【文章內(nèi)容簡介】 對于額定頻率為 f 的交流發(fā)電機其同步轉速 pfn /60? (124) 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 ????? ???? (125) XX 本科畢業(yè)設計說明書 17 第二章 風力發(fā)電控制 系統(tǒng) 模型的建立 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性已成為風力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風電場長期安全可靠運行的重大問題。在實際應用過程中，尤其是一般風力發(fā)電機組控制與檢測系統(tǒng)中 ,控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上的要求是不困難的。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風力發(fā)電機組的聲譽。有的風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的功能很強 ,但由于工作不可靠 ,經(jīng)常出故障 ,而出現(xiàn)故障后對一般用戶來說維修又十分困難，于是這樣一套控制系統(tǒng)可能發(fā)揮不了它應有的作用 。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。 我們的目的是希望通過控制系統(tǒng)的設計，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)不出故障或少出故障，并且在出故障之后能夠以最快的速度修復系統(tǒng) ,使之恢復正常工作。 風力發(fā)電機組的基本控制要求 風力發(fā)電機組運行的控制要求 (1)控制思想 [3] ○ 1 定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 ，通過空氣動力學的失速特性，使葉片發(fā)生失速，從而控制風力發(fā)電機組的功率輸出。 ○ 2 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。 ○ 3 控制功能和控制參數(shù) 節(jié)距限制、功率限制、風輪 轉速、電氣負荷的連接、起動和停機過程、電網(wǎng)或負荷丟失時的停機、扭 纜 的 限制、機艙對風、運行時電量和溫度 的限制。 ○ 4 保護環(huán)節(jié)以失效保護為原則進行設計 自動執(zhí)行保護功能：超速、發(fā)電機過載和故障、過振動、電網(wǎng)或負載丟失、脫網(wǎng)時的停機失敗時。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XX 本科畢業(yè)設計說明書 18 控制目標方面可實現(xiàn)邏輯“或”結果。 (2)自動運動的控制要求 ○ 1 開機并網(wǎng)控制 :當風速 10 分內(nèi)的平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)，風力發(fā)電機組起動→軟切入狀態(tài)→機組并入電網(wǎng)。 ○ 2 小 風 和逆功率脫網(wǎng) :機組在待風狀態(tài)→ 10 分平均風速小于脫網(wǎng)風速→脫網(wǎng)→風速 再次上升→風機旋轉→并網(wǎng)。 ○ 3 普通故障脫網(wǎng)停機 :參數(shù)越限、狀態(tài)異?！胀ㄍC→剎車→軟脫網(wǎng)→剎機械閘→計算機自行恢復。 ○ 4 緊急故障脫網(wǎng)停機 :緊急故障 (飛車、超速、負荷丟失等 )→緊急停機→偏航控制（ 90 度）→脫網(wǎng)→機械剎車。 ○ 5 安全鏈動作停機：電控制系統(tǒng)軟保護控制失敗→硬性停機→停機。 ○ 6 大風脫網(wǎng)控制： 10 分平均風速大于 25m/s 時→超速、過載→脫網(wǎng)停機→氣動剎車→偏航控制（ 90 度）→功率 下降后脫網(wǎng)→剎機械閘→安全停機→風速回到工作風速區(qū)后→恢復自動對風→轉速上升后→自動并網(wǎng)運動。 ○ 7 對風控制：機組在工作風區(qū)→根據(jù)機艙的靈敏度→確定偏航的調(diào)整角度。 ○ 8 偏轉 90 度對風控制：機組在大風速或超轉速工作時→降低風力發(fā)電機組的功率→安全停機?！?10 分平均風速大于 25m/s 時或超過超速上限時→風力發(fā)電機組作偏轉 90 度控制→氣動剎車→脫網(wǎng)→停機。 ○ 9 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。 ○10 軟切入控制：軟切入、軟脫網(wǎng)→限制導通角→控制發(fā)電機端的軟切入電流為額定電流的 倍→控制發(fā)電機端電壓。 （ 3）控制保護要求 ○ 1 主電路保護：變壓器低壓側三相四線進線處設置低壓配電低壓斷路器→維護操作安全和短路過載保護。 ○ 2 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伺服電動機 的 進線端均設置過電壓、過電流保護措施。 ○ 3 防雷設 施及熔絲：控制系統(tǒng)有專門設計的防雷保護裝置。 ○ 4 過繼電保護：運行的所有輸出運轉機構的過熱、過載保護控制裝置。 ○ 5 接地保護：金屬部分均要實現(xiàn)保護接地。 XX 本科畢業(yè)設計說明書 19 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的結構原理 風力發(fā)電機組的控制目標 風力發(fā)電機組是實現(xiàn)由風能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉換過程的裝置。風輪系統(tǒng)實現(xiàn)了從風能到機械能的能量轉換，發(fā)電機和控制系統(tǒng)則實現(xiàn)了從機械能到電能的能量轉換過程，在考慮風力發(fā)電機組控制目標時應結合它們的運行方式，重點 實現(xiàn)以下目標： （ 1）控制系統(tǒng)保持風力發(fā)電機組安全可靠運行同時高質量地將不斷變化的風能轉化為頻率、電壓恒定的交流電送入電網(wǎng)。 （ 2）控制系統(tǒng)采用計算機控制技術對風力發(fā)電機組的運行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理完成機組的最佳運行狀態(tài)管理和控制。 （ 3）利用計算機智能控制實現(xiàn)機組的功率優(yōu)化控制定槳距恒速機組主要進行軟切入、軟切出及功率因數(shù)補償控制對變槳距風力發(fā)電機組主要進行最佳葉尖速比和額定風速以上的恒功率控制。 （ 4）大于開機風速并且轉速達到并網(wǎng)轉速的條件下風力發(fā)電機組能軟切入自動并網(wǎng)保證電流沖擊小于額定電流。 當風速在 4～ 7m/s 之間切入小發(fā)電機組（小于300kW）并網(wǎng)運行當風速在 7～ 30m/s 之間切入大發(fā)電機組（大于 500kW）并網(wǎng)運行。 主要完成下列自動控制功能： ○ 1 大風情況下當風速達到停機風速時風力發(fā)電機組應葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機械閘停機而且在脫網(wǎng)同時風力發(fā)電機組偏航 90176。停機后待風速降低到大風開機風速時風力發(fā)電機組又可自動并入電網(wǎng)運行。 ○ 2 為了避免小風時發(fā)行頻繁開、停機現(xiàn)象在并網(wǎng)后 10 分內(nèi)不能按風速自動停機。同樣在小風自動脫網(wǎng)停機后 5 分內(nèi)不能軟切 并網(wǎng)。 ○ 3 當風速小于停機風速時為了避免風力發(fā)電機組長期逆功率運行造成電網(wǎng)損耗應自動脫網(wǎng)使風力發(fā)電機組處于自由轉動的待風狀態(tài)。 ○ 4 當風速大于開機風速要求風力發(fā)電機組的偏航機構始終能自動跟風。跟風精度范圍177。 15176。 ○ 5 風力發(fā)電機組的液壓機械閘在并網(wǎng)運行、開機和待風狀態(tài)下應該松開機械閘其余狀態(tài)下（大風停機、斷電和故障等）均應抱閘。 ○ 6 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。其余時間（運行期間、正常和故障停機期間）均處于歸位狀態(tài)。 ○ 7 在大風停機和超速停機的情況下風力發(fā)電機組除了應該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖XX 本科畢業(yè)設計說明書 20 閘停機外還應該自動投入偏航控制使風力發(fā)電機組的機艙軸心線與風向成一定的角度增加風力發(fā)電機組脫網(wǎng)的安全度待機艙轉約 90176。后機艙保持與風向偏 90176。跟風控制跟風范圍177。 15176。 ○ 8 在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下風力發(fā)電機組應停止運行此時控制系統(tǒng)不能供電。如果正在運行時風力發(fā)電機組遇到這種情況應能自動脫網(wǎng)和抱閘剎車停機此時偏航 機構不會動作風力發(fā)電機組的機械結構部分應能承受考驗。 ○ 9 風力發(fā)電機組塔架內(nèi)的懸掛電纜只允許扭轉177。 /反向扭纜計數(shù)器超過時自動停機解纜達到要求時再自動開機恢復運行發(fā)電。 ○10 風力發(fā)電機組應具有手動控制功能（包括遠程遙控手操）手動控制時“自動”功能應該解除相反的投入自動控制時有些“手動”功能自動屏蔽。 ○11 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。 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） ? ?ePKW ○ 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 XX 本科畢業(yè)設計說明書 21 ○ 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XX 本科畢業(yè)設計說明書 22 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