风力发电技术

风力发电技术第四章风力发电控制技术基础第一节风力发电机组控制系统组成及工作原理风力发电场简介控制理论基础风力发电机组控制系统风力发电机组的控制方案风力发电机组电气系统风力发电机组的自动控制要求、功能和设计风力发电机组的自动控制技术矢速型风力发电机组并网运行控制变速恒频风力发电机组变速控制风力发电机组的变桨距功率控制风力发电机组的稳定运行控制第4章风力发电控制技术基础4.1风力发电机组控制系统结构原理4.1.1自动控制系统1．自动控制的定义自动控制就是利用控制装置自动地操纵机器设备或生产过程，功能。使其具有希望的状态或能够实现某种生产过程自动化的所有设备集合即为自动控制系统。4.1.1.2组成它主要有控制装置和广义被控对象(包括被控对象、执行机构、检测变送器等)两大部分组成。简单自动控制系统可以分为被控制对象和自动控制装置(包括测量变送组件、控制器给定器给定器给定器给定器控制器执行机构被控对象变送器广义对象控制装置被调量4.1.1.3分类图1.1通常自动控制系统组成由于各种被控对象的动态特性不尽图1.1通常自动控制系统组成相同，因此，设计满足性能指标要求的自动控制系统的结构形式也随之不同；考虑到所设计系统的性能价格比，在设计过程中设备的选型也会不同。考虑以上种种因素，对自动控制系统就其结构、执行机构的动力源形式、系统结定位形式以及所选择的控制器形式做以下分类：a、按系统结构分类(1)．开环(前馈)控制系统开环控制系统是指控制器与被控对象之间的信号传递只有顺向作用，而没有反馈联系的控制过程即被调量的变化情况不参与系统的调节作用。开环控制的优点是调节作用直接而快速，它在扰动信号产生作用的同时即参与调节，但是，它的调节作用的针对性极强。(2)．闭环负反馈控制系统闭环负反馈控制系统是控制系统最常规的构成形式。被调量信号的变化情况是系统调节作用的依据，即调节作用是根据被调量的测量值与给定值的偏差而形成的。许多工程实例均属这种结构形式。这种控制方式的优点是无论系统的扰动来自何方，只要被调量的测量值偏离给定值，则系统就会产生调节作用。不足之处则是调节速度较开环控制相比要馒些，因为它的调节作用是在被调量的测量值已经偏离给定值之后才开始的。(3)．复合控制系统闭环控制与开环控制的有机结合，可以构成具有较好性能指标的自动控制系统。(4)．串级控制系统由于被控对象的控制难度大大，一个控制器不能产生良好的控制效果时，可以选择两个控制器串行连接形成双回路串级反馈控制系统，以提高系统的控制水平。b、按执行机构动力源分类(I)电动控制系统。执行机构由电驱动的自动控制系统；(2)液动控制系统。执行机构由液体压力驱动的自动控制系统：(3)气动控制系统。执行机构由气体压力驱动的自动控制系统。c、按给定值形式分类(1)定值调节系统。给定值是一个确定的常数(如汽包水位控制系统)：(2)随动调节系统。给定值是九法预知的变数(如单元机组负荷控制系统)：(3)程序调节系统。给定值是己知变化规律的变数(如全程主汽温调节系统d、按控制器形式分类(U常规控制系统。由常规控制器构成的自动调节系统：(2)计算机控制系统。由专用计算机作为控制器构成的自动调节系统。e、按数学描述分类(1)线性系统。可以用线性微分方程描述的系统，具有齐坎性和叠加性：(2)非线性系统。只能用非线性微分方程描述的系统。4.1.2、风力发电机组控制系统4.1.2.1控制组成风力发电机有许多种类型，大体分为水平轴和立轴两种类型，机组的控制系统大体的结构都相同。它通过系统的硬件和软件结构设计，完成风力发电机组各子系统按照机组发电运行的要求协调有序的工作，控制机组运行在最佳的设计工况，使风力发电机输出符合用户要求的电功率质量。控制系统硬件组成图所示：图2：控制系统的结构组成框图如：图3、风力发电机组控制系统组成框图控制系统主要包括五大部分：机组各子系统传感器、发电运行核心控制器、功率控制器、变速控制器和控制输出执行机构。如失速定数风力发电机组的控制系统组成如图2。双馈式变速恒频风力发电机组控制系统组成如图3所示。4.1.2.2、控制系统工作原理控制系统上电以后,系统初始化,检查控制硬件、程序、传感器及相关的执行机构，确定比较所选的操作参数,接着就按机组要求正式启动，控制机组风轮转动，如果是变桨距机型，利用气动调节装置，控制转速从0-18RPM范围内，随着风速增加，转速上升，计算机开始时刻监测各个参数、输入,判断是否可以并网,判断参数有否超过极限、执行偏航、外设状态、机械制动或空气制动。当达到规定的并网转速时，系统并入电网发电运行。其详细的控制系统工作原理，对于不同的机型有不同控制工作原理。以双馈式变速恒频风电机组为例，说明如下：控制系统的运行控制器对机组的运行状态进行辨别处理，根据平均风速作开机和停机判断，根据转速进行并网和脱网控制；由变速恒频控制器完成机组功率优化和恒频输出控制，由变桨距控制器完成机组气动转矩控制，实现额定风速以上的恒功率控制。变桨距控制器主要由桨叶迎风位置检测传感器、桨距调节速度检测传感器、位置调节器、速度调节器，变桨距执行机构和液压伺服机构等组成，参照图3变距控制器按智能控制模块给定的控制目标，分别调节变桨距机构的位置和速度，完成风电机组的变桨距控制。变桨距控制是风电机组是保持额定风速以上输出恒定额定功率，而通过叶片沿其纵向轴心转动来调节桨叶迎风角的功率控制。其主要调节方式分为三个阶段：第一阶段为开机阶段，当风力机达到运行条件时，计算给定桨叶节距角，第一步节距角调节到起动角位置左右；当转速达到一定的转速（如600R/min）时，再调节到零功率角度桨位（如36°），直到风力机达到发电转速并网发电。第二阶段为：当风速低于额定风速值时，即输出功率小于额定功率时，桨叶节距角保持在最大捕风桨位置不变。第三阶段是：当风速大于额定风速值时，且功率达到额定值后，变桨距调节系统投入运行。调节控制目标是额定风速以上的额定功率，当风速大于额定风速时，且输出功率大于额定功率时，即调大桨叶桨距角，反之既然，桨距调节不断随风速的变化而进行。在系统中变距控制与变速控制相结合来达到功率优化控制的目的。变速控制器是变速恒频控制关键点。变速控制器大体分成三大部分、变速控制核心控制器硬件、变速控制原理实现软件、变速控制器主电路。变速控制策略是采用定子磁链定向矢量控制技术，对转差变流器的频率、相位、幅值进行调节，达到发电机励磁电流调节目的，实现风轮转子按控制目标进行调节的控制。变速恒频控制程序图如图5，控制以机组转速和功率优化控制、定子和转子并网发电控制为主，并网采用变速恒频切入后转子首先并网，然后定子并网的办法，用双馈发电机同步机并网调节方法，当转速高于1100RPM时，且风轮的功率基本调节到零，调整转差电流使转子绕组并网，然后进行定子并网。机组并入电网后，浆叶的节距角逐渐减小，系统进入正常运行发电控制。控制程序如图4。图4、双馈式变速恒频风力发电机组控制原理框图采样处理气象、电网、风机、控制器参数、运行状态采样处理气象、电网、风机、控制器参数、运行状态开机准备Y偏航控制YN1850>转速>1100N故障判别处理置升力最大角脱网停机，安全工作位调整并网准备NY按V-β变距调节调节Y工作位给定桨距位置调桨速度风机叶轮桨距NNY接电机定子、转子N反馈速度功率优化发电机功率优化控制、风轮转速优化控制，机组恒频恒压控制，PWM输出控制方式选取功率因数给定电机转子电机定子液压伺服限速运行电网磁链反馈变桨距控制器变速控制器运行控制器四象限双向变频电源Vq〉风速V〉VrYN智能控制模块转子τIrq、Ird。τ定子IEδ4.2风力发电场简介随着能源危机的出现和环境的日益恶化，被称为绿色清洁能源的风能越来越受到世界各国的广泛重视。风是山于太阳照射到地球表面各处受热不同，产生温差引起大气运动形成的。风能就是空气流动所产生的动能。能够将风能动力转化成电力的装置称为风力发电机组。由在风力富足的场地安装多台风力发电机组，经电力输送设备将风力发电机组生产的电力送进电网的工厂称为风力发电场。围绕风力发电厂的电力生产、输送目标的电力设备组成的系统称为风力发电场发电系统。我国风电建设始于20世纪80年代中期。经过了近20年的发展，到2005年底，全国共建设了40多个风电场，并网风力发电装机容量为105万KW，年发电量约21亿KW/h。此外，我国还约有20万台小型风力发电机(总容量约为3.5万KW，用于边远地区居民用电。我国风电设备制造技术和水平也有了很大的进步，己经基本掌握了单机容量1000KW以下大型风力发电设备的制造能力。经过多年的努力，己掌握了一定的风电场运行管理的技术和经验，并造就了一批风电设计、施上的技术人员，为风力发电的大规模开发和利用奠定了良好的基础。与国外发达国家相比，我国的风电建设虽然起步较早，但总体发展速度较慢，总体规模在亚洲也落后于印度和日本，距离大规模的开发利用仍有一定的差距。首先我国缺乏详实的风能资源数据，以现有有限的地面气象站的资料，无法满足大规模风场建设的要求。目前风力发电的成本价和常规火力发电相比，仍有很大差距。风电场发电成本高主要有以下原因:一是由于国内不能制造商品化并网风电机组，进口风电机组价格较贵:二是风电和水电一样，不消耗燃料，没有进项抵扣，所以风力发电每度电的纳税额高于常规能源发电:三是风电场规模较小，没有形成规模经济效益。风力发电所产生的特殊问题。风力发电和常规水电、火电和核电等相比，基本的区别有三点:1)风电机组的有功功率输出是随机的，其大小取决于风的变化:而火电等常规发电机组输出的有功功率和无功功率都可以准确控制:2)目前采用的风电机组绝大多数是异步发电机组，输出随机有功功率的同时，要吸收无功功率，而火电和水电机组全部都是同步发电机组:3)具有相对容量较小的大量风电机组并列运行是风电场的一个重要特点。另外，风电机组是高度自动化的发电设备，可.以无人职守、自动运行:当电力系统的运行参数(如电压和频率等)超过一定范围时，风电机组自动停机。风电场的随机功率注入可能影响电力系统的运行参数，同时风电机组对这些运行参数又有严格的要求。因此，风力发电机的发电运行控制是风电场大规模发展必须研究的解决问题。4.3风力发电机组控制技术基础3.1控制对象的数学模型分折与设计控制系统，首先要建立它的数学模型．数学模型是描述系统中各变量之间关系的数学表达式。控制系统在稳态工作条件下．或系统中各变量随时间变化缓慢情况下．以至于它们对时间的变化率可以忽略不计(即变量的各阶导数为零)情况下，此时描述变量之间关系的代数方程称为稳态数学模型。如果各变量对时间的变化率不可忽略(即变量的各阶导数不为零)，则描述变量各阶导数之间关系的微分方程称为动态数学模型，因为只有把握住系统的动态变化过程，才能从理论上对系统进行定量的分析和计算。控制系统的种类很多，如机械系统、电气系统、液压系统、热力系统等。这些表面上完全不同的物理系统，却可能具有完全相同的数学模型，因此．数学模型可以表达这些系统动态过程的共同特性。这样只要我们深入研究一种数学模型．也就了解了具有这种数学模型的各类系统的特性。由此可见，控制系统的数学模型一旦建立后，对于系统的分析与研究主要是针对系统所对应的数学模型，而不再涉及实际物理系统的具体性质和特点。建立数学模型的方法通常有机理分析法和实验辨识法两种，机理分析法是对系统各部分的运动机理进行分折，根据它们所依据的物理、化学及各种科学规律，列写相应的运动方程．例如，力学中的牛顿定律，电学中的基尔霍夫定律等。实验辨识法是人为地给被测系统施加某种测试信号，根据测得的实验数据，用某种数学方法进行数据处理，拟合出与实际系统比较接近的数学模型，这种方法称为系统辨识。本节只讨论机理分析法。在控制系统的分折与设计中，由于系统的类型不同，采用的分析设计方法不同，数学模型也相应有多种形式。在时域中常用的数学模型有微分方程、差分方程、状态方程等，在夏域中有传递函数、动态结构图(方框图)；频域中有频率特性等。本章只研究微分方程以及由此派生出的传递函数和方框图或简称框图，其应用范围只限于线性定常系统。3.1.1控制系统微分方程的建立微分方程是在时域中描述系统(或元件)动态特性的数学模型。利用微分方程可以得到其他多种形式的数学模型。因此它是数学模型的最基本形式。一、列写微分方程的一舶方法列写微分方程的目的在于确定系统的输出与输入间的函数关系。每个系统由不同的元、部件组成的，因此列写微分方程可按下述步骤进行。(1)确定系统(或元件)的输人量、输出量。系统的翰人量包括给定输入和扰动输入两类信号，而输出量是指被控制量，对于一个元件或一个环节而言，输人输出量的确定可以根据信号传递的先后顺序来确定。(2)按照信号传递的顺序，根据各变量所遵循的运动规律列写出各环节的动态方程。列写过程中要考虑到相邻元件间的负载效应，有时要做些必要的简化，忽略某些次要因素，必要时对非线性因素还要做线性化处理。列写完后一般构成微分方程组，称之为系统原始模型。(3)消击中间变量，导出只有输人变量和输出变量的系统微分方程。(4)规范化、整理微分方程，将输出项归放到方程左侧，输人项归放到方程右侧，各阶导数项技阶次从高到低的顺序排列。应当说明，建立系统运动方程的关键是系统及其元、部件所属学科领域的有关科学规律，而不是数学本身。但是微分方程的求解过程却需要数学工具(如拉氏变换)。下而举例说明系统(或元件)动态方程的列写过程。例1R—L—C电路如图2．1所示，ur为输入电压，uc为输出电压，试列出ur和uc之间的微分方程，解设回路电流为i，根据基尔霍夫定律。可得（3.1-1）消去中间式中TL=L／R，Tc=RCC）、用拉氏变换求解微分方程求解步骤为：([)对微分方程进行拉氏变换，将微分方程转换为以‘为变量的代数方程(2)求解象方程，得到输出的象函数c(3)刘输出象函数求拉氏反变换，得到微分方程的解：例2．11设有微分方程初始条件为解首先对上述方程两边求拉氏变换，得代入初始条件，求得y(s)求反变换(查表)y(t)=1—4e-3t十5e-2t(t＞0)该解由两部分组成：稳态分量即为终值y(∞)为1，瞬态分量为(-4e-3t+5e-2t根据终值定理检验稳态解为。3.1.2控制对象的数学表示方法a、线姓常系数微分方程当系统的输入为x(t)，输出y(t)．则数学模型描述为线性定常微分方程的形式b、传递函数(数学模型的最主要形式)对上述线性常系数微分方程进行零初始条件下的LaPLace变化，可以得到输出的拉氏变换和输入的拉氏变换之比，即为传递函数，用符号G(S)描述。传递函数是由系统本身的结构、参数确定的，与输入信号和初始条件无关即c、频率特性设系统传递函数G(S)的自变量S＝jω。得G(jω)，称G(jω)为系统的频率特性。频率域内研究系统性能的数学模型。如液压系统的电磁阀,幅频响应特性曲线如图图1.5、传递函数的幅频特性曲线可求得传递函数996.2/[s^2+44.04s+962]3.1.3系统传递函数G1(S)G1(S)G2（s）H(S)C(S)R(S)E(S)图1.6自控系统传递函数X1(s)-1+X2(S)N(S)图1.6是控制系统的典型结构图。可以看出，一般闭环控制系统有两个输入量：控制输入与扰动(即干扰)输入。对于线性系统，可以分别求出给定信号及干扰信号单独作用下的系统的传递函数。当两者同时作用时，可以应用叠加原理，求出系统的输出量(注意，不是传递函数)。下面我们讨论典型控制系统的几个典型的传递函数。对于图1.6所示的闭环控制系统G(s)＝Gl(s)G2(s)H(s)(4-11)称为系统开环传递函数。等于前向通道传递函数与反馈通道传递函数的乘积。它是当主反馈通路在比较点断开时，反馈信号与给定信号之间的传递函数。(2)给定信号作用下的闭环传递函数令N(s)＝o，则图1.6可以简化为图1.7，由图直接求取给定信号作用r的闭环传递函数，即输出信号C(s)与给定信号R(s)之间的传递函数。G1(S)GG1(S)G2（s）H(S)C(S)R(S)E(S)图1.7给定信号下的系统结构-1在给定信号r(t)单独作用下，系统的输出信号c(t)[此处记作cr(s)]可以用下式求得（4-13）G1G1(S)G2（s）H(S)C(S)N(S)E(S)图1.8干扰信号下的系统结构-1-1令R(S)＝0，则图1.6可以改画为因1.8，由图直接求取干扰信号作用下的闭环传递函数，即输出信号C(s)与干扰信号N(S)之间的传递函数。求得（4.14）在干扰信号n（t)单独作用下，系统的输出信号c(s)(此处记作Cn(s))可以用下式（4.15）（3）干扰信号作用下的闭环误差传递函数系统在干扰信号单独作用下的误差传递函数由φen(S)可以这样求取。将图1.6H(S)-1H(S)-1G1(S)N(S)图1.9干扰作用下的误差输出结构+G2(S)E(S)（4.16）在给之倍号单独作用下，系统的误差信号可以用下式求得（4.17）3.1.4状态方程3.1.5风力发电机组的建模风轮转子方程若只考虑转子和发电机的方位角，则转子运动的一阶模型是：这里，是转子空气动力学的转矩，是到轴的反作用转矩。注意在这个等式中转动惯量是，转子转动惯量，代替了整个的涡流转动惯量。传动装置对于刚性主动轴及增速齿轮的传动系统，所有柔性均集中在次传动轴上。以ξ代表增速齿轮箱次传动轴两端的相对位移角，见图。因此有下述运动方程：两边对时间取微分，得当认为转子和发电机速度一致时，发电机与转子的速度比为齿轮箱增速比ν。对于柔性传动系统其中是转子和发电机的方位角，而是转子和发电机转动的速度状态，习惯也可表示为ωg和ωr。驱动链的转动刚度，是驱动链的转动的阻尼系数。发电机模型根据电机传动的转矩平衡方程式，有等式成立：其中,Jg发电机的转动惯量，ωg发电机转动角速度，Tm作用在次传动轴上的扭矩，Te发电机反扭矩。其中：g发电机极对数，m1相数，U1电网电压，C1修正系数，ωG发电机的当量转速，ω1发电机同步转速，r1,x1分别为定子绕组的电阻和漏抗，r2′,x2分别为归算后转子绕组的电阻和漏抗，又有：变桨距模型桨距角β变化的执行机构，假定为一阶惯性环节其中，Tβ为时间常数。控制系统建模异步发电机的测速装置，由于存在滞后，用一个惯性环节表示其中,ωgm为速度传感器测得的发电机的角速度,Tω为时间常数。风轮转速与发电机转速的关系式：3.2控制系统的稳定性与典型输入信号3.2.1关于系统稳定性概念对控制系统的基本要求自动控制系统由于控制对象不同，工作方式不同，完成的任务不同，因此对系统的品质要求也往往各不一样，但是自动控制理论是研究各类系统共同规律的一门科学，对于闭环反馈控制系统来说，在已知系统的结构与参数时．我们惑兴趣的是在某种典型输入信号的作用下，输出量(被控量)变化的全过程。例如，对于恒值控制系统，主要是研究扰动作用引起输出量变化的全过程；对于随动系统，主要是研究输出量怎样克服扰动影响并跟随参考输入量变化的全过程。各类系统对被控量变化全过程所提出的基本要求是一样的，一般可归纳为稳定性、快速性和准确性，即稳、快、准。1．稳定性稳定性是保证系统正常工作的先决条件，因为不稳定的系统是无法完成预定控制任务的。所谓稳定性是指系统偏离平衡工作状态后，自动恢复到平衡状态的能力。出于控制系统中一般含有惯性元件或储能元件，而这些元件的能量不能突变，因此当系统受到扰动时，控制过程不会立即完成，使该系统的输出响应偏离了平衡状态，如果在随后的时间里被控量经过一段时间(称为过渡过程时间)能够最终回到原来的平衡状态，则系统是稳定的：反之，如果系统的输出响应逐渐增大趋于无穷．或出现发散振荡的情况．则系统是不稳定的。线性自动控制系统的稳定性是由系统本身的结构与参数决定的，与外界因素无关，自动控制理论应研究系统的稳定性与系统的结构及参量问的关系，并给出稳定性的判别方法，因此稳定性的研究是自动控制理论中的一个基本问题。2．快速性快速性是系统在稳定工作的前提下提出的，所谓快速性是指系统在消除输出响应与给定输入量之间的偏差时的快慢程度。快速性是衡量系统过渡过程性能的形式和快慢的重要指标，通常称为动态性能指标。为了保证系统动态调节过程快速、均匀，通常把调节时间(即过渡过程时间)、超调量、振荡次数统称为系统的动态品质指标(或称哲态、田态品质指标)。3．准确性准确性又称稳态精度。系统在过渡过程结束后实际输出量与给定期望值之间的偏差，称为稳态误差。稳态误差越小，说明控制系统的控制精度越高。稳态误差是衡量控制系统性能好坏的另一项重要指标，设计者的任务之一就是在兼顾控制系统其他性能指标的同时，使稳态误差尽可能小或小于某个允许的误差范围。应当指出，上面提出的三个基本要求，对于不同的控制系统，具体的技术标准也各有侧重，例如，恒值控制系统对稳定性的要求严格，随动系统对快速性的要求较高。另外，对于同一系统，稳、侠、准的要求是相互制约的。例如．提高系统的快速性，往往会诱发系统强烈的振荡；若改善平稳性，控制过程又可能延缓，甚至会影响稳态精度。分析与解决这些矛盾，也是控制理论研究的主要问题。系统典型输入信号在工程实践中，作用于自动控制系统的信号是多种多样的，既有确定性信号，也有非确定性信号，如随机信号。为了便于系统的分析与设计，常选用几种确定性信号作为典型输入信号。典型输入信号的选取原则是：该信号的函数形式容易在实验室或现场中获得；系统在这种信号作用下的性能可以代表实际工作条件下的性能；这种信号的函数表达式简单，便于计算，工程设计中常用的典型输入信号有：阶跃函数、斜坡函数、抛物线函数、脉冲函数、正弦函数，此外还有伪随机函数等。Af（t）Af（t）Ot阶跃函数图形如1.2所示他的表达式为(A为常量)(1．1)幅值为l的阶跃函数，称为单位阶跃函数。它的表达式为图2.1阶跃函数（1.2）阶跃函数的图形如图2.1所示，它的表达式为式（1.2）常记为1(t)，幅值为A的阶跃函数可表示为f(t)＝A．1（t）在任意时刻可表示为可表示为f(t-t0)=A．1(t-t0)。Af（t）OAf（t）Ot图2.2斜坡函数斜坡函数的图形如图2.2所示、它的表达式为(A为常量)(1.3)斜坡函数也称为等速度函数。它等于阶跃函数对时间的积分，而它的导数就是阶跃函数。当A=1时．称为单位斜坡函数。在工程实践中，某些随动系统经常工作于这种函数作用之下。c．抛物线函数Af（t）Af（t）Ot图2.2抛物线函数(A为常量)(1.4)抛物线函数也称为加速度函数，它等于斜坡函数对时间的积分，而它对时间的导数就是斜坡函数。当A=1／2时，称为单位加速度函数。d．脉冲函数脉冲函数的图形如图1．12所示，它的表达式为(A为常量)(1.5)A/εA/εδ（t）Oδ（t）b)ε=0tOOa.)εa.)ε>0t图2.4脉冲函数图2.4脉冲函数当A=1时，计为δε见图2.4a)；若令ε—o，则称为单位脉冲函数δ(5)，见图2.4b)。理想单位脉冲函数δ(f)的表达式为且（1.6）式δ(t)表明，理想单位脉冲函数是一个宽度为零、幅值为无穷大、面积为1的脉冲。脉冲函数的强度通常用其面积表示，强度为A的脉冲函数可表示为f(t)＝A·δ(t)。在时刻to出现的单位脉冲函数可表示为δ(t-t0)。单位脉冲函数是单位阶跃函数对时间的导数，而单位阶跃函数则是单位脉冲函数对时间的积分。应当指出，脉冲函数只是数学上的定义和假设，在现实中并不存在，但它是一个重要的数学工具。在控制理论研究中，它亦有重要作用。如—个任意形式的外作用函数，可以分解为不同时刻一系列脉冲函数之和.这样，通过研究系统在脉冲函数作用下的响应特性，便可了解系统在任意形式函数作用下的响应特性。e．正弦函数正弦函数的表达式为f(t)=Asin(ωt—φ)(1.7)式中：A为振幅ω＝2π为角频率φ为初始相角。正弦函数是控制系统常用的一种典型外作用信号，许多随动系统就是在这种函数作用下工作的，如舰船的消摆系统、稳定平台的随动系统等，就是处于类似于正弦函数的波浪下工作的。用正弦函数作为输入信号，可以求得不同频率的正弦函数输入的稳态响应，称之为频率响应，利用频率响应来分析和设计自动控制系统，称为频域设计法，这部分内容可参考相关的书籍。3.2.2系统的性能指标为保证风力发电设备的安全经济运行，在设计自动控制系统时，必须给出明确的系统性能指标，即控制系统的稳定性、准确性和快速性指标。通常用这三项技术指标来综合评价一个控制系统的控制水平。已知反馈控制系统构成形式的原则性框图如图2.5所示，在系统处在动态平衡的前提条件下，要获取系统的性能指标，必须对系统产生激励作用，从而让测量值偏离给定值，此时，系统控制器才能产生控制作用，才能观测出系统的控制水平。首先，系统必须具备能够抗拒扰动重新回到平衡状态的能力，这就是系统的稳定性概念。再从测量值与给定值动静态偏差的大小及消失速度给出具体的、定量的描述。a．激励信号的选择依据(1)使系统计算性能指标的计算过程简单：(2)能够代表系统实际扰动的形式：(3)激励信号的强度足够激发系统的动态调节过程并且系统设备又能够承受。控制器被控制对象控制器被控制对象测量值输出输入偏差图2.4反馈控制原理图控制量反馈(1)阶跃信号；(2)脉冲信号t理想)或方波信号(3)斜坡信号：(4)加速度信号。c．衡量系统测量值跟踪给定值能力的技术指标对于稳定的系统，在给定值为单位阶跃扰动的情况下，获得输出值(测量值)随时间变化的响应曲线如图2.6所示。从系统三项性能指标的综合性考虑，一般情况下，响应曲线为衰减振荡过程的形式最佳。从响应曲线上可收取以下常用性能指标。图2.6a为采用系统阶跃干扰输入时，常规PID控制器的控制输出结果图2.6b、为当系统为加入10倍的随机大干扰时，神经网络自适应控制输出仿真结果(1)调节时间ts系统动态调节过程所需要的时间。(2)超调量σ％＝(Cmax—1)X100％：在动态调节过程中，测量值超过给定位的最大幅度的百分比。(3)最大动态偏差emax在动态调节过程中，测量值超过结定位的最大幅度。(4)静态偏差ess，任动态调节过程结束后，测量值与给定值之差。(5)振荡次数x。动态调节过程中产生周期振荡的次数。e．衡量系统测量值抗拒干扰信号能力的技术指标对于稳定的系统，在干扰信号为单位阶跃扰动的情况下，获得输出值(测量值)随时间的响应曲线如图2.5a所示。从响应曲线上可获取以下常用性能指标；〔1)调节时间ts在干扰的作用下动态调节过程所需要的时间。(2)衰减率ψ％＝1—C3／Cmax表征系统动态调节过程的衰减程度。(3)最大动态偏差emax。(4)静态偏差ess。(5)振荡次数x。怎样确定控制系统的性能指标是控制系统的分析问题；怎样使自动控制系统的性能指标满足设计要求是控制系统的设计与改造问题，这些问题要结合实际必须掌握。3.2.4风力发电机组的控制运行稳定性分析已知反馈控制系统构成形式的原则性框图如图1—11所示*在系统处在动态平衡的前提条件·F，要获取系统的性能指标，必须对系统产生激励作用，从而让测量值偏离给定值，此时，系统控制器才能产生控制作用，才能观测出系统的控制水平。首先，系统必须具备能够抗拒扰动重新回到平衡状态的能力，这就是系统的稳定性概念。再从测量值与给定值动静态偏差的大小及消失速度给出具体的、定量的描述。（1）1．激励信号的选择依据(1)使系统计算性能指标的计算过程简单：(2)能够代表系统实际扰动的形式：(3)激励信号的强度足够激发系统的动态调节过程并且系统设备又能够承受。（2）．常用激励信号的形式(1)阶跃信号；(2)脉冲信号（理想)或方波信号(3)斜坡信号：(4)加速度信号。（3）系统的稳定性判据李雅普诺夫稳定性第二方法李雅普诺夫稳定第二方法，又叫做直接法，它不需要直接求解微分方程，而是把判别解的稳定性建立在这样—个白观的物理概念的基础上：如果一个系统的未扰运动是稳定的，那么当它受到扰动之后，系统所存贮的“能量”在扰动消除之后．应该随时间的增长而衰减，而当它恢复到末扰动状态时，或者恢复到充分小的邻域时，这种能量将取极小值。反之，未扰运动是不稳定的。根据这种直观的物理概念而建立的李雅普诺夫稳定第二方法，实际上可归结为一个描述系统运动状态的n个一阶微分方程组。考虑动态系统X；＝fi(Xi，t)(i＝1，2，…．n)(1)如果存在称作李雅普诺夫函数的标量函数V(XJ)，且该函数在系统原点的邻域内满足下列两个条件：①V(X1，X2，…，Xn)具有对X1，X2...Xn的一阶偏导数且连续；②V(X1，x2，…，Xn)O，且仅在Xi=Xi0(i=1,2,,,n)时才有V=0即函数V在原点有严格极小值。则当即V函数在原点的邻域内沿方程解曲线对时间t的导数是负定的时，系统的原点Xi=Xio(i＝1，2，…，n)是渐近稳定的。而当时系统是稳定的。须注意上述给出的李雅普诺夫稳定性理论是系统稳定的充分条件。严格意义下的李雅普诺夫稳定性充分必要条件是这样陈述的：考虑动态系统X＝f(X，t)(4)其中状态x∈Rn，假设系统(4)在给定初始条件下有惟一解．且解对初始条件有连续的依依赖性X（t）=ψ（tj，X0，t0）这里的X0为初始状态，即Xo=ψ(t、X0，t0)t =t0。若果一状态Xe满足：对所有t≥t。．f(Xe，t)=0，则称X0为动态系统的平衡态。如果Xe是(4)式的孤立平衡态，且满足下列条件，则Xe称为李雅普诺大意义下稳定：对任意实数ε＞o，存在—实数δ(ε，t。)，使由满足X0—Xe≤(ε，t。)的任意初态出发的解均满足ψ(tj，Xo，t。)—Xe≤ε，Vt＞t0(6)如果上述的δ与to的选择无关，则称平衡态Xe是——致稳定的.(4)式的状态解是有界的，是指对实数δ＞0，存在ε(δ，t0)＞o位满足x0-xe≤δ的任意初态出发的解满足ψ(tj，Xo，t。)—Xe≤ε(δ，t0)，Vt＞t0若ε与t0无关，则称此解是一致有界的。3.2.5控制系统参数整定对一个具体的调节系统,设置和调整PID参数,使调节过程达到令人满意的品质,称为参数整定,不管是常规调节仪表或DCS控制,统称为调节器参数整定"目前很多企业生产装置的自控系统配置不错,但其控制回路的自控投用率却不高,控制效果不好，这种现象往往与其自控系统的参数整定工作做得好不好有很大关系。（1）几种常用的参数整定的方法常用的参数整定方法有:经验法!衰减曲线法!临界比例度法!反应曲线法"用衰减曲线法整定调节器参数的方法是:在纯比例作用下,Ti为∞,Td为0,目的是要得到4：1,衰减振荡过度过程曲线"根据所得曲线,若衰减大于4：1应调整σ朝小比例带方向;若小于4：1,应调整σ朝大比例带方向记下4：1的比例带σ,并在记录曲线上求得4：1衰减时的调节周期Tp,然后计算σ,Ti,Td各值临界比例度法考虑的实质是通过现场试验找到等幅振荡的过渡过程,得到临界比例度和等幅振荡周期。当操纵变量作阶跃变化时,被控变量随时间变化的曲线称为反应曲线"对有自衡的非振荡过程,广义对象传递函数常可用G0(s)=K0e-sτ/(Ts+1)近似"K0,τ和T可用图解法等得出"调节器参数整定的反应曲线是依据广义对象的K0,τ和T确定调节器参数的方法。（2）经验法以上几种方法有的繁琐,有的对过程影响较大,有的理论性较强,均影响了它们的应用，而在现场应用广泛的则是经验法,操作起来最为安全可靠。经验法是一种凑试法,参数预先设置的数值范围和反复凑试的程序是该方法的核心需要整定的参数预先定在哪个范围内,要依据对象的特性,也要参考测量仪表的量程。经验法的凑试程序有两种。一种程序是先用简单的比例(P)作用，后加积分（I），再后加微分（D）作用的方法。按照这种程序，参数整定要按如下步骤进行：在单独比例作用下凑试比例系数的数值，而后加积分，最后再加微分。在加积分作用之前，应将比例带Kp放大20%左右，总的原则是：振荡过强，则加大比例带，延长积分时间；回复过慢，则缩小比例系数，缩短积分时间。最后引入微分作用。当微分作用引入后，可将比例系数比单独比例作用时减小20%左右，积分时间也可放小一点。微分时间也要凑试，以使过度时间最短，超调量最小。另一种程序是先将积分时间Ti和微分Td定下来，取表达式所列范围内的某一数值，如果需要微分作用，则取Td=(1/4~1/3))Ti，然后对比例进行凑试，直至满足调节质量要求。如果根据调节过程曲线，定出的比例系数Kp觉得不理想，适当的调整积分时间Ti和微分时间Td即可。（3）参数自整定随着可编程调节器和DCS的广泛应用,我们越来越多地接触到了参数自整定"首先,PID算法的参数整定是不基于模型和参数的,它是一种根据过程对象的时间特性或频率特性来整定PID参数的方法"PID调节器对于一些小的干扰和非线性方法一般是离线进行的，即在系统投运之前先用一些方法(如经验法)得出各PID参数的方法,然后在过程中得出一套较理想的参数,这些参数在系统整个运行过程中一般是不变的,不会随生产过程参数的变化而变化"为了提高整定效益,并克服生产过程参数的变化,人们提出了很多整定PID的方法,市场上也已出现了很多成熟的PID自整定软件和调节器产品，常用的几种PID自整定方法!如极限环法!探索整定法!专家系统等"有的也提出了一些应用专家系统和模糊控制的方法在实现模糊PID和专家系统自整定PID算法。（4）用实测法估计系统滞后时间对象的滞后是对象的一种固有特性，其大小可以通过辨识的方法得到。例如，在对象的输入端施加一个阶跃信号，并同时从阶跃信号加入时刻开始计时，直至在对象的输出中能够观测到响应的时刻为止，这一段计时时间称为滞后时间，通常用符号表示。这是一个开环辨识滞后时间的方法。对象滞后时间的闭环辨识方法，同样是对系统施加一给定阶跃信号，通过观察系统不响应的时间来确定。上述两种方法对于没有死区的对象是适用的。当对象具有死区时，必须首先辨别死区的大小。死区又称不灵敏区，通常是由测量元件的死区、放大元件的死区以及执行机构的死区造成的。例如永磁直线同步电机，由于导轨间存在摩擦力和负载力，因此只有当输入电压达到一定数值时，电机才会运动，即存在死区。死区特性表现为静态特性，滞后时间则表现为动态特性。在有死区的场合下，不响应的时间不等于滞后时间。滞后时间等于不响应时间减去死区对应的时间。滞后时间辨识的一个困难问题是被控象经常承受随机性的扰动，其输出信号本身就处于变动的状态，因此应用简单的测试方法和人为的肉眼观测，时常会产生很大的误差。通常，采用加入伪随机信号的测试方法，能够比较准确地获得滞后时间。调节器参数整定的实质是要改变系统的动态特性,为此,必须事先了解系统各环节的动态特性，系统是由对象与自动化装置方面组成,因此必须了解对象的特性和自动化装置性能"一般风力发电机组对象的特性都相当复杂,如果能测试则最好,不能测试的应根据化工生产机理,作出粗略的估计,对容量的大小!负荷变化的情况!滞后的长短及有否自衡能力等有所掌握，如果这也办不到,至少应了解工艺流程!控制指标!操作情况等"各种自动化仪表都有其独有的特性,自控人员不仅要了解它,更重要的是通过调校检查,使之合乎要求"只有在对调节对象及自动化仪表全面了解后,才能正确地进行参数整定"由于参数整定直接关系到一个自动控制系统能否达到灵!准!稳的控制目标,我们必须给予足够的重视并加以研究"然而,整定调节器参数只能在一定范围内改善系统的调节品质,如果系统设计不合理,装置或传感器使用不当,调节阀不合要求,仅靠改变调节器参数则无济于事"改变调节器参数,是提高调节过程品质的重要因素,但不是惟一的因素，遇到整定参数不能满足调节品质要求或系统无法自动运行时,必须认真分析对象特性、系统构成问题才能使系统正常运行。3.4风力发电机组的线性化状态空间模型第5章风力发电机组控制系统5.1风力发电机组的自动控制要求、功能和设计5.1.1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系统的控制目标时，应结合它们的运行方式重点实现以下控制目标：控制系统保持风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。控制系统采用计算机控制技术实现对风电机组的运行参数、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。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切入、软切出及功率因数补偿控制，对变桨距变速风电机组主要进行最佳尖速比控制、额定风速以上的恒功率控制和变速恒频控制。主要完成的控制功能有：自动启动/停机、手自动无扰动切换、自动偏航、机舱扭缆、自动解绕控制、最佳叶尖速比控制、脱网关机、风电机组自动除湿、加热、冷却控制、液压驱动、逆功率自动停机控制等。5.1.2、基本设计功能1、大风情况下，当风速达到停机风速时，风机应叶尖限速脱网抱液压机械闸停机，而且在脱网同时，风机偏航90°。停机后待风速降低到大风开机风速时，风机又可自动并入电网运行。2、为了避免小风时发生频繁开、停机现象，在并网后10分钟内不能按风速自动停机。同样，在小风自动脱网停机后，5分钟内不能再次并网。3、当风速小于停机风速时，为了避免风机长期逆功率运行，造成电网损耗，应自动脱网，使风机处于自由转动的待风状态。4、当风速大于开机风速，要求偏航机构始终能自动跟风。跟风精度范围±15°。5、风机的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下应该松机械闸，其余状态下（大风停机、断电和故障等）均应抱闸。6、风机的叶尖气动闸除非在脱网瞬间、超速和断电时释放，起平稳刹车作用。7、在大风停机和超速停机的情况下，风机除了应该脱网、抱闸和甩叶尖闸停机外，还应该自动投入偏航控制，使风机的机舱轴心线与风向成一定的角度，增加风机脱网的安全度，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°。8、在电网中断、缺相和过压的情况下，风机应停止运行，此时控制系统不能供电。如果正在运行时风机遇到这种情况，应能自动脱网和抱闸停机，此时偏航机构不会动作，风机的机械结构部分应能承受考验。9、风机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，达到要求后再自动开机，恢复运行发电。10、风机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，相反地投入自动控制时，有些“手动”功能自动屏蔽。11、控制系统应该保证风机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，应能自动处理并安全停机。5.2风力发电机组自动控制系统5.2.1风机传感器传感器的功能是把风机运行状态传递到控制系统，测量的变量包括：速度信号（发电机转速、风轮转速、风速、偏航速率、转动方向等）温度信号（齿轮箱油温、液压油温、齿轮箱轴承、发电机轴承、发电机绕组、环境气温、电器柜内温度等）位置信号（叶片桨距角位置、摆角位置、副翼位置、叶片角方位、偏航位置、缠绕故障、风向等）电气特性（电网电流、功率因数、电压、电网频率、接地故障、逆变器运行信息等）液流特性（液压或气压，液压油位、液压油流量等）运动、压力、张力传感（塔顶加速计、轴转矩、齿轮箱振动、叶根弯矩等）环境条件（传感器结冰、湿度、雷电等）5.2.2机组运行工作状态划分及转换定义风力发电机组有4种工作状态：运行状态暂停状态停机状态紧急停机状态每种状态是一个活动层次，运行状态层次最高，急停状态最低，四种工作状态的主要特征和说明如下：（1）、运行状态机械闸松开允许机组并网发电机组自动偏航调向桨距控制系统选择优化工作模式，根据风速状况选择优化的桨距角。液压系统保持工作压力冷却系统自动状态操作面板显示“运行”状态（2）、暂停状态机械闸松开液压系统保持工作压力机组自动偏航调向叶片桨距角调到接近全翼展状态叶轮空转或停止冷却系统自动状态操作面板显示“暂停”状态这个状态在调试时很有用，主要用来调试时测试整个系统的功能是否正常。（3）、停机状态机械闸松开叶片处于全翼展状态液压系统保持工作压力机组自动偏航调向停止冷却系统非自动状态操作面板显示“停机”状态（4）、紧急停机状态机械闸抱闸紧急电路（安全链）开启控制器所有输出信号无效控制器仍在运行和测量所有输入信号操作面板显示“紧急停机”状态当急停电路（安全链）动作时，所有接触器断开，控制器输出的任何信号都无效。这种状态多在手动操作和按下紧急停机按钮时出现。这几种工作状态的转换如图所示，并遵循以下原则：运行暂停运行暂停停机紧停图9-2：工作状态转换由上到下的工作状态转变可以越过一层或多层工作层次上升状态下：紧停→停机，须满足如下条件紧急电路（安全链）关闭液压系统建立工作压力机械闸松开停机→暂停，须满足如下条件自动偏航系统启动全翼展阀门关闭，变桨距系统激活自动冷却开启暂停→运行，须满足如下条件核对机组是否处于上风向风速达到切入风速，可以并网发电工作层次下降状态下运行→紧停，暂停→紧停，停机→紧停，主要控制指令为打开紧停电路置控制器所有输出信号无效机械闸抱闸控制器中所有逻辑电路复位暂停→停机，主要控制指令为自动偏航停止全翼展阀打开，桨距角调到全翼展状态自动冷却系统停止运行→停机，主要控制指令为自动偏航停止全翼展阀打开，桨距角调到920自动冷却系统停止发电机脱网运行→暂停，主要控制指令为如果发电机并网，调节输出功率降为0，发电机脱网如果发电机未并网，发电机转速降为05.2.3机组启动功能风力发电机组的启动功能包括自启动功能、顶部机舱启动功能、面板启动功能、远程启动功能四种启动方式，而机舱顶部启动又包括手动启动和电动启动两种方式。=1\*GB2⑴自启动功能风力发电机组在系统上电后，首先进行10分钟的系统自检，并对电网进行检测，系统无故障后，安全链复位。首先启动液压泵，系统建压，在系统压力正常且风电机组无故障的情况下，执行正常的启动程序。=2\*GB2⑵顶部机舱启动在顶部机舱有两种启动方式，即手动启动和电动启动功能。顶部机舱启动具有最高优先权。在进行机舱顶部起动时，应屏蔽面板启动和远程启动功能。=3\*GB2⑶面板启动面板启动与顶部机舱启动方式相同，也包括手动启动、电动启动两种方式。这两种启动方式与顶部机舱的启动方式执行的功能及动作过程相同，但当顶部机舱的维护按钮处在维护位置状态，则不能响应该启动命令。=4\*GB2⑷远程启动远程启动是通过远程监控系统对单机中心控制器发出启动命令，在PLC收到远程启动命令后，首先判断系统是否处于并网运行状态或者正在启动状态，且是否允许风电机组启动。若不允许启动，将对该命令不响应同时清除该命令标志；若电控系统有顶部或底部的维护状态命令时，同样清除命令，并对其不响应；当风电机组处于待机状态并且无故障时，才能在收到远程开机命令后，执行与面板开机相同的启动程序。在启动完成后，清除远程启动标志。5.2.4偏航系统运行功能大中型上风向机组多采用主动对风控制，由调向机构跟踪测量的风向标变化，实现机组的风向跟踪控制。风向瞬时波动频繁，但幅度不大，设置一定的允许偏差，如±150，如果在此容差范围内，就可以认为对风状态。风机对风向的测量由风向标来完成。随着数字电路的发展，风向标的种类也有许多。其中一种内部带有一个8位的格雷码盘，当风向标随风转动时，同时也带动格雷码盘转动，由此得到不同的格雷码数，通过光电感应元件，形成一组8位的数字输入信号。格雷码盘将360°划分成256个区，每个区分为1.41°，所以其测量精度为1.41°。这种风向标可以确定风向具体位置。偏航控制系统主要包括风向标控制的自动偏航、90°侧风、自动解缆、顶部机舱控制偏航、面板控制偏航和远程控制偏航等功能。其控制流程如下图9-3所示：图9-3：偏航系统工作流程图自动偏航功能描述当偏航系统收到中心控制器发出的需要自动偏航的信号后，连续3min时间内检测风向情况，若风向确定同时机舱不处于对风位置，松开偏航刹车，启动偏航电机运转，开始偏航对风程序，同时偏航计时器开始工作，根据机舱所要偏转的角度，使叶轮法线方向与风向基本一致。手动偏航功能描述手动偏航控制包括顶部机舱控制、面板控制和远程控制偏航三种方式。自动解缆功能描述自动解缆功能是偏航控制器通过检测偏航角度、偏航时间及偏航传感器，使发生扭转的电缆自动解开的控制过程。当偏航控制器检测到纽缆达到2.5~3.5圈时，根据电缆粗细和布局情况可随意设置，控制器收到响应信号时，若风力发电机组在暂停或启动状态，则进行解缆；若正在运行，则中心控制器将不允许解缆，偏航系统继续进行正常偏航对风跟踪。当偏航控制器检测到扭缆达到保护极限3~4圈时，偏航控制器请求中心控制器正常停机，此时中心控制器允许偏航系统强制进行解缆操作。在解缆完成后，偏航系统便发出解缆完成信号。90°侧风功能描述风力发电机组的90°侧风功能是在风轮过速或遭遇切出风速以上的大风时，控制系统为了保证风力发电机组的安全，控制系统对机舱进行90°侧风偏航处理。由于90°侧风是在外界环境对风电机组有较大影响的情况下，为了保证风电机组的安全所实施的措施，所以在90°侧风时，应当使机舱走最短路径，且屏蔽自动偏航指令。在侧风结束后，应当抱紧偏航刹车盘，同时当风向变化时，继续追踪风向的变化，确保风电机组的安全。其控制过程和自动偏航类似。5.2.5液压系统运行功能液压系统的控制主要为控制液压泵的起停，同时监控各个压力工作值及油泵的油位和油温。液压泵的起停是根据液压系统压力传感器信号来进行控制的，当系统压力低于设定值时，压力检测传感器信号触发，启动液压泵；当压力超过设定的上限值时，压力传感器动作，停止液压泵工作。如果液压泵连续工作超过设定时间仍未停止工作，或油位低于设定值、油温超过设定值时，此时故障报警并反馈给中心控制器，执行正常停机程序，同时封锁液压泵工作。5.2.6双速风力发电机组中大小电机并网、切换控制技术当发电机从待机状态进入并网发电状态时，风力发电机组执行小发电机直接并网程序。当软并网控制器接收到中心控制器允许小发电机并网信号后，闭合小发电机接触器，触发可控硅开始工作，一定时间后，可控硅导通角为180°时，闭合旁路接触器，反馈并网成功或失败信号给中心控制器，小发电机并网结束。当风力发电机组在开机时若风速>8m/s，则大发电机直接进入并网发电状态，风力发电机组执行大发电机直接并网程序。当软并网控制器接收到中心控制器允许大发电机并网信号后，闭合大发电机接触器，触发可控硅开始工作，一定时间后，可控硅导通角为180°时，闭合旁路接触器，反馈并网成功或失败信号给中心控制器，大发电机并网结束。在小发电机并网发电过程中，控制系统对其输出功率进行检测，若瞬时功率超过小发电机额定功率的20%或设定时间内的平均功率大于某一设定值，或风速>8m/s时，则执行小发电机向大发电机的切换。小电机向大电机切换的具体过程：收到中心控制器允许切换的命令后，首先切出小发电机补偿电容，断开小电机的旁路接触器，切出小发电机的接触器，小发电机脱网。当叶轮转速到达或接近大发电机的同步转速时，启动大发电机的软并网。即闭合大发电机接触器，触发可控硅，当可控硅完全打开时，闭合大电机旁路接触器，可控硅停止工作，反馈切换成功或失败信号反馈给中心控制器，小电机向大电机切换结束。若在切换过程中风速突然变小时，再将小发电机进行软并网。在风力发电机组大发电机并网运行时，检测大发电机的输出功率，若设定时间内的平均功率小于一设定值或瞬时功率小于另一设定值时，立即切换到小发电机运行。大电机向小电机切换的具体过程：收到中心控制器允许切换的信号后，切出大发电机补偿电容，断开大电机的旁路接触器，同时叶尖刹车启动，若风轮过速，则执行安全停机，停机复位后，再重新启动。若不过速，则断开大发电机的接触器，大发电机脱网。当转速下降到小发电机的同步转速附近时，闭合小发电机接触器，触发可控硅，当可控硅完全打开时，闭合小电机旁路接触器，可控硅停止工作，反馈切换成功或失败信号给中心控制器，再根据无功情况切入补偿电容，大电机向小电机切换结束。5.2.7安全保护系统安全保护系统功能是保护风机在严重、恶劣环境下不受损坏，如极端风速、失电、严重故障等，一般采用停机或刹车方式保证系统安全。安全保护系统是主控系统的冗余备份系统，如果主控系统出现故障失效，由安全保护系统代之执行，也可以通过操作员手动按下急停按钮激活。安全保护系统的设计尽可能与主控系统独立，设计成高可靠度失效-安全型，一般采用硬件继电器常开触点开关，正常情况为闭合状态，任何一个开关动作，跳变就会引起安全保护系统动作，采取的动作为失效安全动作，顺桨、弹簧储能的轴刹车。触发安全保护系统动作的条件有：叶轮超速，采取硬件设置超速上限，此上限高于软件设置的超速上限，一般在低速轴处设置叶轮转速传感器，一旦超出检测上限，就引发安全保护系统动作。振动传感器跳闸，表明出现了主要的机械故障。主控制器看门狗定时器溢出信号，如果看门狗定时器在一定时间间隔内没有收到控制器给出的复位信号，则表明控制器出现故障，无法正确实施控制功能，此时安全保护系统动作动作。操作员按下急停按钮。表明主控制器不能正确实施控制功能的其他故障信号。第6章风电机组自动控制技术6.1变桨距控制技术变距叶轮的桨叶在静止时，节距角为90°，如图9-4所示，这时气流对桨叶不产生力矩，整个桨叶实际上是一块阻尼板。当风速达到起动风速时，桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，叶轮开始起动。图9-4：变距调节示意图对于失速型风机，叶轮从起动到并网前，其桨叶的节距角随转速的升高是一个连续变化的过程。根据给定的速度参考值，调整节距角，也可称为桨距角，进行速度控制。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，主要取决于电机的滑差，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滑差进行调整，从而调整叶轮转速。当风速较低时，电机滑差调整到很小(1%)，转速在同步速附近；当风速高于额定风速时，电机滑差调整到很大(10%)，使叶尖速比得到优化，使功率曲线达到理想的状态。图9-4：变距调节示意图对于变距变速型风机，叶片在切入电网后到额定功率输出前，正常小风启动时，叶片节距角维持在00左右，基本不变化，这时主要调节风轮转速，使其跟随风速的变化保持最佳叶尖速比运行，从而达到额定风速下的最大能量捕获效率，额定风速之上，通过叶片节距角逐渐增大，减低Cp值，限制功率输出，达到切出风速时，节距角调整为900脱网停机。6.2最佳叶尖速比控制技术风力机的特性可由一簇功率系数Cp的无因次性能曲线来表示，功率系数是风力机叶尖速比λ的函数，如图9-5所示。图9-5：风力机性能曲线Cp(λ)曲线是桨叶节距角和叶尖速比的3维函数，图是Cp(λ)曲线对桨叶节距角的变化规律：当桨叶节距角逐渐增大时Cp(λ)曲线将显著缩小，λ是叶尖转速与风速的对比，对于变速运行的风机来说，最佳叶尖速比控制即在较宽风速范围内，调节发电机、叶轮转速跟随风速变化，保持可达最大Cp值点的最佳叶尖速比状态，使得风能捕获效率最大。对于失速型恒速风机，叶轮转速固定，而风速不断变换，叶尖速比跟随风速不断变化，并不固定在一个特定值，所以只能在某个风速上保持最佳叶尖速比，所以风能捕获效率大大降低。图9-6：风能利用系数曲线以1MWFD62-1000风力发电机运行曲线图9-7为例，风机开始运行时，叶轮的桨距角为0度，此时的Cp（λ）曲线最为饱满，最高点处的Cp值最大，但此时的叶尖速比没有达到最佳值，主要受到发电机转速的限制，所以风轮的Cp值没有达到最大。随着风速的增加，适当的调整风轮转速，使风轮尖速比在最佳值，即风轮的Cp值达到最大值，当风速在4m/s～8m/s，风轮风能利用系数Cp值最大，图中所示阴影区。当风速继续增加，超过额定风速以后，受到发电机功率限制，必须使风轮Cp值下降，通过调整风轮桨距角来实现。最佳叶尖速比控制技术的关键在于如何实时的跟随风速变化给出最佳转速控制参考值，作为变速恒频控制器的输入。由于Cp（λ）为未知的非线性曲线，采用现代先进的优化预测控制技术成为必要，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制、数学搜索方法等，建立风速与最大功率之间的对应关系，达到最大化能量捕获效率的目的。图9-7：1MWFD62-1000风力发电机运行曲线6.3闭环控制技术风机中常见的闭环控制技术有：额定风速之上的变桨距调节技术，目的是限制功率输出；启动或停机过程中的叶片桨距调节技术；发电机转矩控制，目的是调节变速风机转速；偏航电机控制，目的是最小化偏航跟踪错误。为了跟踪正确的运行曲线，需要这些闭环控制响应快速，调节无静差。6.4恒速变距机组闭环控制技术感应发电机直接与电网连接，以恒定转速旋转，叶片采用变距方法，在额定风速之上，降低气动效率，限制功率输出，采用的控制策略为根据测量功率和额定功率间的偏差信号闭环调节叶片节距角，控制目标为动态调节叶片桨距角，最小化功率偏差。控制回路如图9-11所示，控制器常用的算法为PI或PID算法。图9-11：恒速变距机组闭环控制回路6.5变速变距机组控制技术6.5.1变速变距控制策略变速机组的优点是额定风速下，可以调节叶轮转速达到优化叶尖速比，使风能捕获效率Cp最大，气动转矩与风速U、叶尖速比和叶轮转速的关系如下： (9-1)其中为风轮半径，为空气密度，为叶轮扫掠面积，为转矩利用系数，为功率利用系数，即叶轮的风能利用系数。风速、叶轮转速、叶尖速比之间的关系：，可得： (9-2)发电机转速与叶轮转速的关系为：，为齿轮箱传输比。经过驱动链的机械损耗，气动转矩与发电机转矩的平衡方程为： (9-3)如果考虑叶轮加速度的话，转矩平衡方程为： (9-4)对于刚性连接的驱动链，忽略频率变换器动态，转矩平衡方程为： (9-5)其中，是叶轮、驱动链、发电机的整个惯性，为叶轮转速，则有： (9-6)另一种方法是用现有的测量方法估计风速，根据最大Cp计算叶轮转速，从而调节发电机转矩，气动转矩可表示为： (9-7)忽略驱动链扭曲柔性，气动转矩的简化估计算法为： (9-8)如果考虑驱动链扭曲柔性，估计函数算法为： (9-9)从稳态气动分析中知道，然后推导出当前叶尖速比，根据最佳叶尖速比可推导出理想发电机转速： (9-10)采用简单的PI控制器，根据转速误差信号，跟踪调节发电机转矩，PI控制器增益越大，Cp跟踪越好，但功率波动大。6.5.2转矩控制和变距控制之间的转换变速机组达到额定转矩