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XX本科畢業(yè)設計說明書
摘 要
風能作為一種清潔的可再生能源，在當今能源短缺的情況下，變的越來越重要。由于風的不穩(wěn)定性和風力發(fā)電機單機容量的不斷增大，使風力發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的相互影響也越來越復雜，因此，對風力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性提出了更高的要求。控制系統(tǒng)對提高風力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性有很大的作用，所以有必要對控制系統(tǒng)和控制過程進行分析。
本設計主要依據(jù)風力發(fā)電機組的控制目標和控制策略，通過使用電力系統(tǒng)動態(tài)模擬仿真軟件PSCAD/EMTDC，建立變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的模型。為了驗證控制系統(tǒng)模型的可用性，建立風力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型，對樣例系統(tǒng)進行模擬仿真，并對所得的仿真結果進行了分析，從而證實了風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型的可用性,然后得出了它的控制方法。
通過對風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的模擬仿真，可得如下結論：風力發(fā)電機變漿距控制屬非線性動態(tài)控制，在風力發(fā)電機組起動時，通過改變槳葉節(jié)距來獲得足夠的起動轉矩，達到對風輪轉速的控制的目的；當風速高于額定風速時，通過自動調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對葉片的攻角，從而改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉矩，滿足風力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定和功率曲線優(yōu)化的雙重要求。
關鍵詞：風力發(fā)電；控制系統(tǒng)；PSCAD/EMTDC；仿真分析
Abstract
The wind energy which is used as a kind of clean and reproducible energy, nowadays gets more and more important in the energy scarcity cases. Because instability of the wind and continuous enlarging capacity of the single machine in wind power generation, mutual effect between the wind power system and the grid is more and more complicated, so the higher demand is brought forward about the stability of output power of the wind power generation system. The control system may enhance the stability of output power, therefore we have the necessity to analyses control system and the control processes.
The design mainly bases on the control target and strategies of the wind power generation. We have established the alterable pitch control model using the power system dynamic simulation software PSCAD/ EMTDC. Also we have established the model of the wind power system for validating the usability of the controller model. We have simulated the whole system and analyzed the result of simulation, and confirmed the usability of the controller model and its control method.
We have simulated the control system model of the wind power generation, and got a conclusions: The alterable pitch control of wind power generation is the non-linear dynamic control, control system changed pitch angle for acquiring starting torque while the wind power generation started; we adjusted the pitch angle for changing angle which airflow blow vane , when the wind speed exceed rated speed, then changed the torque of aerodynamics for Satisfing dual demand which are steady power output of the wind power generation and optimizing the power curve .
Keywords: Wind power generation; Control system; PSCAD/ EMTDC; Simulation and analysis
目 錄
引 言 1
第一章 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理 3
1.1 風力發(fā)電的基本原理 3
1.1.1 風力發(fā)電的基本原理 3
1.1.2 風力發(fā)電的特點 3
1.2 風資源及風輪機概述 4
1.2.1 風資源概述 4
1.2.2 風輪機的理論 5
1.3 風力發(fā)電機的結構與組成 5
1.3.1 風力發(fā)電機的分類 5
1.3.2 水平軸風力發(fā)電機的結構 6
1.4 風力發(fā)電機的基礎理論 8
1.4.1 貝茨(Betz)理論 9
1.4.2 風力發(fā)電機特性系數(shù) 10
1.4.3 異步發(fā)電機基本原理 11
第二章 風力發(fā)電控制系統(tǒng)模型的建立 14
2.1 風力發(fā)電機組的基本控制要求 14
2.1.1 風力發(fā)電機組運行的控制要求 14
2.2 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的結構原理 16
2.2.1 風力發(fā)電機組的控制目標 16
2.2.2 控制系統(tǒng)主要參數(shù) 17
2.2.3 控制系統(tǒng)工作原理 18
2.2.4 風力發(fā)電機組的變距控制原理 18
2.3 風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略 19
2.3.1 風輪機的氣動特性 19
2.3.2 定槳距風力發(fā)電機的控制策略 21
2.3.3 變槳距風力發(fā)電機的控制策略 22
2.3.4 變速風力發(fā)電機的控制策略 22
2.4 變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型框圖 23
2.4.1 變槳距風力發(fā)電機組的運行狀態(tài) 23
2.4.2 變槳距控制系統(tǒng) 24
2.4.3 功率控制 26
2.5 變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型的建立 29
2.5.1 控制選擇器模型的建立 29
2.5.2 風輪機轉速控制模型的建立 29
2.5.3 發(fā)電機轉速控制的模型（在發(fā)電機并網(wǎng)前） 30
2.5.4 風力發(fā)電機組的變槳距控制系統(tǒng)模型 30
第三章 樣例系統(tǒng)模型的建立 35
3.1 風速模型的建立 35
3.1.1 風能的數(shù)學模型 35
3.1.2 風速模型的建立 37
3.2 風輪機模型的建立 39
3.2.1 風輪機模型及參數(shù) 40
3.2.2 齒輪箱速比控制模型 40
3.3 異步發(fā)電機模型的建立 41
3.3.1 發(fā)電機控制選擇器參數(shù) 41
3.3.2 異步發(fā)電機參數(shù) 42
3.4 無窮大系統(tǒng)模型的建立 43
3.4.1 補償電容的參數(shù) 43
3.4.2 斷路器模型及參數(shù) 43
3.4.3 升壓變壓器模型及參數(shù) 45
3.4.4 無窮大系統(tǒng)模型及參數(shù) 46
第四章 風力發(fā)電控制系統(tǒng)的模擬仿真結果分析 47
4.1 控制系統(tǒng)在樣例模型中的模擬仿真 47
4.1.1 風速模擬仿真分析 47
4.1.2 風輪機模擬仿真分析 48
4.1.3 異步發(fā)電機模擬仿真分析 49
4.1.4 風力發(fā)電機系統(tǒng)并網(wǎng)模擬仿真分析 54
4.1.5 變槳距控制系統(tǒng)模擬仿真分析 58
4.2 低于額定風速時控制的模擬仿真結果分析 58
4.2.1 發(fā)電機轉速控制模擬仿真結果分析 58
4.2.2 風輪機轉速控制模擬仿真結果分析 60
4.2.3 變槳距控制模擬仿真結果分析 60
4.3 高于額定風速時控制的模擬仿真結果分析 62
4.3.1 發(fā)電機轉速控制模擬仿真結果分析 62
4.3.2 風輪機轉速控制模擬仿真結果分析 65
4.3.3 變槳距控制模擬仿真結果分析 66
結 論 68
參考文獻 69
附 錄 70
附錄A PSCAD/EMTDC軟件簡介 70
A.1 PSCAD/EMTDC軟件的功能 70
A.1.1 PSCAD/EMTDC軟件簡介 70
A.1.2 RTDS軟件簡介 70
A.1.3 PSCAD聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)標準和硬件要求 70
A.1.4 PSCAD?應用手冊 71
A.2 PSCAD軟件模塊的構成 71
A.2.1 文件管理系統(tǒng) 71
A.2.2 建模(DRAFT)模塊 72
A.2.3 架空線(T-LINE)和電纜(CABLE)模塊 72
A.2.4 運行(RUN?TIME)模塊 72
A.2.5 單曲線繪圖(UNIPLOT)和多曲線繪圖(MULTIPLOT)模塊 72
A.3 EMTDC模塊介紹 72
A.3.1 利用EMTDC可進行的模似研究范圍為 73
A.3.2 完成一次EMTDC?算題的具體步驟 73
附 錄B 74
B.1 風力發(fā)電機組的變槳距控制系統(tǒng)模型圖 74
B.2 風力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型圖1 75
B.3 風力發(fā)電系統(tǒng)樣例模型圖2 76
謝 辭 77
符號說明
地面高度——h
風速——v
風能密度——w
空氣密度——ρ
時間周期——T
形狀參數(shù)——K
尺度參數(shù)——C
概率統(tǒng)計時間——N
氣體質(zhì)量——m
氣體體積——V
氣體動能——E
有功功率——P
風輪角頻率——w
轉距系數(shù)——Cr
無功功率——Q
推力系數(shù)——Cp
風力發(fā)電機機端電壓——U
風力發(fā)電機電流——I
風力發(fā)電機轉速——r
風力發(fā)電機滑差——s
發(fā)電機暫態(tài)電勢——E
發(fā)電機定子漏抗——X1
發(fā)電機轉子漏抗——X2
發(fā)電機勵磁電抗——Xm
系統(tǒng)頻率——f0
轉距——M
極對數(shù)——Pn
微分算子——p
槳距角——β
XX本科畢業(yè)設計說明書
引 言
隨著世界工業(yè)化進程的不斷加快，使得能源消耗逐漸增加，全球工業(yè)有害物質(zhì)的排放量與日俱增，從而造成氣候異常、災害增多、惡性疾病的多發(fā)，因此，能源和環(huán)境問題成為當今世界所面臨的兩大重要課題。由能源問題引發(fā)的危機以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認識到開發(fā)清潔的可再生能源是保護生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要?？梢哉f，對風力發(fā)電的研究和進行這方面的畢業(yè)設計對我們從事風力發(fā)電事業(yè)的同學是有著十分重大的理論和現(xiàn)實意義的，也是十分有必要的。
風力發(fā)電起源于20世紀70年代，技術成熟于80年代，自90年代以來風力發(fā)電進入了大發(fā)展階段。隨著風力發(fā)電容量的不斷增大，控制方式從基本單一的定槳距失速控制向全槳葉變距控制和變速控制發(fā)展。前人在風輪機的空氣動力學原理和能量轉換原理的基礎上,系統(tǒng)分析了定槳距風力發(fā)電機組、變槳距風力發(fā)電機組、變速風力發(fā)電機組的基本控制要求和控制策略，并對并網(wǎng)型風力發(fā)電機組的變槳距控制技術進行了一定的研究。變槳距風力發(fā)電機組的主要控制是在起動時對風輪轉速的控制和并網(wǎng)后對輸入功率的控制。通過變距控制可以根據(jù)風速來調(diào)整槳葉節(jié)距角，以滿足發(fā)電機起動與系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定的雙重要求。但由于對運行工況的認識不足，對變槳距控制系統(tǒng)的設計不能滿足風力發(fā)電機組正常運行的要求，更達不到優(yōu)化功率曲線和穩(wěn)定功率輸出的要求。
本篇論文主要介紹了風力發(fā)電機組的基本控制要求和控制策略,在變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)仿真方面作了初步的探究和研究。通過控制系統(tǒng)保持了風力發(fā)電機組的安全可靠運行，并實現(xiàn)了穩(wěn)定機組輸出功率和優(yōu)化功率曲線的控制功能。利用控制系統(tǒng)使風力發(fā)電系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)不出故障或少出故障，并在出故障之后能夠以最快的速度修復系統(tǒng)使之恢復正常工作。
本篇論文主要是通過PSCAD/EMTDC仿真軟件，建立風力發(fā)電系統(tǒng)控制模型以及完整的風力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型，對自建的風力發(fā)電系統(tǒng)控制模型進行仿真分析，利用運行模塊進行EMTDC模擬計算，驗證風力發(fā)電系統(tǒng)控制模型的可用性，并且通過單曲線繪圖對模擬結果進行分析，并利用多曲線繪圖模塊產(chǎn)生可直接用于研究報告的模擬結果圖形。
本文在編寫過程中，受到栗文義老師的大力支持和精心指導，在此表示衷心的感謝。
風力發(fā)電技術和PSCAD/EMTDC仿真等的相關知識對我們來講都是平時很少接觸和涉及的，而且，這些學科中的很多東西都是較為前沿的。由于本人的理論水平及實踐經(jīng)驗所限、編寫時間倉促，書中錯誤疏漏之處難免，敬請老師不咎指正。
田 敏
2006年6月
第一章 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理
1.1 風力發(fā)電的基本原理
1.1.1 風力發(fā)電的基本原理
風能具有一定的動能，通過風輪機將風能轉化為機械能，拖動發(fā)電機發(fā)電。風力發(fā)電的原理是利用風帶動風車葉片旋轉，再通過增速器將旋轉的速度提高來促使發(fā)電機發(fā)電的。依據(jù)目前的風車技術，大約3m/s的微風速度便可以開始發(fā)電。風力發(fā)電的原理說起來非常簡單，最簡單的風力發(fā)電機可由葉片和發(fā)電機兩部分構成如圖1-1所示。空氣流動的動能作用在葉輪上，將動能轉換成機械能，從而推動片葉旋轉，如果將葉輪的轉軸與發(fā)電機的轉軸相連就會帶動發(fā)電機發(fā)出電來。
1.1.2 風力發(fā)電的特點
（1）可再生的潔凈能源
風力發(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)電所無法比擬的優(yōu)點。
（2）建設周期短
一個十兆瓦級的風電場建設期不到一年。
（3）裝機規(guī)模靈活
可根據(jù)資金情況決定一次裝機規(guī)模，有一臺資金就可以安裝一臺投產(chǎn)一臺。
（4）可靠性高
把現(xiàn)代高科技應用于風力發(fā)電機組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風力發(fā)電機組可靠性從80年代的50%提高到了98%，高于火力發(fā)電且機組壽命可達20年。
（5）造價低
從國外建成的風電場看，單位千瓦造價和單位千瓦時電價都低于火力發(fā)電，和常規(guī)能源發(fā)電相比具有競爭力。我國由于中大型風力發(fā)電機組全部從國外引進，造價和電價相對比火力發(fā)電高，但隨著大中型風力發(fā)電機組實現(xiàn)國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，在不久的將來風力發(fā)電的造價和電價都將低于火力發(fā)電。
（6）運行維護簡單
現(xiàn)代中大型風力發(fā)電機的自動化水平很高，完全可以在無人職守的情況下正常工作，只需定期進行必要的維護，不存在火力發(fā)電的大修問題。
（7）實際占地面積小
發(fā)電機組與監(jiān)控、變電等建筑僅占火電廠1%的土地，其余場地仍可供農(nóng)、牧、漁使用。
（8）發(fā)電方式多樣化
風力發(fā)電既可并網(wǎng)運行，也可以和其他能源如柴油發(fā)電、太陽能發(fā)電、水利發(fā)電機組形成互補系統(tǒng)，還可以獨立運行，因此對于解決邊遠地區(qū)的用電問題提供了現(xiàn)實可行性。
（9）單機容量小
由于風能密度低決定了單臺風力發(fā)電機組容量不可能很大，與現(xiàn)在的火力發(fā)電機組和核電機組無法相比。另外風況是不穩(wěn)定的，有時無風有時又有破壞性的大風，這都是風力發(fā)電必須解決的實際問題。
1.2 風資源及風輪機概述
1.2.1 風資源概述
（1）風的起源
風的形成乃是空氣流動的結果。風就是水平運動的空氣，空氣運動主要是由于地球上各緯度所接受的太陽輻射強度不同而形成的。大氣的流動也像水流一樣，是從壓力高處往壓力低處流，太陽能正是形成大氣壓差的原因。由于地球自轉軸與圍繞太陽的公轉軸之間存在66．5°的夾角，因此對地球上不同地點太陽照射角度是不同的，而且對同一地點一年中這個角度也是變化的。地球上某處所接受的太陽輻射能與該地點太陽照射角的正弦成正比。
（2）風的參數(shù)
風向和風速是兩個描述風的重要參數(shù)。風向是指風吹來的方向，如果風是從東方吹來就稱為東風。風速是表示風移動的速度即單位時間內(nèi)空氣流動所經(jīng)過的距離。
風速是指某一高度連續(xù)10min所測得各瞬時風速的平均值。一般以草地上空10m高處的10min內(nèi)風速的平均值為參考。
風玫瑰圖是一個給定地點一段時間內(nèi)的風向分布圖。通過它可以得知當?shù)氐闹鲗эL向。
（3）風能的基本情況[1]
風能的特點
風能的特點主要有：能量密度低、不穩(wěn)定性、分布不均勻、可再生、須在有風地帶、無污染、分布廣泛、可分散利用、另外不須能源運輸、可和其它能源相互轉換等。
風能資源的估算
風能的大小實際就是氣流流過的動能，因此可以推導出氣流在單位時間內(nèi)垂直流過單位截面積的風能，即風功率為
(1-1)
式中 為風能(w)；
為空氣密度(kg/m)；
為風速(m/s)。
由于風速是一個隨機性很大的量，必須通過一段時間的觀測來了解它的平均狀況，一個地方風能潛力的多少要視該地常年平均風能密度的大小。因此需要求出在一段時間內(nèi)的平均風能密度，這個值可以將風能密度公式對時間積分后平均來求得。在風速V的概率分布p(V)知道后，平均風能密度還可根據(jù)下式求得
（1-2）
1.2.2 風輪機的理論[4]
風輪機又稱為風車，是一種將風能轉換成機械能、電能或熱能的能量轉換裝置。風輪機的類型很多通常將其分為水平軸風輪機垂直軸風輪機和特殊風輪機三大類。但應用最廣的還是前兩種類型的風輪機。
1.3 風力發(fā)電機的結構與組成
1.3.1 風力發(fā)電機的分類[5]
風力發(fā)電機組是將風能轉化為電能的裝置，按其容量分可分為：小型（10kw以下）、中型（10—100kw）和大型（100kw以上）風力發(fā)電機組。按主軸與地面相對位置又可分為：水平軸風力發(fā)電機組和垂直軸風力發(fā)電機組。水平軸風力發(fā)電機是目前世界各國風力發(fā)電機最為成功的一種形式，主要優(yōu)點是風輪可以架設到離地面較高的地方，從而減少了由于地面擾動對風輪動態(tài)特性的影響。它的主要機械部件都在機艙中，如主軸、齒輪箱、發(fā)電機、液壓系統(tǒng)及調(diào)向裝置等。而生產(chǎn)垂直軸風力發(fā)電機的國家很少，主要原因是垂直軸風力發(fā)電機效率低，需啟動設備，同時還有些技術問題尚待解決。在本文中以后不做特殊說明時所指的風力發(fā)電機組即為大中型的水平軸風力發(fā)電機組。
1.3.2 水平軸風力發(fā)電機的結構
大中型風力發(fā)電機組是由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機構、發(fā)電機、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機艙機座回轉體制動器等）組成的。
(1)機艙
機艙包含著風力發(fā)電機的關鍵設備，包括齒輪箱、發(fā)電機等。
圖1.2
(2)風輪
葉片安裝在輪轂上稱作風輪，它包括葉片、輪轂、主軸等。風輪是風力發(fā)電機接受風能的部件。
葉片是風力發(fā)電機組最關鍵的部件，現(xiàn)代風力發(fā)電機上每個轉子葉片的測量長度大約為20米葉片數(shù)通常為2枚或3枚，大部分轉子葉片用玻璃纖維強化塑料（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，當風力達到風力發(fā)電機組設計的額定風速時，在風輪上就要采取措施，以保證風力發(fā)電機的輸出功率不會超過允許值。
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設計。
主軸也稱低速軸，將轉子軸心與齒輪箱連接在一起，由于承受的扭矩較大，其轉速一般小于50r/min，一般由40Cr或其他高強度合金鋼制成。
（3）增速器
增速器就是齒輪箱，是風力發(fā)電機組關鍵部件之一。由于風輪機工作在低轉速下，而發(fā)電機工作在高轉速下，為實現(xiàn)匹配采用增速齒輪箱。使用齒輪箱可以將風電機轉子上的較低轉速、較高轉矩轉換為用于發(fā)電機上的較高轉速、較低轉矩。
（4）聯(lián)軸器
增速器與發(fā)電機之間用聯(lián)軸器連接，為了減少占地空間，往往聯(lián)軸器與制動器設計在一起。
（5）制動器
制動器是使風力發(fā)電機停止轉動的裝置，也稱剎車。
（6）發(fā)電機
發(fā)電機是風力發(fā)電機組中最關鍵的部件，是將風能最終轉變成電能的設備。發(fā)電機的性能好壞直接影響整機效率和可靠性。大型風電機（100-150千瓦）通常產(chǎn)生690伏特的三相交流電。然后電流通過風電機旁的變壓器（或在塔內(nèi)），電壓被提高至1-3萬伏，這取決于當?shù)仉娋W(wǎng)的標準。風力發(fā)電機上常用的發(fā)電機有以下幾種：
① 直流發(fā)電機，常用在微、小型風力發(fā)電機上。
② 永磁發(fā)電機，常用在小型風力發(fā)電機上。現(xiàn)在我國已經(jīng)發(fā)明了交流電壓440/240V的高效永磁交流發(fā)電機，可以做成多對極低轉速的，特別適合風力發(fā)電機。
③ 同步或異步交流發(fā)電機，它的電樞磁場與主磁場不同步旋轉，其轉速比同步轉速略低，當并網(wǎng)時轉速應提高。
（7）塔架
塔架是支撐風力發(fā)電機的支架。塔架有型鋼架結構的，有圓錐型鋼管和鋼筋混凝土的等三種形式，風電機塔載有機艙及轉子。
（8）調(diào)速裝置
風速是變化的，風輪的轉速也會隨風速的變化而變化。為了使風輪運轉所需要額定轉速下的裝置稱為調(diào)速裝置，調(diào)速裝置只在額定風速以上時調(diào)速。目前世界各國所采用的調(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)向裝置就是使風輪正常運轉時一直使風輪對準風向的裝置。借助電動機轉動機艙以使轉子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。通常在風改變其方向時，風電機一次只會偏轉幾度。
（10）風力發(fā)電機微機控制系統(tǒng)[11]
風力發(fā)電機的微機控制屬于離散型控制，是將風向標、風速計、風輪轉速、發(fā)電機電壓、頻率、電流、發(fā)電機溫升、增速器溫升、機艙振動、塔架振動、電纜過纏繞、電網(wǎng)電壓、電流、頻率等傳感器的信號經(jīng)A/D轉換，輸送給單片機再按設計程序給出各種指令實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、運行中機組故障的自動停機、自動電纜解繞、過振動停機、過大風停機等的自動控制。自我故障診斷及微機終端故障輸出需維修的故障，由維修人員維修后給微機以指令，微機再執(zhí)行自動控制程序。風電場的機組群可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風機會在微機總站的微機終端和顯示器上讀出、調(diào)出程序和修改程序等，使現(xiàn)代風力發(fā)電機真正實現(xiàn)了現(xiàn)場無人職守的自動控制。
（11）電纜扭纜計數(shù)器
電纜是用來將電流從風電機運載到塔下的重要裝置。但是當風電機偶然沿一個方向偏轉太長時間時，電纜將越來越扭曲，導致電纜扭斷或出現(xiàn)其他故障。因此風力發(fā)電機配備有電纜扭曲計數(shù)器，用于提醒操作員應該將電纜解開了。風力發(fā)電機還會配備有拉動開關在電纜扭曲太厲害時被激發(fā)，斷開裝置或剎車停機，然后解纜。
1.4 風力發(fā)電機的基礎理論
1.4.1 貝茨(Betz)理論
世界上第一個關于風輪機風輪葉片接受風能的比較完整的理論是1919年由A·貝茨(Betz)建立的。貝茨理論的建立依據(jù)的假設條件是假定風輪是理想的，能全部接受風能并且沒有輪轂，葉片是無限多，對氣流沒有任何阻力。而空氣流是連續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的(或稱為是平行風輪軸線的)，滿足以上條件的風輪稱為“理想風輪”。
如圖1-3所示，我們分析一個放置在移動的空氣中的“理想風輪”葉片上所受到的力及移動的空氣對風輪葉片所做的功。風吹到葉片上所做的功是將風的動能轉化為葉片轉動的機械能，則有 ，。
如果假設空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得
(1-3)
由流體力學可知氣流的動能為
(1-4)
設單位時間內(nèi)氣流流過載面積為s的氣體的體積為V，則。
如果以表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量，此時氣體所具有的動能為
(1-5)
的單位是kg/m3；V的單位是m3；的單位是m/s；T的單位是W。
從風能公式可以看出風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，其中和隨地理位置、海拔、地形等因素而變。
風作用在葉片上的力由歐拉定理求得
(1-6)
式中 ——空氣當時的密度
風輪所接受的功率為
(1-7)
所以經(jīng)過風輪葉片的風的動能轉化
(1-8)
式中 ——空氣質(zhì)量
(1-9)
(1-10)
因此，風作用在風輪葉片上的力F和風輪輸出的功率P分別為
(1-11)
(1-12)
風速是給定的，的大小取決于，是的函數(shù)，對微分求最大值得
(1-13)
令其等于0，求解方程得
(1-14)
(1-15)
16/27=0．593，稱作貝茨功率系數(shù)
(1-16)
而正是風速為的風能，故
(1-17)
=0．593，說明風吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率為風吹過葉片掃掠面積的風能的59．3％。貝茨理論說明理想的風能對風輪葉片做功的最高效率是59.3％。通常風輪機風輪葉片接受風能的效率達不到59．3％，一般根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片的翼形、功率等情況取0.25-0.45。
1.4.2 風力發(fā)電機特性系數(shù)
貝茨理論提供了風能的基本理論，但在討論風輪機的能量轉換與控制時有幾個特性系數(shù)具有特別重要的意義。
（1）風能利用系數(shù)
風輪機從自然風能中吸到能量的大小和程度可以用風能利用率系數(shù)表示
(1-18)
（2）葉尖速比
為了表示風輪在不同的風速中的狀態(tài)用葉片的葉尖圓周速度與風速之比來衡量稱為葉尖速比
(1-19)
低速風輪取較小值；高速風輪取較大值。
（3）轉矩系數(shù)和推力系數(shù)
為了便于把氣流作用下的風輪機產(chǎn)生的轉矩和推力進行比較常以為變量作成轉矩和推力的變化曲線，因此轉矩和推力也要無因次化。
(1-20)
(1-21)
1.4.3 異步發(fā)電機基本原理
（1）異步發(fā)電機基本原理
發(fā)電機是風力發(fā)電機組中最關鍵的零部件，是將風能最終轉變成電能的設備。發(fā)電機的性能好壞直接影響整機效率和可靠性。使用異步機作為風力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)的優(yōu)點是：發(fā)電機結構簡單成本低并網(wǎng)控制容易，缺點是要從電網(wǎng)吸收無功功率以提供自身的勵磁。這一缺點可以通過在發(fā)電機端并聯(lián)電容器來改善。
由于風電場的特殊性，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，現(xiàn)在大多數(shù)的大型風電場都采用異步發(fā)電機作為主力機型。本論文的研究對象中使用也是異步發(fā)電機，下面我們對異步機做以下的簡單介紹。
異步電機一般稱感應電機即可作為發(fā)電機也可作為電動機。異步機作為電動機應用非常廣泛異步機作為發(fā)電機的情況則比較少。但由于異步發(fā)電機具有結構簡單價格便宜堅固耐用維修方便啟動容易并網(wǎng)簡單等特點在大中型風力發(fā)電機組中得到廣泛應用。
異步發(fā)電機的基本結構和同步發(fā)電機的一樣，也是由定子和轉子兩大部分組成。異步機的定子與同步機基本相同，其轉子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機的轉子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機的轉子繞組是由端部短接的銅條或鑄鋁制成像鼠籠一樣。
異步機是利用電磁感應原理通過定子的三相電流產(chǎn)生旋轉磁場并與轉子繞組中的感應電流相互作用產(chǎn)生電磁轉矩以進行能量轉換。通常異步機的轉子轉速總是略低于或略高于旋轉磁場的轉速。旋轉磁場的轉速與轉子轉速之間的差為轉差，轉差與同步轉速的比值稱為轉差率用表示
(1-22)
轉差率是表證異步機運行狀態(tài)的一個基本變量。
若電機用原動機驅(qū)動使轉子轉速高于旋轉磁場的轉速（）則轉差率，此時電磁轉矩的方向與轉子轉向和旋轉磁場兩者的方向相反即電磁轉矩為制動轉矩。此時轉子從原動機吸收機械功率通過電磁感應由定子輸出電功率電機處于發(fā)電機狀態(tài)。
（2）異步風力發(fā)電機的參數(shù)
風輪額定轉速
風輪額定轉速是風輪在額定風速時的轉速。風輪額定轉速也是風力發(fā)電機設計的重要參數(shù)之一。它是由葉尖速比及發(fā)電機功率決定的參數(shù)。
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。它是風力發(fā)電機設計的最基礎數(shù)據(jù)。單位為KW；也有用視在功率表示的單位為KVA。
發(fā)電機是交流還是直流
微小型風力發(fā)電機常用直流發(fā)電機中、大型風力發(fā)電機常用交流發(fā)電機。這要視用戶的用途、發(fā)電機功率而確定。交流發(fā)電機分同步和異步交流發(fā)電機、異步交流發(fā)電機也稱感應交流發(fā)電機。永磁交流發(fā)電機等。
發(fā)電機額定電壓
發(fā)電機額定運行時電壓為定子或轉子輸出的電壓，單位為V。
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
(1-23)
P為有功功率 KW，S為視在功率KVA，cos與負載性質(zhì)有關。
發(fā)電機額定轉速
發(fā)電機在額定功率運行時的轉速用表示。
額定頻率
發(fā)電機額定運行時其電壓變化的頻率。中國交流電網(wǎng)電壓頻率為50Hz。國外也有交流電網(wǎng)60Hz的。
發(fā)電機額定勵磁電流
發(fā)電機在額定運行時的勵磁電流。
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子繞組允許的最高溫度與額定入口風溫的差值。
同步轉速
對于額定頻率為f 的交流發(fā)電機其同步轉速
(1-24)
式中 ——發(fā)電機的極對數(shù)；
——同步轉速r/min。
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、增速器的效率、發(fā)電機的效率、傳動系統(tǒng)效率等的積
(1-25)
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。在實際應用過程中，尤其是一般風力發(fā)電機組控制與檢測系統(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力發(fā)電機組的聲譽。有的風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的功能很強,但由于工作不可靠,經(jīng)常出故障,而出現(xiàn)故障后對一般用戶來說維修又十分困難，于是這樣一套控制系統(tǒng)可能發(fā)揮不了它應有的作用。因此對于一個風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設計和使用者來說,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。
我們的目的是希望通過控制系統(tǒng)的設計，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(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系統(tǒng),使之恢復正常工作。
2.1 風力發(fā)電機組的基本控制要求
2.1.1 風力發(fā)電機組運行的控制要求
(1) 控制思想[3]
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。
變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，通過改變槳葉節(jié)距角和空氣動力學的失速特性，使葉片吸收風功率減少或者發(fā)生失速，從而控制風力發(fā)電機組的功率輸出。
控制功能和控制參數(shù)
節(jié)距限制、功率限制、風輪轉速、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。
保護環(huán)節(jié)以失效保護為原則進行設計
自動執(zhí)行保護功能：超速、發(fā)電機過載和故障、過振動、電網(wǎng)或負載丟失、脫網(wǎng)時的停機失敗時。保護環(huán)節(jié)為多級安全鏈互鎖在控制過程中具有“與”的功能在達到控制目標方面可實現(xiàn)邏輯“或”結果。
(2) 自動運動的控制要求
開機并網(wǎng)控制:當風速10分內(nèi)的平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)，風力發(fā)電機組起動→軟切入狀態(tài)→機組并入電網(wǎng)。
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→并網(wǎng)。
普通故障脫網(wǎng)停機:參數(shù)越限、狀態(tài)異?！胀ㄍC→剎車→軟脫網(wǎng)→剎機械閘→計算機自行恢復。
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。
安全鏈動作停機：電控制系統(tǒng)軟保護控制失敗→硬性停機→停機。
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→轉速上升后→自動并網(wǎng)運動。
對風控制：機組在工作風區(qū)→根據(jù)機艙的靈敏度→確定偏航的調(diào)整角度。
偏轉90度對風控制：機組在大風速或超轉速工作時→降低風力發(fā)電機組的功率→安全停機。→當10分平均風速大于25m/s時或超過超速上限時→風力發(fā)電機組作偏轉90度控制→氣動剎車→脫網(wǎng)→停機。
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。
軟切入控制：軟切入、軟脫網(wǎng)→限制導通角→控制發(fā)電機端的軟切入電流為額定電流的1.5倍→控制發(fā)電機端電壓。
（3）控制保護要求
主電路保護：變壓器低壓側三相四線進線處設置低壓配電低壓斷路器→維護操作安全和短路過載保護。
過電壓、過電流保護：主電路計算機電源進線端、控制變壓器進線和有關伺服電動機的進線端均設置過電壓、過電流保護措施。
防雷設施及熔絲：控制系統(tǒng)有專門設計的防雷保護裝置。
過繼電保護：運行的所有輸出運轉機構的過熱、過載保護控制裝置。
接地保護：金屬部分均要實現(xiàn)保護接地。
2.2 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的結構原理
2.2.1 風力發(fā)電機組的控制目標
風力發(fā)電機組是實現(xiàn)由風能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉換過程的裝置。風輪系統(tǒng)實現(xiàn)了從風能到機械能的能量轉換，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換過程，在考慮風力發(fā)電機組控制目標時應結合它們的運行方式，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)采用計算機控制技術對風力發(fā)電機組的運行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理完成機組的最佳運行狀態(tài)管理和控制。
（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。
（4）大于開機風速并且轉速達到并網(wǎng)轉速的條件下風力發(fā)電機組能軟切入自動并網(wǎng)保證電流沖擊小于額定電流。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。
主要完成下列自動控制功能：
大風情況下當風速達到停機風速時風力發(fā)電機組應葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機械閘停機而且在脫網(wǎng)同時風力發(fā)電機組偏航90°。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。
為了避免小風時發(fā)行頻繁開、停機現(xiàn)象在并網(wǎng)后10分內(nèi)不能按風速自動停機。同樣在小風自動脫網(wǎng)停機后5分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。
當風速小于停機風速時為了避免風力發(fā)電機組長期逆功率運行造成電網(wǎng)損耗應自動脫網(wǎng)使風力發(fā)電機組處于自由轉動的待風狀態(tài)。
當風速大于開機風速要求風力發(fā)電機組的偏航機構始終能自動跟風。跟風精度范圍±15°。
風力發(fā)電機組的液壓機械閘在并網(wǎng)運行、開機和待風狀態(tài)下應該松開機械閘其余狀態(tài)下（大風停機、斷電和故障等）均應抱閘。
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。其余時間（運行期間、正常和故障停機期間）均處于歸位狀態(tài)。
在大風停機和超速停機的情況下風力發(fā)電機組除了應該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖閘停機外還應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)的安全度待機艙轉約90°后機艙保持與風向偏90°跟風控制跟風范圍±15°。
在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下風力發(fā)電機組應停止運行此時控制系統(tǒng)不能供電。如果正在運行時風力發(fā)電機組遇到這種情況應能自動脫網(wǎng)和抱閘剎車停機此時偏航機構不會動作風力發(fā)電機組的機械結構部分應能承受考驗。
風力發(fā)電機組塔架內(nèi)的懸掛電纜只允許扭轉±2.5圈系統(tǒng)已設計了正/反向扭纜計數(shù)器超過時自動停機解纜達到要求時再自動開機恢復運行發(fā)電。
風力發(fā)電機組應具有手動控制功能（包括遠程遙控手操）手動控制時“自動”功能應該解除相反的投入自動控制時有些“手動”功能自動屏蔽。
控制系統(tǒng)應該保證風力發(fā)電機組的所有監(jiān)控參數(shù)在正常允許的范圍內(nèi)一旦超過極限并出現(xiàn)危險情況應該自動處理并安全停機。
2.2.2 控制系統(tǒng)主要參數(shù)
（1）主要技術參數(shù)
主發(fā)電機輸出功率（額定）
發(fā)電機最大輸出功率
工作風速范圍
額定風速
切入風速（1min平均值）
切出風速（1min平均值）
風輪轉速
發(fā)電機并網(wǎng)轉速
發(fā)電機輸出電壓
發(fā)電機發(fā)電頻率
并網(wǎng)最大沖擊電流（有效值）
電容補償后功率因數(shù)
（2）控制指標及效果
方式 專用微控制器
過載開關
自動對風偏差范圍
風力發(fā)電機組自動起、停機時間
系統(tǒng)測量精度
電纜纏繞2.5圈自動解纜
自動解纜時間 55min
手動操作響應時間
(3)保護功能
超電壓保護范圍 連續(xù)
欠電流保護范圍 連續(xù)
風輪轉速極限
發(fā)電機轉速極限
發(fā)電機過功率保護值 連續(xù)
發(fā)電機過電流保護值 連續(xù)
大風保護風速 連續(xù)
系統(tǒng)接地電阻
防雷感應電壓
2.2.3 控制系統(tǒng)工作原理[6]
主開關合上后，風力發(fā)電機組控制器準備自動運作。首先系統(tǒng)初始化檢查控制程序、微控制器硬件和外設、傳感器來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。起動的第一秒內(nèi)先檢查電網(wǎng)、設置各個計算器、輸出機構初始工作狀態(tài)及晶閘管的開通角。所有這些完成后，風力發(fā)電機組開始自動運行于風輪的葉尖本來是90°，現(xiàn)在恢復為0°，風輪開始轉動。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。其中相位補償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在0.95至0.99之間。
2.2.4 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。由于異步發(fā)電機的功率與轉速是嚴格對應的，功率控制最終也是通過速度控制來實現(xiàn)的。
變槳距風輪的葉片在靜止時節(jié)距角為90°，這時氣流對葉片不產(chǎn)生力矩，整個葉片實際上是一塊阻尼板。當風速達到起動風速時，葉片向0度方向轉動，直到氣流對葉片產(chǎn)生一定的功角，風輪開始起運。風輪從起運到額定轉速，其葉片的節(jié)距角隨轉速的升高是一個連續(xù)變化的過程。根據(jù)給定的速度參考值調(diào)整節(jié)距角，進行所謂的速度控制。
當轉速達到額定轉速后電機并入電網(wǎng)。這時，電機轉速受到電網(wǎng)頻率的牽制變化不大，主要取決于電機的轉差，電機的轉速控制實際上已轉為功率控制。為了優(yōu)化功率曲線，在進行功率控制的同時通過轉子電流控制器對電機轉差進行調(diào)整，從而調(diào)整風輪轉速。當風速較低時，風輪轉差調(diào)到很小(1%)，轉速在同步速附近；當風速高于額定風速時，電機轉差要調(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)。
（2）變距控制[7]
變槳距控制系統(tǒng)實際上是一個隨動系統(tǒng)，變距控制器是一個非線性比例控制器，它可以補償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機構是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng)D/A轉換后變成電壓信號，控制比例閥（或電液伺服閥）驅(qū)動油缸活塞推動變距機構，使葉片節(jié)距角變化。活塞的位移反饋信號由位移傳感器測量，經(jīng)轉換后輸入比較器。
2.3 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，風輪機應在轉速極限和功率極限內(nèi)追求在最佳Cp目標曲線附近運行，應當把動能轉換作為設計策略的重點加以規(guī)劃；當達到轉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)。必須分清異步發(fā)電機和功率變換器的絕對極限和常用上限的差別，盡量減小對電網(wǎng)的污染。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)電機中均有應用。
2.3.1 風輪機的氣動特性[8]
風輪機通過葉片捕獲風能，將風能轉換為作用在輪轂上的機械轉矩。風輪機的特性通常用風能轉換效率Cp-尖速比λ曲線來表示，圖2-2是一條典型的曲線。尖速比可表示為
（2-1）
式中 為風輪機的機械轉速(rad/s)；
為葉片半徑(m)；
為來流的線性風速(m/s)。
根據(jù)風機葉片的空氣動力特性，風能轉換效率是尖速比λ和槳矩β的函數(shù)，即。典型與和的關系可用圖2-3來表示。由圖中可見，對于同一個值風輪機可能運行在A和B兩個點，它們分別對應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。
在恒頻應用中，發(fā)電機轉速的變化只比同步轉速高百分之幾，但風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(取決于葉片設計)，風輪機捕獲風力可以寫成
(2-2)
式中 是氣動功率(W)；
是空氣密度(kg/m3)；
是掃掠面積(m2)；
是風輪機的功率系數(shù)。
由(2-2)式可知，風機整體設計和相應的運行控制策略應在追求最大的情況下進行相應的調(diào)整，便可增加其輸出功率。如圖2-4所示是理想風輪機的功率曲線。
從理論上講風輪機組的輸出功率是無限大的，它是風速立方的函數(shù)。但在實際應用中，它卻受到了如下的限制：
（1）功率限制：由于構成電路的所有電氣元件都受到了功率限制；
(2)轉速限制：由于系統(tǒng)中的齒輪箱、電機都存在轉速的上限。
因而風輪機的運行存在三個典型區(qū)：在低風速段，按恒定途徑控制風輪機直到轉速達到極限；然后按恒定轉速控制風輪機，直到功率最大；功率最大后，風輪機按恒定功率控制。
2.3.2 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。風輪機的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特性的風力發(fā)電機組稱為定槳距風力發(fā)電機組。風輪機吸收的功率隨風速不停地變化，發(fā)電機工作于同步轉速附近，而風電機組的設計一般在額定功率時風輪的轉換效率在最佳區(qū)段。當風速超過額定風速時，為了保持發(fā)電機輸出功率恒定，必須通過葉片失速效應特性來降低值，以維持輸出功率的恒定。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。從的函數(shù)關系來看，難以保證在額定風速之前使值達到最大，特別是在低風速段。通常系統(tǒng)設計有兩個不同功率、不同極對數(shù)的異步發(fā)電機，以滿足不同風速的要求。大功率高轉速的異步發(fā)電機工作于高風速區(qū)，小功率低轉速的異步發(fā)電機則工作于低風速區(qū)，由此來調(diào)整尖速比，實現(xiàn)追求最大下的整體運行控制。定槳矩風機的功角一般設定在0°，在不同風頻密度的地區(qū)可根據(jù)具體情況在安裝時予以調(diào)整，但必須充分考慮到對于風機失速點的影響。從設計的角度考慮，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。風機采用異步發(fā)電技術，存在功率流向的不確定性，發(fā)電機可能低于同步轉速運行，也可能工作在同步轉速之上。在大小發(fā)電機軟切換控制過程中必須慎重處理。
2.3.3 變槳距風力發(fā)電機的控制策略
為了盡可能提高風輪機風能轉換效率和保證風輪機輸出功率平穩(wěn)，風輪機將進行槳距調(diào)整。在定槳距風輪機的基礎上加裝槳距調(diào)整環(huán)節(jié)，稱為變槳距風輪機組。變槳距風力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動特性，主要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進行調(diào)節(jié)。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。在額定風速以上時，變槳距機構發(fā)揮作用，調(diào)整葉片攻角，保證發(fā)電機的輸出功率在允許范圍內(nèi)。風輪機的槳距控制系統(tǒng)，通常采用典型的PID轉速、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力發(fā)電機的起動、停止和緊急事故處理。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力相對緩和。
風機正常工作時，主要采用功率控制。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。在實際應用中，由于功率與風速的三次方成正比，風速的較小變化將造成風能較大變化，風機輸出功率處于不斷變化中。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)機構頻繁動作。風機槳距調(diào)節(jié)機構對風速的反應有一定的時延，在陣風出現(xiàn)時槳距調(diào)節(jié)機構來不及動作而造成風機的瞬時過載，不利于風機的運行。針對這一點，提出了混合失速的風機設計概念。即仍然發(fā)揮葉片的失速效應，在失速點之前進行槳距調(diào)整，即便槳距調(diào)節(jié)機構來不及動作通過葉片的失速效應發(fā)揮作用也不會造成風機的瞬時過載。
2.3.4 變速風力發(fā)電機的控制策略[9]
上面的風輪機直接由追求值最優(yōu)進入功率最大的限制，調(diào)整的范圍和靈敏度很有限。從圖2-6可以看出，風機轉速對于功率系數(shù)影響很大。工業(yè)控制領域交流電動機調(diào)速技術在很多設備中已有成熟應用。同樣，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉子電流的大小和相位(RCC)從而實現(xiàn)轉速調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)追求最優(yōu)和無功功率的平衡。這一調(diào)速系統(tǒng)與變槳距環(huán)節(jié)結合起來，就構成了變速恒頻變槳距風力發(fā)電機的主要技術特點。交流發(fā)電機采用高滑差繞線式轉子的異步發(fā)電機。變速風機要求轉子轉速隨風變化，相應轉子電流頻率是不定的。轉子機械旋轉的速度為，使得定子旋轉磁場的頻率。控制的值以使等于電網(wǎng)頻率。這一點與鼠籠式轉子電流頻率的結論是一致的(為電機轉差)。值得指出的是發(fā)電狀態(tài)與電動狀態(tài)的區(qū)別在于轉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(特別是轉子能量)。在實際應用中，發(fā)電機轉速與風速的對應關系不必完全覆蓋風速的范圍，電機轉速范圍為1100~1700RPM，僅有部分超同步范圍?？刂葡到y(tǒng)負責控制和轉子電流相角。也就是說，可以向電網(wǎng)提供無功，同時，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)更靈敏，風機運行的柔性更好，有利于風機輸出功率更平穩(wěn)和減小傳動機械的沖擊應力。功率元件采用IGBT管，一般通過查表獲得調(diào)節(jié)信號：風速5~7m/s，風機工作于同步轉速以下(1100~1500RPM)；風速7~9m/s風機工作于同步轉速附近(1500RPM)，與一般風機工作方式一致； 風速9~15m/s，風機工作于同步轉速以上(1500~1625RPM)；風速15~25m/s，風機工作于負荷調(diào)節(jié)狀態(tài)，根據(jù)功率調(diào)節(jié)風機行為，電機允許轉速范圍為1600~1650RPM。
2.4 變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型框圖[2]
2.4.1 變槳距風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)
變槳距風力發(fā)電機組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為三種運行狀態(tài)，即風力發(fā)電機組的起動狀態(tài)（轉速控制）、欠功率控制（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。
（1） 起動狀態(tài)
變槳距風輪的槳葉在靜止時，節(jié)距角為90°，氣流對槳葉不產(chǎn)生轉矩，當風速達到起動風速時，槳葉向0°方向轉動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風輪起動。在發(fā)電機并入電網(wǎng)以前，變距系統(tǒng)的節(jié)距給定值由發(fā)電機的轉速信號控制。轉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，進行速度控制。
（2） 欠功率狀態(tài)
欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機并入電網(wǎng)后，由于風速低于額定風速，發(fā)電機在額定功率以下的低功率狀態(tài)運行。為了改善低風速時的風輪氣動特性，采用了Optitip技術，即根據(jù)風速的大小，調(diào)整發(fā)電機的轉差率，使其盡量運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)
當風速達到或超過額定風速后，風力發(fā)電機組進入額定功率狀態(tài)。在傳統(tǒng)的變槳距控制方式中，將轉速控制切換為功率控制，變距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機的功率信號進行控制。功率反饋信號與額定功率進行比較，功率超過額定功率時，槳葉節(jié)距向迎風面積減少的方向轉動一個角度，反之則向迎風面積增大的方向轉動一個角度。
由于變槳距系統(tǒng)的響應速度受到限制,對快速變化的風速,通過改變節(jié)距來控制輸出功率的效果并不理想。因此，為了優(yōu)化功率曲線，最新設計的變槳風力發(fā)電機組在進行功率控制的過程中，其功率反饋信號不再作為直接控制槳葉節(jié)距的變量。變槳距系統(tǒng)由風速低頻分量和發(fā)電機轉速控制，風速的高頻分量產(chǎn)生的機械能波動，通過迅速改變發(fā)電機的轉速來進行平衡，即通過轉子電流控制器對發(fā)電機轉差率進行控制，當風速高于額定風速時，允許發(fā)電機轉速升高，將瞬變的風能以風輪動能的形式儲存起來；轉速降低時，再將動能釋放出來，使功率曲線達到理想的狀態(tài)。
2.4.2 變槳距控制系統(tǒng)
（1）變槳距控制系統(tǒng)[10]
在發(fā)電機并入電網(wǎng)時前，發(fā)電機轉速由速度控制器A根據(jù)發(fā)電機轉速反饋信號與給定信號直接控制；發(fā)電機并入電網(wǎng)后，速度控制B與功率控制器起作用。功率控制器的任務主要是根據(jù)發(fā)電機轉速給出相應的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機轉差率，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)風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)給出。如圖2-8所示，當風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)前，由速度控制器A給出；當風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)后由速度控制B給出。
（2）變距控制
變距控制系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)，如圖2-9所示。變距控制器是一個非線性比例控制器，它可以補償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機構是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng)D/A轉換后變成電壓信號控制比例閥（或電液伺服閥），驅(qū)動液壓缸活塞，推動變槳距機構，使槳葉節(jié)距角變化?；钊奈灰品答佇盘栍晌灰苽鞲衅鳒y量，經(jīng)轉換后輸入比較器。
（3）速度控制器A
轉速控制器A在風力發(fā)電機組進入待機狀態(tài)或從待機狀態(tài)重新起動時投入工作，如圖2-10所示在這些過程中通過對節(jié)距角的控制，轉速以一定的變化率上升?？刂破饕灿糜谠谕剿伲?0Hz時1500轉/min）時的控制。當發(fā)電機轉速在同步轉速±10內(nèi)持續(xù)1s發(fā)電機將切入電網(wǎng)。
控制器包含著常規(guī)的PD控制器和PI控制器，接著是節(jié)距角的非線性化環(huán)節(jié)，通過非線性化處理，增益隨節(jié)距角的增加而減小，以此補償由于轉子空氣動力學產(chǎn)生的
非線性，因為當功率不變時，轉矩對節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。
當風力發(fā)電機組從待機狀態(tài)進入運行狀態(tài)時，變槳距系統(tǒng)先將槳葉節(jié)距角快速地轉到45°，風輪在空轉狀態(tài)進入同步轉速。當轉速從0增加到1500時，節(jié)距角給定值從45°線性的減小到5°。這一過程不僅使轉子具有高起動力矩，而且在風速快速地增大時能夠快速起動。
（4）速度控制器B
發(fā)電機切入電網(wǎng)后，速度控制系統(tǒng)B作用。如圖2-11所示，速度控制器B受發(fā)電機轉速和風速的雙重控制。在達到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加。額定的速度給定值是1569r/min,相應的發(fā)電機轉差率是4%。如果風速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機轉差率將降低到2%，節(jié)距控制將根據(jù)風速調(diào)整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。
如果風速高于額定值，發(fā)電機轉速通過改變節(jié)距來跟蹤相應的速度給定值。功率輸出將穩(wěn)定地保持在額定值上。從圖中可知在風速信號輸入端設有低通濾波器，節(jié)距控制對瞬變風速并不響應。
2.4.3 功率控制
為了有效地控制高速變化的風速引起的功率波動，新型的變槳距風力發(fā)電機組采用了RCC（Rotor Current Control）技術，即發(fā)電機轉子電流控制技術。通過對發(fā)電機轉子電流的控制來迅速改變發(fā)電機的轉差率，從而改變風輪轉速，吸收由于瞬變風速引起的功率波動。
（1）功率控制系統(tǒng)
功率控制系統(tǒng)如圖2-12所示，它由兩個控制環(huán)節(jié)組成。外環(huán)通過測量轉速產(chǎn)生功率參考曲線。內(nèi)環(huán)是一個功率伺服環(huán)，它通過轉子電流控制器（RCC）對發(fā)電機轉差率進行控制，使發(fā)電機功率跟蹤功率給定值。如果功率低于額定功率值，這一控制環(huán)將通過改變轉差率，進而改變槳葉節(jié)距角，使風輪獲得最大功率。
（2）轉子電流控制器原理[8]
轉子電流控制器由快速數(shù)字式PI控制器和一個等效變阻器構成。它根據(jù)給定的電流值，通過改變轉子電路和電阻來改變發(fā)電機的轉差率。在額定功率時，發(fā)電機的轉差率能夠從1%到10%（1515到1650）變化，相應的轉子平均電阻從0到100%變化。當功率變化即轉子電流變化時，PI調(diào)節(jié)器迅速調(diào)整轉子電阻，使轉子電流跟蹤給定值，如果從主控制器傳出的電流給定值是恒定的，它將保持轉子電流恒定，從而使功率輸出保持不變。
圖2-13 轉子電流控制器原理圖
從電磁轉矩的關系式來說明轉子電阻與發(fā)電機轉差率的關系。發(fā)電機的電磁轉矩為
(2-3)
式中 —電機極對數(shù)；
—電機定子相數(shù)；
—定子角頻率,即電網(wǎng)角頻率；
—定子額定相電壓；
—轉差率；
—定子繞組的電阻；
--定子繞組的漏抗；
—折算到定子側的轉子每相電阻；
--折算到定子側的轉子每相漏抗。
式中只要不變，電磁轉矩就可以不變，發(fā)電機的功率可保持不變。當風速變大時，風輪及發(fā)電機上的轉速上升，即發(fā)電機的轉差率增大，只要改變發(fā)電機的轉子電阻即可保持輸出功率不變。RCC控制單元有效地減少了變槳距機構的動作頻率及動作幅度，使得發(fā)電機的輸出功率保持平衡，實現(xiàn)了變槳距風力發(fā)電機組在額定風速以上的額定功率輸出，有效地減少了風力發(fā)電機因風速的變化而造成的對電網(wǎng)的不良影響。
2.5 變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型的建立
2.5.1 控制選擇器模型的建立
在控制選擇器的模型中，當輸入的時間值低于1秒時,輸出為低水平輸出值0；當輸入的時間值超過1秒時, 輸出為高水平輸出值1。
圖2-14 系統(tǒng)控制選擇器模型
2.5.2 風輪機轉速控制模型的建立
根據(jù)系統(tǒng)控制選擇器來實現(xiàn)在ω和1之間的選擇，利用乘法器乘以轉速的基準值314rad/s得到風輪機轉速的值，對風輪機進行控制。
（1）選擇器參數(shù)：選擇器功能是當運行時間在0到所設域值時，由B通道輸入,到達所設定的值以后由A通道輸入。
（2）選擇器A、B端輸入?yún)?shù)：A端輸入變量發(fā)電機轉子轉速w；B端輸入常數(shù)1。
（3）乘法模塊輸入?yún)?shù)：乘法模塊功能是把兩個輸入相乘后在輸出。在軟件環(huán)境中輸入同步轉速314rad/s。
（4）時鐘脈沖CNT控制參數(shù)：時鐘脈沖控制是由一個時間信號模型與一個單信號輸入比較儀組成，其功能是當輸入時間信號低于所設域值時，輸出Low output level 通道所設值，當輸入時間信號高于所設域值時，輸出High output level 通道所設值。
圖2-15 風輪機轉速控制模型
2.5.3 發(fā)電機轉速控制的模型（在發(fā)電機并網(wǎng)前）
根據(jù)異步發(fā)電機輸出的機械轉矩和電磁轉矩利用發(fā)電機多參量模塊可以對發(fā)電機的轉速進行控制，其控制模型和參數(shù)如圖2-16所示。
2.5.4 風力發(fā)電機組的變槳距控制系統(tǒng)模型
變槳距風輪機的槳葉靜止時節(jié)距角為90°，當風速達到起動風速時槳葉向0°方向轉動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角后風輪才起動。當風速達到或超過額定風速后，風力發(fā)電機組進入額定功率狀態(tài)，將轉速控制切換為功率控制，變距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機的功率信號進行控制。功率反饋信號與額定功率進行比較，功率超過額定功率時，槳葉節(jié)距向迎風面積減少的方向轉動一個角度，反之則向迎風面積增大的方向轉動一個角度。(風力發(fā)電機組的變槳距控制系統(tǒng)模型圖見附錄B.1)
圖2-16 發(fā)電機轉速控制的模型及參數(shù)
（1） 槳距角控制輸入量模型
根據(jù)控制選擇器來選擇異步發(fā)電機的有功功率反饋值或給定值為槳距角控制功率的輸入量。
（2） 槳距角