风力发电系统控制模型的建立和仿真分析毕业设计说明书(编辑修改稿)

风力发电系统控制模型的建立和仿真分析毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

8 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 时或超过超速上限时→风力发电机组作偏转 90 度控制→气动刹车→脱网→停机。 ○ 9 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。 ○10 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 倍→控制发电机端电压。 （ 3）控制保护要求 ○ 1 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。 ○ 2 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。 ○ 3 防雷设施及熔丝：控制系统有专门设计的防雷保护装置。 ○ 4 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。 ○ 5 接地保护：金属部分均要实现保护接地。 XX 本科毕业设计说明书 16 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 4～ 7m/s 之间切入小发电机组（小于300kW）并网运行当风速在 7～ 30m/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： ○ 1 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 90176。 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。 ○ 2 为了避免小风时发行频繁开、停机现象在并网后 10 分内不能按风速自动停机。 同样在小风自动脱网停机后 5 分内不能软切并网。 ○ 3 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。 ○ 4 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177。 15176。 ○ 5 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。 ○ 6 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。 ○ 7 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XX 本科毕业设计说明书 17 闸停机外还应该自动投入偏航控制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 90176。 后机舱保持与风向偏 90176。 跟风控制跟风范围177。 15176。 ○ 8 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。 ○ 9 风力发电机组塔架内的悬挂电缆只允许扭转177。 /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。 ○10 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”功能应该解除相反的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 ○ 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 XX 本科毕业设计说明书 18 ○ 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 ○ 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XX 本科毕业设计说明书 19 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 [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XX 本科毕业设计说明书 20 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 ； (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XX 本科毕业设计说明书 21 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速区 ，小功率低转速的。