风力发电系统电气控制设计_风电毕业论文(编辑修改稿)

风力发电系统电气控制设计_风电毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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 sn 与转子转速 n 之间的差为转差 ， 转差 n 与同步转速 sn 的比值称为转差率用 S 表示   ss nnnS / (31) 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（ snn）则转差率 S0 ，此时电14 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 ○ 1 风轮额定转速 风轮额定转速是风轮在额定风速时的转速。 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。 ○ 2 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。 ○ 3 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。 ○ 4 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。 ○ 5 额定功率因数 发电机在额定运行时其有功功率与视在功率的比值用以下公式来表示 SP/cos  (32) P 为有功功率 KW， S 为视在功率 KVA， cos 与负载性质有关。 ○ 6 发电机额定转速 发电机在额定功率运行时的转速用 minr 表示。 ○ 7 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。 ○ 8 发电机额定励磁电流 发电机在额定运行时的励磁电流。 ○ 9 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。 ○10 同步转速 对于额定频率为 f 的交流发电机其同步转速 15 pfn /60 (33) 式中 p—— 发电机的极对数； n —— 同步转速 r/min。 ○11 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 1 、增速器的效率 2 、发电机的效率3 、传动系统效率 3 等的积 4321   (34) 控制系统主要参数 （ 1）主要技术参数 ○ 1 主发电机 输出功率（额定）  ePKW ○ 2 发电机最大输出功率   KW ○ 3 工作风速范围 4 25 /ms ○ 4 额定风速  /eVms ○ 5 切入风速（ 1min 平均值） 4/ms ○ 6 切出风速（ 1min 平均值） 25/ms ○ 7 风轮转速  /minNr ○ 8 发电机并网转速 1 0 0 0 / 1 5 0 0 2 0 / m inr ○ 9 发电机输出电压 10%V ○ 10 发电机发电频率 50 Hz ○ 11 并网最大冲击电流（有效值） ○ 12 电容补偿后功率因数  （ 2）控制指标及效果 ○ 1 方式 专用微控制器 ○ 2 过载开关 690 ,660VA ○ 3 自动对风偏差范围 15 ○ 4 风力发电机组自动起、停机时间 60S ○ 5 系统测量精度 % ○ 6 电缆缠绕 圈自动解缆 ○ 7 自动解缆时间 55min ○ 8 手动操作响应时间 5S (3)保护功能 16 ○ 1 超电压保护范围 连续  30 eS U V ○ 2 欠电流保护范围 连续  30 eS I A ○ 3 风轮转速极限 40 /minr ○ 4 发电机转速极限 1800 /minr ○ 5 发电机过功率保护值 连续  60 eS P KW ○ 6 发电机过电流保护值 连续  30 eS I A ○ 7 大风保护风速 连续 600 25 / minSr ○ 8 系统接地电阻 4 ○ 9 防雷感应电压 3500V 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 90176。 ，现在恢复为 0176。 ，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 至 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 90176。 ，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。 17 （ 2）变距控制 [7] 变桨距控制系统实际上是一个随动系统，变距控制器是一个非线性比例控制器，它可 以补偿比例阀的死带和极限。 变距系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号经 D/A 转换后变成电压信号，控制比例阀（或电液伺服阀）驱动油缸活塞推动变距机构，使叶片节距角变化。 活塞的位移反馈信号由位移传感器测量，经转换后输入比较器。 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计策略 的重点加以规划 ；当 达到转速限值 18 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 λ 曲线来表示 ， 图 22 是一条典型的 Cp 曲线。 尖速比可 表示为 mRv （ 21） 式 中 m 为风轮机的机械转速 (rad/s)； R 为叶片半径 (m)； v 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 PC 是尖速比 λ 和桨矩 β 的函数 ， 即  ,PCf。 典型 PC 与  和 的关系可用图 23 来表示。 由图中可见 ，对于同 一个 PC 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 (21)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 PP SC V机械 (22) 式 中 P机械 是气动功率 (W)；  是空气密度 (kg/m3)； A 是扫掠面积 (m2)； PC 是风轮机的功率系数。 由 (22)式 可知 ，风机整体设计和相应的运行控制策略应 在追求 PC 最大 的情况 下 进行相应的 调整，便可增加其输出功率。 如 图 24所示 是理想 风轮机的功率曲线。 从理论上讲 风轮机组的输出功率是无限 大 的 ， 它是 风速立方的函数。 但在实际应用中 ，它却 受 到了 如 下 的 限制 ： （ 1）功率限制：由于 构成电路的 所有 电气元件 都受到了 功率限制 ； 19 (2)转速限制：由于 系统中的齿轮箱、电机 都 存在转速的上 限。 因而风轮机的运行存在三个典型区： 在低风速段，按 恒定 PC 途径控制风轮机直到转速达到极限 ； 然后按恒 定转速控制风轮机 ，直到功率最大 ； 功率最大后，风轮机 按恒定功率控制。 定桨距风力发电机的控制策略 传统概念的风力发电机一般都是上风向、三叶片的风轮机 ， 通过齿轮增速箱 来 驱动异步发电机 ，并 与电网相连 来发电的。 风轮机的功率调节完全依靠叶 片的气动特性 的风力发电机组 称为定桨距风力发电机组。 风轮机吸 收的功率随风速不停地变化 ， 发电机工作于同步转速附近 ， 而风电机组的设计一般在额定功率时 风轮的转换效率 PC 在最佳区段。 当风速超过额定 风速时 ， 为了保持发电机输出功率恒定 ， 必须通过 叶片失速效应 特性来 降低 PC 值 ，以 维持 输出 功率 的 恒定。 对于定桨 距 系统 ， 发电机正常工作 的 滑差小于 1%， 允许滑差 范围一般在 5%以内 ， 而风速的变化范围却很大。 从  ,PCf 的函数关系来看 ， 难以保 证在额定风速之前 使 PC 值达到 最大 ， 特别 是 在低风速段。 通常系统设计有两个不同功率 、 不同极对数的异 步发电机，以满足不同风速的要求。 大功率高转速的异步发电机工作于高风20 速区 ，小功率低转速的 异步 发电机 则 工作于低风速区， 由此来调整尖速比  ，实现追求 PC最大下的整体运行控制。 定桨矩风机的 功 角一般设定在 0176。 ， 在不同风频密度的地区 可根据具体情况在安装时予以调整，但 必 须充分考虑到对于风机失速 点的影响。 从设计的角度考虑 ，叶片的翼形难以做到在失速点之后功率恒定，通常都有些下降 ，因其发生在高风速段 ，对发电量有一定影响。 风机采用异步发电技术，存在功率流向的不确定 性 ，发电机可能低于同步。