【正文】 功能很強(qiáng) ,但由于工作不可靠 ,經(jīng)常出故障 ,而出現(xiàn)故障后對(duì)一般用戶來(lái)說(shuō)維修又十分困難，于是這樣一套控制系統(tǒng)可能發(fā)揮不了它應(yīng)有的作用。 我們的目的是希望通過(guò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不出故障或少出故障，并且在出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。 ○ 2 變槳距失速型機(jī)組控制 風(fēng)速超過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定風(fēng)速以上時(shí)，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(guò)載，通過(guò)改變槳葉節(jié)距角和空氣動(dòng)力學(xué)的失速特性，使葉片吸收風(fēng)功率減少或者發(fā)生失速，從而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出。 ○ 4 保護(hù)環(huán)節(jié)以失效保護(hù)為原則進(jìn)行設(shè)計(jì) 自動(dòng)執(zhí)行保護(hù)功能：超速、發(fā)電機(jī)過(guò)載和故障、過(guò)振動(dòng)、電網(wǎng)或負(fù)載丟失、脫網(wǎng)時(shí)的停機(jī)失敗時(shí)。 (2)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的控制要求 ○ 1 開(kāi)機(jī)并網(wǎng)控制 :當(dāng)風(fēng)速 10 分內(nèi)的平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)→軟切入狀態(tài)→機(jī)組并入電網(wǎng)。 ○ 3 普通故障脫網(wǎng)停機(jī) :參數(shù)越限、狀態(tài)異常→普通停機(jī)→剎車→軟脫網(wǎng)→剎機(jī)械閘→計(jì)算機(jī)自行恢復(fù)。 ○ 5 安全鏈動(dòng)作停機(jī)：電控制系統(tǒng)軟保護(hù)控制失敗→硬性停機(jī)→停機(jī)。 ○ 7 對(duì)風(fēng)控制：機(jī)組在工作風(fēng)區(qū)→根據(jù)機(jī)艙的靈敏度→確定偏航的調(diào)整角度?！?dāng) 10 分平均風(fēng)速大于 25m/s 時(shí)或超過(guò)超速上限時(shí)→風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作偏轉(zhuǎn) 90 度控制→氣動(dòng)剎車→脫網(wǎng)→停機(jī)。 ○10 軟切入控制：軟切入、軟脫網(wǎng)→限制導(dǎo)通角→控制發(fā)電機(jī)端的軟切入電流為額定電流的 倍→控制發(fā)電機(jī)端電壓。 ○ 2 過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)：主電路計(jì)算機(jī)電源進(jìn)線端、控制變壓器進(jìn)線和有關(guān)伺服電動(dòng)機(jī)的進(jìn)線端均設(shè)置過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)措施。 ○ 4 過(guò)繼電保護(hù)：運(yùn)行的所有輸出運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的過(guò)熱、過(guò)載保護(hù)控制裝置。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)由風(fēng)能到機(jī)械能和由機(jī)械能到電能兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的裝置。 （ 2）控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理完成機(jī)組的最佳運(yùn)行狀態(tài)管理和控制。 （ 4）大于開(kāi)機(jī)風(fēng)速并且轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能軟切入自動(dòng)并網(wǎng)保 證電流沖擊小于額定電流。 主要完成下列自動(dòng)控制功能： ○ 1 大風(fēng)情況下當(dāng)風(fēng)速達(dá)到停機(jī)風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機(jī)械閘停機(jī)而且在脫網(wǎng)同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航 90176。 ○ 2 為了避免小風(fēng)時(shí)發(fā)行頻繁開(kāi)、停機(jī)現(xiàn)象在并網(wǎng)后 10分內(nèi)不能按風(fēng)速自動(dòng)停機(jī)。 ○ 3 當(dāng)風(fēng)速小于停機(jī)風(fēng)速時(shí)為了避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期逆功率運(yùn)行造成電網(wǎng)損耗應(yīng)自動(dòng)脫網(wǎng)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)的待風(fēng)狀態(tài)。跟風(fēng)精度范圍177。 ○ 5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓機(jī)械閘在并網(wǎng)運(yùn)行、開(kāi)機(jī)和待風(fēng)狀態(tài)下應(yīng)該松開(kāi)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。其余時(shí) 間（運(yùn)行期間、正常和故障停機(jī)期間）均處于歸位狀態(tài)。后機(jī)艙保持與風(fēng)向偏 90176。 15176。如果正在運(yùn)行時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遇到這種情況應(yīng)能自動(dòng)脫網(wǎng)和抱閘剎車停機(jī)此時(shí)偏航機(jī)構(gòu)不會(huì)動(dòng)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(yàn)。 圈系統(tǒng)已設(shè)計(jì)了正 /反向扭纜計(jì)數(shù)器超過(guò)時(shí)自動(dòng)停機(jī)解纜達(dá)到要求時(shí)再自動(dòng)開(kāi)機(jī)恢復(fù)運(yùn)行發(fā)電。 ○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(guò)極限并出現(xiàn)危險(xiǎn)情況應(yīng)該自動(dòng)處理并安全停機(jī)。 發(fā)電機(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。這一缺點(diǎn)可以通過(guò)在發(fā)電機(jī)端并聯(lián)電容器來(lái)改善。本論文的研究對(duì)象中使 用也是異步發(fā)電機(jī) ， 下面我們對(duì)異步機(jī)做以下的簡(jiǎn)單介紹。異步機(jī)作為電動(dòng)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。 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)是利用電磁感應(yīng)原理通過(guò)定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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 /?? (31) 轉(zhuǎn)差率是表證異步機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)基本變量。此時(shí)轉(zhuǎn)子從原動(dòng)機(jī)吸收機(jī) 械功率通過(guò)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)。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。 ○ 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。單位為 KW；也有用視在功率表示的單位為 KVA。這要視用戶的用途、發(fā)電機(jī)功率而確定。永磁交流發(fā)電機(jī)等。 ○ 5 額定功率因數(shù) 發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)其有功功率與視在功率的比值用以下公式來(lái)表示 SP/cos ?? (32) 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)。 ○ 7 額定頻率 發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)其電壓變化的頻率。國(guó)外也有交流電網(wǎng) 60Hz 的。 ○ 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。 ○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(dòng)系統(tǒng)效率 3? 等的積 4321 ????? ???? (34) 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） ? ?eP KW ○ 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(guò)載開(kāi)關(guān) 690 ,660VA ○ 3 自動(dòng)對(duì)風(fēng)偏差范圍 15?? ○ 4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)起、停機(jī)時(shí)間 60S ○ 5 系統(tǒng)測(cè)量精度 %? ○ 6 電纜纏繞 圈自動(dòng)解纜 ○ 7 自動(dòng)解纜時(shí)間 55min ○ 8 手動(dòng)操作響應(yīng)時(shí)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(guò)功率保護(hù)值 連續(xù) ? ?60 eS P KW ○ 6 發(fā)電機(jī)過(guò)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(kāi)關(guān)合上后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器準(zhǔn)備自動(dòng)運(yùn)作。起動(dòng)的第一秒內(nèi)先檢查電網(wǎng)、設(shè)置各個(gè)計(jì)算器、輸出機(jī)構(gòu)初始工作狀態(tài)及晶閘管的開(kāi)通角?，F(xiàn)在恢復(fù)為 0176。計(jì)算機(jī)開(kāi)始時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)參數(shù)、輸入，判斷是否可以并網(wǎng)，判斷參數(shù)有否超過(guò)極限、執(zhí)行偏航、相位補(bǔ)償、機(jī)械制動(dòng)或空氣制動(dòng)。 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。 變槳距風(fēng)輪的葉片在靜止時(shí)節(jié)距角為 90176。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，葉片向 0 度方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)葉片產(chǎn)生一定的功角，風(fēng)輪開(kāi)始起運(yùn)。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。這時(shí)，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。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，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(shí)，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)。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)油缸活塞推動(dòng)變距機(jī)構(gòu)，使葉片節(jié)距角變化。 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(dòng)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(shí) ， 要及時(shí)準(zhǔn)確的 進(jìn)行 調(diào)節(jié) ，以使輸出功率平穩(wěn)。 下 面 概述的風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)的各種 控制策略在國(guó)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)的特性通常用 風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率 Cp尖 速比 λ 曲線來(lái)表示 ， 圖 22 是一條典型的 Cp? 曲線。 根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片的空氣動(dòng)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??? 。由圖中可見(jiàn) ，對(duì)于同 一個(gè) PC 值風(fēng)輪機(jī) 可能運(yùn)行在 A和B 兩個(gè)點(diǎn)， 它們分別對(duì)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(shí) 風(fēng)輪機(jī) 的運(yùn)行點(diǎn)將要發(fā)生變化。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(dòng)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)。 如 圖 24 所示 是理想 風(fēng)輪機(jī)的功率曲線。但在實(shí)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。 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(guò)齒輪增速箱 來(lái) 驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī) ，并 與電網(wǎng)相連 來(lái)發(fā)電的 。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。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。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。定槳矩風(fēng)機(jī)的 功 角一般設(shè)定在 0176。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。在大小發(fā)電機(jī)軟切換控制過(guò) 程中必須慎重處理。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)。 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。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(méi)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。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。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。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。 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。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。這一調(diào)速系統(tǒng)與變槳距環(huán)節(jié)結(jié)合起來(lái) ， 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)。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?？刂?Rf 的值以使 Ef 等于電網(wǎng)頻率。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 )?？刂葡?統(tǒng)負(fù)責(zé) Rf