【正文】 圖 311 風(fēng)輪機(jī)輸入?yún)?shù) 齒輪箱 速比控制模型 齒輪箱的功能是把風(fēng)輪機(jī)輸入的低轉(zhuǎn)速變成高轉(zhuǎn)速輸出給發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速比也是指齒輪的變比，即低速齒輪與高速。 風(fēng)輪機(jī)模型的建立 風(fēng)輪機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)，也是主要區(qū)別于其他類型發(fā)電廠的關(guān)鍵地方 ，它是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的裝置，通過吸收風(fēng)能，然后轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，最后把機(jī)械能傳輸給發(fā)電機(jī)，如圖 310 所示。 ○ 3 漸變風(fēng) WRv 輸入?yún)?shù) 漸變風(fēng) WRv 用于描述風(fēng)速的逐漸變化，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)可以給出其最大值?maxV 2m/s，起始時(shí)間為 4s，持續(xù)周期為 1s，陣性風(fēng)數(shù)量為 個(gè)， 如圖 38 所示。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 41 2525Es2 圖 35 外部風(fēng)速輸入控制模型及參數(shù) 圖 36 基本風(fēng) 輸入?yún)?shù) ○ 2 陣行風(fēng) WGv 輸入?yún)?shù) 陣行風(fēng) WGv 用于描述風(fēng)速的突然變化，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)可以給出其最大值?maxV 2m/s， 起始時(shí)間 3s，持 續(xù)周期為 1s，陣性風(fēng)數(shù)量為 1個(gè) 。 （ 5）綜合風(fēng)速表達(dá)式 wv 綜合風(fēng)速表達(dá)式即是對(duì)前面的四個(gè)分量風(fēng) 速 表達(dá)式 的 求和，其表達(dá)式如下 wNwRwGww vvvvv ???? B （ 36） 風(fēng)速模型的建立 VwESW i n d S o u r c eG u s tM e a nR a m pN o i s e Vw 圖 34 綜合風(fēng)速模型 （ 1） 外部風(fēng)速輸入控制 模型參數(shù) 外部風(fēng)速輸入控制模型 （如圖 35 所示） 是調(diào)節(jié)外加風(fēng)速的模型，它可以隨意調(diào)節(jié)切入風(fēng)速的大小。 ○ 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(212m a xRRRRra m p TT Ttvv ???? （ 33） 所以當(dāng) 1R t=T 時(shí) rampV = 0 當(dāng) 2R t=T 時(shí) rampV = vmax ○ 3 RRR TTtT ??? 22 風(fēng)速 wR maxV =V ○ 4 RR TTt ?? 2 風(fēng)速 wRV =0 圖 33 漸變風(fēng)隨 時(shí)間變化曲線圖 （ 4）隨機(jī)噪聲風(fēng) wNv XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 40 wNv 用以描述在指定的高度的風(fēng)速變化的隨機(jī)風(fēng)的特性，由許多諧波分量構(gòu)成，其表達(dá)式為 ? ??? ??? Nt iiiVwN sv 1 2/1 )c o s ()(2 ? （ 34） 式中 w? —— 隨機(jī)分布的離散間距 ； iw —— 第 I 個(gè)分量的角頻率 ， wiwi ??? )2/1( ； i? —— 第 I 個(gè)分量的初相角為 0~2Pi之間分布的隨機(jī)量 ； )( iv ws —— 第 I 個(gè)分量的振幅 。 ○ 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 39 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。 （ 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）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) 。 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 38 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) 。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 37 槳距角。 圖 219 比例積分控制器模型 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 36 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。 （ 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)。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 。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)。 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。 （ 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。 （ 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。 （ 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 33 到達(dá) 所設(shè) 定的 值 以后由 A 通道輸入。 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。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。 式中只要 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 32 1R — 定子繞組的電阻 ； 1X 定子繞組的漏抗 ； 39。發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 ? ? ? ? ? ?22 39。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。它根據(jù)給定的XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 31 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。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。外環(huán)通過測(cè)量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生功率參考曲線。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 30 風(fēng)速引起的功率波動(dòng)。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)。 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。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。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)。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?0 增加到 1500 minr 時(shí)，節(jié)距角給定值從 45176。 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。10 minr 內(nèi)持續(xù) 1s發(fā)電機(jī)將切入電網(wǎng)。控制器也用于在同步速（ 50Hz 時(shí) 1500 轉(zhuǎn) /min）時(shí)的控制?；钊奈灰品答佇盘?hào)由位移傳感器測(cè)量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。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。如圖 28 所示，XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 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。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。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)。 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。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。為了改善低風(fēng)速時(shí)的風(fēng)輪氣動(dòng)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(jī)的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運(yùn)行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。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(jìn)行速度控制。方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪起動(dòng)。 （ 1） 起動(dòng)狀態(tài) 變槳距風(fēng)輪的槳葉在靜止時(shí)，節(jié)距角為 90176。功率元件采用 IGBT 管 ， 一般通過查表獲 得調(diào)節(jié)信號(hào) ： 風(fēng)速 5~7m/s， 風(fēng) 機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速以下(1100~1500RPM)； 風(fēng)速 7~9m/s 風(fēng)機(jī) 工作于同步轉(zhuǎn)速附近 (1500RPM)， 與一般風(fēng)機(jī)工作方式一 致 ； 風(fēng)速 9~15m/s， 風(fēng)機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速以上 (1500~1625RPM)； 風(fēng)速15~25m/s， 風(fēng)機(jī) 工作于負(fù)荷調(diào)節(jié)狀態(tài) ， 根據(jù)功率調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)行為 ， 電機(jī)允許轉(zhuǎn)速范圍為1600~1650RPM?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé) Rf 控制和 轉(zhuǎn)子電流相角。值得指出的是發(fā)電狀態(tài)與電動(dòng)狀態(tài)的 區(qū)別在于轉(zhuǎn)差 s 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 )?？刂?Rf 的值以使 Ef 等于電網(wǎng)頻率。變速風(fēng)機(jī)要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風(fēng)變化 ， 相應(yīng)轉(zhuǎn)子電流頻率 Rf 是不定的。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(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)。工業(yè)控制領(lǐng)域交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)在很多設(shè)備中 已有成熟應(yīng)用。 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略 [9] XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 26 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。針對(duì)這一點(diǎn) ， 提出了 混合失速的 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)概念。風(fēng)速變化頻繁幅度大的狀況出現(xiàn)時(shí)將引起風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作。對(duì)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。因而 ， 變槳距 風(fēng)輪機(jī) 的起動(dòng)風(fēng)速較 定槳距 風(fēng)輪機(jī) 低 ， 但對(duì)功率的貢獻(xiàn)沒有意義 ； 停機(jī)時(shí)對(duì)傳動(dòng)機(jī)械的沖擊應(yīng)力相對(duì)緩和。 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。在額定風(fēng)速以下時(shí) ， 葉片攻角處于零 度附近 ， 此時(shí)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。在大小發(fā)電機(jī)軟切換控制過 程中必須慎重處理。從設(shè)計(jì)的角度考慮 ，葉片的翼形難以做到在失速點(diǎn)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(duì)發(fā)電量有一定影響。定XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 槳矩風(fēng)機(jī)的 功 角一般設(shè)定在 0176。通常系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩個(gè)不同功率 、 不同極對(duì)數(shù)的異 步發(fā)電機(jī)，以滿足不同風(fēng)速的要求。對(duì)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。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(jì)一般在額定功率時(shí) 風(fēng)輪的轉(zhuǎn)換效率 PC在最佳區(qū)段。 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(dòng)異步發(fā)電機(jī) ，并 與電網(wǎng)相連 來發(fā)電的 。但在實(shí)際應(yīng)用中 ， 它卻 受 到了