并网型异步风力发电机的控制

1、并网型异步风力发电机的控制研究 课程设计任务书 2014 年 秋 季学期学 生 姓 名谢霞学 号11230730专 业 方 向电力系统班 级电力系统（6）班题 目 名 称并网型异步风力发电机的控制研究一、电力系统新能源的建设和发展，控制方法及前沿科技综述 新能源大规模开发、安全高效利用，是解决我国经济和社会快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择；以风能、太阳能为代表的新能源是最具规模化开发前景的新能源，在我国发电构成中的百分比逐年增加。 但新能源在利用上面还有许多技术并未成熟应用，请你通过查阅相关的科技文献，了解新型能源在电力系统中的应用、发电原理

2、和控制方法，进一步了解智能电网的建设和发展，目前的科技前沿问题，完成综述性文章。二、内容及要求： 1、熟悉题目要求，查阅相关科技文献，阅读不少于30篇相关论文。 2、按要求完成电力系统新型能源发电的原理、控制方法和目前存在的技术困难。 3、列出所有参考的论文名称和杂志名称，或相关科技网站。 4、根据你的理解给出某自动控制方法或具体算法的评价。 5、了解智能电网的概念及应用。三、本次电力系统综合训练计提交的成果： 1、完成该综述性文章打印稿，（不少于40页，约2万字左右）。 2、中、英文摘要（中文摘要约200字，35个关键词） 具体排版格式如下。 1）论文的页眉（用5号宋体） 2）页眉内容为题目

3、 3）论文各章节题序及标题规范要求 各章题序及标题 小2黑体 各节一级题序及标题 小3黑体各节二级题序及标题 4号黑体正文小4号、宋体四、列出全部参考文献和技术资料，论文名称及其书籍包括外文文献不少于30篇（本）（部）。五、各阶段安排第1-2天：了解设计内容及要求，熟悉设计题目。第3-4天：确定某种算法和软件，查相关的科技文献。第5-10天：形成自己的综述性文章初稿。第11-14天：整体内容检查、排错，反复修改和按要求排版并打印。第15天：答辩。 指导教师签字：摘 要风电场的并网运行会影响电力系统的稳定性、安全性、电能质量、系统可靠性等，针对这些问题，本文分析了并网型风力发电的运行特性以及对电

4、网稳定性和电能质量的影响，并提出了异步风力发电机的并网策略。并网型异步风力发电机组启停时会对电网产生很大的冲击电流，造成电网的电压不稳定、功率不平衡。为了减小风力发电机并网时的冲击电流，优化风力发电机组的并网控制系统，本文详细的分析了异步风力发电机的软并网原理。风能具有时变性和间歇性，为了最大限度的捕获风能提高输出功率，这里介绍了偏航系统的原理和控制策略。在过去的几年里，我国风力场安装的风力发电机组大多都是以恒速恒频的方式运行，而这种风力发电系统不能很好的捕获风能资源，机组的输出功率比较低。为了提高异步风力发电机组的输出功率，最大限度的捕获风能，本文对恒速恒频运行方式作了一定的阐述。本文的工作

5、为完善风力发电系统提供了理论基础，对风力发电系统整体的经济效益及可靠性具有一定的意义和应用价值。关键词：异步风力发电机；偏航系统；定桨距；恒速恒频；控制系统并网型异步风力发电机的控制研究AbstractPower system will influence the stability of grid-connected wind farm, safety, power quality, system reliability, aiming at these problems, this paper analyzes the operation characteristics of grid-c

6、onnected wind power generation as well as the impact on power system stability and power quality, and puts forward the strategy of grid-connected wind induction generator. Grid-connected induction wind power generation unit commitment will be generated when the current to the grid, the grid voltage

7、instability, caused by the unbalanced power. In order to reduce the impact current of grid-connected wind generators, grid-connected wind turbine control system optimization, based on detailed analysis of soft cut-in principle of asynchronous wind generator.The wind is time-varying and intermittent,

8、 in order to maximize capture the wind to increase the output power, here introduces the principle and control method of the yaw system. In the past few years, Chinas wind power installed wind power generating units are running at constant speed constant frequency mode, and the wind power generation

9、 system can not capture the wind energy resource is good, the relatively low output power unit. In order to improve the output power of wind turbine generators, wind power maximum, this paper has made certain elaboration on the variable speed constant frequency operation mode.This work provides a th

10、eoretical basis for the improvement of wind power generation system, it has a certain significance and application value to the economic efficiency and reliability of wind power generation system.Key words: Asynchronous wind turbines；Yaw system；Fixed pitch；Constant speed constant frequency；Control s

11、ystem 并网型异步风力发电机的控制研究目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc408223919 摘 要 PAGEREF _Toc408223919 h II HYPERLINK l _Toc408223920 Abstract PAGEREF _Toc408223920 h III HYPERLINK l _Toc408223921 1 绪 论 PAGEREF _Toc408223921 h 1 HYPERLINK l _Toc408223922 1.1 课题背景及意义 PAGEREF _Toc408223922 h 1 HYPERLINK l _Toc40

12、8223923 1.2 国内外风力发电概况 PAGEREF _Toc408223923 h 2 HYPERLINK l _Toc408223924 1.2.1 国外风力发电概况 PAGEREF _Toc408223924 h 2 HYPERLINK l _Toc408223925 1.2.2 国内风力发电概况 PAGEREF _Toc408223925 h 3 HYPERLINK l _Toc408223926 1.2.3 风电产业的发展趋势 PAGEREF _Toc408223926 h 4 HYPERLINK l _Toc408223927 1.3 本文主要研究的内容 PAGEREF _T

13、oc408223927 h 5 HYPERLINK l _Toc408223928 2 风电机组组成及并网控制原理 PAGEREF _Toc408223928 h 7 HYPERLINK l _Toc408223929 2.1 风力发电技术概述 PAGEREF _Toc408223929 h 7 HYPERLINK l _Toc408223930 2.1.1 风力机功率调节方式 PAGEREF _Toc408223930 h 7 HYPERLINK l _Toc408223931 2.1.2 风力发电系统的组成 PAGEREF _Toc408223931 h 9 HYPERLINK l _To

14、c408223932 2.2 风力发电机的组成 PAGEREF _Toc408223932 h 10 HYPERLINK l _Toc408223933 2.2.1 齿轮箱系统 PAGEREF _Toc408223933 h 10 HYPERLINK l _Toc408223934 2.2.2 发电机系统 PAGEREF _Toc408223934 h 11 HYPERLINK l _Toc408223935 2.2.3 偏航系统 PAGEREF _Toc408223935 h 11 HYPERLINK l _Toc408223936 2.2.4 解缆装置 PAGEREF _Toc408223

15、936 h 12 HYPERLINK l _Toc408223937 2.2.5 控制系统 PAGEREF _Toc408223937 h 12 HYPERLINK l _Toc408223938 2.3 刹车系统 PAGEREF _Toc408223938 h 14 HYPERLINK l _Toc408223939 2.3.1 传统风机的刹车过程 PAGEREF _Toc408223939 h 14 HYPERLINK l _Toc408223940 2.3.2 现代刹车系统 PAGEREF _Toc408223940 h 14 HYPERLINK l _Toc408223941 2.3.

16、3 改进后的刹车系统 PAGEREF _Toc408223941 h 15 HYPERLINK l _Toc408223942 2.4 风力发电机组的工作原理 PAGEREF _Toc408223942 h 16 HYPERLINK l _Toc408223943 2.5 风力机控制 PAGEREF _Toc408223943 h 17 HYPERLINK l _Toc408223944 2.5.1 风力机能量转换过程 PAGEREF _Toc408223944 h 17 HYPERLINK l _Toc408223945 2.5.2 风力机的主要特性系数 PAGEREF _Toc408223

17、945 h 17 HYPERLINK l _Toc408223946 2.6 风力发电机组的基本控制要求 PAGEREF _Toc408223946 h 20 HYPERLINK l _Toc408223947 2.7 风力发电机组的控制特性 PAGEREF _Toc408223947 h 21 HYPERLINK l _Toc408223948 2.8 异步风力发电系统并网时存在的问题 PAGEREF _Toc408223948 h 22 HYPERLINK l _Toc408223949 2.8.1 对电网电压和稳定性的影响 PAGEREF _Toc408223949 h 22 HYPER

18、LINK l _Toc408223950 2.8.2 并网时对电网的冲击 PAGEREF _Toc408223950 h 23 HYPERLINK l _Toc408223951 3 并网型异步风力发电机概述 PAGEREF _Toc408223951 h 24 HYPERLINK l _Toc408223952 3.1 异步感应电机的基本结构 PAGEREF _Toc408223952 h 24 HYPERLINK l _Toc408223953 3.2 异步感应电机的工作原理 PAGEREF _Toc408223953 h 25 HYPERLINK l _Toc408223954 3.3

19、笼型感应发电机的运行 PAGEREF _Toc408223954 h 26 HYPERLINK l _Toc408223955 3.4 异步风力发电机的并网方式 PAGEREF _Toc408223955 h 27 HYPERLINK l _Toc408223956 3.5 风力发电机组工作状态及其转换 PAGEREF _Toc408223956 h 29 HYPERLINK l _Toc408223957 3.6 风力发电机组的运行过程 PAGEREF _Toc408223957 h 30 HYPERLINK l _Toc408223958 4 偏航系统的控制与研究 PAGEREF _Toc

20、408223958 h 31 HYPERLINK l _Toc408223959 4.1 偏航系统的工作原理 PAGEREF _Toc408223959 h 31 HYPERLINK l _Toc408223960 4.2 偏航系统的控制原理及其功能 PAGEREF _Toc408223960 h 32 HYPERLINK l _Toc408223961 4.2.1 偏航系统的控制原理 PAGEREF _Toc408223961 h 32 HYPERLINK l _Toc408223962 4.2.2 偏航控制系统的功能 PAGEREF _Toc408223962 h 34 HYPERLINK

21、 l _Toc408223963 4.2.3 偏航控制的硬件 PAGEREF _Toc408223963 h 35 HYPERLINK l _Toc408223964 4.2.4 偏航控制的软件 PAGEREF _Toc408223964 h 36 HYPERLINK l _Toc408223965 5 总结 PAGEREF _Toc408223965 h 37 HYPERLINK l _Toc408223966 参考文献 PAGEREF _Toc408223966 h 38 HYPERLINK l _Toc408223967 致谢 PAGEREF _Toc408223967 h 40并网型异

22、步风力发电机的控制研究绪 论课题背景及意义能源，既是人类生存之根本，也是全球经济发展的物质基础，所以能源富则国富。随着人口的不断增加、经济的快速发展，能源危机日益严重。目前，全球能源主要是煤、石油和天然气，而这些能源都是一次能源，其储量会随着开采越来越少。最近几年，石油资源越来越紧张，石油价格不断上调，中国石油有一半以上要依赖中东，长此下去，最终会遏制我国经济的增长。据有关统计显示，如果年开采40亿吨，我国的煤储量仅够开采50年，而我国的6能源消费会越来越高，50年之后，我们拿什么来满足这样的能源需求呢1？另外，燃烧煤、石油等矿物燃料导致了有毒、有害气体的大量排放，严重的危害着人类的身心健康；

23、同时也导致了地球表面温度的不断升高，最终导致冰川融化、海平面升高、气候异常，这将会给人类的生存造成不可预料的灾难，环境污染和安全问题已经严重威胁着人类的生存并阻碍着经济的发展。能源已成为制约各国经济发展的瓶颈，就能源之路，我们必须寻求可持续发展之路。因此寻找新的、清洁的、无污染的替代能源是当今社会面临的重要课题。风资源含有巨大的能量，风能的利用已有多年的历史，以前主要是利用风能或将风能转化为机械能来提供动力，比如航船、风车抽水、辗米磨面等。20世纪初，丹麦最先开始运用风能发电，并且发电很快成为其最主要的应用。风是空气流动形成的。地球不停地自转、公转以及地表的不同，太阳辐射到地表的强度就不同，从

24、而产生大气温差，最终大气压差导致空气的流动。风能就是流动的大气具有的能量，是由太阳能转化形成的。故风能是一种清洁的自然能源、可再生能源，而且其储量十分丰富。据估算，全球风能约为1017kW，其中能够被利用的风能大约为21010kW，比全球可利用的水能大10倍4。因此，风能的开发利用具有非常广阔的前景。风能与矿物燃料和核能不同，它是一种过程性能源，不能直接储存，只有转化成别的可储存能量方可储存。最早以前人们利用风能来抽水、磨面，现在主要是利用风能来发电。化石燃料以及核裂变都是一次能源发电，在其过程中会造成环境污染，并且资源的储量会越来越少，但风力发电不存在这些问题，而且他的技术越来越成熟、质量可

25、靠、经济性不断提高，发展的特别快。据预测：2020年全球风电总装机容量可达4.7亿kW8。可再生能源很多，但风电技术是最成熟的一种，就能源危机和环境污染等问题而言，风力发电是一个切实可行、可持续发展的解决方案。由于风电的清洁无污染，并且施工期限短，所以很快受到全世界的广泛关注和大力推广。美国、西欧等发达国家最先快速发展风力发电，由于风力发电的经济性、环保性很强，并且有很客观的发展前景，所以世界各国都纷纷出台各种政策，大力推广并支持风力发电，目前在全世界都快速发展，在电力能源结构中所占比例也增长很快。风能作为取之不尽、用之不竭的绿色清洁能源已受到全球的青睐。可再生能源有风能、太阳能、潮汐能、核能

26、等，而目前发展最快、最成熟、最具有商业性的就是风力发电。随着能源危机和环境污染问题的不断加剧，各国政府都开始制定自己的能源政策，在新能源的开发利用上给予特殊的优惠和税收补贴，从而使风能、太阳能等新能源迅速发展，特别是风力发电。国内外风力发电概况国外风力发电概况地球上蕴含的风资源总量非常大，据计算，整个地球含有的风资源约为2.74亿MW11。19世纪末，丹麦首先制成了风力发电机组，并建成了世界上第一座风电站，这开启了风电事业的发展，京都议定书的国际协定，更加促使了风力发电的迅猛发展。经济最发达的美国高度重视风能的开发利用，2000年，美国已经拥有2000万多台风力发电机组，总装机容量超过2500

27、MW。2001年，新增机组容量达1700MW，总装机容量达4200MW，到2004年已达到6300MW，成为全球第二。而欧盟早2000年的新增装机容量为3500MW，到2001年底，欧盟已经运行的风机设备的容量达17300MW，比2000年增长35%，占全球总装机容量的72%。在2001年2005年的5年间，全球新增风电设备的发电能力约为3900MW，到2010年会超过140000MW，预计2020年全球的风电装机为12.45亿kW，风电电量为3.05104亿KWh，占世界总消耗电量的11.9%。当然，全球风电的快速发展，离不开各国积极地采取各种鼓励政策。对开发利用风能的鼓励政策有很多种，例如

28、对电价的长期保护、可再生能源效益基金、配额制和招投标等等。20世纪以来，德国、丹麦、西班牙等国风电的迅猛发展，主要是受到保护性电价鼓励政策的激励。下面列出了几个国家2002年的装机容量。表1.1 截止2002年底世界风电大国的总装机容量（MW）国家德国西班牙美国丹麦印度意大利荷兰英国日本容量119685043467428801702806727570486 德国、西班牙、美国等经济强国累计装机37700MW，占绝大部分市场。但在2004年他们的份额从82%下降到79%，这将拓宽风电产业的国际基础，加大全世界的装机容量。我国的风电发展较晚，但在政府的强力支持下迅速发展，到2004年，我国内地已经

29、建有43个风电场，另外台湾也建有五个风电场，其中内蒙古风电的装机容量最大，累计135MW。国内风力发电概况我国的风电事业起步较晚，并且在过去的十几年里，我国风机的装机容量也不及国外，但随着能源危机和环境污染，政府出台各种政策，鼓励并支持风电产业。在最近几年，我国风电装机容量以惊人的速度增长，2004年内地增加250台风电机组，装机容量达197MW，与2003年相比，增长率达到100%。到2008年底，总装机容量达到1215万千瓦，一举在全球排名第六。我国风电产业的发展经历了三个阶段。19861990年为第一阶段，这个阶段是我国并网风电项目的探索阶段。此期间共建立了4个风电场，共安装风电机组32

30、台，总装机容量为4.215 MW，最大单机容量为200kW。 19911995年为第二阶段，此阶段为项目的推广阶段。建立了5个风电场，安装了131台风电机组，总装机容量为33.285 MW，最大单机容量为500kW。1996年之后为第三阶段，是扩大建设规模阶段，这个阶段的装机容量和单机容量都比较大。2008年，我国新增装机容量达到6246MW，总装机容量达到12153MW，进入了风电大国的行列，位列德国、美国、西班牙之后，成为第四大国。我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源非常丰富，特别是新疆东部、甘肃北部和内蒙古中西部，都是我国风能密集区，风功率密度在200W/m2以上。由第三次风资源普查结果可知

31、，我国可开发利用风资源的陆地面积约为24104km2，按5MW/km2来计算，陆地上可开发量为120104MW，我国风能总储量约为32.26亿kW，根据中国气象局的研究表明，我国可开发利用的风资源约为7亿12亿kw，具有很大的潜力14。我国海上也是风能密集区，全国海岸带面积约为250104km2，就按8MW/km2来计算，近海风电装机容量约为200104MW，但实际上远远不止这些。随着风力发电技术和建设风电场技术的日益成熟，海上风电场必将成为我国重要的风力发电基地。在过去几十年里，我们发展风电需要靠国外进口设备，国产技术相对比较落后，所以在设备制造上，我们必须加大力度，力争提高单机容量并实现设

32、备国产化，这已成为我们未来发展的目标。提高单机容量，可以使发电成本下降。对我们这样能源不足，浪费严重的国家具有重要的意义。风电产业的发展趋势我国围绕着如何提高风力发电机的运行效率、如何能够最大限度的捕获风能等关键技术。将来我们会朝着下面几个方面发展风力发电技术：（1）增大单机容量：大型发电机与小型发电机相比，提高了风能利用率，降低了单位成本，减小了风电场的占地面积。（2）增长桨叶：能够更多的捕获风能。（3）增高塔架：塔架越高捕获的风能越大。（4）变速运行：在风速一定时，变速比恒速捕获的风能要多。（5）变桨距：只有叶片的桨距角随着风速的变化可以自动调节，才能最大限度的捕获风能，进而提高风电机组的

33、运行效率。（6）从陆地上向海面上发展：海上风速大且稳定，年均利用风能可达3000h，年发电量高于陆地50%。海上风电的湍流小、机组疲劳载荷小、机组使用时间长，但机组的各种成本都比较高。我国海岸线较长，可利用的风资源比较丰富，故开发海上风电场将是一个不错的发展方向。（7）结构设计向紧凑、柔性、轻型化发展。（8）风电场向常规发电厂发展：风资源的随机性、间歇性和不稳定性，给电网的运行和控制带来了很大的困难。电网要求风电能像常规电厂一样，在电网故障时能够支持电网，参与频率调节和电压无功控制。（9）风力发电的成本向更低发展：风电机组单机容量的增大减少了基础设施的投入费用，而且同样装机容量时减少了机组的数

34、量，这就降低了成本。随着科学技术的发展，风电机组将越来越便宜并高效。风电机组各种设备可靠性的改进，减少了运行维护的成本。本文主要研究的内容随着风力发电快速发展，越来越多的人开始重视并网型风力发电系统的研究。而目前国内使用的大多是异步风力发电机组，故本课题主要研究并网型异步风力发电机的控制技术及策略。如今风电事业正处于快速发展时期，在技术上也取得了很大成就，风力发电机组的装机容量越来越大，从定桨距控制发展到变桨距控制，从恒速恒频到变速恒频。未来的发展中，在大型风电机组中可能普遍采用变桨距、变速恒频技术。风力发电是一个复杂的系统工程，要保证风力发电系统稳定安全运行，必须考虑控制环节，比如：风速风向

35、检测、偏航控制、解缆控制、刹车控制、并网控制等等。风能具有随机性和时变性，所以最大限度的捕获风能和控制输出功率是整个系统的关键技术。本文主要针对并网型异步风力发电机，分析它的组成、原理以及并网控制技术，并且对风电机组不可缺少的偏航系统、解缆系统、刹车系统等的控制技术作简要分析。异步发电机凭借结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，效率高，价格低等优势而独树一帜。本文主要工作有一下几个方面：（1）阐述了国内外风力发电的发展概况及发展方向。（2）对风力发电系统的组成及并网控制作简要介绍。（3）分析了并网型异步风力发电机的结构、原理及组成。（4）分析了风力发电机组中偏航系统的原理及控制策略。（5）

36、对风力发电系统中定桨距的控制策略及整个系统的运行方式作简单的分析。风电机组组成及并网控制原理风力发电技术概述风力发电系统是利用风力机将获取的风能转化为机械能，再由发电机将风力机输出的机械能转化为电能的过程。其中风力机和发电机之间通过轴承和齿轮箱连接，输出的电能再经过特定的输电线路送给用户或接入电网。风力机及其控制系统发电机及其 控制系统 风能 机械能 电能 图2.1 风力发电的能量转换过程风力发电机组的类型可以分别从风力机和发电机这两个主要单元进行分类。从风力机角度可分为定桨距失速调节和变桨距调节；从发电机角度可分为恒速恒频发电和变速恒频发电。还可以分为“并网型”和“离网型”。“离网型”是指独

37、立运行的风电系统，利用蓄电池储能来解决供电问题，在一些偏远地区采用这种方式。而规模较大的风电场都采用“并网型”，这种方式可以极大的发挥风能资源，是风力发电发展的主要方向。风力机功率调节方式风能具有随机性，当风力变化时风力机的输出功率也会发生变化，风力机输出功率的调节对并网运行的发电机来说非常重要。为了确保风力机在各种环境（大风、发生故障、过负荷）下不被损坏，而且在随机性风速的波动下，能够顺利切入运行，并保持较高的风能利用率，我们很有必要研究风力机的调速和功率调节。1.定桨距风力机的叶片失速调节定桨距风力发电机组的主要特点就是：桨叶和轮毂是刚性连接，当风速变化时，桨叶的迎风角不会随着变化。失速调

38、节的原理是：叶片的攻角沿着轴向从根部向叶尖逐渐减小，这样根部叶面就先进入失速，随着风速变大，失速部分向叶尖处扩展，原来失速的部分程度加深，没有失速的部分慢慢的进入失速区。失速部分功率减小，没有失速的部分功率在增加，这样就使得功率保持在额定功率附近。定桨距失速控制不需要另外增加功率调节构件，也不用维护调节系统，它结构简单，性能可靠，造价低，但是启动性差，必须增设可靠地刹车装置。2.变桨距功率调节变桨距控制是通过连接叶片和轮毂的轴承，借助控制系统和动力系统使叶片转动，以减小迎风角，从而减小翼型的升力，最终减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率。变桨距调节时叶片的迎风角是不断变化的，可以根据风速的大小来调

39、节叶片的攻角，最终使风轮的输出功率不超过发电机的额定功率。它的不足之处就是增加了叶尖周围额外的重量，使叶尖转轴承受了很高的弯矩，增加了维护难度。3.两种方式的比较（1）变桨距风力机在额定功率点以上输出功率是平稳的如图2-2所示。（2）定桨距风力机一般在低风速段的风能利用系数较高，当风速接近额定风速时，风能利用系数就会大幅下降。而变桨距风力机桨叶的桨距角能够控制，所以在额定功率点也具有较高的风能利用系数。图2.2 定桨距和变桨距风力机功率特性（3）变桨距风力机的输出功率不受温度、海拔、气流密度的影响。（4）变桨距风力发电机组在风速较低时，可以调节桨叶到合适的角度，使得风轮具有最大的启动力矩，这样

40、就比定桨距风力发电机组容易启动。（5）变桨距风力机的轮毂结构复杂，制造、维护费用高，可靠性差。风力发电系统的组成风力发电系统是将风能转化为电能的装置，整个系统的原动力是风力机吸收的风能。风力机是一种能截获流动的空气所具有的动能，并将这部分截获的动能转化为有用的机械能的装置。整个风力发电机组是由风力机驱动发电机的机组，故风力机决定了整个系统的有效输出功率，是系统能量转化过程中的关键部件。风电系统是由风能资源、发电机组、控制装置、蓄能装置、监测显示装置以及用户负荷等组成，如图2.3所示。蓄能装置监测显示装置风风力发电机组（能量转换装置）负荷备用电源控制装置图2.3 风力发电系统组成风力发电机的组成

41、从整体来看包括桨叶、齿轮箱系统、发电机系统、偏航系统、制动系统、解缆装置、塔架及控制系统等。图2.4 风力发电系统齿轮箱系统并网型风电机组起停比较频繁，叶轮自身的转动惯量又很大，因此风力发电机组的风轮转速一般都在几十转/分。容量越大的机组，叶轮直径就越长，转速就越低，这时为了满足发电机的转速，在风轮和发电机之间就需要配置齿轮箱。齿轮箱分为增速箱和减速箱，风力发电机组主传动链上使用增速箱，而偏航系统和变桨距系统则使用减速箱。增速箱的低速轴接桨叶，高速轴接风力发电机。增速箱的特点：（1）高速级采用行星架浮动，低速级采用太阳轮浮动，这样使得结构简化而紧凑，并且均载效果好。（2）输入轴的强度高、刚性大

42、、加大支承，可承受的径向力、轴向力比较大，并且可传递大的转矩，以适应风力发电的要求。齿轮箱还配有润滑系统和监控系统。润滑系统对齿轮箱和风轮轴是非常重要的，能够良好的保护齿轮和轴承。润滑的作用是：用润滑油把齿轮及轴承的运动表面润滑，可减少摩擦、降低接触应力、减少磨损、降低运动产生的温度。监控系统能够对齿轮箱中的轴承温度、润滑油温度、润滑系统的油压、润滑油位、润滑油的加热和散热装置的工作状态进行实时地监控，控制系统根据监控系统检测到的信号，自动的进行调整，使得齿轮箱可靠地工作在最佳状态。发电机系统异步风力发电机在并入电网运行时，只要发电机转速接近同步转速就可以并网，对机组的调速要求不高，不需要同步

43、设备和整步操作。异步发电机在发出有功功率的同时还要从系统吸收无功功率，而且其无功需求随着有功输出的变化而变化。它的输出功率与转速近似成线性关系，可通过转差率来调整负载。偏航系统偏航系统是水平轴风力发电机组的重要部分，主要功能包括：（1）当风速低于额定风速时，能够与风力发电机组的控制系统配合，使发电机的风轮处于迎风状态，最大限度捕获风能，从而提高风力发电机组的效率。（2）当风速高于额定风速时，能使发电机的风轮偏离迎风状态，降低转速提供调速功能。（3）当风速超过风力发电机的切出风速时，使风轮平面顺风，降低风轮转速提供安全保障功能。（4）提供必要的阻尼力矩和锁紧力矩，以保障风力发电机组稳定安全运行。

44、偏航系统分为主动偏航系统和被动偏航系统。被动偏航是借助风力通过相关机构来完成风轮对风动作的方式，常用在中小型风力发电机组中。而主动偏航是通过风向仪和地理方位检测装置来检测风轮轴线与风向的偏差，再由控制系统使用电力或液压驱动来完成对风动作的偏航方式，有齿轮驱动和滑动两种形式。并网型风力发电常用齿轮驱动形式。解缆装置自然界中的风是一种不稳定的资源，它的速度与风向是不定的。由于风向的不确定性，风力发电机就需要经常偏航对风，而且偏航的方向也是不确定的，由此引起的后果是电缆会随风力发电机的转动而扭转。如果风力发电机多次向同一方向转动，就会造成电缆缠绕，绞死，甚至绞断，因此偏航系统还要具备扭缆保护的功能设

45、法解缆。偏航齿轮上安有一个独立的计数传感器，以记录相对初始方位所转过的齿数。不同的风力发电机需要解缆时的缠绕圈数都有其规定，当风力机向一个方向持续偏航达到设定值时，表示电缆已被扭转到危险的程度，控制器将发出停机指令并显示故障，风力发电机组停机并执行顺或逆时针解缆操作。为了提高可靠性，在电缆引入塔筒处，还安装了行程开关，行程开关触点与电缆相连，当电缆扭转到一定程度时可直接拉动行程开关，引起安全停机。控制系统与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网风况和机组运行参数，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。定桨距风力发

46、电机组主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本的问题。由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制，桨叶的节距角在安装时就已确定，发电机的转速则由电网频率决定。因此，在允许的风速范围内，定桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对于因风速变化引起的输出能量的变化是不作任何控制的。这就大大简化了控制技术和相应的伺服传动技术。变桨距风力发电机组启动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的启动性能和功率输出特性都有显著的改善。此时的液压系统不再是简单的执行机构，它自身已组成闭

47、环控制系统，采用了电液比例阀或电液伺服阀，使控制系统的水平提高到一个新的阶段。针对上述结构，目前绝大多数风力发电机组的控制系统都选用集散型或分布式工业控制计算机。而比较普遍采用的是分布式控制系统，它可以方便的实现就地控制，许多控制模块可直接布置在控制对象的工作点，就地采集信号进行处理。这样就避免了各类传感器和舱内执行机构与地面主控制器之间的通信线路及控制线路。主控制器通过各类安装在现场的模块，对电网风况及风力发电机组的运行参数进行监控，并与其它控制模块保持通信，通过对各方面的情况进行综合分析后，发出控制指令。风电控制系统的组成如图2.5所示自动起动正常运行控制电网调度控制室远程控制发电运行阵风

48、控制并网解列控制最佳叶尖速比控制风电场中央控制室中程控制风力发电机组控制器功率最大输出控制最佳运行控制自动偏航解缆停机控制有功功率调节功率解耦控制 控制柜用户界面 输入用户命令， 显示运行状态、数 据和故障等情况，变更参数工作状态监控无功功率调节电网风况监控安全保护控制故障检测处理液压系统控制统一变桨距控制变桨距控制润滑加热冷却独立变桨距控制图2.5 风电控制系统的结构刹车系统传统风机的刹车过程（一）正常停机（1）由电磁阀释放叶尖扰流器；（2）当风轮的转速低于设定值时，投入第一步刹车；（3）如果叶尖扰流器释放后转速持续升高，则投入第二步刹车；（4）下一次刹车时，投入的第二步刹车先投入；（5）停

49、机后收回叶尖扰流器。（二）安全停机（1）在释放叶尖扰流器的同时投入第一步刹车；（2）当发电机的转速达到同步转速时，发电机的主接触器会跳开，这时第二步刹车投入；（3）叶尖扰流器不收回。（三）紧急停车（1）所有的接触器、继电器都失电；（2）叶尖扰流器和两步刹车同时投入，发电机脱网。现代刹车系统（1）风力刹车系统定桨距风力发电系统运用叶尖扰流器；变桨距风力发电系统是利用桨距的变化来实现风力刹车。（2）机械刹车系统这种刹车系统的刹车闸安装在高速轴或低速轴上。安装在高速轴上的刹车力矩小，齿轮箱可用风轮支撑。但是制动载荷大，对齿轮箱的冲击相对较大，制动的安全性也较差。安装在低速轴上的制动力矩就相对较大，刹

50、车可靠，刹车时制动力矩不会对齿轮箱产生任何冲击。但由于制动力矩较大，对支撑它的闸体材料要求很高，并且需要很大的液压力，这就要求有很好的密封。改进后的刹车系统低速轴转速我们以高低速轴转速差为反馈值，构成一个闭环的控制系统，如图所示。+刹车刹车指令刹车控制机构比较器高速轴转速转速偏差图2.6 改进后的刹车原理图这样改进后，只要速度差值在一定的范围内，那么对齿轮箱就不会有太大的冲击。并且运用单片机来完成刹车机构，将采样信号送入单片机，单片机会进行判断处理，控制通往高低速轴上的液压电磁阀的通断，进而控制高低速轴上刹车阀的工作。具体软件流程图如下。开始高速轴转速N1低速轴转速N2额定差值N两部刹车同时投

51、入YN1=N2=0N1-N2N结束YNN1N2Y高速轴松闸低速轴松闸图2.7 软件流程图风力发电机组的工作原理变压器发电系统制动系统主传动系统 风 M1 1 M2 2 P电网转速测量调速变桨距系统风力机控制系统功率测量风速、风向测风系统偏航系统图2.8 风力发电机组的工作原理风力机控制风力机能量转换过程由流体力学可知，空气流的动能为 （2.1） m为空气质量，v是气流速度密度为的气流流过面积S的气体体积V，M=V=sv， （2.2）则单位时间内气流所具有的动能为 由贝兹理论可知：前后空气体积相等：S1V1=SV=S2V2 再根据牛顿第二定律可知，单位时间内风轮上所受的力为：F=mv1-mv2=

52、svv1-v2 （2.3）故风轮吸收的功率为： P=Fv=sv2(v1-v2) (2.4）风轮前后动能的变化为： 因为风轮吸收的功率就等于风轮前后动能的变化，故可得： 经过风轮风速的变化产生的功率为： （2.5）其最大功率可令 得 代入可得到最大理想功率为： 图2.9 理想风轮气流扫略示意图风力机的主要特性系数风力机是风电机组的重要部件之一，对风电系统的性能、效率有着直接的影响。风力机可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。水平轴风力机风轮的旋转轴与风向平行，而垂直轴风力机风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向。风力机在一定风速下如何能够捕获最大风能，必须研究他的特性。（1）风能利用系数Cp，Cp表示风轮

53、从自然风中收集能量的大小程度。 Cp=EoEv=PoPv0.40.5 (2.6)式中：Eo指一定时间内叶轮吸收的风能； Ev指一定时间内刮过叶轮的全部风能； Po指风力机的输出功率； Pv指风力机的输入功率。 （2） 叶尖速比 可以表示为叶尖线速度与风速之比，即=叶尖速度风速，表示风轮在不同风速中的状态。的值不同，风轮的效率不同。实践表明：当叶尖速度超过100m/s时叶片会被破坏，当叶尖速度超过7080m/s时会产生严重噪声，故叶尖速度一般控制在小于等于65m/s。图2.9 叶尖速比与风能利用系数曲线图（3）异步风力发电机捕获风能模型p=12ACp(,)V3 （2.7）式中：为空气密度；A为风

54、轮扫风面积，A=R2； Cp为风能利用系数； 为叶尖速比； R为叶片半径； 为桨距角； V为风速。若风速一定，则Cp的大小决定了风电机组机械功率的大小。Cp的大小与和有关，是非线性关系。为了捕获最大风能，即获得最大功率，可以通过调节桨距角和叶尖速比来获得最大的Cp值。（4）风电机组运行状态控制当VVcut-in时，风电机组不运行；当Vcut-inVVn时，风电机组部分运行；当VnVVcut-out时，风电机组停止运行。Vcut-in通常为35m/s，是风力机组的切入速度；Vn是额定风速，一般在15m/s附近；Vcut-out一般在25m/s，为风力机切出速度。风力发电机组的基本控制要求控制系统

55、的基本功能1、根据风速信号自动进行启动、并网或从电网中切出。2、根据风向信号自动对风。3、根据功率因数及输出电功率大小自动进行电容切换补偿。4、脱网时能够保证机组安全停机。5、运行过程中能够对电网、风况和机组状态进行检测、分析并记录，异常情况判断并能及时处理。主要检测参数及作用1、电力参数：电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率、发电机功率因数等。判断并网条件、计算电功率和发电量、无功补偿、电压和电流故障保护。2、风力参数：风速，每秒采集一次，10分钟求一次平均值。V3m/s时发电，V25m/s时停机。风向，测量风向的偏差。控制偏航系统工作，当V3m/s时偏航系统不会工作。3、机组参数：

56、转速，有发电机转速和风力机转速。控制发电机并网和脱网、超速保护。温度，有增速器温度、高速轴承温度、发电机温度主轴承温度和环境温度等。油位，润滑油和液压系统油位。4、各种反馈信号的检测：反馈信号包括回收叶尖扰流器、松开机械刹车、松开偏航制动器等。5、功率过高或过低的处理：风速较低时发电机就会退出电网，进入待机。功率过高，电网频率就可能会波动。风力发电机组的工作状态：运行状态暂停状态停机状态紧急停机状态机械刹车松开机械刹车松开机械刹车松开机械刹车与气动刹车同时动作机组并网发电风力发电机组空转计算机处于监测状态，输出信号被旁路机组自动调向机组调向保持工作状态调向系统停止工作液压系统保持工作压力液压系

57、统保持工作压力液压系统保持工作压力叶尖阻尼板回收（或变桨处于最佳角度）叶尖阻尼板回收（或变节距角在90o）叶尖阻尼板弹出（或变距系统失去压力）风力发电机组的控制特性电功率发电机转矩转速风轮转矩转速风能发电机动态特性传动链动态特性风轮动态特性变距位置功率信号变距指令功率变送器伺服执行器控制器图2.10 风力发电机组的控制特性图由图可以看出，系统的特性不仅和机组的特性有关，还受到控制器的影响。控制器在系统运行中可改变功率输出，风能只看成扰动。风力发电机组的控制系统结构如下图所示。用户界面.输入用户指令，变更参数.显示系统运行状态、数据及故障状况主控制器.运行监控，机组起/停.电网、风况检测无功补偿

58、.根据无功功率信号分组切入或切出补偿电容发电机控制.软并网.变频器励磁调节变距系统.转速控制.功率控制液压系统.刹车机构压力保持.变距机构压力保持调向系统.偏航.自动解除电缆制动系统.机械刹车机构.气动刹车机构图2.11 风力发电机组的控制系统结构图异步风力发电系统并网时存在的问题异步发电机最初是我国风电设备的主流产品，因此很有必要研究并网时它与电网系统的相互影响。异步风力发电机具有结构简单，制造、使用和维护方便，效率高，价格低，运行可靠等优点，但它的功率因数低，调速和启动性能不是很好，而且必须有无功电源的支持才能运行，这将大大增加了电网的无功负担。对电网电压和稳定性的影响异步风力发电机的并网

59、方式一般采用直接并网，为了给其提供并网时所需的无功电源，还需要装设无功电容补偿器。风能具有随机性，风速的大小和波动会直接导致无功的变化，而电网电压的平方正比于无功补偿量，所以电压的降低会使无功补偿量也随着降低，补偿量降低了，而异步发电机却需要无功功率，这就进一步导致电压的下降，有的风机就会因低电压保护而停机。所以说，风电场的并网会影响电网的电压稳定和电压质量。并网时对电网的冲击异步发电机并网时要求他的相序必须与电网相同，而且转速要接近同步转速。当异步风力发电机并网时，瞬时电流会增加到额定值的5倍左右，该电流与异步发电机的暂态电抗、并网时的电压和滑差有关系。滑差越大，冲击电流就越大。这将影响电网

60、上其他设备的稳定运行，冲击电流非常大的话还会影响整个电网的安全与稳定。目前减小冲击电流的办法有：装设软启动装置和风机非同期并网，但这对电网有谐波污染。并网型异步风力发电机概述异步感应电机的基本结构异步发电机有笼型和绕线型两种。笼型异步发电机一般用于并网型定桨距风力发电系统，定子由铁心和绕组构成。转子是笼型结构，转子铁心由硅钢片叠成，在槽中加入铝或铜条，在铁心两端将导条短接。转子没有集电环和电刷，也不需要外加励磁。而绕线型异步发电机的定子和笼型的一样，转子绕组却有集电环和电刷。发电机定子绕组是三相绕组，有星型和三角形两种连接方式。当转子的转速高于旋转磁场的同步转速并恒速旋转时，异步机就处于发电运