【導(dǎo)讀】由于風(fēng)的不穩(wěn)定性和風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和電。有必要對控制系統(tǒng)和控制過程進(jìn)行分析。態(tài)模擬仿真軟件PSCAD/EMTDC，建立變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的模型。的可用性,然后得出了它的控制方法。力轉(zhuǎn)矩，滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定和功率曲線優(yōu)化的雙重要求。師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。

　　

【正文】 風(fēng)速時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又可自動并入電網(wǎng)運行。 ○ 2 為了避免小風(fēng)時發(fā)行頻繁 開、停機(jī)現(xiàn)象在并網(wǎng)后 10 分內(nèi)不能按風(fēng)速自動停機(jī)。同樣在小風(fēng)自動脫網(wǎng)停機(jī)后 5 分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。 ○ 3 當(dāng)風(fēng)速小于停機(jī)風(fēng)速時為了避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長期逆功率運行造成電網(wǎng)損耗應(yīng)自動脫網(wǎng)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于自由轉(zhuǎn)動的待風(fēng)狀態(tài)。 ○ 4 當(dāng)風(fēng)速大于開機(jī)風(fēng)速要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航機(jī)構(gòu)始終能自動跟風(fēng)。跟風(fēng)精度范圍177。 15176。 ○ 5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓機(jī)械閘在并網(wǎng)運行、開機(jī)和待風(fēng)狀態(tài)下應(yīng)該松開機(jī)械閘其余狀態(tài)下（大風(fēng)停機(jī)、斷電和故障等）均應(yīng)抱閘。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 21 ○ 6 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)期間）均處于歸位狀態(tài)。 ○ 7 在大風(fēng)停機(jī)和超速停機(jī)的情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組除了應(yīng)該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖閘停機(jī)外還應(yīng)該自動投入偏航控制使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙軸心線與風(fēng)向成一定的角度增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)的安全度待機(jī)艙轉(zhuǎn)約 90176。后機(jī)艙保持與風(fēng)向偏 90176。跟風(fēng)控制跟風(fēng)范圍177。 15176。 ○ 8 在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)停止運行此時控制 系統(tǒng)不能供電。如果正在運行時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遇到這種情況應(yīng)能自動脫網(wǎng)和抱閘剎車停機(jī)此時偏航機(jī)構(gòu)不會動作風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分應(yīng)能承受考驗。 ○ 9 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架內(nèi)的懸掛電纜只允許扭轉(zhuǎn)177。 /反向扭纜計數(shù)器超過時自動停機(jī)解纜達(dá)到要求時再自動開機(jī)恢復(fù)運行發(fā)電。 ○10 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有手動控制功能（包括遠(yuǎn)程遙控手操）手動控制時“自動”功能應(yīng)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(yīng)該 保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yīng)該自動處理并安全停機(jī)。 控制系統(tǒng)主要參數(shù) （ 1）主要技術(shù)參數(shù) ○ 1 主發(fā)電機(jī)輸出功率（額定） ? ?ePKW ○ 2 發(fā)電機(jī)最大輸出功率 ? ? KW ○ 3 工作風(fēng)速范圍 4 25 /ms? ○ 4 額定風(fēng)速 ? ?/eVms ○ 5 切入風(fēng)速（ 1min 平均值） 4/ms ○ 6 切出風(fēng)速（ 1min 平均值） 25/ms ○ 7 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 ? ?/minNr ○ 8 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速 1 0 0 0 / 1 5 0 0 2 0 / m inr? ○ 9 發(fā)電機(jī)輸出電壓 10%V? ○ 10 發(fā)電機(jī)發(fā)電頻率 50 Hz? ○ 11 并網(wǎng)最大沖擊電流（有效值） ○ 12 電容補(bǔ)償后功率因數(shù) ? （ 2）控制指標(biāo)及效果 ○ 1 方式 專用微控制器 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 22 ○ 2 過載開關(guān) 690 ,660VA ○ 3 自動對風(fēng)偏差范圍 15?? ○ 4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動起、停機(jī)時間 60S ○ 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(yīng)時間 5S (3)保護(hù)功能 ○ 1 超電壓保護(hù)范圍 連續(xù) ? ?30 eS U V ○ 2 欠電流保護(hù)范圍 連續(xù) ? ?30 eS I A ○ 3 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速極限 40 /minr ○ 4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速極限 1800 /minr ○ 5 發(fā)電機(jī)過功率保護(hù)值 連續(xù) ? ?60 eS P KW ○ 6 發(fā)電機(jī)過電流保護(hù)值 連續(xù) ? ?30 eS I A ○ 7 大風(fēng)保護(hù)風(fēng)速 連續(xù) 600 25 / minSr ○ 8 系統(tǒng)接地電阻 4? ○ 9 防雷感應(yīng)電壓 3500V 控制系統(tǒng)工作原理 [6] 主開關(guān)合上后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(bǔ)償、機(jī)械制動或空氣制動。其中相位補(bǔ)償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在 至 之間。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變距控制原理 (1)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方式 風(fēng) 力發(fā)電機(jī)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(jī)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XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 23 葉片實際上是一塊阻尼板。當(dāng)風(fēng)速達(dá)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(jìn)行所謂的速度控制。 當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后電機(jī)并入電網(wǎng)。這時，電機(jī)轉(zhuǎn)速 受到電網(wǎng)頻率的牽制變化不大，主要取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)差，電機(jī)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(jìn)行功率控制的同時通過轉(zhuǎn)子電流控制器對電機(jī)轉(zhuǎn)差進(jìn)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(jī)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(dá)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(bǔ)償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)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(jī)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(jī)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(dá)到轉(zhuǎn)速限值和功率標(biāo)稱值時 ， 要及時準(zhǔn)確的 進(jìn)行 調(diào)節(jié) ，以使輸出功率平穩(wěn)。 必須 分 清 異步 發(fā)電機(jī)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(jī)中均有 應(yīng) 用。 風(fēng)輪機(jī) 的 氣動特性 [8] 風(fēng)輪機(jī) 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(jī)械轉(zhuǎn)矩。風(fēng)輪機(jī)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 Cp? 曲線。尖速比可 表示為 mRv??? （ 21） 式 中 m? 為風(fēng)輪機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速 (rad/s)； R 為葉片半徑 (m)； XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 24 v 為來流的線性風(fēng)速 (m/s)。 根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片的空氣動力特性， 風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率 PC 是尖速比 λ 和槳矩 β 的函數(shù) ，即 ? ?,PCf??? 。典型 PC 與 ? 和 ? 的關(guān)系可用圖 23來表示。由圖中可見 ， 對于同 一個 PC 值風(fēng)輪機(jī) 可能運行在 A 和 B 兩個點， 它們分別對應(yīng)于風(fēng)輪機(jī)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(jī) 的運行點將要發(fā)生變化。 在恒頻應(yīng)用中， 發(fā)電機(jī)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(jī)捕獲風(fēng)力可以寫成 PP SC V??機(jī)械 (22) 式 中 P機(jī)械 是氣動功率 (W)； ? 是空氣密度 (kg/m3)； A 是掃掠面積 (m2)； PC 是風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)。 由 (22)式 可知 ，風(fēng)機(jī)整體設(shè)計和相應(yīng)的運行控制策略應(yīng) 在追求 PC 最大 的情況下 進(jìn)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(jī)的功率曲線。 從理論上講 風(fēng)輪機(jī)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(jī) 都 存在轉(zhuǎn)速的上 限。 因而風(fēng)輪機(jī)的運行存在三個典型區(qū)： 在低風(fēng)速段，按 恒定 PC 途徑控制風(fēng)輪機(jī)直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限 ； 然后按恒 定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)輪機(jī) ，直到功率最大 ； 功率最大后，風(fēng)輪機(jī)按恒定功率控制。 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略 傳統(tǒng)概念的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般都是上風(fēng)向、三葉片的風(fēng)輪機(jī) ， 通過齒輪增速箱 來 驅(qū)動異步發(fā)電機(jī) ，并 與電網(wǎng)相連 來發(fā)電的 。風(fēng)輪機(jī)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(jī)組 稱為定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)輪機(jī)吸 收的功率隨風(fēng)速不停地變化 ， 發(fā)電機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速附近 ， 而風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計一般在額定功率時 風(fēng)輪的轉(zhuǎn)換效率 PC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(jī)輸出功率恒定 ， 必須通過 葉片失速效應(yīng) 特性來 降低 PC 值 ， 以 維持 輸出 功率 的 恒定。對于定槳 距 系統(tǒng) ， 發(fā)電機(jī)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? ?,PCf??? 的函數(shù)關(guān)系來看 ， 難以保 證在額定風(fēng)速之前 使 PC 值達(dá)到 最大 ， 特別 是 在XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 25 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(jī)，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(jī)工作于高風(fēng)速區(qū) ，小功率低轉(zhuǎn)速的 異步 發(fā)電機(jī)則 工作于低風(fēng)速區(qū)， 由此來調(diào)整尖速比 ? ，實現(xiàn)追求 PC 最大下的整體運行控制。定槳矩風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)軟切換控制過 程中必須慎重處理。 變 槳距風(fēng)力 發(fā)電機(jī)的控制策略 為了盡可能提高 風(fēng)輪機(jī) 風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證 風(fēng)輪機(jī) 輸出功率平穩(wěn) ，風(fēng)輪機(jī) 將進(jìn)行槳距 調(diào)整。在定槳距 風(fēng)輪機(jī) 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(jī) 組。變槳距風(fēng)力發(fā)電 機(jī)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(jìn)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(jī)。在額 定風(fēng)速以上時 ，變槳距機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用 ， 調(diào)整葉片攻角 ， 保證發(fā)電機(jī)的輸出功率在允許范圍內(nèi)。 風(fēng)輪機(jī)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(jī)的起動、停止和緊急事故處理。因而 ， 變槳距 風(fēng)輪機(jī)的起動風(fēng)速較 定槳距 風(fēng)輪機(jī) 低 ， 但對功率的貢獻(xiàn)沒有意義 ； 停機(jī)時對傳動機(jī)械的沖擊應(yīng)力相對緩和。 風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)頻繁動作。風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)構(gòu)來不 及動作而造成風(fēng)機(jī)的瞬時過載 ， 不利于風(fēng)機(jī)的運行。針對這一點 ， 提出了 混合失速的風(fēng)機(jī)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(jìn)行槳距調(diào)整 ， 即便槳 距調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)的瞬時過載。 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略 [9] 上面 的風(fēng)輪機(jī) 直接由追求 PC 值 最優(yōu)進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速對于功率系數(shù) PC 影響很大。工業(yè)控