【正文】 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。 如 圖 24所示 是理想 風(fēng)輪機(jī)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(jì) )，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)。由圖中可見 ， 對于同 一個 PC值風(fēng)輪機(jī) 可能運(yùn)行在 A和 B兩個點(diǎn)， 它們分別對應(yīng)于風(fēng)輪機(jī)的高風(fēng)速運(yùn)行區(qū)和低風(fēng)速 運(yùn)行區(qū) ， 當(dāng)風(fēng)速 發(fā)生變化時 風(fēng)輪機(jī) 的運(yùn)行點(diǎn)將要發(fā)生變化。 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??? 。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XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 線來表示 ， 圖 22 是一條典型的 Cp? 曲線。 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)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(yùn)行 ， 應(yīng)當(dāng)把動能轉(zhuǎn)換作為設(shè)計(jì)策略 的重點(diǎn)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)。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。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)。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(shí)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(jìn)行所謂的XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 速度控制。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(yùn)。 變槳距風(fēng)輪的葉片在靜止時節(jié)距角為 90176。 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。計(jì)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。現(xiàn)在恢復(fù)為 0176。起動的 第一秒內(nèi)先檢查電網(wǎng)、設(shè)置各個計(jì)算器、輸出機(jī)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(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 ○ 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 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 ○ 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(yùn)作。 ○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。 ○ 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。 ○ 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(yùn)行此時控制系統(tǒng)不能供電。跟風(fēng)控制跟風(fēng)范圍177。 ○ 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XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 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。 ○ 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。 15176。 ○ 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)。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)。停機(jī)后待風(fēng)速降低到大風(fēng)開機(jī)風(fēng)速時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又可自動并入電網(wǎng)運(yùn)行。 當(dāng)風(fēng)速在 4～ 7m/s 之間切入小發(fā)電機(jī)組（小于300kW）并網(wǎng)運(yùn)行當(dāng)風(fēng)速在 7～ 30m/s 之間切入大發(fā)電機(jī)組（大于 500kW）并網(wǎng)運(yùn)行。 （ 3）利用計(jì)算機(jī)智能控制實(shí)現(xiàn)機(jī)組的功率優(yōu)化控制定槳距恒速機(jī)組主要進(jìn)行軟切入、軟切出及功率因數(shù)補(bǔ)償控制對變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要進(jìn)行最佳葉尖速比和額定風(fēng)速以上的恒功率控制。風(fēng)輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從風(fēng)能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，在考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制目標(biāo)時應(yīng)結(jié)合它們的運(yùn)行方式，重點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)： （ 1）控制系統(tǒng)保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行同時高質(zhì)量地將不斷變化的風(fēng)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(hù)：金屬部分均要實(shí)現(xiàn)保護(hù)接地。 ○ 3 防雷設(shè) 施及熔絲：控制系統(tǒng)有專門設(shè)計(jì)的防雷保護(hù)裝置。 （ 3）控制保護(hù)要求 ○ 1 主電路保護(hù)：變壓器低壓側(cè)三相四線進(jìn)線處設(shè)置低壓配電低壓斷路器→維護(hù)操作安全和短路過載保護(hù)。 ○ 9 功率調(diào)節(jié)：當(dāng)機(jī)組在額定風(fēng)速以上并網(wǎng)運(yùn)行時→失速型機(jī)組→發(fā)電機(jī)的功率不會超過額定功率的 15%→過載→脫網(wǎng)停機(jī)。 ○ 8 偏轉(zhuǎn) 90 度對風(fēng)控制：機(jī)組在大風(fēng)速或超轉(zhuǎn)速工作時→降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率→安全停機(jī)。 ○ 6 大風(fēng)脫網(wǎng)控制： 10 分平均風(fēng)速大于 25m/s 時→超速、過載→脫網(wǎng)停機(jī)→氣動剎車→偏航控制（ 90 度）→功率 下降后脫網(wǎng)→剎機(jī)械閘→安全停機(jī)→風(fēng)速回到工作風(fēng)速區(qū)后→恢復(fù)自動對風(fēng)→轉(zhuǎn)速上升后→自動并網(wǎng)運(yùn)動。 ○ 4 緊急故障脫網(wǎng)停機(jī) :緊急故障 (飛車、超速、負(fù)荷丟失等 )→緊急停機(jī)→偏航控制（ 90 度）→脫網(wǎng)→機(jī)械剎車。 ○ 2 小 風(fēng) 和逆功率脫網(wǎng) :機(jī)組在待風(fēng)狀態(tài)→ 10 分平均風(fēng)速小于脫網(wǎng)風(fēng)速→脫網(wǎng)→風(fēng)速 再次上升→風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)→并網(wǎng)。保護(hù)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(dá)到XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 18 控制目標(biāo)方面可實(shí)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(fēng)輪 轉(zhuǎn)速、電氣負(fù)荷的連接、起動和停機(jī)過程、電網(wǎng)或負(fù)荷丟失時的停機(jī)、扭 纜 的 限制、機(jī)艙對風(fēng)、運(yùn)行時電量和溫度 的限制。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的控制要求 (1)控制思想 [3] ○ 1 定槳距失速型機(jī)組控制 風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定風(fēng)速以上時，為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組過載 ，通過空氣動力學(xué)的失速特性，使葉片發(fā)生失速，從而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出。因此對于一個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用者來說 ,系統(tǒng)的安全可靠性必須認(rèn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聲譽(yù)。 ○11 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率為風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率 1? 、增速器的效率 2? 、發(fā)電機(jī)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(jì)說明書 17 第二章 風(fēng)力發(fā)電控制 系統(tǒng) 模型的建立 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性已成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風(fēng)電場長期安全可靠運(yùn)行的重大問題。 ○ 9 發(fā)電機(jī)額定溫升 發(fā)電機(jī)在額定功率輸出及額定負(fù)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(fēng)溫的差值。國外也有交流電網(wǎng) 60Hz 的。 ○ 7 額定頻率 發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時其電壓變化的頻率。 ○ 5 額定功率因數(shù) 發(fā)電機(jī)在 額定運(yùn)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(fù)載性質(zhì)有關(guān)。永磁交流發(fā)電機(jī)等。這要視用戶的用途、發(fā)電機(jī)功率而確定。單位為XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 KW；也有用視在功率表示的單位為 KVA。 ○ 2 發(fā)電機(jī)額定功率 發(fā)電機(jī)的額定功率是發(fā)電機(jī)在額定功率因數(shù)下連續(xù)運(yùn)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(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。此時轉(zhuǎn)子從原動機(jī)吸收機(jī)械功率通過電磁感應(yīng)由定子輸出電功率電機(jī)處于發(fā)電機(jī)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個基本變量。 異步機(jī)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(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。 異步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機(jī)的一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。異步機(jī)作為電動機(jī)應(yīng)用非常廣泛異步機(jī)作為發(fā)電機(jī)的情況則比較少。本論文的研究對象中使用也是異步發(fā)電機(jī) ， 下面我們對異步機(jī)做以下的簡單介紹。這一缺點(diǎn)可以通過在發(fā)電機(jī)端并聯(lián)電容器來改善。 發(fā)XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 電機(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。 （ 3）轉(zhuǎn)矩系數(shù) TC 和推力系數(shù) FC 為了便于把氣流作用下的風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和推力進(jìn)行比較常以 ? 為變量作成轉(zhuǎn)矩和推力的變化曲線 ， 因此轉(zhuǎn)矩和推力也要無因次化。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性系數(shù) 貝茨理論提供了風(fēng)能的基本理論，但在討論風(fēng)輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換與控制時有幾個特性系數(shù)具有特別重要的意義。貝茨理論說明理想的風(fēng)能對風(fēng)輪葉片做功的最高效率是 ％。 從風(fēng)能公式可以看出風(fēng)能的大小與氣流密度和通過的面積成正比，與氣流 速度成正比，其中 ? 和 v 隨地理位置、海拔、地形等因素而變。 如果假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得 VVSSVVS ??? 2211 (13) 由流體力學(xué)可知?dú)饬鞯膭幽転? mvT? (14) 設(shè)單位時間內(nèi)氣流流過載面積為 s 的氣體的體積為 V，則 svV? 。 如圖 13 所示，我們分析一個放置在移動的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動的空氣對風(fēng)輪葉片所做的功。貝茨理論的建立依據(jù)的假設(shè)條件是假定風(fēng)輪是理想的，能全部接受風(fēng)能并且沒有輪轂，葉片是無限多 ， 對 氣流沒有任何阻力。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 貝茨 (Betz)理論 世界上第一個關(guān)于風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的比較