【文章內容簡介】 1 ?? ?? (120) SvFSvFCF 22221 ?? ?? (121) 異步發(fā)電機基本原理 （ 1） 異步發(fā)電機基本原理 發(fā)電機是風力發(fā)電機組中最關鍵的零部件， 是將風能最終轉變成電能的設備。 發(fā)XX 本科畢業(yè)設計說明書 12 電機的性能好壞直接影響整機效率和可靠性。 使用異步機作為風力發(fā)電機與電網并聯(lián)的優(yōu)點是：發(fā)電機結構簡單成本低并網控制容易 ， 缺點是要從電網吸收無功功率以提供自身的勵磁。這一缺點可以通過在發(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 ， 現在大多數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生旋轉磁場并與轉子繞組中的感應電流相互作用產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 /?? (122) 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 ○ 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之一。它是由葉尖速比及發(fā)電機功率決定的參數。 ○ 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據。單位為XX 本科畢業(yè)設計說明書 13 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 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 ?? (123) P 為有功功率 KW， S 為視在功率 KVA， cos 與負載性質有關。 ○ 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。中國交流電網電壓頻率為 50Hz。國外也有交流電網 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? (124) 式中 p—— 發(fā)電機的極對數 ； 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 14 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 ,經常出故障 ,而出現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 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、 電網或負載丟失、脫網時的停機失敗時。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 15 控制目標方面可實現邏輯“或”結果。 (2)自動運動的控制要求 ○ 1 開機并網控制 :當風速 10 分內的平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內，風力發(fā)電機組起動→軟切入狀態(tài)→機組并入電網。 ○ 2 小 風 和逆功率脫網 :機組在待風狀態(tài)→ 10 分平均風速小于脫網風速→脫網→風速再次上升→風機旋轉→并網。 ○ 3 普通故障脫網停機 :參數越限、狀態(tài)異?！胀ㄍC→剎車→軟脫網→剎機 械閘→計算機自行恢復。 ○ 4 緊急故障脫網停機 :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→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 大風脫網控制： 10 分平均風速大于 25m/s 時→超速、過載→脫網停機→氣動剎車→偏航控制（ 90 度）→功率下降后脫網→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→自動并網運動。 ○ 7 對風控制：機組在工作風區(qū)→根據機艙的靈敏度→確定偏航的調整角度。 ○ 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→停機。 ○ 9 功率調節(jié)：當機組在額定風速以上并網運行時→失速型機組→發(fā)電機的功率不會超過額定功率的 15%→過載→脫網停機。 ○10 軟切入控制：軟切入、軟脫網→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：金屬部分均要實現保護接地。 XX 本科畢業(yè)設計說明書 16 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。 （ 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、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轉速的條件下風力發(fā)電機組能軟切入自動并網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）并網運行當風速在 7～ 30m/s 之間切入大發(fā)電機組（大于 500kW）并網 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抱液壓機械閘停機而且在脫網同時風力發(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運行。 ○ 2 為了避免小風時發(fā)行頻繁開、停機現象在并網后 10 分內不能按風速自動停機。同樣在小風自動脫網停機后 5 分內不能軟切并網。 ○ 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損耗應自動脫網使風力發(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、抱閘和甩葉尖XX 本科畢業(yè)設計說明書 17 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)電機組塔架內的懸掛電纜只允許扭轉177。 /反向扭纜計數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)控參數在正常允許的范圍內一旦超過極限并出現危險情況應該自動處理并安全停機。 控制系統(tǒng)主要參數 （ 1）主要技術參數 ○ 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 并網最大沖擊電流（有效值） ○ 12 電容補償后功率因數 ? （ 2）控制指標及效果 ○ 1 方式