風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制設(shè)計(jì)摘要風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電在控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。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(chǎng)長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的重大問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，尤其是一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制與檢測(cè)系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上的要求是不困難的。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)。有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的功能很強(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。因此對(duì)于一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用者來(lái)說(shuō),系統(tǒng)的安全可靠性必須認(rèn)真加以考慮,

2、必須引起足夠的重視。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。關(guān)鍵詞 ： 風(fēng)力發(fā)電的基本原理； 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論 ； 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)； 風(fēng)輪機(jī)的氣動(dòng)特性； 變槳距控制系統(tǒng)。1緒論1.1國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)風(fēng)能屬于可再生能源，具有取之不盡、用之不竭、無(wú)污染的特點(diǎn)。人類面臨的能源、環(huán)境兩大緊迫問(wèn)題使風(fēng)能的利用日益受到重視。我國(guó)的風(fēng)能資源豐富，可利用的潛能很大，大力發(fā)展風(fēng)、水電是我國(guó)長(zhǎng)期的能源政策。而其中風(fēng)電是可再生能源中最具發(fā)展?jié)摿蜕虡I(yè)開發(fā)價(jià)值的能源方式。從20世紀(jì)8

3、0年代問(wèn)世的現(xiàn)代并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，只經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，世界上已有近50個(gè)國(guó)家開發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場(chǎng)(是前期總數(shù)的3倍)，2002年底，風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量約31128兆瓦(是前期總數(shù)的300倍)。2005年以來(lái)，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量年平均增長(zhǎng)率為27.3%，新增裝機(jī)容量年平均增長(zhǎng)率為36.1%，保持著世界增長(zhǎng)最快能源的地位。2010年全球裝機(jī)容量達(dá)196630MW，新裝機(jī)容量37642MW，比去年同期增長(zhǎng)23.6%。目前，德國(guó)、西班牙和意大利三國(guó)的風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量約占到歐洲總量的65%。近年來(lái)，在歐洲大力發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的國(guó)家還有法國(guó)、英國(guó)、葡萄牙、丹麥、荷蘭、奧地利、瑞典、愛爾蘭。歐洲之外，發(fā)展風(fēng)電的

4、主要國(guó)家有美國(guó)、中國(guó)、印度、加拿大和日本。迄今為止，世界上已有82個(gè)國(guó)家在積極開發(fā)和應(yīng)用風(fēng)能資源。海上風(fēng)力資源條件優(yōu)于陸地，將風(fēng)電場(chǎng)從陸地向近海發(fā)展在歐洲已經(jīng)成為一種新的趨勢(shì)。有人把風(fēng)電的發(fā)展規(guī)劃為3步曲，陸上風(fēng)電技術(shù)（當(dāng)前技術(shù)）一近海風(fēng)電技術(shù)（正研發(fā)技術(shù)）一海上風(fēng)電技術(shù)（未來(lái)發(fā)展方向）。2010年北美的裝機(jī)容量有顯著下降，美國(guó)年度裝機(jī)容量首度不及中國(guó)；多數(shù)西歐國(guó)家風(fēng)能發(fā)展處于飽和階段，但風(fēng)能產(chǎn)業(yè)在東歐國(guó)家得到顯著發(fā)展；非洲風(fēng)能發(fā)展主要集中在北非。隨著海上風(fēng)電的迅速發(fā)展，單機(jī)容量為3 -6MW的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)開始進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)行。美國(guó)7MW風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)研制成功，正在研制10MW機(jī)組；英國(guó)10MW機(jī)

5、組也正在進(jìn)行設(shè)計(jì)，挪威正在研制 14MW的機(jī)組，歐盟正在考慮研制20MW的風(fēng)電機(jī)組，全球各主要風(fēng)電機(jī)組制造廠家都在為未來(lái)更大規(guī)模的海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)做前期開發(fā)。1.1.1世界上風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀近年來(lái)，世界風(fēng)電發(fā)展持續(xù)升溫，速度加快?，F(xiàn)主要以德國(guó)、西班牙、丹麥和美國(guó)的一些公司為代表，大規(guī)模地促進(jìn)了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)化和風(fēng)機(jī)設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展。經(jīng)過(guò)四、五年時(shí)間的整合，國(guó)際上風(fēng)機(jī)制造業(yè)大約有十幾家比較好的大企業(yè)。2003年底，全世界風(fēng)電是3800萬(wàn)千瓦左右，而2003年一年就增加了400多萬(wàn)千瓦，僅德國(guó)到2003年底的裝機(jī)容量就有1600萬(wàn)千瓦，其次是西班牙、美國(guó)、丹麥等國(guó)。國(guó)外風(fēng)電的發(fā)展趨勢(shì)，一是發(fā)展速度加快，二是

6、風(fēng)機(jī)機(jī)組從小型化向大型化發(fā)展,海上風(fēng)電廠是下一步發(fā)展的主流。全世界風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量:1981年為105萬(wàn)kW,1994年為350萬(wàn)kW,1995年達(dá)到490萬(wàn)kW,1996年底為607萬(wàn)kW,1997年升至780萬(wàn)kW,1998年已達(dá)到968.9萬(wàn)kW,2000年5月已超過(guò)1429萬(wàn)kWa德國(guó)風(fēng)力發(fā)電在裝機(jī)容量方面居于世界領(lǐng)先地位，2000年5月已達(dá)到4635萬(wàn)kW;丹麥?zhǔn)情_發(fā)風(fēng)電最早的國(guó)家，而且當(dāng)前在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和生產(chǎn)方面等仍處于領(lǐng)先地位，全國(guó)裝機(jī)容量148萬(wàn)kW，占發(fā)電總裝機(jī)容量的5%以上。國(guó)際上許多國(guó)家都制定了新世紀(jì)的風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃，歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)己制定出2020年歐洲風(fēng)能裝機(jī)容量1.0X

7、 lOSMW的目標(biāo)，并寫入了歐共體關(guān)于可再生能源的白皮書;歐洲風(fēng)能委員會(huì)CEWER)對(duì)I99I年歐洲風(fēng)能發(fā)展目標(biāo)作了修改，新的EWEA目標(biāo)是:歐洲風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量到2000年約為8000MW,2010年為100000MW。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和丹麥能源與發(fā)展論壇的研究報(bào)告表明:在20年內(nèi)風(fēng)力發(fā)電可以滿足世界電力需求量的10%。1.1.2我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀風(fēng)能資源作為一種可再生能源取之不盡，中國(guó)更是風(fēng)能大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)風(fēng)能的技術(shù)開發(fā)量可達(dá)3億千瓦-6億千瓦，而且中國(guó)風(fēng)能資源分布集中，有利于大規(guī)模的開發(fā)和利用。據(jù)考察中國(guó)的風(fēng)能資源主要集中在兩個(gè)帶狀地區(qū)，一條是“三北（東北、華北、西北）地區(qū)豐富帶”即西北

8、、華北和東北的草原和戈壁地帶；另一條是“沿海及其島嶼地豐富帶”，即東部和東南沿海及島嶼地帶。這些地區(qū)一般都缺少煤炭等常規(guī)能源并且在時(shí)間上冬春季風(fēng)大、降雨量少，夏季風(fēng)小、降雨量大，而風(fēng)電正好能夠彌補(bǔ)火電的缺陷并與水電的枯水期和豐水期有較好的互補(bǔ)性。80年代初，200千瓦風(fēng)機(jī)的研制開發(fā)工作開始實(shí)施。從90年代初期在山東容城建設(shè)了第一個(gè)商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電廠，到2010年底，中國(guó)以約4182.7萬(wàn)千瓦的累積風(fēng)電裝機(jī)容量首次超越美國(guó)位居世界第一，較2009年同比大增62%。按照國(guó)家電網(wǎng)此前出具的研究報(bào)告，到2015年，電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)可吸納風(fēng)電上網(wǎng)的規(guī)模達(dá)1億千瓦，到2020年可達(dá)1.5億千瓦。受國(guó)際風(fēng)電發(fā)展

9、大型化趨勢(shì)的驅(qū)使，國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)取得了不俗的成果。2005年，中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)新安裝的MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組（1MW）僅占當(dāng)年新增裝機(jī)容量的21.5%。隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)量的增加，2007年MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量占到當(dāng)年新增市場(chǎng)的51%，2008年占到72.8%，2009年占到86.8%。2009年中國(guó)在多MW級(jí)（2MW）風(fēng)電機(jī)組研制方面取得新的成果，如金風(fēng)科技股份研制的2.5MW和3MW的風(fēng)電機(jī)組已在風(fēng)電場(chǎng)投入試運(yùn)行；華銳風(fēng)電科技股份研制的3MW海上風(fēng)電機(jī)組已在東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電；由沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研制的3MW風(fēng)電機(jī)組也已經(jīng)成功下線。此外，中國(guó)華銳、金風(fēng)、東汽、海裝、湘電等企業(yè)已開始研制

10、單機(jī)容量為5MW的風(fēng)電機(jī)組。中國(guó)開始全面邁進(jìn)多MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組研制的領(lǐng)域。2010年，國(guó)際上公認(rèn)中國(guó)很難建成自主化的海上風(fēng)電項(xiàng)目，然而，華銳風(fēng)電科技集團(tuán)中標(biāo)的上海東海大橋項(xiàng)目，用完全中國(guó)自主的技術(shù)和產(chǎn)品，用兩年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)，并于2010年成功投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，令世界風(fēng)電行業(yè)震驚。報(bào)告預(yù)測(cè)，2013年，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)量很可能達(dá)到16.6千兆瓦，在2014年達(dá)到17千兆瓦，2015年達(dá)到18千兆瓦。按照這個(gè)增長(zhǎng)速度，中國(guó)在2015年末風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)達(dá)到1億千瓦的目標(biāo)將提前一年實(shí)現(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電在控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。1.1.3論文主要內(nèi)容的簡(jiǎn)介風(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)

11、力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的重大問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，尤其是一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制與檢測(cè)系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上的要求是不困難的。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)。有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的功能很強(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。因此對(duì)于一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用者來(lái)說(shuō),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。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

12、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 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理2.1 風(fēng)力發(fā)電的基本原理2.1.1 風(fēng)力發(fā)電的基本原理風(fēng)能具有一定的動(dòng)能，通過(guò)風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)增速器將旋轉(zhuǎn)的速度提高來(lái)促使發(fā)電機(jī)發(fā)電的。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約3m/s的微風(fēng)速度便可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理說(shuō)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，最簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由葉片和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成如圖1-1所示。空氣流動(dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而推動(dòng)片葉旋轉(zhuǎn)，如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連就會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電來(lái)。2.1.2 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)（1）可再生的潔凈

13、能源風(fēng)力發(fā)電是一種可再生的潔凈能源，不消耗化石資源也不污染環(huán)境，這是火力發(fā)電所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。（2）建設(shè)周期短一個(gè)十兆瓦級(jí)的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期不到一年。（3）裝機(jī)規(guī)模靈活可根據(jù)資金情況決定一次裝機(jī)規(guī)模，有一臺(tái)資金就可以安裝一臺(tái)投產(chǎn)一臺(tái)。（4）可靠性高把現(xiàn)代高科技應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性從80年代的50%提高到了98%，高于火力發(fā)電且機(jī)組壽命可達(dá)20年。（5）造價(jià)低 從國(guó)外建成的風(fēng)電場(chǎng)看，單位千瓦造價(jià)和單位千瓦時(shí)電價(jià)都低于火力發(fā)電，和常規(guī)能源發(fā)電相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)由于中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部從國(guó)外引進(jìn)，造價(jià)和電價(jià)相對(duì)比火力發(fā)電高，但隨著大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)

14、國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，在不久的將來(lái)風(fēng)力發(fā)電的造價(jià)和電價(jià)都將低于火力發(fā)電。（6）運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單現(xiàn)代中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動(dòng)化水平很高，完全可以在無(wú)人職守的情況下正常工作，只需定期進(jìn)行必要的維護(hù)，不存在火力發(fā)電的大修問(wèn)題。（7）實(shí)際占地面積小發(fā)電機(jī)組與監(jiān)控、變電等建筑僅占火電廠1%的土地，其余場(chǎng)地仍可供農(nóng)、牧、漁使用。（8）發(fā)電方式多樣化風(fēng)力發(fā)電既可并網(wǎng)運(yùn)行，也可以和其他能源如柴油發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、水利發(fā)電機(jī)組形成互補(bǔ)系統(tǒng)，還可以獨(dú)立運(yùn)行，因此對(duì)于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的用電問(wèn)題提供了現(xiàn)實(shí)可行性。（9）單機(jī)容量小由于風(fēng)能密度低決定了單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量不可能很大，與現(xiàn)在的火力發(fā)電機(jī)組和核電機(jī)組無(wú)法相比。另外風(fēng)況是不穩(wěn)

15、定的，有時(shí)無(wú)風(fēng)有時(shí)又有破壞性的大風(fēng)，這都是風(fēng)力發(fā)電必須解決的實(shí)際問(wèn)題。2.2 風(fēng)資源及風(fēng)輪機(jī)概述2.2.1 風(fēng)資源概述（1）風(fēng)的起源風(fēng)的形成乃是空氣流動(dòng)的結(jié)果。風(fēng)就是水平運(yùn)動(dòng)的空氣，空氣運(yùn)動(dòng)主要是由于地球上各緯度所接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不同而形成的。大氣的流動(dòng)也像水流一樣，是從壓力高處往壓力低處流，太陽(yáng)能正是形成大氣壓差的原因。由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)軸之間存在665的夾角，因此對(duì)地球上不同地點(diǎn)太陽(yáng)照射角度是不同的，而且對(duì)同一地點(diǎn)一年中這個(gè)角度也是變化的。地球上某處所接受的太陽(yáng)輻射能與該地點(diǎn)太陽(yáng)照射角的正弦成正比。（2）風(fēng)的參數(shù)風(fēng)向和風(fēng)速是兩個(gè)描述風(fēng)的重要參數(shù)。風(fēng)向是指風(fēng)吹來(lái)的方向，如果風(fēng)是

16、從東方吹來(lái)就稱為東風(fēng)。風(fēng)速是表示風(fēng)移動(dòng)的速度即單位時(shí)間內(nèi)空氣流動(dòng)所經(jīng)過(guò)的距離。風(fēng)速是指某一高度連續(xù)10min所測(cè)得各瞬時(shí)風(fēng)速的平均值。一般以草地上空10m高處的10min內(nèi)風(fēng)速的平均值為參考。風(fēng)玫瑰圖是一個(gè)給定地點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)向分布圖。通過(guò)它可以得知當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。（3）風(fēng)能的基本情況1風(fēng)能的特點(diǎn)風(fēng)能的特點(diǎn)主要有：能量密度低、不穩(wěn)定性、分布不均勻、可再生、須在有風(fēng)地帶、無(wú)污染、分布廣泛、可分散利用、另外不須能源運(yùn)輸、可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等。 風(fēng)能資源的估算風(fēng)能的大小實(shí)際就是氣流流過(guò)的動(dòng)能，因此可以推導(dǎo)出氣流在單位時(shí)間內(nèi)垂直流過(guò)單位截面積的風(fēng)能，即風(fēng)功率為 (1-1)式中 為風(fēng)能(w)；為空氣

17、密度(kg/m)；為風(fēng)速(m/s)。由于風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量，必須通過(guò)一段時(shí)間的觀測(cè)來(lái)了解它的平均狀況，一個(gè)地方風(fēng)能潛力的多少要視該地常年平均風(fēng)能密度的大小。因此需要求出在一段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)能密度，這個(gè)值可以將風(fēng)能密度公式對(duì)時(shí)間積分后平均來(lái)求得。在風(fēng)速V的概率分布p(V)知道后，平均風(fēng)能密度還可根據(jù)下式求得 （1-2）2.2.2 風(fēng)輪機(jī)的理論4風(fēng)輪機(jī)又稱為風(fēng)車，是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)輪機(jī)的類型很多通常將其分為水平軸風(fēng)輪機(jī)垂直軸風(fēng)輪機(jī)和特殊風(fēng)輪機(jī)三大類。但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)輪機(jī)。2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成2.3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類5風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

18、是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，按其容量分可分為：小型（10kw以下）、中型（10100kw）和大型（100kw以上）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。按主軸與地面相對(duì)位置又可分為：水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前世界各國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為成功的一種形式，主要優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)輪可以架設(shè)到離地面較高的地方，從而減少了由于地面擾動(dòng)對(duì)風(fēng)輪動(dòng)態(tài)特性的影響。它的主要機(jī)械部件都在機(jī)艙中，如主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、液壓系統(tǒng)及調(diào)向裝置等。而生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國(guó)家很少，主要原因是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率低，需啟動(dòng)設(shè)備，同時(shí)還有些技術(shù)問(wèn)題尚待解決。在本文中以后不做特殊說(shuō)明時(shí)所指的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組即為大中型的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

19、2.3.2 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機(jī)艙機(jī)座回轉(zhuǎn)體制動(dòng)器等）組成的。(1)機(jī)艙機(jī)艙包含著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)等。 (2)風(fēng)輪葉片安裝在輪轂上稱作風(fēng)輪，它包括葉片、輪轂、主軸等。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最關(guān)鍵的部件，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)上每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的測(cè)量長(zhǎng)度大約為20米葉片數(shù)通常為2枚或3枚，大部分轉(zhuǎn)子葉片用玻璃纖維強(qiáng)化塑料（GRP）制造。葉片可分為變漿距和定漿距兩種葉片，其作用都是為了調(diào)速，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的額定風(fēng)速時(shí)，在風(fēng)輪上就要采取措施，以保證風(fēng)

20、力發(fā)電機(jī)的輸出功率不會(huì)超過(guò)允許值。輪轂是連接葉片和主軸的零部件。輪轂一般由鑄鋼或鋼板焊接而成，其中不允許有夾渣、砂眼、裂紋等缺陷，并按槳葉可承受的最大離心力載荷來(lái)設(shè)計(jì)。主軸也稱低速軸，將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起，由于承受的扭矩較大，其轉(zhuǎn)速一般小于50r/min，一般由40Cr或其他高強(qiáng)度合金鋼制成。圖1.2（3）增速器增速器就是齒輪箱，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件之一。由于風(fēng)輪機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速下，為實(shí)現(xiàn)匹配采用增速齒輪箱。使用齒輪箱可以將風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的較低轉(zhuǎn)速、較高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電機(jī)上的較高轉(zhuǎn)速、較低轉(zhuǎn)矩。（4）聯(lián)軸器增速器與發(fā)電機(jī)之間用聯(lián)軸器連接，為了減少占地空間，往往聯(lián)

21、軸器與制動(dòng)器設(shè)計(jì)在一起。（5）制動(dòng)器制動(dòng)器是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置，也稱剎車。（6）發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最關(guān)鍵的部件，是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。發(fā)電機(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。大型風(fēng)電機(jī)（100-150千瓦）通常產(chǎn)生690伏特的三相交流電。然后電流通過(guò)風(fēng)電機(jī)旁的變壓器（或在塔內(nèi)），電壓被提高至1-3萬(wàn)伏，這取決于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)上常用的發(fā)電機(jī)有以下幾種： 直流發(fā)電機(jī)，常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。 永磁發(fā)電機(jī)，常用在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。現(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)發(fā)明了交流電壓440/240V的高效永磁交流發(fā)電機(jī)，可以做成多對(duì)極低轉(zhuǎn)速的，特別適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 同步或異步交流發(fā)電

22、機(jī)，它的電樞磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)不同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速略低，當(dāng)并網(wǎng)時(shí)轉(zhuǎn)速應(yīng)提高。 （7）塔架塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支架。塔架有型鋼架結(jié)構(gòu)的，有圓錐型鋼管和鋼筋混凝土的等三種形式，風(fēng)電機(jī)塔載有機(jī)艙及轉(zhuǎn)子。 （8）調(diào)速裝置風(fēng)速是變化的，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨風(fēng)速的變化而變化。為了使風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)所需要額定轉(zhuǎn)速下的裝置稱為調(diào)速裝置，調(diào)速裝置只在額定風(fēng)速以上時(shí)調(diào)速。目前世界各國(guó)所采用的調(diào)速裝置主要有以下幾種：可變漿距的調(diào)速裝置；定漿距葉尖失速控制的調(diào)速裝置；離心飛球調(diào)速裝置；空氣動(dòng)力調(diào)速裝置；扭頭、仰頭調(diào)速裝置。（9）調(diào)向（偏航）裝置調(diào)向裝置就是使風(fēng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一直使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的裝置。借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙以使轉(zhuǎn)子正

23、對(duì)著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過(guò)風(fēng)向標(biāo)來(lái)感覺風(fēng)向。通常在風(fēng)改變其方向時(shí)，風(fēng)電機(jī)一次只會(huì)偏轉(zhuǎn)幾度。 （10）風(fēng)力發(fā)電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)11風(fēng)力發(fā)電機(jī)的微機(jī)控制屬于離散型控制，是將風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速計(jì)、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電壓、頻率、電流、發(fā)電機(jī)溫升、增速器溫升、機(jī)艙振動(dòng)、塔架振動(dòng)、電纜過(guò)纏繞、電網(wǎng)電壓、電流、頻率等傳感器的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，輸送給單片機(jī)再按設(shè)計(jì)程序給出各種指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)調(diào)向、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)解列、運(yùn)行中機(jī)組故障的自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng)電纜解繞、過(guò)振動(dòng)停機(jī)、過(guò)大風(fēng)停機(jī)等的自動(dòng)控制。自我故障診斷及微機(jī)終端故障輸出需維修的故障，由維修人員維修后給微機(jī)以指令，微機(jī)再執(zhí)行自動(dòng)

24、控制程序。風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組群可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風(fēng)機(jī)會(huì)在微機(jī)總站的微機(jī)終端和顯示器上讀出、調(diào)出程序和修改程序等，使現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)真正實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人職守的自動(dòng)控制。（11）電纜扭纜計(jì)數(shù)器電纜是用來(lái)將電流從風(fēng)電機(jī)運(yùn)載到塔下的重要裝置。但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)偶然沿一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)太長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，電纜將越來(lái)越扭曲，導(dǎo)致電纜扭斷或出現(xiàn)其他故障。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)配備有電纜扭曲計(jì)數(shù)器，用于提醒操作員應(yīng)該將電纜解開了。風(fēng)力發(fā)電機(jī)還會(huì)配備有拉動(dòng)開關(guān)在電纜扭曲太厲害時(shí)被激發(fā)，斷開裝置或剎車停機(jī)，然后解纜。3 風(fēng)力發(fā)電電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(chǎng)長(zhǎng)期

25、安全可靠運(yùn)行的重大問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，尤其是一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制與檢測(cè)系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上的要求是不困難的。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)。有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的功能很強(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。因此對(duì)于一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用者來(lái)說(shuō),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。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

26、工作。3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求3.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的控制要求(1) 控制思想3定槳距失速型機(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)空氣動(dòng)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。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?？刂乒δ芎涂刂茀?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(dòng)和停機(jī)過(guò)程、電網(wǎng)或負(fù)荷丟失

27、時(shí)的停機(jī)、扭纜的限制、機(jī)艙對(duì)風(fēng)、運(yùn)行時(shí)電量和溫度的限制。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)。保護(hù)環(huán)節(jié)為多級(jí)安全鏈互鎖在控制過(guò)程中具有“與”的功能在達(dá)到控制目標(biāo)方面可實(shí)現(xiàn)邏輯“或”結(jié)果。(2) 自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的控制要求開機(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)。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)。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)。緊急故障脫網(wǎng)停機(jī):緊急故障(飛車、超速、負(fù)荷丟失

28、等)緊急停機(jī)偏航控制（90度）脫網(wǎng)機(jī)械剎車。 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)。大風(fēng)脫網(wǎng)控制：10分平均風(fēng)速大于25m/s時(shí)超速、過(guò)載脫網(wǎng)停機(jī)氣動(dòng)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(dòng)對(duì)風(fēng)轉(zhuǎn)速上升后自動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)動(dòng)。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。偏轉(zhuǎn)90度對(duì)風(fēng)控制：機(jī)組在大風(fēng)速或超轉(zhuǎn)速工作時(shí)降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率安全停機(jī)。當(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)。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(shí)失速型機(jī)組發(fā)電機(jī)的功率不會(huì)超過(guò)額定功率的15%過(guò)載脫網(wǎng)

29、停機(jī)。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1.5倍控制發(fā)電機(jī)端電壓。（3）控制保護(hù)要求主電路保護(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(guò)載保護(hù)。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。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。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。接地保護(hù)：金屬部分均要實(shí)現(xiàn)保護(hù)接地。3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理3.2.1 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

30、過(guò)程的裝置。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(guò)程，在考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制目標(biāo)時(shí)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(shí)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)。（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。（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(duì)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。（4）大于開機(jī)風(fēng)速并且轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)

31、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。當(dāng)風(fēng)速在47m/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730m/s之間切入大發(fā)電機(jī)組（大于500kW）并網(wǎng)運(yùn)行。主要完成下列自動(dòng)控制功能：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90。停機(jī)后待風(fēng)速降低到大風(fēng)開機(jī)風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又可自動(dòng)并入電網(wǎng)運(yùn)行。為了避免小風(fēng)時(shí)發(fā)行頻繁開、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)。同樣在小風(fēng)自動(dòng)脫網(wǎng)停機(jī)后5分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。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

32、自由轉(zhuǎn)動(dòng)的待風(fēng)狀態(tài)。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(dòng)跟風(fēng)。跟風(fēng)精度范圍15。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓機(jī)械閘在并網(wǎng)運(yùn)行、開機(jī)和待風(fēng)狀態(tài)下應(yīng)該松開機(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。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(shí)釋放起平穩(wěn)剎車作用。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)。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)、抱閘和甩葉尖閘停機(jī)外還應(yīng)該自動(dòng)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90后機(jī)艙保持與風(fēng)向偏90跟風(fēng)控制跟風(fēng)范圍15。在電網(wǎng)中斷、缺相和過(guò)電壓的情況下風(fēng)力發(fā)電

33、機(jī)組應(yīng)停止運(yùn)行此時(shí)控制系統(tǒng)不能供電。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)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架內(nèi)的懸掛電纜只允許扭轉(zhuǎn)2.5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)開機(jī)恢復(fù)運(yùn)行發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有手動(dòng)控制功能（包括遠(yuǎn)程遙控手操）手動(dòng)控制時(shí)“自動(dòng)”功能應(yīng)該解除相反的投入自動(dòng)控制時(shí)有些“手動(dòng)”功能自動(dòng)屏蔽?？刂葡到y(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)。3.2.2 異步發(fā)電機(jī)基本原理（1）異步發(fā)電機(jī)基本原理發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中

34、最關(guān)鍵的零部件，是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。發(fā)電機(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。使用異步機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是：發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低并網(wǎng)控制容易，缺點(diǎn)是要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率以提供自身的勵(lì)磁。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。由于風(fēng)電場(chǎng)的特殊性，它的并網(wǎng)和解列的操作十分頻繁，而且由于投資成本的限制以及管理、維修等方面的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在大多數(shù)的大型風(fēng)電場(chǎng)都采用異步發(fā)電機(jī)作為主力機(jī)型。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。異步電機(jī)一般稱感應(yīng)電機(jī)即可作為發(fā)電機(jī)也可作為電動(dòng)機(jī)。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。但由于異步

35、發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)格便宜堅(jiān)固耐用維修方便啟動(dòng)容易并網(wǎng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)在大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。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)的定子與同步機(jī)基本相同，其轉(zhuǎn)子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是由端部短接的銅條或鑄鋁制成像鼠籠一樣。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。通常異步機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于或略高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的差為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速的比值稱為轉(zhuǎn)差率用表示 (3-1)轉(zhuǎn)差率是表證異步

36、機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)基本變量。若電機(jī)用原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（）則轉(zhuǎn)差率，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩者的方向相反即電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。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)。（2）異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速是風(fēng)輪在額定風(fēng)速時(shí)的轉(zhuǎn)速。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。它是由葉尖速比及發(fā)電機(jī)功率決定的參數(shù)。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。它是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。單位為KW；也有用視在功率表示的單位為KVA。發(fā)電機(jī)是交

37、流還是直流微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用直流發(fā)電機(jī)中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用交流發(fā)電機(jī)。這要視用戶的用途、發(fā)電機(jī)功率而確定。交流發(fā)電機(jī)分同步和異步交流發(fā)電機(jī)、異步交流發(fā)電機(jī)也稱感應(yīng)交流發(fā)電機(jī)。永磁交流發(fā)電機(jī)等。發(fā)電機(jī)額定電壓發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)電壓為定子或轉(zhuǎn)子輸出的電壓，單位為V。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 (3-2)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)。發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)在額定功率運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速用表示。額定頻率發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)其電壓變化的頻率。中國(guó)交流電網(wǎng)電壓頻率為50Hz。國(guó)外也有交流電網(wǎng)60Hz的。發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的

38、勵(lì)磁電流。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。同步轉(zhuǎn)速對(duì)于額定頻率為f 的交流發(fā)電機(jī)其同步轉(zhuǎn)速 (3-3)式中 發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；同步轉(zhuǎn)速r/min。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、增速器的效率、發(fā)電機(jī)的效率、傳動(dòng)系統(tǒng)效率等的積 (3-4)3.2.3 控制系統(tǒng)主要參數(shù)（1）主要技術(shù)參數(shù)主發(fā)電機(jī)輸出功率（額定） 發(fā)電機(jī)最大輸出功率 工作風(fēng)速范圍 額定風(fēng)速 切入風(fēng)速（1min平均值） 切出風(fēng)速（1min平均值） 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速 發(fā)電機(jī)輸出電壓 發(fā)電機(jī)發(fā)電頻率 并網(wǎng)最大沖擊電流（有效值） 電容補(bǔ)償后

39、功率因數(shù) （2）控制指標(biāo)及效果方式 專用微控制器過(guò)載開關(guān) 自動(dòng)對(duì)風(fēng)偏差范圍 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)起、停機(jī)時(shí)間 系統(tǒng)測(cè)量精度 電纜纏繞2.5圈自動(dòng)解纜 自動(dòng)解纜時(shí)間 55min 手動(dòng)操作響應(yīng)時(shí)間 (3)保護(hù)功能超電壓保護(hù)范圍 連續(xù)欠電流保護(hù)范圍 連續(xù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速極限 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速極限 發(fā)電機(jī)過(guò)功率保護(hù)值 連續(xù)發(fā)電機(jī)過(guò)電流保護(hù)值 連續(xù)大風(fēng)保護(hù)風(fēng)速 連續(xù) 系統(tǒng)接地電阻 防雷感應(yīng)電壓 3.2.4 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(dòng)運(yùn)作。首先系統(tǒng)初始化檢查控制程序、微控制器硬件和外設(shè)、傳感器來(lái)的脈沖及比較所選的操作參數(shù)備份系統(tǒng)工作表，接著就正式起運(yùn)。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

40、、輸出機(jī)構(gòu)初始工作狀態(tài)及晶閘管的開通角。所有這些完成后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始自動(dòng)運(yùn)行于風(fēng)輪的葉尖本來(lái)是90，現(xiàn)在恢復(fù)為0，風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)開始時(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)。其中相位補(bǔ)償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在0.95至0.99之間。3.2.5 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。由于異步發(fā)電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的，功率控制最終也是通過(guò)速度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。變槳距風(fēng)輪的葉片在靜止時(shí)節(jié)距角為90，這時(shí)氣流對(duì)葉片不產(chǎn)生力矩

41、，整個(gè)葉片實(shí)際上是一塊阻尼板。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)輪開始起運(yùn)。風(fēng)輪從起運(yùn)到額定轉(zhuǎn)速，其葉片的節(jié)距角隨轉(zhuǎn)速的升高是一個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程。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。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后電機(jī)并入電網(wǎng)。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。為了優(yōu)化功率曲線，在進(jìn)行功率控制的同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)子電流控制器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)差進(jìn)行調(diào)整，從而調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。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

42、功率曲線達(dá)到理想的狀態(tài)。（2）變距控制7變槳距控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，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)油缸活塞推動(dòng)變距機(jī)構(gòu)，使葉片節(jié)距角變化?；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。3.3 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)。必須分清異步發(fā)電機(jī)和功率變換器

43、的絕對(duì)極限和常用上限的差別，盡量減小對(duì)電網(wǎng)的污染。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。3.3.1 風(fēng)輪機(jī)的氣動(dòng)特性8風(fēng)輪機(jī)通過(guò)葉片捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。風(fēng)輪機(jī)的特性通常用風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp-尖速比曲線來(lái)表示，圖2-2是一條典型的曲線。尖速比可表示為 （2-1） 式中 為風(fēng)輪機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速(rad/s)；為葉片半徑(m)；為來(lái)流的線性風(fēng)速(m/s)。根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片的空氣動(dòng)力特性，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率是尖速比和槳矩的函數(shù)，即。典型與和的關(guān)系可用圖2-3來(lái)表示。由圖中可見，對(duì)于同一個(gè)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)

44、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。在恒頻應(yīng)用中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化只比同步轉(zhuǎn)速高百分之幾，但風(fēng)速的變化范圍可以很寬。按(2-1)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 (2-2)式中 是氣動(dòng)功率(W)；是空氣密度(kg/m3)；是掃掠面積(m2)；是風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)。 由(2-2)式可知，風(fēng)機(jī)整體設(shè)計(jì)和相應(yīng)的運(yùn)行控制策略應(yīng)在追求最大的情況下進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，便可增加其輸出功率。如圖2-4所示是理想風(fēng)輪機(jī)的功率曲線。從理論上講風(fēng)輪機(jī)組的輸出功率是無(wú)限大的，它是風(fēng)速立方的函數(shù)。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)

45、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。因而風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行存在三個(gè)典型區(qū)：在低風(fēng)速段，按恒定途徑控制風(fēng)輪機(jī)直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限；然后按恒定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)輪機(jī)，直到功率最大；功率最大后，風(fēng)輪機(jī)按恒定功率控制。3.3.2 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)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動(dòng)特性的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組稱為定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。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)換效率在最佳區(qū)段。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)

46、額定風(fēng)速時(shí)，為了保持發(fā)電機(jī)輸出功率恒定，必須通過(guò)葉片失速效應(yīng)特性來(lái)降低值，以維持輸出功率的恒定。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。從的函數(shù)關(guān)系來(lái)看，難以保證在額定風(fēng)速之前使值達(dá)到最大，特別是在低風(fēng)速段。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。大功率高轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機(jī)工作于高風(fēng)速區(qū)，小功率低轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機(jī)則工作于低風(fēng)速區(qū)，由此來(lái)調(diào)整尖速比，實(shí)現(xiàn)追求最大下的整體運(yùn)行控制。定槳矩風(fēng)機(jī)的功角一般設(shè)定在0，在不同風(fēng)頻密度的地區(qū)可根據(jù)具體情況在安裝時(shí)予以調(diào)整，但必須充分考慮到對(duì)于風(fēng)機(jī)失速點(diǎn)的影響。從設(shè)計(jì)的角

47、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。風(fēng)機(jī)采用異步發(fā)電技術(shù)，存在功率流向的不確定性，發(fā)電機(jī)可能低于同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行，也可能工作在同步轉(zhuǎn)速之上。在大小發(fā)電機(jī)軟切換控制過(guò)程中必須慎重處理。3.3.3 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略為了盡可能提高風(fēng)輪機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)輪機(jī)輸出功率平穩(wěn)，風(fēng)輪機(jī)將進(jìn)行槳距調(diào)整。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。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動(dòng)特性，主要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。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

48、化范圍很小，可等同于定槳距風(fēng)機(jī)。在額定風(fēng)速以上時(shí)，變槳距機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片攻角，保證發(fā)電機(jī)的輸出功率在允許范圍內(nèi)。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。速度控制和直接槳距控制常用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)、停止和緊急事故處理。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)機(jī)正常工作時(shí)，主要采用功率控制。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。在實(shí)際應(yīng)用中，由于功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)速的較小變化將造成風(fēng)能較大變化，風(fēng)機(jī)輸出功率處于不斷變化中。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

49、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作。風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)速的反應(yīng)有一定的時(shí)延，在陣風(fēng)出現(xiàn)時(shí)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)不及動(dòng)作而造成風(fēng)機(jī)的瞬時(shí)過(guò)載，不利于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。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。即仍然發(fā)揮葉片的失速效應(yīng)，在失速點(diǎn)之前進(jìn)行槳距調(diào)整，即便槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)不及動(dòng)作通過(guò)葉片的失速效應(yīng)發(fā)揮作用也不會(huì)造成風(fēng)機(jī)的瞬時(shí)過(guò)載。3.3.4 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。從圖2-6可以看出，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)于功率系數(shù)影響很大。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。同樣，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大小和相位(RCC)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)

50、追求最優(yōu)和無(wú)功功率的平衡。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)。交流發(fā)電機(jī)采用高滑差繞線式轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機(jī)。變速風(fēng)機(jī)要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風(fēng)變化，相應(yīng)轉(zhuǎn)子電流頻率是不定的。轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)的速度為，使得定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率。控制的值以使等于電網(wǎng)頻率。這一點(diǎn)與鼠籠式轉(zhuǎn)子電流頻率的結(jié)論是一致的(為電機(jī)轉(zhuǎn)差)。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)。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系不必完全覆蓋風(fēng)速的范圍，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為11001700RPM，僅有部分超同步范圍?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)控制和轉(zhuǎn)

51、子電流相角。也就是說(shuō)，可以向電網(wǎng)提供無(wú)功，同時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)更靈敏，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的柔性更好，有利于風(fēng)機(jī)輸出功率更平穩(wěn)和減小傳動(dòng)機(jī)械的沖擊應(yīng)力。功率元件采用IGBT管，一般通過(guò)查表獲得調(diào)節(jié)信號(hào)：風(fēng)速57m/s，風(fēng)機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速以下(11001500RPM)；風(fēng)速79m/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915m/s，風(fēng)機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速以上(15001625RPM)；風(fēng)速1525m/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16001650RPM。3.4 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng) 2 3.4.1變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)變槳距風(fēng)力

52、發(fā)電機(jī)組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為三種運(yùn)行狀態(tài)，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）、欠功率控制（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。（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90，氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0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)。在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)以前，變距系統(tǒng)的節(jié)距給定值由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)控制。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。（2） 欠功率狀態(tài)欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后，由于風(fēng)速低于額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī)在額定功率以下的低功率狀態(tài)運(yùn)行。為了改善低風(fēng)速時(shí)的風(fēng)輪

53、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。（3） 額定功率狀態(tài)當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)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)。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(guò)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(guò)改變節(jié)距來(lái)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(guò)程中，其功率

54、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(guò)迅速改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行平衡，即通過(guò)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(lái)；轉(zhuǎn)速降低時(shí)，再將動(dòng)能釋放出來(lái)，使功率曲線達(dá)到理想的狀態(tài)。3.4.2 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2-8所示，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2-9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。（4） 速度