【導(dǎo)讀】質(zhì)的排放量與日俱增，從而造成氣候異常、災(zāi)害增多、惡性疾病的多發(fā)，因此，能源和環(huán)境問題成為當(dāng)今世界所面臨的兩大重要課題。由能源問題引發(fā)的危機(jī)以?？沙掷m(xù)發(fā)展的客觀需要。發(fā)電進(jìn)入了大發(fā)展階段。定槳距失速控制向全槳葉變距控制和變速控制發(fā)展。組的變槳距控制技術(shù)進(jìn)行了一定的研究。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要控制是在起。動(dòng)時(shí)對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的控制和并網(wǎng)后對(duì)輸入功率的控制。來調(diào)整槳葉節(jié)距角，以滿足發(fā)電機(jī)起動(dòng)與系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定的雙重要求。行的要求，更達(dá)不到優(yōu)化功率曲線和穩(wěn)定功率輸出的要求。力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)仿真方面作了初步的探究和研究。通過控制系統(tǒng)保持了風(fēng)力。故障之后能夠以最快的速度修復(fù)系統(tǒng)使之恢復(fù)正常工作。于研究報(bào)告的模擬結(jié)果圖形。究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，

　　

【正文】 速后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)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(jī)的功率信號(hào)進(jìn)行控制。功率反饋信號(hào)與額定功率進(jìn)行比較，功率超過額定功率時(shí)，槳葉 節(jié)距向迎風(fēng)面積減少的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，反之則向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。 由于變槳距系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到限制 ,對(duì)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(jì)的變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在進(jìn)行功率控制的過程中，其功率反饋信號(hào)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(jī)轉(zhuǎn)速控制，風(fēng)速的高頻分量產(chǎn)生的機(jī)械能波動(dòng)，通過迅速改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行平衡，即通過轉(zhuǎn)子電流控制器對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率進(jìn)行控制，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，允許發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，將瞬變的風(fēng)能以風(fēng)輪動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來；轉(zhuǎn)速降低時(shí)，再將動(dòng)能釋放出來，使功率曲線達(dá)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(jī)并入電網(wǎng) 時(shí)前，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由速度控制器 A根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)與給定信號(hào)直接控制；發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速給出相應(yīng)的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機(jī)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)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)給出。如圖 28 所示，XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)前，由速度控制器 A 給出；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，如圖 29 所示。變距控制器是一個(gè)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(hào)經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后變成電壓信號(hào)控制比例閥（或電液伺服閥），驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞，推動(dòng)變槳距機(jī)構(gòu)，使槳葉節(jié)距角變化。活塞的位移反饋信號(hào)由位移傳感器測(cè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)或從待機(jī)狀態(tài)重新起動(dòng)時(shí)投入工作，如圖 210 所示在這些過程中通過對(duì)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(shí) 1500 轉(zhuǎn) /min）時(shí)的控制。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速177。10 minr 內(nèi)持續(xù) 1s發(fā)電機(jī)將切入電網(wǎng)。 控制器包含著常規(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XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 26 過非線性化處理，增益隨節(jié)距角的增加而減小，以此補(bǔ)償由于轉(zhuǎn)子空氣動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的 非線性，因?yàn)楫?dāng)功率不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩對(duì)節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變槳距系統(tǒng)先將槳葉節(jié)距角快速地轉(zhuǎn)到 45176。，風(fēng)輪在空轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?0 增加到 1500 minr 時(shí)，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(dòng)力矩，而且在風(fēng)速快速地增大時(shí)能夠快速起動(dòng)。 （ 4）速度控制器 B 發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的雙重控制。在達(dá)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(jī)轉(zhuǎn)差率是 4%。如果風(fēng)速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率將降低到 2%，節(jié)距控制將根據(jù)風(fēng)速調(diào)整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。 如果風(fēng)速高于額定值，發(fā)電機(jī)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(fēng)速信號(hào)輸入端設(shè)有低通濾波器，節(jié)距控制對(duì)瞬變風(fēng)速并不響應(yīng)。 功率控制 為了有效地控制高速變化的風(fēng)速引起的功率波動(dòng)，新型的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用了 RCC（ Rotor Current Control）技術(shù)，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)。通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的控制來迅速改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，從而改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，吸收由于瞬變XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 27 風(fēng)速引起的功率波動(dòng)。 （ 1） 功率控制系統(tǒng) 功率控制系統(tǒng)如圖 212 所示，它由兩個(gè)控制環(huán)節(jié)組成。外環(huán)通過測(cè)量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生功率參考曲線。內(nèi)環(huán)是一個(gè)功率伺服環(huán)， 它通過轉(zhuǎn)子電流控制器（ RCC）對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率進(jìn)行控制，使發(fā)電機(jī)功率跟蹤功率給定值。如果功率低于額定功率值，這一控制環(huán)將通過改變轉(zhuǎn)差率，進(jìn)而改變槳葉節(jié)距角，使風(fēng)輪獲得最大功率。 （ 2）轉(zhuǎn)子電流控制器原理 [8] 轉(zhuǎn)子電流控制器由快速數(shù)字式 PI 控制器和一個(gè)等效變阻器構(gòu)成。它根據(jù)給定的XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 電流值，通過改變轉(zhuǎn)子電路和電阻來改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。在額定功率時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率能夠從 1%到 10%（ 1515 到 1650 minr ）變化，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子平均電阻從 0到 100%變化。當(dāng)功率變化即轉(zhuǎn)子 電流變化時(shí)， PI 調(diào)節(jié)器迅速調(diào)整轉(zhuǎn)子電阻，使轉(zhuǎn)子電流跟蹤給定值，如果從主控制器傳出的電流給定值是恒定的，它將保持轉(zhuǎn)子電流恒定，從而使功率輸出保持不變。 圖 213 轉(zhuǎn)子電流控制器原理圖 從電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式來說明轉(zhuǎn)子電阻與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率的關(guān)系。發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 ? ? ? ? ? ?22 39。 39。1 1 2 1 1 2 1 2eT m p U R S R R S X X? ?? ?? ? ? ????? (23) 式中 P — 電機(jī)極對(duì)數(shù) ； 1m — 電機(jī)定子相數(shù) ； 1? — 定子角頻率 ,即電網(wǎng)角頻率 ； 1U — 定子額定相電壓 ； S — 轉(zhuǎn)差率 ； XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 29 1R — 定子繞組的電阻 ； 1X 定子繞組的漏抗 ； 39。2R — 折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻 ； X? 折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏抗 。 式中只要 39。2RS不變，電磁轉(zhuǎn)矩 eT 就可以不變，發(fā)電機(jī)的功率可保持不變。當(dāng)風(fēng)速變大時(shí)，風(fēng)輪及發(fā)電機(jī)上的轉(zhuǎn)速上升，即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率 S 增大，只要改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻即可保持輸出功率不變。 RCC 控制單元有效地減少了變槳距機(jī)構(gòu)的動(dòng)作頻率及動(dòng)作幅度，使得發(fā)電機(jī)的輸出功率保持平衡，實(shí)現(xiàn)了變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速以 上的額定功率輸出，有效地減少了風(fēng)力發(fā)電機(jī)因風(fēng)速的變化而造成的對(duì)電網(wǎng)的不良影響。 變槳距 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)模型的建立 控制選擇器模型的建立 在控制選擇器的模型中， 當(dāng)輸入 的時(shí)間 值低于 1秒時(shí) ,輸出為低水平輸出值 0； 當(dāng)輸入 的時(shí)間 值超過 1 秒時(shí) , 輸出為高水平輸出值 1。 圖 214 系統(tǒng)控制選擇器模型 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型的建立 根據(jù) 系統(tǒng)控制選擇器來實(shí)現(xiàn)在ω和 1 之間的選擇，利用乘法器乘以轉(zhuǎn)速的基準(zhǔn)值 314rad/s 得到風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速的值，對(duì)風(fēng)輪機(jī)進(jìn)行控制。 （ 1）選擇器參數(shù)：選 擇器功能是當(dāng)運(yùn)行時(shí)間在 0到所設(shè)域值 時(shí)，由 B 通道輸入 ,XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 30 到達(dá) 所設(shè) 定的 值 以后由 A 通道輸入。 （ 2）選擇器 A、 B端輸入?yún)?shù)： A端輸入變量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 w； B端輸入常數(shù) 1。 （ 3）乘法模塊輸入?yún)?shù)：乘法模塊功能是把兩個(gè)輸入相乘后在輸出。在軟件環(huán)境中輸入同步轉(zhuǎn)速 314rad/s。 （ 4）時(shí)鐘脈沖 CNT 控制參數(shù)：時(shí)鐘脈沖控制是由一個(gè)時(shí)間信號(hào)模型與一個(gè)單信號(hào)輸入比較儀組成，其功能是當(dāng)輸入時(shí)間信號(hào)低于所設(shè)域值時(shí)，輸出 Low output level 通道所設(shè)值，當(dāng)輸入時(shí)間信號(hào)高于所設(shè)域值時(shí)，輸出 High output level 通道所設(shè)值。 圖 215 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的模型（在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前） 根據(jù)異步發(fā)電機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩利用發(fā)電機(jī)多參量模塊可以對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，其控制模型和參數(shù)如圖 216 所示。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制系統(tǒng)模型 變槳距風(fēng)輪機(jī)的槳葉靜止時(shí)節(jié)距角為 90176。，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速時(shí)槳葉向 0176。方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角后風(fēng)輪才起動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入額定功率狀態(tài)，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(jī) 的功率信號(hào)進(jìn)行控制。功率反饋信號(hào)與額定功率進(jìn)行比較，功率超過額定功率時(shí)，槳葉節(jié)距向迎風(fēng)面積減少的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，反之則向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。 (風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制系統(tǒng)模型 圖見附錄 ) XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 31 圖 216 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的模型 及參數(shù) （ 1） 槳距角控制輸入量模型 根據(jù)控制選擇器來選擇異步發(fā)電機(jī)的有功功率反饋值或給定值為槳距角控制功率的輸入量。 （ 2） 槳距角控制功率的參照量（ Pref）模型 以發(fā)電機(jī)的額定功率作為控制系統(tǒng)功率輸入的參照量，由實(shí)際值與其進(jìn)行比較，根據(jù)所得值的大小可以判斷功率 輸出是否穩(wěn)定，從而可以通過改變槳距角進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 32 圖 217 槳距角控制輸入模型 圖 218 槳距角控制功率 的 參照量（ Pref） 模型 （ 3） 槳距角控制比例積分環(huán)節(jié)模型 由比例積分控制器將功率比較的差值轉(zhuǎn)換成角度參量。 圖 219 比例積分控制器模型 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 33 圖 220 傳遞函數(shù) 1KS的參數(shù) 圖 221 節(jié)距限制的參數(shù) （ 4） 濾波器模型及參數(shù) 濾波器對(duì)比例積分器輸出的波形進(jìn)行修 整，以便出現(xiàn)諧波分量對(duì)系統(tǒng)造成不良影 響。 圖 222 濾波器模型及參數(shù) （ 5）槳距角調(diào)整限制環(huán)節(jié)模型 圖 223 槳距角調(diào)整 限制 環(huán)節(jié) 模型 由槳距角輸出反饋值和經(jīng)濾波器濾波后的輸入值進(jìn)行比較后，輸入微分限制和微分器環(huán)節(jié)進(jìn)行整合后輸出。再與槳距角給定值進(jìn)行比較，輸入槳距角限制環(huán)節(jié)，輸出XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 34 槳距角。其各部分的參數(shù)如下所示。 圖 224 RATE LIMITER 微分限制 參數(shù) 圖 225 微分器環(huán)節(jié) 傳遞函數(shù) 4KS的參數(shù) 圖 226 槳距角的 角度限制參數(shù) 以上是對(duì)完整的風(fēng)力發(fā)電控制 系統(tǒng) 模型的建立過程 ,通過以上模型可以對(duì)風(fēng)力發(fā)XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 35 電機(jī)組進(jìn)行 相應(yīng)的 轉(zhuǎn)速 控制 和功率控制 ,使 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 運(yùn)行在 安全穩(wěn)定的 狀態(tài) 。 第 三 章 樣例 系統(tǒng) 模型的建立 風(fēng)速模型的建立 風(fēng)能的數(shù)學(xué)模型 風(fēng)能作用于 風(fēng)輪機(jī) 的 槳 葉上， 是 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原動(dòng)力 ， 為了能較準(zhǔn)確的描述自然界的風(fēng)能變化 的 特點(diǎn)，在工程上一般采用簡(jiǎn)化的四分量模型來模擬風(fēng)速隨時(shí)間變化的特征。 （ 1）基本風(fēng) wBV 基本風(fēng) 可以由風(fēng)電場(chǎng)測(cè)量所得的威布爾 分布參數(shù)近似確定 )/11( KAv wB ???? （ 31） 式中 A K? —— 表示威布爾分布尺度參數(shù)和形狀參數(shù) ； )(?? —— 伽馬函數(shù) 。 在實(shí)際與仿真時(shí)我們近似認(rèn)為 wBV 是一個(gè)不隨時(shí)間變化的分量，也就是取 wBV 為一個(gè)常數(shù)。 （ 2）陣行風(fēng) wGV wGV 用于表述風(fēng)速的突然變化，在三個(gè)時(shí)間段內(nèi)有不同的風(fēng)速，陣性風(fēng)變化過程如圖 32所示。 ○ 1 1G 0tT 風(fēng)速 wGV0? ○ 2 )( 11 GGG TTtT ??? 風(fēng)速 wG cosV V? cosV 表示在該時(shí)間段內(nèi)風(fēng)速變化具有 余 弦特性，其表達(dá)式為 ?????? ??? )(2c o s12 1m a xc o s G GG T Ttvv ? （ 32） 式中 maxGV —— 陣行風(fēng)最大的風(fēng)速（ m/s） ； t —— 時(shí)間（ s） ； 1G T —— 出現(xiàn)陣性風(fēng)的時(shí)間（起動(dòng)時(shí)間 s） ； GT —— 陣性風(fēng)的持續(xù)時(shí)間 。 ○ 3 1G+TGtT 風(fēng)速 wGV0? 所以 當(dāng) Gt=T 時(shí) cos 0V ? 當(dāng) 1G G/2 t=(T +T ) 時(shí) cos maxVV ? 當(dāng) 1G Gt=(T +T ) 時(shí) cos 0V ? XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 36 圖 32 陣行風(fēng)隨時(shí)間變化曲線圖 在分析風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)電壓波動(dòng)的影響時(shí)，通常用陣性風(fēng)來考核較大的風(fēng)速變化時(shí)的電壓波動(dòng)的特性。 （ 3）漸變風(fēng) wRV wRV 用于描述風(fēng)速的逐漸的變化 ， 在 四 個(gè)時(shí)間區(qū)段內(nèi)有不同風(fēng)速 ， 漸變風(fēng)變化過程 如圖 33 所 示。 ○ 1 1R 0tT 風(fēng)速 wRV0? ○ 2 RR TtT 21 〈? 風(fēng)速 wRV rampV? rampV 表示在該時(shí)間區(qū)段內(nèi)風(fēng)速線性變化表達(dá)式 )1(21