【文章內(nèi)容簡介】 同步轉(zhuǎn)速 (33)式中 ——發(fā)電機的極對數(shù)；——同步轉(zhuǎn)速r/min。風(fēng)力發(fā)電機的全效率風(fēng)力發(fā)電機的全效率為風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率、增速器的效率、發(fā)電機的效率、傳動系統(tǒng)效率等的積 (34) 控制系統(tǒng)主要參數(shù)（1）主要技術(shù)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(fēng)速范圍 額定風(fēng)速 切入風(fēng)速（1min平均值） 切出風(fēng)速（1min平均值） 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 發(fā)電機并網(wǎng)轉(zhuǎn)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(biāo)及效果方式 專用微控制器過載開關(guān) 自動對風(fēng)偏差范圍 風(fēng)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(yīng)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(fēng)輪轉(zhuǎn)速極限 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(fēng)保護風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機組控制器準(zhǔn)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(fēng)力發(fā)電機組開始自動運行于風(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。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(fēng)力發(fā)電機組的變距控制原理(1)變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的控制方式風(fēng)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(yán)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(fēng)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(dāng)風(fēng)速達到起動風(fēng)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(fēng)輪開始起運。風(fēng)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(dāng)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(fēng)輪轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)速較低時，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，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。活塞的位移反饋信號由位移傳感器測量，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)曲線附近運行，應(yīng)當(dāng)把動能轉(zhuǎn)換作為設(shè)計策略的重點加以規(guī)劃；當(dāng)達到轉(zhuǎn)速限值和功率標(biāo)稱值時，要及時準(zhǔn)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(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)電機中均有應(yīng)用。 風(fēng)輪機的氣動特性[8]風(fēng)輪機通過葉片捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩。風(fēng)輪機的特性通常用風(fēng)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(fēng)輪機的機械轉(zhuǎn)速(rad/s)；為葉片半徑(m)；為來流的線性風(fēng)速(m/s)。根據(jù)風(fēng)機葉片的空氣動力特性，風(fēng)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(fēng)輪機可能運行在A和B兩個點，它們分別對應(yīng)于風(fēng)輪機的高風(fēng)速運行區(qū)和低風(fēng)速運行區(qū)，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時風(fēng)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(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)，風(fēng)輪機捕獲風(fēng)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(fēng)輪機的功率系數(shù)。 由(22)式可知，風(fēng)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(fēng)輪機的功率曲線。從理論上講風(fēng)輪機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(fēng)輪機的運行存在三個典型區(qū)：在低風(fēng)速段，按恒定途徑控制風(fēng)輪機直到轉(zhuǎn)速達到極限；然后按恒定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)輪機，直到功率最大；功率最大后，風(fēng)輪機按恒定功率控制。 定槳距風(fēng)力發(fā)電機的控制策略傳統(tǒng)概念的風(fēng)力發(fā)電機一般都是上風(fēng)向、三葉片的風(fēng)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(fēng)輪機的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特性的風(fēng)力發(fā)電機組稱為定槳距風(fēng)力發(fā)電機組。風(fēng)輪機吸收的功率隨風(fēng)速不停地變化，發(fā)電機工作于同步轉(zhuǎn)速附近，而風(fēng)電機組的設(shè)計一般在額定功率時風(fēng)輪的轉(zhuǎn)換效率在最佳區(qū)段。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)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(fēng)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(fēng)速之前使值達到最大，特別是在低風(fēng)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(fēng)速的要求。大功率高轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機工作于高風(fēng)速區(qū)，小功率低轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機則工作于低風(fēng)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(fēng)機的功角一般設(shè)定在0176。，在不同風(fēng)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(fēng)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(fēng)速段，對發(fā)電量有一定影響。風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機的控制策略為了盡可能提高風(fēng)輪機風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)輪機輸出功率平穩(wěn)，風(fēng)輪機將進行槳距調(diào)整。在定槳距風(fēng)輪機的基礎(chǔ)上加裝槳距調(diào)整環(huán)節(jié)，稱為變槳距風(fēng)輪機組。變槳距風(fēng)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(fēng)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(fēng)機。在額定風(fēng)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電機的起動、停止和緊急事故處理。因而，變槳距風(fēng)輪機的起動風(fēng)速較定槳距風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)速的較小變化將造成風(fēng)能較大變化，風(fēng)機輸出功率處于不斷變化中。風(fēng)速變化頻繁幅度大的狀況出現(xiàn)時將引起風(fēng)機槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)頻繁動作。風(fēng)機槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)對風(fēng)速的反應(yīng)有一定的時延，在陣風(fēng)出現(xiàn)時槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)來不及動作而造成風(fēng)機的瞬時過載，不利于風(fēng)機的運行。針對這一點，提出了混合失速的風(fēng)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(fēng)機的瞬時過載。 變速風(fēng)力發(fā)電機的控制策略[9]上面的風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)機要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風(fēng)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(fēng)速的對應(yīng)關(guān)系不必完全覆蓋風(fēng)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(zé)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(fēng)機運行的柔性更好，有利于風(fēng)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(fēng)速5~7m/s，風(fēng)機工作于同步轉(zhuǎn)速以下(1100~1500RPM)；風(fēng)速7~9m/s風(fēng)機工作于同步轉(zhuǎn)速附近(1500RPM)，與一般風(fēng)機工作方式一致； 風(fēng)速9~15m/s，風(fēng)機工作于同步轉(zhuǎn)速以上(1500~1625RPM)；風(fēng)速15~25m/s，風(fēng)機工作于負荷調(diào)節(jié)狀態(tài)，根據(jù)功率調(diào)節(jié)風(fēng)機行為，電機允許轉(zhuǎn)速范圍為1600~1650RPM。 變槳距風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng) [2] 變槳距風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(dāng)風(fēng)速達到起動風(fēng)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(fēng)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(fēng)速低于額定風(fēng)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(fēng)速時的風(fēng)輪氣動特性，采用了Optitip技術(shù)，即根據(jù)風(fēng)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(dāng)風(fēng)速達到或超過額定風(fēng)速后，風(fēng)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(fēng)面積減少的方向轉(zhuǎn)動一個角度，反之則向迎風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速低頻分量和發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制，風(fēng)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(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，允許發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高，將瞬變的風(fēng)能以風(fēng)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(fēng)力