【文章內容簡介】 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。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?？刂乒δ芎涂刂茀?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。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開機并網(wǎng)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(wǎng)。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)。普通故障脫網(wǎng)停機:參數(shù)越限、狀態(tài)異常→普通停機→剎車→軟脫網(wǎng)→剎機械閘→計算機自行恢復。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。 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。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。對風控制：機組在工作風區(qū)→根據(jù)機艙的靈敏度→確定偏航的調整角度。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?！?0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。功率調節(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。軟切入控制：軟切入、軟脫網(wǎng)→限制導通角→→控制發(fā)電機端電壓。（3）控制保護要求主電路保護：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。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。防雷設施及熔絲：控制系統(tǒng)有專門設計的防雷保護裝置。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。接地保護：金屬部分均要實現(xiàn)保護接地。 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：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。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分內不能軟切并網(wǎng)。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)。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。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。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)。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。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。風力發(fā)電機組塔架內的懸掛電纜只允許扭轉177。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?？刂葡到y(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)主發(fā)電機輸出功率（額定） 發(fā)電機最大輸出功率 工作風速范圍 額定風速 切入風速（1min平均值） 切出風速（1min平均值） 風輪轉速 發(fā)電機并網(wǎng)轉速 發(fā)電機輸出電壓 發(fā)電機發(fā)電頻率 并網(wǎng)最大沖擊電流（有效值） 電容補償后功率因數(shù) （2）控制指標及效果方式 專用微控制器過載開關 自動對風偏差范圍 風力發(fā)電機組自動起、停機時間 系統(tǒng)測量精度 自動解纜時間 55min 手動操作響應時間 (3)保護功能超電壓保護范圍 連續(xù)欠電流保護范圍 連續(xù)風輪轉速極限 發(fā)電機轉速極限 發(fā)電機過功率保護值 連續(xù)發(fā)電機過電流保護值 連續(xù)大風保護風速 連續(xù) 系統(tǒng)接地電阻 防雷感應電壓 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。 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整，從而調整風輪轉速。當風速較低時，風輪轉差調到很小(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?；钊奈灰品答佇盘栍晌灰苽鞲衅鳒y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是一條典型的曲線。尖速比可表示為 （21） 式中 為風輪機的機械轉速(rad/s)；為葉片半徑(m)；為來流的線性風速(m/s)。根據(jù)風機葉片的空氣動力特性，風能轉換效率是尖速比λ和槳矩β的函數(shù)，即。典型與和的關系可用圖23來表示。由圖中可見，對于同一個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變化(取決于葉片設計)，風輪機捕獲風力可以寫成 (22)式中 是氣動功率(W)；是空氣密度(kg/m3)；是掃掠面積(m2)；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最大的情況下進行相應的調整，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，而風速的變化范圍卻很大。從的函數(shù)關系來看，難以保證在額定風速之前使值達到最大，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)，由此來調整尖速比，實現(xiàn)追求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)電機的控制策略為了盡可能提高風輪機風能轉換效率和保證風輪機輸出功率平穩(wěn)，風輪機將進行槳距調整。在定槳距風輪機的基礎上加裝槳距調整環(huán)節(jié)，稱為變槳距風輪機組。變槳距風力發(fā)電機組的功率調節(jié)不完全依靠葉片的氣動特性，主要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進行調節(jié)。在額定風速以下時，葉片攻角處于零度附近，此時葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影響，變化范圍很小，可等同于定槳距風機。在額定風速以上時，變槳距機構發(fā)揮作用，調整葉片攻角，保證發(fā)電機的輸出功率在允許范圍內。風輪機的槳距控制系統(tǒng)，通常采用典型的PID轉速、功率和槳距角三模態(tài)控制。速度控制和直接槳距控制常用于風力發(fā)電機的起動、停止和緊急事故處理。因而，變槳距風輪機的起動風速較定槳距風輪機低，但對功率的貢獻沒有意義；停機時對傳動機械的沖擊應力相對緩和。