风力发电系统控制模型的建立和仿真分析

1、摘 要风能作为一种清洁的可再生能源，在当今能源短缺的情况下，变的越来越重要。由于风的不稳定性和风力发电机单机容量的不断增大，使风力发电系统和电网的相互影响也越来越复杂，因此，对风力发电系统功率输出的稳定性提出了更高的要求。控制系统对提高风力发电系统功率输出的稳定性有很大的作用，所以有必要对控制系统和控制过程进行分析。本设计主要依据风力发电机组的控制目标和控制策略，通过使用电力系统动态模拟仿真软件PSCAD/EMTDC，建立变桨距风力发电机组控制系统的模型。为了验证控制系统模型的可用性，建立风力发电样例系统模型，对样例系统进行模拟仿真，并对所得的仿真结果进行了分析，从而证实了风力发电机组控制系统

2、模型的可用性,然后得出了它的控制方法。 通过对风力发电机组控制系统的模拟仿真，可得如下结论：风力发电机变浆距控制属非线性动态控制，在风力发电机组起动时，通过改变桨叶节距来获得足够的起动转矩，达到对风轮转速的控制的目的；当风速高于额定风速时，通过自动调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，满足风力发电系统输出功率稳定和功率曲线优化的双重要求。关键词：风力发电；控制系统；PSCAD/EMTDC；仿真分析 The wind energy which is used as a kind of clean and reproducible energy, nowada

3、ys 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 forwa

4、rd 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 powe

5、r 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 r

6、esult 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 chan

7、ged 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 t

8、he wind power generation and optimizing the power curve .Keywords: Wind power generation; Control system; PSCAD/ EMTDC; Simulation and analysis 目 录引 言1第一章 风力发电系统的基本原理81.1 风力发电的基本原理81.1.1 风力发电的基本原理81.1.2 风力发电的特点81.2 风资源及风轮机概述91.2.1 风资源概述91.2.2 风轮机的理论101.3 风力发电机的结构与组成101.3.1 风力发电机的分类101.3.2 水平轴风力发电机的结

9、构111.4 风力发电机的基础理论131.4.1 贝茨(Betz)理论141.4.2 风力发电机特性系数151.4.3 异步发电机基本原理16第二章 风力发电控制系统模型的建立192.1 风力发电机组的基本控制要求192.1.1 风力发电机组运行的控制要求192.2 风力发电机组控制系统的结构原理212.2.1 风力发电机组的控制目标212.2.2 控制系统主要参数222.2.3 控制系统工作原理232.2.4 风力发电机组的变距控制原理232.3 风力发电系统的控制策略242.3.1 风轮机的气动特性242.3.2 定桨距风力发电机的控制策略262.3.3 变桨距风力发电机的控制策略272.

10、3.4 变速风力发电机的控制策略272.4 变桨距风力发电机组控制系统模型框图282.4.1 变桨距风力发电机组的运行状态282.4.2 变桨距控制系统292.4.3 功率控制312.5 变桨距风力发电机组控制系统模型的建立342.5.1 控制选择器模型的建立342.5.2 风轮机转速控制模型的建立342.5.3 发电机转速控制的模型（在发电机并网前）352.5.4 风力发电机组的变桨距控制系统模型35第三章 样例系统模型的建立403.1 风速模型的建立403.1.1 风能的数学模型403.1.2 风速模型的建立423.2 风轮机模型的建立443.2.1 风轮机模型及参数453.2.2 齿轮箱

11、速比控制模型453.3 异步发电机模型的建立463.3.1 发电机控制选择器参数463.3.2 异步发电机参数473.4 无穷大系统模型的建立48补偿电容的参数48断路器模型及参数483.4.3 升压变压器模型及参数50无穷大系统模型及参数51第四章 风力发电控制系统的模拟仿真结果分析524.1 控制系统在样例模型中的模拟仿真524.1.1 风速模拟仿真分析524.1.2 风轮机模拟仿真分析534.1.3 异步发电机模拟仿真分析544.1.4 风力发电机系统并网模拟仿真分析594.1.5 变桨距控制系统模拟仿真分析634.2 低于额定风速时控制的模拟仿真结果分析634.2.1 发电机转速控制模

12、拟仿真结果分析634.2.2 风轮机转速控制模拟仿真结果分析654.2.3 变桨距控制模拟仿真结果分析654.3 高于额定风速时控制的模拟仿真结果分析674.3.1 发电机转速控制模拟仿真结果分析674.3.2 风轮机转速控制模拟仿真结果分析704.3.3 变桨距控制模拟仿真结果分析71结 论73参考文献74附 录75附录A PSCAD/EMTDC软件简介75A.1 PSCAD/EMTDC软件的功能75A.1.1 PSCAD/EMTDC软件简介75A.1.2 RTDS软件简介75A.1.3 PSCAD联网、工业标准和硬件要求75A.1.4 PSCAD 应用手册76A.2 PSCAD软

13、件模块的构成76A.2.1 文件管理系统76A.2.2 建模(DRAFT)模块77A.2.3 架空线(T-LINE)和电缆(CABLE)模块77A.2.4 运行(RUN TIME)模块77A.2.5 单曲线绘图(UNIPLOT)和多曲线绘图(MULTIPLOT)模块77A.3 EMTDC模块介绍77A.3.1 利用EMTDC可进行的模似研究范围为78A.3.2 完成一次EMTDC 算题的具体步骤78附 录B79B.1 风力发电机组的变桨距控制系统模型图79B.2 风力发电样例系统模型图180B.3 风力发电系统样例模型图281谢 辞82符号说明地面高度h风速v风能密度w空气

14、密度时间周期T形状参数K尺度参数C概率统计时间N气体质量m气体体积V气体动能E有功功率P风轮角频率w转距系数Cr无功功率Q推力系数Cp风力发电机机端电压U风力发电机电流I风力发电机转速r风力发电机滑差s发电机暂态电势E发电机定子漏抗X1发电机转子漏抗X2发电机励磁电抗Xm系统频率f0转距M极对数Pn微分算子p桨距角引 言随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可

15、持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的。风力发电起源于20世纪70年代，技术成熟于80年代，自90年代以来风力发电进入了大发展阶段。随着风力发电容量的不断增大，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距控制和变速控制发展。前人在风轮机的空气动力学原理和能量转换原理的基础上,系统分析了定桨距风力发电机组、变桨距风力发电机组、变速风力发电机组的基本控制要求和控制策略，并对并网型风力发电机组的变桨距控制技术进行了一定的研究。变桨距风力发电机组的主要控制是在起动时对风轮转速的控制和并网后对输入

16、功率的控制。通过变距控制可以根据风速来调整桨叶节距角，以满足发电机起动与系统输出功率稳定的双重要求。但由于对运行工况的认识不足，对变桨距控制系统的设计不能满足风力发电机组正常运行的要求，更达不到优化功率曲线和稳定功率输出的要求。本篇论文主要介绍了风力发电机组的基本控制要求和控制策略,在变桨距风力发电机组控制系统仿真方面作了初步的探究和研究。通过控制系统保持了风力发电机组的安全可靠运行，并实现了稳定机组输出功率和优化功率曲线的控制功能。利用控制系统使风力发电系统在规定的时间内不出故障或少出故障，并在出故障之后能够以最快的速度修复系统使之恢复正常工作。本篇论文主要是通过PSCAD/EMTDC仿真软

17、件，建立风力发电系统控制模型以及完整的风力发电样例系统模型，对自建的风力发电系统控制模型进行仿真分析，利用运行模块进行EMTDC模拟计算，验证风力发电系统控制模型的可用性，并且通过单曲线绘图对模拟结果进行分析，并利用多曲线绘图模块产生可直接用于研究报告的模拟结果图形。 本文在编写过程中，受到老师的大力支持和精心指导，在此表示衷心的感谢。风力发电技术和PSCAD/EMTDC仿真等的相关知识对我们来讲都是平时很少接触和涉及的，而且，这些学科中的很多东西都是较为前沿的。由于本人的理论水平及实践经验所限、编写时间仓促，书中错误疏漏之处难免，敬请老师不咎指正。第一章 风力发电系统的基本原理1.1 风力发

18、电的基本原理1.1.1 风力发电的基本原理风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电的。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风力发电的原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶片和发电机两部分构成如图1-1所示。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动片叶旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连就会带动发电机发出电来。1.1.2 风力发电的特点（1）可再生的洁净能源风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资源也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的

19、优点。（2）建设周期短一个十兆瓦级的风电场建设期不到一年。（3）装机规模灵活可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台。（4）可靠性高把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电且机组寿命可达20年。（5）造价低 从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相对比火力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化、产业化，在不久的将来风力发电的造价和电价都将低于火力发电。（6）运行维护简单现代

20、中大型风力发电机的自动化水平很高，完全可以在无人职守的情况下正常工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电的大修问题。（7）实际占地面积小发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。（8）发电方式多样化风力发电既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行，因此对于解决边远地区的用电问题提供了现实可行性。（9）单机容量小由于风能密度低决定了单台风力发电机组容量不可能很大，与现在的火力发电机组和核电机组无法相比。另外风况是不稳定的，有时无风有时又有破坏性的大风，这都是风力发电必须解决的实际问题。1.2 风资源及风

21、轮机概述 风资源概述（1）风的起源风的形成乃是空气流动的结果。风就是水平运动的空气，空气运动主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。大气的流动也像水流一样，是从压力高处往压力低处流，太阳能正是形成大气压差的原因。由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在665°的夹角，因此对地球上不同地点太阳照射角度是不同的，而且对同一地点一年中这个角度也是变化的。地球上某处所接受的太阳辐射能与该地点太阳照射角的正弦成正比。（2）风的参数风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。风速是指

22、某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高处的10min内风速的平均值为参考。风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。（3）风能的基本情况1风能的特点风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。 风能资源的估算风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风功率为 (1-1)式中 为风能(w)；为空气密度(kg/m)；为风速(m/s)。由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一段时间的观

23、测来了解它的平均状况，一个地方风能潜力的多少要视该地常年平均风能密度的大小。因此需要求出在一段时间内的平均风能密度，这个值可以将风能密度公式对时间积分后平均来求得。在风速V的概率分布p(V)知道后，平均风能密度还可根据下式求得 （1-2） 风轮机的理论4风轮机又称为风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风轮机的类型很多通常将其分为水平轴风轮机垂直轴风轮机和特殊风轮机三大类。但应用最广的还是前两种类型的风轮机。1.3 风力发电机的结构与组成 风力发电机的分类5风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量分可分为：小型（10kw以下）、中型（10100kw）和大型（100kw

24、以上）风力发电机组。按主轴与地面相对位置又可分为：水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。水平轴风力发电机是目前世界各国风力发电机最为成功的一种形式，主要优点是风轮可以架设到离地面较高的地方，从而减少了由于地面扰动对风轮动态特性的影响。它的主要机械部件都在机舱中，如主轴、齿轮箱、发电机、液压系统及调向装置等。而生产垂直轴风力发电机的国家很少，主要原因是垂直轴风力发电机效率低，需启动设备，同时还有些技术问题尚待解决。在本文中以后不做特殊说明时所指的风力发电机组即为大中型的水平轴风力发电机组。 水平轴风力发电机的结构大中型风力发电机组是由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系

25、统及附属部件（机舱机座回转体制动器等）组成的。(1)机舱机舱包含着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机等。图1.2 (2)风轮叶片安装在轮毂上称作风轮，它包括叶片、轮毂、主轴等。风轮是风力发电机接受风能的部件。叶片是风力发电机组最关键的部件，现代风力发电机上每个转子叶片的测量长度大约为20米叶片数通常为2枚或3枚，大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料（GRP）制造。叶片可分为变浆距和定浆距两种叶片，其作用都是为了调速，当风力达到风力发电机组设计的额定风速时，在风轮上就要采取措施，以保证风力发电机的输出功率不会超过允许值。轮毂是连接叶片和主轴的零部件。轮毂一般由铸钢或钢板焊接而成，其中不允许有夹

26、渣、砂眼、裂纹等缺陷，并按桨叶可承受的最大离心力载荷来设计。主轴也称低速轴，将转子轴心与齿轮箱连接在一起，由于承受的扭矩较大，其转速一般小于50r/min，一般由40Cr或其他高强度合金钢制成。（3）增速器增速器就是齿轮箱，是风力发电机组关键部件之一。由于风轮机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为实现匹配采用增速齿轮箱。使用齿轮箱可以将风电机转子上的较低转速、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。（4）联轴器增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空间，往往联轴器与制动器设计在一起。（5）制动器制动器是使风力发电机停止转动的装置，也称刹车。（6）发电机发电机是风力发电机组中

27、最关键的部件，是将风能最终转变成电能的设备。发电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。大型风电机（100-150千瓦）通常产生690伏特的三相交流电。然后电流通过风电机旁的变压器（或在塔内），电压被提高至1-3万伏，这取决于当地电网的标准。风力发电机上常用的发电机有以下几种： 直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。 永磁发电机，常用在小型风力发电机上。现在我国已经发明了交流电压440/240V的高效永磁交流发电机，可以做成多对极低转速的，特别适合风力发电机。 同步或异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速比同步转速略低，当并网时转速应提高。 （7）塔架塔架是支撑风力发电机的支架

28、。塔架有型钢架结构的，有圆锥型钢管和钢筋混凝土的等三种形式，风电机塔载有机舱及转子。 （8）调速装置风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。为了使风轮运转所需要额定转速下的装置称为调速装置，调速装置只在额定风速以上时调速。目前世界各国所采用的调速装置主要有以下几种：可变浆距的调速装置；定浆距叶尖失速控制的调速装置；离心飞球调速装置；空气动力调速装置；扭头、仰头调速装置。（9）调向（偏航）装置调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。借助电动机转动机舱以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。通常在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。

29、 （10）风力发电机微机控制系统11风力发电机的微机控制属于离散型控制，是将风向标、风速计、风轮转速、发电机电压、频率、电流、发电机温升、增速器温升、机舱振动、塔架振动、电缆过缠绕、电网电压、电流、频率等传感器的信号经A/D转换，输送给单片机再按设计程序给出各种指令实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、运行中机组故障的自动停机、自动电缆解绕、过振动停机、过大风停机等的自动控制。自我故障诊断及微机终端故障输出需维修的故障，由维修人员维修后给微机以指令，微机再执行自动控制程序。风电场的机组群可以实现联网管理、互相通信，出现故障的风机会在微机总站的微机终端和显示器上读出、调出程序和修

30、改程序等，使现代风力发电机真正实现了现场无人职守的自动控制。（11）电缆扭缆计数器电缆是用来将电流从风电机运载到塔下的重要装置。但是当风电机偶然沿一个方向偏转太长时间时，电缆将越来越扭曲，导致电缆扭断或出现其他故障。因此风力发电机配备有电缆扭曲计数器，用于提醒操作员应该将电缆解开了。风力发电机还会配备有拉动开关在电缆扭曲太厉害时被激发，断开装置或刹车停机，然后解缆。1.4 风力发电机的基础理论 贝茨(Betz)理论世界上第一个关于风轮机风轮叶片接受风能的比较完整的理论是1919年由A·贝茨(Betz)建立的。贝茨理论的建立依据的假设条件是假定风轮是理想的，能全部接受风能并且没有轮毂，

31、叶片是无限多，对气流没有任何阻力。而空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称为是平行风轮轴线的)，满足以上条件的风轮称为“理想风轮”。如图1-3所示，我们分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶片上所受到的力及移动的空气对风轮叶片所做的功。风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则有 ，。如果假设空气是不可压缩的，由连续条件可得 (1-3)由流体力学可知气流的动能为 (1-4)设单位时间内气流流过载面积为s的气体的体积为V，则。如果以表示空气密度，该体积的空气质量，此时气体所具有的动能为 (1-5

32、)的单位是kg/m3；V的单位是m3；的单位是m/s；T的单位是W。从风能公式可以看出风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度成正比，其中和随地理位置、海拔、地形等因素而变。风作用在叶片上的力由欧拉定理求得 (1-6)式中 空气当时的密度风轮所接受的功率为 (1-7)所以经过风轮叶片的风的动能转化 (1-8)式中 空气质量 (1-9) (1-10)因此，风作用在风轮叶片上的力F和风轮输出的功率P分别为 (1-11) (1-12)风速是给定的，的大小取决于，是的函数，对微分求最大值得 (1-13)令其等于0，求解方程得 (1-14) (1-15)16/27=0593，称作贝茨功率系数

33、(1-16)而正是风速为的风能，故 (1-17)=0593，说明风吹在叶片上，叶片上所能获得的最大功率为风吹过叶片扫掠面积的风能的593。贝茨理论说明理想的风能对风轮叶片做功的最高效率是59.3。通常风轮机风轮叶片接受风能的效率达不到593，一般根据叶片的数量、叶片的翼形、功率等情况取0.25-0.45。 风力发电机特性系数贝茨理论提供了风能的基本理论，但在讨论风轮机的能量转换与控制时有几个特性系数具有特别重要的意义。（1）风能利用系数风轮机从自然风能中吸到能量的大小和程度可以用风能利用率系数表示 (1-18)（2）叶尖速比为了表示风轮在不同的风速中的状态用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量称

34、为叶尖速比 (1-19)低速风轮取较小值；高速风轮取较大值。（3）转矩系数和推力系数为了便于把气流作用下的风轮机产生的转矩和推力进行比较常以为变量作成转矩和推力的变化曲线，因此转矩和推力也要无因次化。 (1-20) (1-21) 异步发电机基本原理（1）异步发电机基本原理发电机是风力发电机组中最关键的零部件，是将风能最终转变成电能的设备。发电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。使用异步机作为风力发电机与电网并联的优点是：发电机结构简单成本低并网控制容易，缺点是要从电网吸收无功功率以提供自身的励磁。这一缺点可以通过在发电机端并联电容器来改善。由于风电场的特殊性，它的并网和解列的操作十分频繁，而

35、且由于投资成本的限制以及管理、维修等方面的优点，现在大多数的大型风电场都采用异步发电机作为主力机型。本论文的研究对象中使用也是异步发电机，下面我们对异步机做以下的简单介绍。异步电机一般称感应电机即可作为发电机也可作为电动机。异步机作为电动机应用非常广泛异步机作为发电机的情况则比较少。但由于异步发电机具有结构简单价格便宜坚固耐用维修方便启动容易并网简单等特点在大中型风力发电机组中得到广泛应用。异步发电机的基本结构和同步发电机的一样，也是由定子和转子两大部分组成。异步机的定子与同步机基本相同，其转子可分为绕线式和鼠笼式，绕线式异步机的转子绕组和定子绕组相同，鼠笼式异步机的转子绕组是由端部短接的铜条

36、或铸铝制成像鼠笼一样。异步机是利用电磁感应原理通过定子的三相电流产生旋转磁场并与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩以进行能量转换。通常异步机的转子转速总是略低于或略高于旋转磁场的转速。旋转磁场的转速与转子转速之间的差为转差，转差与同步转速的比值称为转差率用表示 (1-22)转差率是表证异步机运行状态的一个基本变量。若电机用原动机驱动使转子转速高于旋转磁场的转速（）则转差率，此时电磁转矩的方向与转子转向和旋转磁场两者的方向相反即电磁转矩为制动转矩。此时转子从原动机吸收机械功率通过电磁感应由定子输出电功率电机处于发电机状态。（2）异步风力发电机的参数风轮额定转速风轮额定转速是风轮在额定风速时

37、的转速。风轮额定转速也是风力发电机设计的重要参数之一。它是由叶尖速比及发电机功率决定的参数。发电机额定功率发电机的额定功率是发电机在额定功率因数下连续运行而输出的功率它是由用户提出或由不同的使用目的而确定的。它是风力发电机设计的最基础数据。单位为KW；也有用视在功率表示的单位为KVA。发电机是交流还是直流微小型风力发电机常用直流发电机中、大型风力发电机常用交流发电机。这要视用户的用途、发电机功率而确定。交流发电机分同步和异步交流发电机、异步交流发电机也称感应交流发电机。永磁交流发电机等。发电机额定电压发电机额定运行时电压为定子或转子输出的电压，单位为V。额定功率因数发电机在额定运行时其有功功率

38、与视在功率的比值用以下公式来表示 (1-23)P为有功功率 KW，S为视在功率KVA，cos与负载性质有关。发电机额定转速发电机在额定功率运行时的转速用表示。额定频率发电机额定运行时其电压变化的频率。中国交流电网电压频率为50Hz。国外也有交流电网60Hz的。发电机额定励磁电流发电机在额定运行时的励磁电流。发电机额定温升发电机在额定功率输出及额定负载下定子绕组与转子绕组允许的最高温度与额定入口风温的差值。同步转速对于额定频率为f 的交流发电机其同步转速 (1-24)式中 发电机的极对数；同步转速r/min。风力发电机的全效率风力发电机的全效率为风轮叶片接受风能的效率、增速器的效率、发电机的效率

39、、传动系统效率等的积 (1-25)第二章 风力发电控制系统模型的建立风力发电机组控制系统工作的安全可靠性已成为风力发电系统能否发挥作用，甚至成为风电场长期安全可靠运行的重大问题。在实际应用过程中，尤其是一般风力发电机组控制与检测系统中,控制系统满足用户提出的功能上的要求是不困难的。往往不是控制系统功能而是它的可靠性直接影响风力发电机组的声誉。有的风力发电机组控制系统的功能很强,但由于工作不可靠,经常出故障,而出现故障后对一般用户来说维修又十分困难，于是这样一套控制系统可能发挥不了它应有的作用。因此对于一个风力发电机组控制系统的设计和使用者来说,系统的安全可靠性必须认真加以考虑,必须引起足够的重

40、视。我们的目的是希望通过控制系统的设计，采取必要的手段使我们的系统在规定的时间内不出故障或少出故障，并且在出故障之后能够以最快的速度修复系统,使之恢复正常工作。2.1 风力发电机组的基本控制要求 风力发电机组运行的控制要求(1) 控制思想3定桨距失速型机组控制风速超过风力发电机组额定风速以上时，为确保风力发电机组输出功率不再增加，导致风力发电机组过载，通过空气动力学的失速特性，使叶片发生失速，从而控制风力发电机组的功率输出。变桨距失速型机组控制风速超过风力发电机组额定风速以上时，为确保风力发电机组输出功率不再增加，导致风力发电机组过载，通过改变桨叶节距角和空气动力学的失速特性，使叶片吸收风功率

41、减少或者发生失速，从而控制风力发电机组的功率输出。控制功能和控制参数节距限制、功率限制、风轮转速、电气负荷的连接、起动和停机过程、电网或负荷丢失时的停机、扭缆的限制、机舱对风、运行时电量和温度的限制。保护环节以失效保护为原则进行设计自动执行保护功能：超速、发电机过载和故障、过振动、电网或负载丢失、脱网时的停机失败时。保护环节为多级安全链互锁在控制过程中具有“与”的功能在达到控制目标方面可实现逻辑“或”结果。(2) 自动运动的控制要求开机并网控制:当风速10分内的平均值在系统工作区域内，风力发电机组起动软切入状态机组并入电网。小风和逆功率脱网:机组在待风状态10分平均风速小于脱网风速脱网风速再次

42、上升风机旋转并网。普通故障脱网停机:参数越限、状态异常普通停机刹车软脱网刹机械闸计算机自行恢复。紧急故障脱网停机:紧急故障(飞车、超速、负荷丢失等)紧急停机偏航控制（90度）脱网机械刹车。 安全链动作停机：电控制系统软保护控制失败硬性停机停机。大风脱网控制：10分平均风速大于25m/s时超速、过载脱网停机气动刹车偏航控制（90度）功率下降后脱网刹机械闸安全停机风速回到工作风速区后恢复自动对风转速上升后自动并网运动。对风控制：机组在工作风区根据机舱的灵敏度确定偏航的调整角度。偏转90度对风控制：机组在大风速或超转速工作时降低风力发电机组的功率安全停机。当10分平均风速大于25m/s时或超过超速上

43、限时风力发电机组作偏转90度控制气动刹车脱网停机。功率调节：当机组在额定风速以上并网运行时失速型机组发电机的功率不会超过额定功率的15%过载脱网停机。软切入控制：软切入、软脱网限制导通角控制发电机端的软切入电流为额定电流的1.5倍控制发电机端电压。（3）控制保护要求主电路保护：变压器低压侧三相四线进线处设置低压配电低压断路器维护操作安全和短路过载保护。过电压、过电流保护：主电路计算机电源进线端、控制变压器进线和有关伺服电动机的进线端均设置过电压、过电流保护措施。防雷设施及熔丝：控制系统有专门设计的防雷保护装置。过继电保护：运行的所有输出运转机构的过热、过载保护控制装置。接地保护：金属部分均要实

44、现保护接地。2.2 风力发电机组控制系统的结构原理 风力发电机组的控制目标风力发电机组是实现由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程的装置。风轮系统实现了从风能到机械能的能量转换，发电机和控制系统则实现了从机械能到电能的能量转换过程，在考虑风力发电机组控制目标时应结合它们的运行方式，重点实现以下目标：（1）控制系统保持风力发电机组安全可靠运行同时高质量地将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电送入电网。（2）控制系统采用计算机控制技术对风力发电机组的运行参数、状态监控显示及故障处理完成机组的最佳运行状态管理和控制。（3）利用计算机智能控制实现机组的功率优化控制定桨距恒速机组主要进行软

45、切入、软切出及功率因数补偿控制对变桨距风力发电机组主要进行最佳叶尖速比和额定风速以上的恒功率控制。（4）大于开机风速并且转速达到并网转速的条件下风力发电机组能软切入自动并网保证电流冲击小于额定电流。当风速在47m/s之间切入小发电机组（小于300kW）并网运行当风速在730m/s之间切入大发电机组（大于500kW）并网运行。主要完成下列自动控制功能：大风情况下当风速达到停机风速时风力发电机组应叶尖限速脱网抱液压机械闸停机而且在脱网同时风力发电机组偏航90°。停机后待风速降低到大风开机风速时风力发电机组又可自动并入电网运行。为了避免小风时发行频繁开、停机现象在并网后10分内不能按风速自

46、动停机。同样在小风自动脱网停机后5分内不能软切并网。当风速小于停机风速时为了避免风力发电机组长期逆功率运行造成电网损耗应自动脱网使风力发电机组处于自由转动的待风状态。当风速大于开机风速要求风力发电机组的偏航机构始终能自动跟风。跟风精度范围±15°。风力发电机组的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下应该松开机械闸其余状态下（大风停机、断电和故障等）均应抱闸。风力发电机组的叶尖闸除非在脱网瞬间、超速和断电时释放起平稳刹车作用。其余时间（运行期间、正常和故障停机期间）均处于归位状态。在大风停机和超速停机的情况下风力发电机组除了应该脱网、抱闸和甩叶尖闸停机外还应该自动投入偏航控制

47、使风力发电机组的机舱轴心线与风向成一定的角度增加风力发电机组脱网的安全度待机舱转约90°后机舱保持与风向偏90°跟风控制跟风范围±15°。在电网中断、缺相和过电压的情况下风力发电机组应停止运行此时控制系统不能供电。如果正在运行时风力发电机组遇到这种情况应能自动脱网和抱闸刹车停机此时偏航机构不会动作风力发电机组的机械结构部分应能承受考验。风力发电机组塔架内的悬挂电缆只允许扭转±2.5圈系统已设计了正/反向扭缆计数器超过时自动停机解缆达到要求时再自动开机恢复运行发电。风力发电机组应具有手动控制功能（包括远程遥控手操）手动控制时“自动”功能应该解除相

48、反的投入自动控制时有些“手动”功能自动屏蔽。控制系统应该保证风力发电机组的所有监控参数在正常允许的范围内一旦超过极限并出现危险情况应该自动处理并安全停机。 控制系统主要参数（1）主要技术参数主发电机输出功率（额定） 发电机最大输出功率 工作风速范围 额定风速 切入风速（1min平均值） 切出风速（1min平均值） 风轮转速 发电机并网转速 发电机输出电压 发电机发电频率 并网最大冲击电流（有效值） 电容补偿后功率因数 （2）控制指标及效果方式 专用微控制器过载开关 自动对风偏差范围 风力发电机组自动起、停机时间 系统测量精度 电缆缠绕2.5圈自动解缆 自动解缆时间 55min 手动操作响应时间

49、 (3)保护功能超电压保护范围 连续欠电流保护范围 连续风轮转速极限 发电机转速极限 发电机过功率保护值 连续发电机过电流保护值 连续大风保护风速 连续 系统接地电阻 防雷感应电压 控制系统工作原理6主开关合上后，风力发电机组控制器准备自动运作。首先系统初始化检查控制程序、微控制器硬件和外设、传感器来的脉冲及比较所选的操作参数备份系统工作表，接着就正式起运。起动的第一秒内先检查电网、设置各个计算器、输出机构初始工作状态及晶闸管的开通角。所有这些完成后，风力发电机组开始自动运行于风轮的叶尖本来是90°，现在恢复为0°，风轮开始转动。计算机开始时监测各个参数、输入，判断是否可以

50、并网，判断参数有否超过极限、执行偏航、相位补偿、机械制动或空气制动。其中相位补偿的作用在于使功率因数保持在0.95至0.99之间。 风力发电机组的变距控制原理(1)变桨距风力发电机组的控制方式风力发电机组的变距系统主要包括两种控制方式，即并网前的速度控制与并网后的功率控制。由于异步发电机的功率与转速是严格对应的，功率控制最终也是通过速度控制来实现的。变桨距风轮的叶片在静止时节距角为90°，这时气流对叶片不产生力矩，整个叶片实际上是一块阻尼板。当风速达到起动风速时，叶片向0度方向转动，直到气流对叶片产生一定的功角，风轮开始起运。风轮从起运到额定转速，其叶片的节距角随转速的升高是一个连续

51、变化的过程。根据给定的速度参考值调整节距角，进行所谓的速度控制。当转速达到额定转速后电机并入电网。这时，电机转速受到电网频率的牵制变化不大，主要取决于电机的转差，电机的转速控制实际上已转为功率控制。为了优化功率曲线，在进行功率控制的同时通过转子电流控制器对电机转差进行调整，从而调整风轮转速。当风速较低时，风轮转差调到很小(1%)，转速在同步速附近；当风速高于额定风速时，电机转差要调整到很大（10%），使叶尖速比得到优化，使功率曲线达到理想的状态。（2）变距控制72.3 风力发电系统的控制策略在风力发电控制系统中，风轮机应在转速极限和功率极限内追求在最佳Cp目标曲线附近运行，应当把动能转换作为设

52、计策略的重点加以规划；当达到转速限值和功率标称值时，要及时准确的进行调节，以使输出功率平稳。必须分清异步发电机和功率变换器的绝对极限和常用上限的差别，尽量减小对电网的污染。下面概述的风力发电系统的各种控制策略在国内外大中型并网发电的风力发电机中均有应用。 风轮机的气动特性8风轮机通过叶片捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。风轮机的特性通常用风能转换效率Cp-尖速比曲线来表示，图2-2是一条典型的曲线。尖速比可表示为 （2-1） 式中 为风轮机的机械转速(rad/s)；为叶片半径(m)；为来流的线性风速(m/s)。根据风机叶片的空气动力特性，风能转换效率是尖速比和桨矩的函数，即。典型与和的关系可用图2-3来表示。由图中可见，对于同一个值风轮机可能运行在A和B两个点，它们分别对应于风轮机的高风速运行区和低风速运行区，当风速发生变化时风轮机的运行点将要发生变化。在恒频应用中，发电机转速的变化只比同步转速高百分之几，但风速的变化范围可以很宽。按(2-1)式，尖速比便可以在很宽范围内变化(取决于叶片设计)，风轮机捕获风力可以写成 (2-2)式中 是气动功率(W)；是空气密度(kg/m3)；是扫掠面积(m2)；是风轮机的功率系数。 由(2-2)式可知，风机整体设计和相应的运行控制策略应在追求最大的情况下进行相应的调