【正文】 上面 的風輪機 直接由追求 PC 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。針對這一點 ， 提出了 混合失速的風機設(shè)計概念。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。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。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。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。在大小發(fā)電機軟切換控制過 程中必須慎重處理。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。定XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 22 槳矩風機的 功 角一般設(shè)定在 0176。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。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。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 PC在最佳區(qū)段。 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 。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。 如 圖 24所示 是理想 風輪機的功率曲線。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 PP SC V??機械 (22) 式 中 P機械 是氣動功率 (W)； ? 是空氣密度 (kg/m3)； A 是掃掠面積 (m2)； PC 是風輪機的功 率系數(shù)。由圖中可見 ， 對于同 一個 PC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。 根據(jù)風機葉片的空氣動力特性， 風能轉(zhuǎn)換效率 PC 是尖速比 λ 和槳矩 β 的函數(shù) ， 即? ?,PCf??? 。風輪機的特性通常用 風能轉(zhuǎn)換效率 Cp尖速比 λ 曲XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 20 線來表示 ， 圖 22 是一條典型的 Cp? 曲線。 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)。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。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)。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。根據(jù)給定的速度參考值調(diào)整節(jié)距角，進行所謂的XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 19 速度控制。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。 變槳距風輪的葉片在靜止時節(jié)距角為 90176。 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。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 ?，F(xiàn)在恢復為 0176。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。 控制系統(tǒng)主要參數(shù) （ 1）主要技術(shù)參數(shù) ○ 1 主發(fā)電機輸出功率（額定） ? ?ePKW ○ 2 發(fā)電機最大輸出功率 ? ? KW ○ 3 工作風速范圍 4 25 /ms? ○ 4 額定風速 ? ?/eVms ○ 5 切入風速（ 1min 平均值） 4/ms ○ 6 切出風速（ 1min 平均值） 25/ms ○ 7 風輪轉(zhuǎn)速 ? ?/minNr ○ 8 發(fā)電機并網(wǎng)轉(zhuǎn)速 1 0 0 0 / 1 5 0 0 2 0 / m inr? ○ 9 發(fā)電機輸出電壓 10%V? ○ 10 發(fā)電機發(fā)電頻率 50 Hz? ○ 11 并網(wǎng)最大沖擊電流（有效值） ○ 12 電容補償后功率因數(shù) ? （ 2）控制指標及效果 ○ 1 方式 專用微控制器 ○ 2 過載開關(guān) 690 ,660VA ○ 3 自動對風偏差范圍 15?? ○ 4 風力發(fā)電機組自動起、停機時間 60S XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 18 ○ 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)保護功能 ○ 1 超電壓保護范圍 連續(xù) ? ?30 eS U V ○ 2 欠電流保 護范圍 連續(xù) ? ?30 eS I A ○ 3 風輪轉(zhuǎn)速極限 40 /minr ○ 4 發(fā)電機轉(zhuǎn)速極限 1800 /minr ○ 5 發(fā)電機過功率保護值 連續(xù) ? ?60 eS P KW ○ 6 發(fā)電機過電流保護值 連續(xù) ? ?30 eS I A ○ 7 大風保護風速 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，風力發(fā)電機組控制器準備自動運作。 ○10 風力發(fā)電機組應(yīng)具有手動控制功 能（包括遠程遙控手操）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。 ○ 9 風力發(fā)電機組塔架內(nèi)的懸掛電纜只允許扭轉(zhuǎn)177。 ○ 8 在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下風力發(fā)電機組應(yīng)停止運行此時控制系統(tǒng)不能供電。跟風控制跟風范圍177。 ○ 7 在大風停機和超速停機的情況下風力發(fā)電機組除了應(yīng)該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 17 閘停機外還應(yīng)該自動投入偏航控制使風力發(fā)電機組的機艙軸心線與風向成一定的角度增加風力發(fā)電機組脫網(wǎng)的安全度待機艙轉(zhuǎn)約 90176。 ○ 6 風力發(fā)電機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。 15176。 ○ 4 當風速大于開機風速要求風力發(fā)電機組的偏航機構(gòu)始終能自動跟風。同樣在小風自動脫網(wǎng)停機后 5 分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。停機后待風速降低到大風開機風速時風力發(fā)電機組又可自動并入電網(wǎng)運行。當風速在 4～ 7m/s 之間切入小發(fā)電機組（小于300kW）并網(wǎng)運行當風速在 7～ 30m/s 之間切入大發(fā)電機組（大于 500kW）并網(wǎng)運行。 （ 3）利用計算機智能控制實現(xiàn)機組的功率 優(yōu)化控制定槳距恒速機組主要進行軟切入、軟切出及功率因數(shù)補償控制對變槳距風力發(fā)電機組主要進行最佳葉尖速比和額定風速以上的恒功率控制。風輪系統(tǒng)實現(xiàn)了從風能到機械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機和控制系統(tǒng)則實現(xiàn)了從機械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，在考慮風力發(fā)電機組控制目標時應(yīng)結(jié)合它們的運行方式，重點實現(xiàn)以下目標： （ 1）控制系統(tǒng)保持風力發(fā)電機組安全可靠運行同時高質(zhì)量地將不斷變化的風能轉(zhuǎn)化為頻率、電壓恒定的交流電送入電網(wǎng)。 ○ 5 接地保護：金屬部分均要實現(xiàn)保護接地。 ○ 3 防雷設(shè)施及熔絲：控制系統(tǒng)有專門設(shè)計的防雷保護裝置。 （ 3）控制保護要求 ○ 1 主電路保護：變壓器低壓側(cè)三相四線進線處設(shè)置低 壓配電低壓斷路器→維護操作安全和短路過載保護。 ○ 9 功率調(diào)節(jié)：當機組在額定風速以上并網(wǎng)運行時→失速型機組→發(fā)電機的功率不會超過額定功率的 15%→過載→脫網(wǎng)停機。 ○ 8 偏轉(zhuǎn) 90 度對風控制：機組在大風速或超轉(zhuǎn)速工作時→降低風 力發(fā)電機組的功率→安全停機。 ○ 6 大風脫網(wǎng)控制： 10 分平均風速大于 25m/s 時→超速、過載→脫網(wǎng)停機→氣動剎車→偏航控制（ 90 度）→功率下降后脫網(wǎng)→剎機械閘→安全停機→風速回到工作風速區(qū)后→恢復自動對風→轉(zhuǎn)速上升后→自動并網(wǎng)運動。 ○ 4 緊急故障脫網(wǎng)停機 :緊急故障 (飛車、超速、負荷丟失等 )→緊急停機→偏航控制（ 90 度）→脫網(wǎng)→機械剎車 。 ○ 2 小 風 和逆功率脫網(wǎng) :機組在待風狀態(tài)→ 10 分平均風速小于脫網(wǎng)風速→脫網(wǎng)→風速再次上升→風機旋轉(zhuǎn)→并網(wǎng)。保護環(huán)節(jié)為多級安全鏈互鎖在控制過程中具有“與”的功能在達到XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 15 控制目標方面可實現(xiàn)邏輯“或”結(jié)果。 ○ 3 控制功能和控制參數(shù) 節(jié)距限制、功率限制、風輪 轉(zhuǎn)速、電氣負荷的連接、起動和停機過程、電網(wǎng)或負荷丟失時的停機、扭 纜 的 限制、機艙對風、運行時電量和溫度的限制。 風力發(fā)電機組的基本控制要求 風力發(fā)電機組運行的控制要求 (1)控制思想 [3] ○ 1 定槳距失速型機組控制 風速超過風力發(fā)電機組額定風速以上時，為確保風力發(fā)電機組輸出功率不再增加，導致風力發(fā)電機組過載，通過空氣動力學的失速特性，使葉片發(fā)生失速，從而控制風力發(fā)電機組的功率輸出。因此對于一個風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計和使用者來說 ,系統(tǒng)的安全可靠性必須認真加以考慮 ,必須引起足夠的重視。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風力發(fā)電機組的聲譽。 ○11 風力發(fā)電機的全效率 風力發(fā)電機的全效率為風輪葉片接受風能的效率 1? 、增速器的效率 2? 、發(fā)電機的效率 3? 、傳動系統(tǒng)效率 3? 等的積 4321 ????? ???? (125) XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 14 第二章 風力發(fā)電控制 系統(tǒng) 模型的建立 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性已成為風力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風電場長期安全可靠運行的重大問題。 ○ 9 發(fā)電機額定溫升 發(fā)電機在額定功率輸出及額定負載下定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組允許的最高溫度與額定入口風溫的差值。國外也有交流電網(wǎng) 60Hz 的。 ○ 7 額定頻率 發(fā)電機額定運行時其電壓變化的頻率。 ○ 5 額定功率因數(shù) 發(fā)電機在額定運行時其有功功率與視在功率的比值用以下公式來表示 SP/cos ?? (123) P 為有功功率 KW， S 為視在功率 KVA， cos 與負載性質(zhì)有關(guān)。永磁交流發(fā)電機等。這要視用戶的用途、發(fā)電機功率而確定。單位為XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 13 KW；也有用視在功率表示的單位為 KVA。 ○ 2 發(fā)電機額定功率 發(fā)電機的額定功率是發(fā)電機在額定功率因數(shù)下連續(xù)運行而輸出的功率它是由用戶提出或由不同的使用目的而確定的。風輪額定轉(zhuǎn)速也是風力發(fā)電機設(shè)計的重要參數(shù)之一。此時轉(zhuǎn)子從原動機吸收機械功率通過電磁感應(yīng)由定子輸出電功率電機處于發(fā)電機狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 sn 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 之間的差為轉(zhuǎn)差 ， 轉(zhuǎn)差n 與同步轉(zhuǎn)速 sn 的比值稱為轉(zhuǎn)差率用 S 表示 ? ? ss nnnS /?? (122) 轉(zhuǎn)差率是表證異步機運行狀態(tài)的一個基本變量。 異步機是利用電磁感應(yīng)原理通過定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以進行能量轉(zhuǎn)換。 異步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機的一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大