【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)電機轉(zhuǎn)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(yīng)電壓 控制系統(tǒng)工作原理[6]主開關(guān)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(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。起動的第一秒內(nèi)先檢查電網(wǎng)、設(shè)置各個計算器、輸出機構(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(fù)為0176。，風輪開始轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速是嚴格對應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速，其葉片的節(jié)距角隨轉(zhuǎn)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，進行所謂的速度控制。當轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速后電機并入電網(wǎng)。這時，電機轉(zhuǎn)速受到電網(wǎng)頻率的牽制變化不大，主要取決于電機的轉(zhuǎn)差，電機的轉(zhuǎn)速控制實際上已轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電流控制器對電機轉(zhuǎn)差進行調(diào)整，從而調(diào)整風輪轉(zhuǎn)速。當風速較低時，風輪轉(zhuǎn)差調(diào)到很小(1%)，轉(zhuǎn)速在同步速附近；當風速高于額定風速時，電機轉(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(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號，控制比例閥（或電液伺服閥）驅(qū)動油缸活塞推動變距機構(gòu)，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(zhuǎn)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(yīng)在轉(zhuǎn)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(yīng)當把動能轉(zhuǎn)換作為設(shè)計策略的重點加以規(guī)劃；當達到轉(zhuǎn)速限值和功率標稱值時，要及時準確的進行調(diào)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(nèi)外大中型并網(wǎng)發(fā)電的風力發(fā)電機中均有應(yīng)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(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩。風輪機的特性通常用風能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率是尖速比λ和槳矩β的函數(shù)，即。典型與和的關(guān)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(yīng)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(yīng)用中，發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化只比同步轉(zhuǎn)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(nèi)變化(取決于葉片設(shè)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(shè)計和相應(yīng)的運行控制策略應(yīng)在追求最大的情況下進行相應(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(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、電機都存在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速達到極限；然后按恒定轉(zhuǎn)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(qū)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(diào)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(zhuǎn)速附近，而風電機組的設(shè)計一般在額定功率時風輪的轉(zhuǎn)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(yīng)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(nèi)，而風速的變化范圍卻很大。從的函數(shù)關(guān)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(shè)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(zhuǎn)速的異步發(fā)電機工作于高風速區(qū)，小功率低轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機則工作于低風速區(qū)，由此來調(diào)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(shè)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(diào)整，但必須充分考慮到對于風機失速點的影響。從設(shè)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(shù)，存在功率流向的不確定性，發(fā)電機可能低于同步轉(zhuǎn)速運行，也可能工作在同步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)整。在定槳距風輪機的基礎(chǔ)上加裝槳距調(diào)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(diào)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(diào)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(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片攻角，保證發(fā)電機的輸出功率在允許范圍內(nèi)。風輪機的槳距控制系統(tǒng)，通常采用典型的PID轉(zhuǎn)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(yīng)力相對緩和。風機正常工作時，主要采用功率控制。對于功率調(diào)節(jié)速度的反映取決于風機槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。在實際應(yīng)用中，由于功率與風速的三次方成正比，風速的較小變化將造成風能較大變化，風機輸出功率處于不斷變化中。風速變化頻繁幅度大的狀況出現(xiàn)時將引起風機槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)頻繁動作。風機槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)對風速的反應(yīng)有一定的時延，在陣風出現(xiàn)時槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)來不及動作而造成風機的瞬時過載，不利于風機的運行。針對這一點，提出了混合失速的風機設(shè)計概念。即仍然發(fā)揮葉片的失速效應(yīng)，在失速點之前進行槳距調(diào)整，即便槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)來不及動作通過葉片的失速效應(yīng)發(fā)揮作用也不會造成風機的瞬時過載。 變速風力發(fā)電機的控制策略[9]上面的風輪機直接由追求值最優(yōu)進入功率最大的限制，調(diào)整的范圍和靈敏度很有限。從圖26可以看出，風機轉(zhuǎn)速對于功率系數(shù)影響很大。工業(yè)控制領(lǐng)域交流電動機調(diào)速技術(shù)在很多設(shè)備中已有成熟應(yīng)用。同樣，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的大小和相位(RCC)從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)追求最優(yōu)和無功功率的平衡。這一調(diào)速系統(tǒng)與變槳距環(huán)節(jié)結(jié)合起來，就構(gòu)成了變速恒頻變槳距風力發(fā)電機的主要技術(shù)特點。交流發(fā)電機采用高滑差繞線式轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機。變速風機要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風變化，相應(yīng)轉(zhuǎn)子電流頻率是不定的。轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)的速度為，使得定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率。控制的值以使等于電網(wǎng)頻率。這一點與鼠籠式轉(zhuǎn)子電流頻率的結(jié)論是一致的(為電機轉(zhuǎn)差)。值得指出的是發(fā)電狀態(tài)與電動狀態(tài)的區(qū)別在于轉(zhuǎn)差和功率流向的不同，因而造成兩者在功率(能量)平衡上存在差別(特別是轉(zhuǎn)子能量)。在實際應(yīng)用中，發(fā)電機轉(zhuǎn)速與風速的對應(yīng)關(guān)系不必完全覆蓋風速的范圍，電機轉(zhuǎn)速范圍為1100~1700RPM，僅有部分超同步范圍?？刂葡到y(tǒng)負責控制和轉(zhuǎn)子電流相角。也就是說，可以向電網(wǎng)提供無功，同時，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)更靈敏，風機運行的柔性更好，有利于風機輸出功率更平穩(wěn)和減小傳動機械的沖擊應(yīng)力。功率元件采用IGBT管，一般通過查表獲得調(diào)節(jié)信號：風速5~7m/s，風機工作于同步轉(zhuǎn)速以下(1100~1500RPM)；風速7~9m/s風機工作于同步轉(zhuǎn)速附近(1500RPM)，與一般風機工作方式一致； 風速9~15m/s，風機工作于同步轉(zhuǎn)速以上(1500~1625RPM)；風速15~25m/s，風機工作于負荷調(diào)節(jié)狀態(tài)，根據(jù)功率調(diào)節(jié)風機行為，電機允許轉(zhuǎn)速范圍為1600~1650RPM。 變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型框圖[2] 變槳距風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)變槳距風力發(fā)電機組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為三種運行狀態(tài)，即風力發(fā)電機組的起動狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）、欠功率控制（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。（1） 起動狀態(tài)變槳距風輪的槳葉在靜止時，節(jié)距角為90176。，氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，當風速達到起動風速時，槳葉向0176。方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風輪起動。在發(fā)電機并入電網(wǎng)以前，變距系統(tǒng)的節(jié)距給定值由發(fā)電機的轉(zhuǎn)速信號控制。轉(zhuǎn)速控制器按一定的速度上升斜率給出速度參考值，變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，調(diào)整槳葉節(jié)距角，進行速度控制。（2） 欠功率狀態(tài)欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機并入電網(wǎng)后，由于風速低于額定風速，發(fā)電機在額定功率以下的低功率狀態(tài)運行。為了改善低風速時的風輪氣動特性，采用了Optitip技術(shù)，即根據(jù)風速的大小，調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。（3） 額定功率狀態(tài)當風速達到或超過額定風速后，風力發(fā)電機組進入額定功率狀態(tài)。在傳統(tǒng)的變槳距控制方式中，將轉(zhuǎn)速控制切換為功率控制，變距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機的功率信號進行控制。功率反饋信號與額定功率進行比較，功率超過額定功率時，槳葉節(jié)距向迎風面積減少的方向轉(zhuǎn)動一個角度，反之則向迎風面積增大的方向轉(zhuǎn)動一個角度。由于變槳距系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到限制,對快速變化的風速,通過改變節(jié)距來控制輸出功率的效果并不理想。因此，為了優(yōu)化功率曲線，最新設(shè)計的變槳風力發(fā)電機組在進行功率控制的過程中，其功率反饋信號不再作為直接控制槳葉節(jié)距的變量。變槳距系統(tǒng)由風速低頻分量和發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制，風速的高頻分量產(chǎn)生的機械能波動，通過迅速改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來進行平衡，即通過轉(zhuǎn)子電流控制器對發(fā)電機轉(zhuǎn)差率進行控制，當風速高于額定風速時，允許發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高，將瞬變的風能以風輪動能的形式儲存起來；轉(zhuǎn)速降低時，再將動能釋放出來，使功率曲線達到理想的狀態(tài)。 變槳距控制系統(tǒng)（1）變槳距控制系統(tǒng)[10]在發(fā)電機并入電網(wǎng)時前，發(fā)電機轉(zhuǎn)速由速度控制器A根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速反饋信號與給定信號直接控制；發(fā)電機并入電網(wǎng)后，速度控制B與功率控制器起作用。功率控制器的任務(wù)主要是根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速給出相應(yīng)的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，并確定速度控制器B的速度給定。節(jié)距的給定參考值由控制器根據(jù)風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)給出。如圖28所示，當風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)前，由速度控制器A給出；當風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)后由速度控制B給出。（2）變距控制變距控制系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)，如圖29所示。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(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號控制比例閥（或電液伺服閥），驅(qū)動液壓缸活塞，推動變槳距機構(gòu)，使槳葉節(jié)距角變化?；钊奈灰品答佇盘栍晌灰苽鞲衅鳒y量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。 （3）速度控制器A轉(zhuǎn)速控制器A在風力發(fā)電機組進入待機狀態(tài)或從待機狀態(tài)重新起動時投入工作，如圖210所示在這些過程中通過對節(jié)距角的控制，轉(zhuǎn)速以一定的變化率上升。控制器也用于在同步速（50Hz時1500轉(zhuǎn)/min）時的控制。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速177。10內(nèi)持續(xù)1s發(fā)電機將切入電網(wǎng)?？刂破靼Ｒ?guī)的PD控制器和PI控制器，接著是節(jié)距角的非線性化環(huán)節(jié)，通過非線性化處理，增益隨節(jié)距角的增加而減小，以此補償由于轉(zhuǎn)子空氣動力學產(chǎn)生的非線性，因為當功率不變時，轉(zhuǎn)矩對節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。 當風力發(fā)電機組從待機狀態(tài)進入運行狀態(tài)時，變槳距系統(tǒng)先將槳葉節(jié)距角快速地轉(zhuǎn)到45176。，風輪在空轉(zhuǎn)狀態(tài)進入同步轉(zhuǎn)速。當轉(zhuǎn)速從0增加到1500時，節(jié)距角給定值從45176。線性的減小到5176。這一過程不僅使轉(zhuǎn)子具有高起動力矩，而且在風速快速地增大時能夠快速起動。 （4）速度控制器B 發(fā)電機切入電網(wǎng)后，速度控制系統(tǒng)B作用。如圖211所示，速度控制器B受發(fā)電機轉(zhuǎn)速和風速的雙重控制。在達到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加。額定的速度給定值是1569r/min,相應(yīng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)差率是4%。如果風速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機轉(zhuǎn)差率將降低到2%，節(jié)距控制將根據(jù)風速調(diào)整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。如果風速高于額定值，發(fā)電機轉(zhuǎn)速通過改變節(jié)距來跟蹤相應(yīng)的速度給定值。功率輸出將穩(wěn)定地保持在額定值上。從圖中可知在風速信號輸入端設(shè)有低通濾波器，節(jié)距控制對瞬變風速并不響應(yīng)。 功率控制為了有效地控制高速變化的風速引起的功率波動，新型的變槳距風力發(fā)電機組采用了RCC（Rotor Current Control）技術(shù)，即發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)。通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的控制來迅速改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，從而改變風輪轉(zhuǎn)速，