ 3）利用計(jì)算機(jī)智能控制實(shí)現(xiàn)機(jī)組的功率 優(yōu)化控制定槳距恒速機(jī)組主要進(jìn)行軟切入、軟切出及功率因數(shù)補(bǔ)償控制對(duì)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要進(jìn)行最佳葉尖速比和額定風(fēng)速以上的恒功率控制。 （ 4）大于開機(jī)風(fēng)速并且轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能軟切入自動(dòng)并網(wǎng)保證電流沖擊小于額定電流。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。 主要完成下列自動(dòng)控制功能： ○ 1 大風(fēng)情況下當(dāng)風(fēng)速達(dá)到停機(jī)風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機(jī)械閘停機(jī)而且在脫網(wǎng)同時(shí) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航 90176。停機(jī)后待風(fēng)速降低到大風(fēng)開機(jī)風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又可自動(dòng)并入電網(wǎng)運(yùn)行。 ○ 2 為了避免小風(fēng)時(shí)發(fā)行頻繁開、停機(jī)現(xiàn)象在并網(wǎng)后 10 分內(nèi)不能按風(fēng)速自動(dòng)停機(jī)。同樣在小風(fēng)自動(dòng)脫網(wǎng)停機(jī)后 5 分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。 ○ 3 當(dāng)風(fēng)速小于停機(jī)風(fēng)速時(shí)為了避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長期逆功率運(yùn)行造成電網(wǎng)損耗應(yīng)自動(dòng)脫網(wǎng)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)的待風(fēng)狀態(tài)。 ○ 4 當(dāng)風(fēng)速大于開機(jī)風(fēng)速要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航機(jī)構(gòu)始終能自動(dòng)跟風(fēng)。跟風(fēng)精度范圍177。 15176。 ○ 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。 ○ 6 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉尖閘除非在脫網(wǎng)瞬間、超速和斷電時(shí)釋放起平穩(wěn)剎車作用。其余時(shí)間（運(yùn)行期間、正常和故障停機(jī)期間）均處于歸位狀態(tài)。 ○ 7 在大風(fēng)停機(jī)和超速停機(jī)的情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組除了應(yīng)該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 閘停機(jī)外還應(yīng)該自動(dòng)投入偏航控制使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙軸心線與風(fēng)向成一定的角度增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)的安全度待機(jī)艙轉(zhuǎn)約 90176。 后機(jī)艙保持與風(fēng)向偏 90176。跟風(fēng)控制跟風(fēng)范圍177。 15176。 ○ 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(shí)控制系統(tǒng)不能供電。如果正在運(yùn)行時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遇到這種情況應(yīng)能自動(dòng)脫網(wǎng)和抱閘剎車停機(jī)此時(shí)偏航機(jī)構(gòu)不會(huì)動(dòng)作風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分應(yīng)能承受考驗(yàn)。 ○ 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。 /反向扭纜計(jì)數(shù)器超過時(shí)自動(dòng)停機(jī)解纜達(dá)到要求時(shí)再自動(dòng)開機(jī)恢復(fù)運(yùn)行發(fā)電。 ○10 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有手動(dòng)控制功 能（包括遠(yuǎn)程遙控手操）手動(dòng)控制時(shí)“自動(dòng)”功能應(yīng)該解除相反的投入自動(dòng)控制時(shí)有些“手動(dòng)”功能自動(dòng)屏蔽。 ○11 控制系統(tǒng)應(yīng)該保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(xiǎn)情況應(yīng)該自動(dòng)處理并安全停機(jī)。 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） ? ?ePKW ○ 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 過載開關(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 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 18 ○ 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)過功率保護(hù)值 連續(xù) ? ?60 eS P KW ○ 6 發(fā)電機(jī)過電流保護(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)及晶閘管的開通角。所有這些完成后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始自動(dòng)運(yùn)行于風(fēng)輪的葉尖本來是 90176。，現(xiàn)在恢復(fù)為 0176。，風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)開始時(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速度控制來實(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XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 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XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 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(fēng)輪機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速 (rad/s)； R 為葉片半徑 (m)； v 為來流的線性風(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 來表示。由圖中可見 ， 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)XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 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) ， 通過齒輪增速箱 來 驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī) ，并 與電網(wǎng)相連 來發(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 葉片失速效應(yīng) 特性來 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