PAGE44風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制設(shè)計(jì)摘要風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電在控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性已成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風(fēng)電場(chǎng)長期安全可靠運(yùn)行的重大問題。在實(shí)際應(yīng)用過程中，尤其是一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制與檢測(cè)系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上的要求是不困難的。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聲譽(yù)。有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的功能很強(qiáng),但由于工作不可靠,經(jīng)常出故障,而出現(xiàn)故障后對(duì)一般用戶來說維修又十分困難，于是這樣一套控制系統(tǒng)可能發(fā)揮不了它應(yīng)有的作用。因此對(duì)于一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用者來說,系統(tǒng)的安全可靠性必須認(rèn)真加以考慮,必須引起足夠的重視。我們的目的是希望通過控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不出故障或少出故障，并且在出故障之后能夠以最快的速度修復(fù)系統(tǒng),使之恢復(fù)正常工作。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電的基本原理；風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論；風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)；風(fēng)輪機(jī)的氣動(dòng)特性；變槳距控制系統(tǒng)。1緒論1.1國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)風(fēng)能屬于可再生能源，具有取之不盡、用之不竭、無污染的特點(diǎn)。人類面臨的能源、環(huán)境兩大緊迫問題使風(fēng)能的利用日益受到重視。我國的風(fēng)能資源豐富，可利用的潛能很大，大力發(fā)展風(fēng)、水電是我國長期的能源政策。而其中風(fēng)電是可再生能源中最具發(fā)展?jié)摿蜕虡I(yè)開發(fā)價(jià)值的能源方式。從20世紀(jì)80年代問世的現(xiàn)代并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，只經(jīng)過30多年的發(fā)展，世界上已有近50個(gè)國家開發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場(chǎng)(是前期總數(shù)的3倍)，2002年底，風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量約31128兆瓦(是前期總數(shù)的300倍)。2005年以來，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量年平均增長率為27.3%，新增裝機(jī)容量年平均增長率為36.1%，保持著世界增長最快能源的地位。2010年全球裝機(jī)容量達(dá)196630MW，新裝機(jī)容量37642MW，比去年同期增長23.6%。目前，德國、西班牙和意大利三國的風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量約占到歐洲總量的65%。近年來，在歐洲大力發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的國家還有法國、英國、葡萄牙、丹麥、荷蘭、奧地利、瑞典、愛爾蘭。歐洲之外，發(fā)展風(fēng)電的主要國家有美國、中國、印度、加拿大和日本。迄今為止，世界上已有82個(gè)國家在積極開發(fā)和應(yīng)用風(fēng)能資源。海上風(fēng)力資源條件優(yōu)于陸地，將風(fēng)電場(chǎng)從陸地向近海發(fā)展在歐洲已經(jīng)成為一種新的趨勢(shì)。有人把風(fēng)電的發(fā)展規(guī)劃為3步曲，陸上風(fēng)電技術(shù)（當(dāng)前技術(shù)）一近海風(fēng)電技術(shù)（正研發(fā)技術(shù)）一海上風(fēng)電技術(shù)（未來發(fā)展方向）。2010年北美的裝機(jī)容量有顯著下降，美國年度裝機(jī)容量首度不及中國；多數(shù)西歐國家風(fēng)能發(fā)展處于飽和階段，但風(fēng)能產(chǎn)業(yè)在東歐國家得到顯著發(fā)展；非洲風(fēng)能發(fā)展主要集中在北非。隨著海上風(fēng)電的迅速發(fā)展，單機(jī)容量為3-6MW的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)開始進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)行。美國7MW風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)研制成功，正在研制10MW機(jī)組；英國10MW機(jī)組也正在進(jìn)行設(shè)計(jì)，挪威正在研制14MW的機(jī)組，歐盟正在考慮研制20MW的風(fēng)電機(jī)組，全球各主要風(fēng)電機(jī)組制造廠家都在為未來更大規(guī)模的海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)做前期開發(fā)。1.1.1世界上風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀近年來，世界風(fēng)電發(fā)展持續(xù)升溫，速度加快?，F(xiàn)主要以德國、西班牙、丹麥和美國的一些公司為代表，大規(guī)模地促進(jìn)了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)化和風(fēng)機(jī)設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展。經(jīng)過四、五年時(shí)間的整合，國際上風(fēng)機(jī)制造業(yè)大約有十幾家比較好的大企業(yè)。2003年底，全世界風(fēng)電是3800萬千瓦左右，而2003年一年就增加了400多萬千瓦，僅德國到2003年底的裝機(jī)容量就有1600萬千瓦，其次是西班牙、美國、丹麥等國。國外風(fēng)電的發(fā)展趨勢(shì)，一是發(fā)展速度加快，二是風(fēng)機(jī)機(jī)組從小型化向大型化發(fā)展,海上風(fēng)電廠是下一步發(fā)展的主流。全世界風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量:1981年為105萬kW,1994年為350萬kW,1995年達(dá)到490萬kW,1996年底為607萬kW,1997年升至780萬kW,1998年已達(dá)到968.9萬kW,2000年5月已超過1429萬kWa德國風(fēng)力發(fā)電在裝機(jī)容量方面居于世界領(lǐng)先地位，2000年5月已達(dá)到4635萬kW;丹麥?zhǔn)情_發(fā)風(fēng)電最早的國家，而且當(dāng)前在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和生產(chǎn)方面等仍處于領(lǐng)先地位，全國裝機(jī)容量148萬kW，占發(fā)電總裝機(jī)容量的5%以上。國際上許多國家都制定了新世紀(jì)的風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃，歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)己制定出2020年歐洲風(fēng)能裝機(jī)容量1.0XlOSMW的目標(biāo)，并寫入了歐共體關(guān)于可再生能源的白皮書;歐洲風(fēng)能委員會(huì)CEWER)對(duì)I99I年歐洲風(fēng)能發(fā)展目標(biāo)作了修改，新的EWEA目標(biāo)是:歐洲風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量到2000年約為8000MW,2010年為100000MW。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和丹麥能源與發(fā)展論壇的研究報(bào)告表明:在20年內(nèi)風(fēng)力發(fā)電可以滿足世界電力需求量的10%。1.1.2我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀風(fēng)能資源作為一種可再生能源取之不盡，中國更是風(fēng)能大國，據(jù)統(tǒng)計(jì)中國風(fēng)能的技術(shù)開發(fā)量可達(dá)3億千瓦-6億千瓦，而且中國風(fēng)能資源分布集中，有利于大規(guī)模的開發(fā)和利用。據(jù)考察中國的風(fēng)能資源主要集中在兩個(gè)帶狀地區(qū)，一條是“三北（東北、華北、西北）地區(qū)豐富帶”即西北、華北和東北的草原和戈壁地帶；另一條是“沿海及其島嶼地豐富帶”，即東部和東南沿海及島嶼地帶。這些地區(qū)一般都缺少煤炭等常規(guī)能源并且在時(shí)間上冬春季風(fēng)大、降雨量少，夏季風(fēng)小、降雨量大，而風(fēng)電正好能夠彌補(bǔ)火電的缺陷并與水電的枯水期和豐水期有較好的互補(bǔ)性。80年代初，200千瓦風(fēng)機(jī)的研制開發(fā)工作開始實(shí)施。從90年代初期在山東容城建設(shè)了第一個(gè)商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電廠，到2010年底，中國以約4182.7萬千瓦的累積風(fēng)電裝機(jī)容量首次超越美國位居世界第一，較2009年同比大增62%。按照國家電網(wǎng)此前出具的研究報(bào)告，到2015年，電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)可吸納風(fēng)電上網(wǎng)的規(guī)模達(dá)1億千瓦，到2020年可達(dá)1.5億千瓦。受國際風(fēng)電發(fā)展大型化趨勢(shì)的驅(qū)使，國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)取得了不俗的成果。2005年，中國風(fēng)電場(chǎng)新安裝的MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組（≥1MW）僅占當(dāng)年新增裝機(jī)容量的21.5%。隨著國內(nèi)企業(yè)MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)量的增加，2007年MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量占到當(dāng)年新增市場(chǎng)的51%，2008年占到72.8%，2009年占到86.8%。2009年中國在多MW級(jí)（≥2MW）風(fēng)電機(jī)組研制方面取得新的成果，如金風(fēng)科技股份有限公司研制的2.5MW和3MW的風(fēng)電機(jī)組已在風(fēng)電場(chǎng)投入試運(yùn)行；華銳風(fēng)電科技股份有限公司研制的3MW海上風(fēng)電機(jī)組已在東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電；由沈陽工業(yè)大學(xué)研制的3MW風(fēng)電機(jī)組也已經(jīng)成功下線。此外，中國華銳、金風(fēng)、東汽、海裝、湘電等企業(yè)已開始研制單機(jī)容量為5MW的風(fēng)電機(jī)組。中國開始全面邁進(jìn)多MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組研制的領(lǐng)域。2010年，國際上公認(rèn)中國很難建成自主化的海上風(fēng)電項(xiàng)目，然而，華銳風(fēng)電科技集團(tuán)中標(biāo)的上海東海大橋項(xiàng)目，用完全中國自主的技術(shù)和產(chǎn)品，用兩年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)，并于2010年成功投產(chǎn)運(yùn)營，令世界風(fēng)電行業(yè)震驚。

報(bào)告預(yù)測(cè)，2013年，中國風(fēng)電裝機(jī)量很可能達(dá)到16.6千兆瓦，在2014年達(dá)到17千兆瓦，2015年達(dá)到18千兆瓦。按照這個(gè)增長速度，中國在2015年末風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)達(dá)到1億千瓦的目標(biāo)將提前一年實(shí)現(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電在控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。1.1.3論文主要內(nèi)容的簡(jiǎn)介風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性已成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風(fēng)電場(chǎng)長期安全可靠運(yùn)行的重大問題。在實(shí)際應(yīng)用過程中，尤其是一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制與檢測(cè)系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上的要求是不困難的。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聲譽(yù)。有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的功能很強(qiáng),但由于工作不可靠,經(jīng)常出故障,而出現(xiàn)故障后對(duì)一般用戶來說維修又十分困難，于是這樣一套控制系統(tǒng)可能發(fā)揮不了它應(yīng)有的作用。因此對(duì)于一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用者來說,系統(tǒng)的安全可靠性必須認(rèn)真加以考慮,必須引起足夠的重視。我們的目的是希望通過控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不出故障或少出故障，并且在出故障之后能夠以最快的速度修復(fù)系統(tǒng),使之恢復(fù)正常工作。

2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理2.1風(fēng)力發(fā)電的基本原理2.1.1風(fēng)力發(fā)電的基本原理風(fēng)能具有一定的動(dòng)能，通過風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速器將旋轉(zhuǎn)的速度提高來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電的。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約3m/s的微風(fēng)速度便可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理說起來非常簡(jiǎn)單，最簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由葉片和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成如圖1-1所示?？諝饬鲃?dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而推動(dòng)片葉旋轉(zhuǎn)，如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連就會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電來。2.1.2風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)（1）可再生的潔凈能源風(fēng)力發(fā)電是一種可再生的潔凈能源，不消耗化石資源也不污染環(huán)境，這是火力發(fā)電所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。（2）建設(shè)周期短一個(gè)十兆瓦級(jí)的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期不到一年。（3）裝機(jī)規(guī)模靈活可根據(jù)資金情況決定一次裝機(jī)規(guī)模，有一臺(tái)資金就可以安裝一臺(tái)投產(chǎn)一臺(tái)。（4）可靠性高把現(xiàn)代高科技應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性從80年代的50%提高到了98%，高于火力發(fā)電且機(jī)組壽命可達(dá)20年。（5）造價(jià)低從國外建成的風(fēng)電場(chǎng)看，單位千瓦造價(jià)和單位千瓦時(shí)電價(jià)都低于火力發(fā)電，和常規(guī)能源發(fā)電相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。我國由于中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部從國外引進(jìn)，造價(jià)和電價(jià)相對(duì)比火力發(fā)電高，但隨著大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，在不久的將來風(fēng)力發(fā)電的造價(jià)和電價(jià)都將低于火力發(fā)電。（6）運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單現(xiàn)代中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動(dòng)化水平很高，完全可以在無人職守的情況下正常工作，只需定期進(jìn)行必要的維護(hù)，不存在火力發(fā)電的大修問題。（7）實(shí)際占地面積小發(fā)電機(jī)組與監(jiān)控、變電等建筑僅占火電廠1%的土地，其余場(chǎng)地仍可供農(nóng)、牧、漁使用。（8）發(fā)電方式多樣化風(fēng)力發(fā)電既可并網(wǎng)運(yùn)行，也可以和其他能源如柴油發(fā)電、太陽能發(fā)電、水利發(fā)電機(jī)組形成互補(bǔ)系統(tǒng)，還可以獨(dú)立運(yùn)行，因此對(duì)于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題提供了現(xiàn)實(shí)可行性。（9）單機(jī)容量小由于風(fēng)能密度低決定了單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量不可能很大，與現(xiàn)在的火力發(fā)電機(jī)組和核電機(jī)組無法相比。另外風(fēng)況是不穩(wěn)定的，有時(shí)無風(fēng)有時(shí)又有破壞性的大風(fēng)，這都是風(fēng)力發(fā)電必須解決的實(shí)際問題。2.2風(fēng)資源及風(fēng)輪機(jī)概述2.2.1風(fēng)資源概述（1）風(fēng)的起源風(fēng)的形成乃是空氣流動(dòng)的結(jié)果。風(fēng)就是水平運(yùn)動(dòng)的空氣，空氣運(yùn)動(dòng)主要是由于地球上各緯度所接受的太陽輻射強(qiáng)度不同而形成的。大氣的流動(dòng)也像水流一樣，是從壓力高處往壓力低處流，太陽能正是形成大氣壓差的原因。由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軸之間存在66．5°的夾角，因此對(duì)地球上不同地點(diǎn)太陽照射角度是不同的，而且對(duì)同一地點(diǎn)一年中這個(gè)角度也是變化的。地球上某處所接受的太陽輻射能與該地點(diǎn)太陽照射角的正弦成正比。（2）風(fēng)的參數(shù)風(fēng)向和風(fēng)速是兩個(gè)描述風(fēng)的重要參數(shù)。風(fēng)向是指風(fēng)吹來的方向，如果風(fēng)是從東方吹來就稱為東風(fēng)。風(fēng)速是表示風(fēng)移動(dòng)的速度即單位時(shí)間內(nèi)空氣流動(dòng)所經(jīng)過的距離。風(fēng)速是指某一高度連續(xù)10min所測(cè)得各瞬時(shí)風(fēng)速的平均值。一般以草地上空10m高處的10min風(fēng)玫瑰圖是一個(gè)給定地點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)向分布圖。通過它可以得知當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。（3）風(fēng)能的基本情況[1]eq\o\ac(○,1)風(fēng)能的特點(diǎn)風(fēng)能的特點(diǎn)主要有：能量密度低、不穩(wěn)定性、分布不均勻、可再生、須在有風(fēng)地帶、無污染、分布廣泛、可分散利用、另外不須能源運(yùn)輸、可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等。eq\o\ac(○,2)風(fēng)能資源的估算風(fēng)能的大小實(shí)際就是氣流流過的動(dòng)能，因此可以推導(dǎo)出氣流在單位時(shí)間內(nèi)垂直流過單位截面積的風(fēng)能，即風(fēng)功率為(1-1)式中為風(fēng)能(w)；為空氣密度(kg/m)；為風(fēng)速(m/s)。由于風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量，必須通過一段時(shí)間的觀測(cè)來了解它的平均狀況，一個(gè)地方風(fēng)能潛力的多少要視該地常年平均風(fēng)能密度的大小。因此需要求出在一段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)能密度，這個(gè)值可以將風(fēng)能密度公式對(duì)時(shí)間積分后平均來求得。在風(fēng)速V的概率分布p(V)知道后，平均風(fēng)能密度還可根據(jù)下式求得（1-2）2.2.2風(fēng)輪機(jī)的理論[4]風(fēng)輪機(jī)又稱為風(fēng)車，是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)輪機(jī)的類型很多通常將其分為水平軸風(fēng)輪機(jī)垂直軸風(fēng)輪機(jī)和特殊風(fēng)輪機(jī)三大類。但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)輪機(jī)。2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成2.3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類[5]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，按其容量分可分為：小型（10kw以下）、中型（10—100kw）和大型（100kw以上）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。按主軸與地面相對(duì)位置又可分為：水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前世界各國風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為成功的一種形式，主要優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)輪可以架設(shè)到離地面較高的地方，從而減少了由于地面擾動(dòng)對(duì)風(fēng)輪動(dòng)態(tài)特性的影響。它的主要機(jī)械部件都在機(jī)艙中，如主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、液壓系統(tǒng)及調(diào)向裝置等。而生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國家很少，主要原因是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率低，需啟動(dòng)設(shè)備，同時(shí)還有些技術(shù)問題尚待解決。在本文中以后不做特殊說明時(shí)所指的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組即為大中型的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。2.3.2水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機(jī)艙機(jī)座回轉(zhuǎn)體制動(dòng)器等）組成的。(1)機(jī)艙機(jī)艙包含著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)等。

(2)風(fēng)輪葉片安裝在輪轂上稱作風(fēng)輪，它包括葉片、輪轂、主軸等。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最關(guān)鍵的部件，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)上每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的測(cè)量長度大約為20米葉片數(shù)通常為2枚或3枚，大部分轉(zhuǎn)子葉片用玻璃纖維強(qiáng)化塑料（GRP）制造。葉片可分為變漿距和定漿距兩種葉片，其作用都是為了調(diào)速，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的額定風(fēng)速時(shí)，在風(fēng)輪上就要采取措施，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率不會(huì)超過允許值。輪轂是連接葉片和主軸的零部件。輪轂一般由鑄鋼或鋼板焊接而成，其中不允許有夾渣、砂眼、裂紋等缺陷，并按槳葉可承受的最大離心力載荷來設(shè)計(jì)。主軸也稱低速軸，將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起，由于承受的扭矩較大，其轉(zhuǎn)速一般小于50r/min，一般由40Cr或其他高強(qiáng)度合金鋼制成。圖1.2圖1.2（3）增速器增速器就是齒輪箱，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件之一。由于風(fēng)輪機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速下，為實(shí)現(xiàn)匹配采用增速齒輪箱。使用齒輪箱可以將風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的較低轉(zhuǎn)速、較高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電機(jī)上的較高轉(zhuǎn)速、較低轉(zhuǎn)矩。（4）聯(lián)軸器增速器與發(fā)電機(jī)之間用聯(lián)軸器連接，為了減少占地空間，往往聯(lián)軸器與制動(dòng)器設(shè)計(jì)在一起。（5）制動(dòng)器制動(dòng)器是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置，也稱剎車。（6）發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最關(guān)鍵的部件，是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。發(fā)電機(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。大型風(fēng)電機(jī)（100-150千瓦）通常產(chǎn)生690伏特的三相交流電。然后電流通過風(fēng)電機(jī)旁的變壓器（或在塔內(nèi)），電壓被提高至1-3萬伏，這取決于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)上常用的發(fā)電機(jī)有以下幾種：①直流發(fā)電機(jī)，常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。②永磁發(fā)電機(jī)，常用在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上?，F(xiàn)在我國已經(jīng)發(fā)明了交流電壓440/240V的高效永磁交流發(fā)電機(jī)，可以做成多對(duì)極低轉(zhuǎn)速的，特別適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)。③同步或異步交流發(fā)電機(jī)，它的電樞磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)不同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速略低，當(dāng)并網(wǎng)時(shí)轉(zhuǎn)速應(yīng)提高。

（7）塔架塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支架。塔架有型鋼架結(jié)構(gòu)的，有圓錐型鋼管和鋼筋混凝土的等三種形式，風(fēng)電機(jī)塔載有機(jī)艙及轉(zhuǎn)子。

（8）調(diào)速裝置風(fēng)速是變化的，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨風(fēng)速的變化而變化。為了使風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)所需要額定轉(zhuǎn)速下的裝置稱為調(diào)速裝置，調(diào)速裝置只在額定風(fēng)速以上時(shí)調(diào)速。目前世界各國所采用的調(diào)速裝置主要有以下幾種：eq\o\ac(○,1)可變漿距的調(diào)速裝置；eq\o\ac(○,2)定漿距葉尖失速控制的調(diào)速裝置；eq\o\ac(○,3)離心飛球調(diào)速裝置；eq\o\ac(○,4)空氣動(dòng)力調(diào)速裝置；eq\o\ac(○,5)扭頭、仰頭調(diào)速裝置。（9）調(diào)向（偏航）裝置調(diào)向裝置就是使風(fēng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一直使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的裝置。借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙以使轉(zhuǎn)子正對(duì)著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風(fēng)向標(biāo)來感覺風(fēng)向。通常在風(fēng)改變其方向時(shí)，風(fēng)電機(jī)一次只會(huì)偏轉(zhuǎn)幾度。（10）風(fēng)力發(fā)電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)[11]風(fēng)力發(fā)電機(jī)的微機(jī)控制屬于離散型控制，是將風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速計(jì)、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電壓、頻率、電流、發(fā)電機(jī)溫升、增速器溫升、機(jī)艙振動(dòng)、塔架振動(dòng)、電纜過纏繞、電網(wǎng)電壓、電流、頻率等傳感器的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，輸送給單片機(jī)再按設(shè)計(jì)程序給出各種指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)調(diào)向、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)解列、運(yùn)行中機(jī)組故障的自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng)電纜解繞、過振動(dòng)停機(jī)、過大風(fēng)停機(jī)等的自動(dòng)控制。自我故障診斷及微機(jī)終端故障輸出需維修的故障，由維修人員維修后給微機(jī)以指令，微機(jī)再執(zhí)行自動(dòng)控制程序。風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組群可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風(fēng)機(jī)會(huì)在微機(jī)總站的微機(jī)終端和顯示器上讀出、調(diào)出程序和修改程序等，使現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)真正實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)無人職守的自動(dòng)控制。（11）電纜扭纜計(jì)數(shù)器電纜是用來將電流從風(fēng)電機(jī)運(yùn)載到塔下的重要裝置。但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)偶然沿一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)太長時(shí)間時(shí)，電纜將越來越扭曲，導(dǎo)致電纜扭斷或出現(xiàn)其他故障。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)配備有電纜扭曲計(jì)數(shù)器，用于提醒操作員應(yīng)該將電纜解開了。風(fēng)力發(fā)電機(jī)還會(huì)配備有拉動(dòng)開關(guān)在電纜扭曲太厲害時(shí)被激發(fā)，斷開裝置或剎車停機(jī)，然后解纜。3風(fēng)力發(fā)電電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性已成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風(fēng)電場(chǎng)長期安全可靠運(yùn)行的重大問題。在實(shí)際應(yīng)用過程中，尤其是一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制與檢測(cè)系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上的要求是不困難的。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聲譽(yù)。有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的功能很強(qiáng),但由于工作不可靠,經(jīng)常出故障,而出現(xiàn)故障后對(duì)一般用戶來說維修又十分困難，于是這樣一套控制系統(tǒng)可能發(fā)揮不了它應(yīng)有的作用。因此對(duì)于一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用者來說,系統(tǒng)的安全可靠性必須認(rèn)真加以考慮,必須引起足夠的重視。我們的目的是希望通過控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不出故障或少出故障，并且在出故障之后能夠以最快的速度修復(fù)系統(tǒng),使之恢復(fù)正常工作。3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求3.1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的控制要求控制思想[3]eq\o\ac(○,1)定槳距失速型機(jī)組控制風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定風(fēng)速以上時(shí)，為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組過載，通過空氣動(dòng)力學(xué)的失速特性，使葉片發(fā)生失速，從而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出。eq\o\ac(○,2)變槳距失速型機(jī)組控制風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定風(fēng)速以上時(shí)，為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組過載，通過改變槳葉節(jié)距角和空氣動(dòng)力學(xué)的失速特性，使葉片吸收風(fēng)功率減少或者發(fā)生失速，從而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出。eq\o\ac(○,3)控制功能和控制參數(shù)節(jié)距限制、功率限制、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、電氣負(fù)荷的連接、起動(dòng)和停機(jī)過程、電網(wǎng)或負(fù)荷丟失時(shí)的停機(jī)、扭纜的限制、機(jī)艙對(duì)風(fēng)、運(yùn)行時(shí)電量和溫度的限制。eq\o\ac(○,4)保護(hù)環(huán)節(jié)以失效保護(hù)為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)自動(dòng)執(zhí)行保護(hù)功能：超速、發(fā)電機(jī)過載和故障、過振動(dòng)、電網(wǎng)或負(fù)載丟失、脫網(wǎng)時(shí)的停機(jī)失敗時(shí)。保護(hù)環(huán)節(jié)為多級(jí)安全鏈互鎖在控制過程中具有“與”的功能在達(dá)到控制目標(biāo)方面可實(shí)現(xiàn)邏輯“或”結(jié)果。自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的控制要求eq\o\ac(○,1)開機(jī)并網(wǎng)控制:當(dāng)風(fēng)速10分內(nèi)的平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)→軟切入狀態(tài)→機(jī)組并入電網(wǎng)。eq\o\ac(○,2)小風(fēng)和逆功率脫網(wǎng):機(jī)組在待風(fēng)狀態(tài)→10分平均風(fēng)速小于脫網(wǎng)風(fēng)速→脫網(wǎng)→風(fēng)速再次上升→風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)→并網(wǎng)。eq\o\ac(○,3)普通故障脫網(wǎng)停機(jī):參數(shù)越限、狀態(tài)異常→普通停機(jī)→剎車→軟脫網(wǎng)→剎機(jī)械閘→計(jì)算機(jī)自行恢復(fù)。eq\o\ac(○,4)緊急故障脫網(wǎng)停機(jī):緊急故障(飛車、超速、負(fù)荷丟失等)→緊急停機(jī)→偏航控制（90度）→脫網(wǎng)→機(jī)械剎車。eq\o\ac(○,5)安全鏈動(dòng)作停機(jī)：電控制系統(tǒng)軟保護(hù)控制失敗→硬性停機(jī)→停機(jī)。eq\o\ac(○,6)大風(fēng)脫網(wǎng)控制：10分平均風(fēng)速大于25m/s時(shí)→超速、過載→脫網(wǎng)停機(jī)→氣動(dòng)剎車→偏航控制（90度）→功率下降后脫網(wǎng)→剎機(jī)械閘→安全停機(jī)→風(fēng)速回到工作風(fēng)速區(qū)后→恢復(fù)自動(dòng)對(duì)風(fēng)→轉(zhuǎn)速上升后→自動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)動(dòng)。eq\o\ac(○,7)對(duì)風(fēng)控制：機(jī)組在工作風(fēng)區(qū)→根據(jù)機(jī)艙的靈敏度→確定偏航的調(diào)整角度。eq\o\ac(○,8)偏轉(zhuǎn)90度對(duì)風(fēng)控制：機(jī)組在大風(fēng)速或超轉(zhuǎn)速工作時(shí)→降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率→安全停機(jī)?！?dāng)10分平均風(fēng)速大于25m/s時(shí)或超過超速上限時(shí)→風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作偏轉(zhuǎn)90度控制→氣動(dòng)剎車→脫網(wǎng)→停機(jī)。eq\o\ac(○,9)功率調(diào)節(jié)：當(dāng)機(jī)組在額定風(fēng)速以上并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)→失速型機(jī)組→發(fā)電機(jī)的功率不會(huì)超過額定功率的15%→過載→脫網(wǎng)停機(jī)。eq\o\ac(○,10)軟切入控制：軟切入、軟脫網(wǎng)→限制導(dǎo)通角→控制發(fā)電機(jī)端的軟切入電流為額定電流的1.5倍→控制發(fā)電機(jī)端電壓。（3）控制保護(hù)要求eq\o\ac(○,1)主電路保護(hù)：變壓器低壓側(cè)三相四線進(jìn)線處設(shè)置低壓配電低壓斷路器→維護(hù)操作安全和短路過載保護(hù)。eq\o\ac(○,2)過電壓、過電流保護(hù)：主電路計(jì)算機(jī)電源進(jìn)線端、控制變壓器進(jìn)線和有關(guān)伺服電動(dòng)機(jī)的進(jìn)線端均設(shè)置過電壓、過電流保護(hù)措施。eq\o\ac(○,3)防雷設(shè)施及熔絲：控制系統(tǒng)有專門設(shè)計(jì)的防雷保護(hù)裝置。eq\o\ac(○,4)過繼電保護(hù)：運(yùn)行的所有輸出運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的過熱、過載保護(hù)控制裝置。eq\o\ac(○,5)接地保護(hù)：金屬部分均要實(shí)現(xiàn)保護(hù)接地。3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理3.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)由風(fēng)能到機(jī)械能和由機(jī)械能到電能兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程的裝置。風(fēng)輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從風(fēng)能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，在考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制目標(biāo)時(shí)應(yīng)結(jié)合它們的運(yùn)行方式，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：（1）控制系統(tǒng)保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行同時(shí)高質(zhì)量地將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率、電壓恒定的交流電送入電網(wǎng)。（2）控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理完成機(jī)組的最佳運(yùn)行狀態(tài)管理和控制。（3）利用計(jì)算機(jī)智能控制實(shí)現(xiàn)機(jī)組的功率優(yōu)化控制定槳距恒速機(jī)組主要進(jìn)行軟切入、軟切出及功率因數(shù)補(bǔ)償控制對(duì)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要進(jìn)行最佳葉尖速比和額定風(fēng)速以上的恒功率控制。（4）大于開機(jī)風(fēng)速并且轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能軟切入自動(dòng)并網(wǎng)保證電流沖擊小于額定電流。當(dāng)風(fēng)速在4～7m/s之間切入小發(fā)電機(jī)組（小于300kW）并網(wǎng)運(yùn)行當(dāng)風(fēng)速在7～30m/s之間切入大發(fā)電機(jī)組（大于500kW）并網(wǎng)運(yùn)行。主要完成下列自動(dòng)控制功能：eq\o\ac(○,1)大風(fēng)情況下當(dāng)風(fēng)速達(dá)到停機(jī)風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機(jī)械閘停機(jī)而且在脫網(wǎng)同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航90°。停機(jī)后待風(fēng)速降低到大風(fēng)開機(jī)風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又可自動(dòng)并入電網(wǎng)運(yùn)行。eq\o\ac(○,2)為了避免小風(fēng)時(shí)發(fā)行頻繁開、停機(jī)現(xiàn)象在并網(wǎng)后10分內(nèi)不能按風(fēng)速自動(dòng)停機(jī)。同樣在小風(fēng)自動(dòng)脫網(wǎng)停機(jī)后5分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。eq\o\ac(○,3)當(dāng)風(fēng)速小于停機(jī)風(fēng)速時(shí)為了避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長期逆功率運(yùn)行造成電網(wǎng)損耗應(yīng)自動(dòng)脫網(wǎng)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)的待風(fēng)狀態(tài)。eq\o\ac(○,4)當(dāng)風(fēng)速大于開機(jī)風(fēng)速要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航機(jī)構(gòu)始終能自動(dòng)跟風(fēng)。跟風(fēng)精度范圍±15°。eq\o\ac(○,5)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓機(jī)械閘在并網(wǎng)運(yùn)行、開機(jī)和待風(fēng)狀態(tài)下應(yīng)該松開機(jī)械閘其余狀態(tài)下（大風(fēng)停機(jī)、斷電和故障等）均應(yīng)抱閘。eq\o\ac(○,6)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉尖閘除非在脫網(wǎng)瞬間、超速和斷電時(shí)釋放起平穩(wěn)剎車作用。其余時(shí)間（運(yùn)行期間、正常和故障停機(jī)期間）均處于歸位狀態(tài)。eq\o\ac(○,7)在大風(fēng)停機(jī)和超速停機(jī)的情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組除了應(yīng)該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖閘停機(jī)外還應(yīng)該自動(dòng)投入偏航控制使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙軸心線與風(fēng)向成一定的角度增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)的安全度待機(jī)艙轉(zhuǎn)約90°后機(jī)艙保持與風(fēng)向偏90°跟風(fēng)控制跟風(fēng)范圍±15°。eq\o\ac(○,8)在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)停止運(yùn)行此時(shí)控制系統(tǒng)不能供電。如果正在運(yùn)行時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遇到這種情況應(yīng)能自動(dòng)脫網(wǎng)和抱閘剎車停機(jī)此時(shí)偏航機(jī)構(gòu)不會(huì)動(dòng)作風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分應(yīng)能承受考驗(yàn)。eq\o\ac(○,9)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架內(nèi)的懸掛電纜只允許扭轉(zhuǎn)±2.5圈系統(tǒng)已設(shè)計(jì)了正/反向扭纜計(jì)數(shù)器超過時(shí)自動(dòng)停機(jī)解纜達(dá)到要求時(shí)再自動(dòng)開機(jī)恢復(fù)運(yùn)行發(fā)電。eq\o\ac(○,10)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有手動(dòng)控制功能（包括遠(yuǎn)程遙控手操）手動(dòng)控制時(shí)“自動(dòng)”功能應(yīng)該解除相反的投入自動(dòng)控制時(shí)有些“手動(dòng)”功能自動(dòng)屏蔽。eq\o\ac(○,11)控制系統(tǒng)應(yīng)該保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的所有監(jiān)控參數(shù)在正常允許的范圍內(nèi)一旦超過極限并出現(xiàn)危險(xiǎn)情況應(yīng)該自動(dòng)處理并安全停機(jī)。3.2.2異步發(fā)電機(jī)基本原理（1）異步發(fā)電機(jī)基本原理發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最關(guān)鍵的零部件，是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。發(fā)電機(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。使用異步機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是：發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低并網(wǎng)控制容易，缺點(diǎn)是要從電網(wǎng)吸收無功功率以提供自身的勵(lì)磁。這一缺點(diǎn)可以通過在發(fā)電機(jī)端并聯(lián)電容器來改善。由于風(fēng)電場(chǎng)的特殊性，它的并網(wǎng)和解列的操作十分頻繁，而且由于投資成本的限制以及管理、維修等方面的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在大多數(shù)的大型風(fēng)電場(chǎng)都采用異步發(fā)電機(jī)作為主力機(jī)型。本論文的研究對(duì)象中使用也是異步發(fā)電機(jī)，下面我們對(duì)異步機(jī)做以下的簡(jiǎn)單介紹。異步電機(jī)一般稱感應(yīng)電機(jī)即可作為發(fā)電機(jī)也可作為電動(dòng)機(jī)。異步機(jī)作為電動(dòng)機(jī)應(yīng)用非常廣泛異步機(jī)作為發(fā)電機(jī)的情況則比較少。但由于異步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)格便宜堅(jiān)固耐用維修方便啟動(dòng)容易并網(wǎng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)在大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。異步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機(jī)的一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。異步機(jī)的定子與同步機(jī)基本相同，其轉(zhuǎn)子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是由端部短接的銅條或鑄鋁制成像鼠籠一樣。異步機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理通過定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。通常異步機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于或略高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的差為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速的比值稱為轉(zhuǎn)差率用表示(3-1)轉(zhuǎn)差率是表證異步機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)基本變量。若電機(jī)用原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（）則轉(zhuǎn)差率，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩者的方向相反即電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此時(shí)轉(zhuǎn)子從原動(dòng)機(jī)吸收機(jī)械功率通過電磁感應(yīng)由定子輸出電功率電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。（2）異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)eq\o\ac(○,1)風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速是風(fēng)輪在額定風(fēng)速時(shí)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。它是由葉尖速比及發(fā)電機(jī)功率決定的參數(shù)。eq\o\ac(○,2)發(fā)電機(jī)額定功率發(fā)電機(jī)的額定功率是發(fā)電機(jī)在額定功率因數(shù)下連續(xù)運(yùn)行而輸出的功率它是由用戶提出或由不同的使用目的而確定的。它是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。單位為KW；也有用視在功率表示的單位為KVA。eq\o\ac(○,3)發(fā)電機(jī)是交流還是直流微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用直流發(fā)電機(jī)中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用交流發(fā)電機(jī)。這要視用戶的用途、發(fā)電機(jī)功率而確定。交流發(fā)電機(jī)分同步和異步交流發(fā)電機(jī)、異步交流發(fā)電機(jī)也稱感應(yīng)交流發(fā)電機(jī)。永磁交流發(fā)電機(jī)等。eq\o\ac(○,4)發(fā)電機(jī)額定電壓發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)電壓為定子或轉(zhuǎn)子輸出的電壓，單位為V。eq\o\ac(○,5)額定功率因數(shù)發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)其有功功率與視在功率的比值用以下公式來表示(3-2)P為有功功率KW，S為視在功率KVA，cos與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。eq\o\ac(○,6)發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)在額定功率運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速用表示。eq\o\ac(○,7)額定頻率發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)其電壓變化的頻率。中國交流電網(wǎng)電壓頻率為50Hz。國外也有交流電網(wǎng)60Hz的。eq\o\ac(○,8)發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電流。eq\o\ac(○,9)發(fā)電機(jī)額定溫升發(fā)電機(jī)在額定功率輸出及額定負(fù)載下定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組允許的最高溫度與額定入口風(fēng)溫的差值。eq\o\ac(○,10)同步轉(zhuǎn)速對(duì)于額定頻率為f的交流發(fā)電機(jī)其同步轉(zhuǎn)速(3-3)式中——發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；——同步轉(zhuǎn)速r/min。eq\o\ac(○,11)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率為風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率、增速器的效率、發(fā)電機(jī)的效率、傳動(dòng)系統(tǒng)效率等的積(3-4)3.2.3控制系統(tǒng)主要參數(shù)（1）主要技術(shù)參數(shù)eq\o\ac(○,1)主發(fā)電機(jī)輸出功率（額定）eq\o\ac(○,2)發(fā)電機(jī)最大輸出功率eq\o\ac(○,3)工作風(fēng)速范圍eq\o\ac(○,4)額定風(fēng)速eq\o\ac(○,5)切入風(fēng)速（1min平均值）eq\o\ac(○,6)切出風(fēng)速（1min平均值）eq\o\ac(○,7)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速eq\o\ac(○,8)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速eq\o\ac(○,9)發(fā)電機(jī)輸出電壓eq\o\ac(○,10)發(fā)電機(jī)發(fā)電頻率eq\o\ac(○,11)并網(wǎng)最大沖擊電流（有效值）eq\o\ac(○,12)電容補(bǔ)償后功率因數(shù)（2）控制指標(biāo)及效果eq\o\ac(○,1)方式專用微控制器eq\o\ac(○,2)過載開關(guān)eq\o\ac(○,3)自動(dòng)對(duì)風(fēng)偏差范圍eq\o\ac(○,4)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)起、停機(jī)時(shí)間eq\o\ac(○,5)系統(tǒng)測(cè)量精度eq\o\ac(○,6)電纜纏繞2.5圈自動(dòng)解纜eq\o\ac(○,7)自動(dòng)解纜時(shí)間55mineq\o\ac(○,8)手動(dòng)操作響應(yīng)時(shí)間(3)保護(hù)功能eq\o\ac(○,1)超電壓保護(hù)范圍連續(xù)eq\o\ac(○,2)欠電流保護(hù)范圍連續(xù)eq\o\ac(○,3)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速極限eq\o\ac(○,4)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速極限eq\o\ac(○,5)發(fā)電機(jī)過功率保護(hù)值連續(xù)eq\o\ac(○,6)發(fā)電機(jī)過電流保護(hù)值連續(xù)eq\o\ac(○,7)大風(fēng)保護(hù)風(fēng)速連續(xù)eq\o\ac(○,8)系統(tǒng)接地電阻eq\o\ac(○,9)防雷感應(yīng)電壓3.2.4控制系統(tǒng)工作原理[6]主開關(guān)合上后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器準(zhǔn)備自動(dòng)運(yùn)作。首先系統(tǒng)初始化檢查控制程序、微控制器硬件和外設(shè)、傳感器來的脈沖及比較所選的操作參數(shù)備份系統(tǒng)工作表，接著就正式起運(yùn)。起動(dòng)的第一秒內(nèi)先檢查電網(wǎng)、設(shè)置各個(gè)計(jì)算器、輸出機(jī)構(gòu)初始工作狀態(tài)及晶閘管的開通角。所有這些完成后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始自動(dòng)運(yùn)行于風(fēng)輪的葉尖本來是90°，現(xiàn)在恢復(fù)為0°，風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)開始時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)參數(shù)、輸入，判斷是否可以并網(wǎng)，判斷參數(shù)有否超過極限、執(zhí)行偏航、相位補(bǔ)償、機(jī)械制動(dòng)或空氣制動(dòng)。其中相位補(bǔ)償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在0.95至0.99之間。3.2.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變距控制原理(1)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變距系統(tǒng)主要包括兩種控制方式，即并網(wǎng)前的速度控制與并網(wǎng)后的功率控制。由于異步發(fā)電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的，功率控制最終也是通過速度控制來實(shí)現(xiàn)的。變槳距風(fēng)輪的葉片在靜止時(shí)節(jié)距角為90°，這時(shí)氣流對(duì)葉片不產(chǎn)生力矩，整個(gè)葉片實(shí)際上是一塊阻尼板。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，葉片向0度方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)葉片產(chǎn)生一定的功角，風(fēng)輪開始起運(yùn)。風(fēng)輪從起運(yùn)到額定轉(zhuǎn)速，其葉片的節(jié)距角隨轉(zhuǎn)速的升高是一個(gè)連續(xù)變化的過程。根據(jù)給定的速度參考值調(diào)整節(jié)距角，進(jìn)行所謂的速度控制。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后電機(jī)并入電網(wǎng)。這時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速受到電網(wǎng)頻率的牽制變化不大，主要取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)差，電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制實(shí)際上已轉(zhuǎn)為功率控制。為了優(yōu)化功率曲線，在進(jìn)行功率控制的同時(shí)通過轉(zhuǎn)子電流控制器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)差進(jìn)行調(diào)整，從而調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)差調(diào)到很小(1%)，轉(zhuǎn)速在同步速附近；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)差要調(diào)整到很大（10%），使葉尖速比得到優(yōu)化，使功率曲線達(dá)到理想的狀態(tài)。（2）變距控制[7]變槳距控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，變距控制器是一個(gè)非線性比例控制器，它可以補(bǔ)償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號(hào)，控制比例閥（或電液伺服閥）驅(qū)動(dòng)油缸活塞推動(dòng)變距機(jī)構(gòu)，使葉片節(jié)距角變化。活塞的位移反饋信號(hào)由位移傳感器測(cè)量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。3.3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，風(fēng)輪機(jī)應(yīng)在轉(zhuǎn)速極限和功率極限內(nèi)追求在最佳Cp目標(biāo)曲線附近運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)把動(dòng)能轉(zhuǎn)換作為設(shè)計(jì)策略的重點(diǎn)加以規(guī)劃；當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)速限值和功率標(biāo)稱值時(shí)，要及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使輸出功率平穩(wěn)。必須分清異步發(fā)電機(jī)和功率變換器的絕對(duì)極限和常用上限的差別，盡量減小對(duì)電網(wǎng)的污染。下面概述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各種控制策略在國內(nèi)外大中型并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中均有應(yīng)用。3.3.1風(fēng)輪機(jī)的氣動(dòng)特性[8]風(fēng)輪機(jī)通過葉片捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。風(fēng)輪機(jī)的特性通常用風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp-尖速比λ曲線來表示，圖2-2是一條典型的曲線。尖速比可表示為（2-1）式中為風(fēng)輪機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速(rad/s)；為葉片半徑(m)；為來流的線性風(fēng)速(m/s)。根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片的空氣動(dòng)力特性，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率是尖速比λ和槳矩β的函數(shù)，即。典型與和的關(guān)系可用圖2-3來表示。由圖中可見，對(duì)于同一個(gè)值風(fēng)輪機(jī)可能運(yùn)行在A和B兩個(gè)點(diǎn)，它們分別對(duì)應(yīng)于風(fēng)輪機(jī)的高風(fēng)速運(yùn)行區(qū)和低風(fēng)速運(yùn)行區(qū)，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)將要發(fā)生變化。在恒頻應(yīng)用中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化只比同步轉(zhuǎn)速高百分之幾，但風(fēng)速的變化范圍可以很寬。按(2-1)式，尖速比便可以在很寬范圍內(nèi)變化(取決于葉片設(shè)計(jì))，風(fēng)輪機(jī)捕獲風(fēng)力可以寫成(2-2)式中是氣動(dòng)功率(W)；是空氣密度(kg/m3)；是掃掠面積(m2)；是風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)。由(2-2)式可知，風(fēng)機(jī)整體設(shè)計(jì)和相應(yīng)的運(yùn)行控制策略應(yīng)在追求最大的情況下進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，便可增加其輸出功率。如圖2-4所示是理想風(fēng)輪機(jī)的功率曲線。從理論上講風(fēng)輪機(jī)組的輸出功率是無限大的，它是風(fēng)速立方的函數(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，它卻受到了如下的限制：（1）功率限制：由于構(gòu)成電路的所有電氣元件都受到了功率限制；(2)轉(zhuǎn)速限制：由于系統(tǒng)中的齒輪箱、電機(jī)都存在轉(zhuǎn)速的上限。因而風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行存在三個(gè)典型區(qū)：在低風(fēng)速段，按恒定途徑控制風(fēng)輪機(jī)直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限；然后按恒定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)輪機(jī)，直到功率最大；功率最大后，風(fēng)輪機(jī)按恒定功率控制。3.3.2定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略傳統(tǒng)概念的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般都是上風(fēng)向、三葉片的風(fēng)輪機(jī)，通過齒輪增速箱來驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī)，并與電網(wǎng)相連來發(fā)電的。風(fēng)輪機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動(dòng)特性的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組稱為定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)輪機(jī)吸收的功率隨風(fēng)速不停地變化，發(fā)電機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速附近，而風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)一般在額定功率時(shí)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)換效率在最佳區(qū)段。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，為了保持發(fā)電機(jī)輸出功率恒定，必須通過葉片失速效應(yīng)特性來降低值，以維持輸出功率的恒定。對(duì)于定槳距系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)正常工作的滑差小于1%，允許滑差范圍一般在5%以內(nèi)，而風(fēng)速的變化范圍卻很大。從的函數(shù)關(guān)系來看，難以保證在額定風(fēng)速之前使值達(dá)到最大，特別是在低風(fēng)速段。通常系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩個(gè)不同功率、不同極對(duì)數(shù)的異步發(fā)電機(jī)，以滿足不同風(fēng)速的要求。大功率高轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機(jī)工作于高風(fēng)速區(qū)，小功率低轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機(jī)則工作于低風(fēng)速區(qū)，由此來調(diào)整尖速比，實(shí)現(xiàn)追求最大下的整體運(yùn)行控制。定槳矩風(fēng)機(jī)的功角一般設(shè)定在0°，在不同風(fēng)頻密度的地區(qū)可根據(jù)具體情況在安裝時(shí)予以調(diào)整，但必須充分考慮到對(duì)于風(fēng)機(jī)失速點(diǎn)的影響。從設(shè)計(jì)的角度考慮，葉片的翼形難以做到在失速點(diǎn)之后功率恒定，通常都有些下降，因其發(fā)生在高風(fēng)速段，對(duì)發(fā)電量有一定影響。風(fēng)機(jī)采用異步發(fā)電技術(shù)，存在功率流向的不確定性，發(fā)電機(jī)可能低于同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行，也可能工作在同步轉(zhuǎn)速之上。在大小發(fā)電機(jī)軟切換控制過程中必須慎重處理。3.3.3變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略為了盡可能提高風(fēng)輪機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)輪機(jī)輸出功率平穩(wěn)，風(fēng)輪機(jī)將進(jìn)行槳距調(diào)整。在定槳距風(fēng)輪機(jī)的基礎(chǔ)上加裝槳距調(diào)整環(huán)節(jié)，稱為變槳距風(fēng)輪機(jī)組。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動(dòng)特性，主要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進(jìn)行調(diào)節(jié)。在額定風(fēng)速以下時(shí)，葉片攻角處于零度附近，此時(shí)葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影響，變化范圍很小，可等同于定槳距風(fēng)機(jī)。在額定風(fēng)速以上時(shí)，變槳距機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片攻角，保證發(fā)電機(jī)的輸出功率在允許范圍內(nèi)。風(fēng)輪機(jī)的槳距控制系統(tǒng)，通常采用典型的PID轉(zhuǎn)速、功率和槳距角三模態(tài)控制。速度控制和直接槳距控制常用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)、停止和緊急事故處理。因而，變槳距風(fēng)輪機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速較定槳距風(fēng)輪機(jī)低，但對(duì)功率的貢獻(xiàn)沒有意義；停機(jī)時(shí)對(duì)傳動(dòng)機(jī)械的沖擊應(yīng)力相對(duì)緩和。風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)，主要采用功率控制。對(duì)于功率調(diào)節(jié)速度的反映取決于風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。在實(shí)際應(yīng)用中，由于功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)速的較小變化將造成風(fēng)能較大變化，風(fēng)機(jī)輸出功率處于不斷變化中。風(fēng)速變化頻繁幅度大的狀況出現(xiàn)時(shí)將引起風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作。風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)速的反應(yīng)有一定的時(shí)延，在陣風(fēng)出現(xiàn)時(shí)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來不及動(dòng)作而造成風(fēng)機(jī)的瞬時(shí)過載，不利于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。針對(duì)這一點(diǎn)，提出了混合失速的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)概念。即仍然發(fā)揮葉片的失速效應(yīng)，在失速點(diǎn)之前進(jìn)行槳距調(diào)整，即便槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來不及動(dòng)作通過葉片的失速效應(yīng)發(fā)揮作用也不會(huì)造成風(fēng)機(jī)的瞬時(shí)過載。3.3.4變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略[9]上面的風(fēng)輪機(jī)直接由追求值最優(yōu)進(jìn)入功率最大的限制，調(diào)整的范圍和靈敏度很有限。從圖2-6可以看出，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)于功率系數(shù)影響很大。工業(yè)控制領(lǐng)域交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)在很多設(shè)備中已有成熟應(yīng)用。同樣，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大小和相位(RCC)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)追求最優(yōu)和無功功率的平衡。這一調(diào)速系統(tǒng)與變槳距環(huán)節(jié)結(jié)合起來，就構(gòu)成了變速恒頻變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)。交流發(fā)電機(jī)采用高滑差繞線式轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機(jī)。變速風(fēng)機(jī)要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風(fēng)變化，相應(yīng)轉(zhuǎn)子電流頻率是不定的。轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)的速度為，使得定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率。控制的值以使等于電網(wǎng)頻率。這一點(diǎn)與鼠籠式轉(zhuǎn)子電流頻率的結(jié)論是一致的(為電機(jī)轉(zhuǎn)差)。值得指出的是發(fā)電狀態(tài)與電動(dòng)狀態(tài)的區(qū)別在于轉(zhuǎn)差和功率流向的不同，因而造成兩者在功率(能量)平衡上存在差別(特別是轉(zhuǎn)子能量)。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系不必完全覆蓋風(fēng)速的范圍，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1100~1700RPM，僅有部分超同步范圍?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)控制和轉(zhuǎn)子電流相角。也就是說，可以向電網(wǎng)提供無功，同時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)更靈敏，風(fēng)機(jī)運(yùn)行的柔性更好，有利于風(fēng)機(jī)輸出功率更平穩(wěn)和減小傳動(dòng)機(jī)械的沖擊應(yīng)力。功率元件采用IGBT管，一般通過查表獲得調(diào)節(jié)信號(hào)：風(fēng)速5~7m/s，風(fēng)機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速以下(1100~1500RPM)；風(fēng)速7~9m/s風(fēng)機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速附近(1500RPM)，與一般風(fēng)機(jī)工作方式一致；風(fēng)速9~15m/s，風(fēng)機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速以上(1500~1625RPM)；風(fēng)速15~25m/s，風(fēng)機(jī)工作于負(fù)荷調(diào)節(jié)狀態(tài)，根據(jù)功率調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)行為，電機(jī)允許轉(zhuǎn)速范圍為1600~1650RPM。3.4變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)[2]3.4.1變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為三種運(yùn)行狀態(tài)，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）、欠功率控制（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。起動(dòng)狀態(tài)變槳距風(fēng)輪的槳葉在靜止時(shí)，節(jié)距角為90°，氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0°方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪起動(dòng)。在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)以前，變距系統(tǒng)的節(jié)距給定值由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)控制。轉(zhuǎn)速控制器按一定的速度上升斜率給出速度參考值，變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，調(diào)整槳葉節(jié)距角，進(jìn)行速度控制。欠功率狀態(tài)欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后，由于風(fēng)速低于額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī)在額定功率以下的低功率狀態(tài)運(yùn)行。為了改善低風(fēng)速時(shí)的風(fēng)輪氣動(dòng)特性，采用了Optitip技術(shù)，即根據(jù)風(fēng)速的大小，調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運(yùn)行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。額定功率狀態(tài)當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入額定功率狀態(tài)。在傳統(tǒng)的變槳距控制方式中，將轉(zhuǎn)速控制切換為功率控制，變距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機(jī)的功率信號(hào)進(jìn)行控制。功率反饋信號(hào)與額定功率進(jìn)行比較，功率超過額定功率時(shí)，槳葉節(jié)距向迎風(fēng)面積減少的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，反之則向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。由于變槳距系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到限制,對(duì)快速變化的風(fēng)速,通過改變節(jié)距來控制輸出功率的效果并不理想。因此，為了優(yōu)化功率曲線，最新設(shè)計(jì)的變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在進(jìn)行功率控制的過程中，其功率反饋信號(hào)不再作為直接控制槳葉節(jié)距的變量。變槳距系統(tǒng)由風(fēng)速低頻分量和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，風(fēng)速的高頻分量產(chǎn)生的機(jī)械能波動(dòng)，通過迅速改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行平衡，即通過轉(zhuǎn)子電流控制器對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率進(jìn)行控制，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，允許發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，將瞬變的風(fēng)能以風(fēng)輪動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來；轉(zhuǎn)速降低時(shí)，再將動(dòng)能釋放出來，使功率曲線達(dá)到理想的狀態(tài)。3.4.2變槳距控制系統(tǒng)（1）變槳距控制系統(tǒng)[10]在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)時(shí)前，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由速度控制器A根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)與給定信號(hào)直接控制；發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后，速度控制B與功率控制器起作用。功率控制器的任務(wù)主要是根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給出相應(yīng)的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，并確定速度控制器B的速度給定。節(jié)距的給定參考值由控制器根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)給出。如圖2-8所示，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)前，由速度控制器A給出；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)后由速度控制B給出。（2）變距控制變距控制系統(tǒng)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，如圖2-9所示。變距控制器是一個(gè)非線性比例控制器，它可以補(bǔ)償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號(hào)控制比例閥（或電液伺服閥），驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞，推動(dòng)變槳距機(jī)構(gòu)，使槳葉節(jié)距角變化。活塞的位移反饋信號(hào)由位移傳感器測(cè)量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。速度控制器A轉(zhuǎn)速控制器A在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)或從待機(jī)狀態(tài)重新起動(dòng)時(shí)投入工作，如圖2-10所示在這些過程中通過對(duì)節(jié)距角的控制，轉(zhuǎn)速以一定的變化率上升?？刂破饕灿糜谠谕剿伲?0Hz時(shí)1500轉(zhuǎn)/min）時(shí)的控制。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速±10內(nèi)持續(xù)1s發(fā)電機(jī)將切入電網(wǎng)?？刂破靼Ｒ?guī)的PD控制器和PI控制器，接著是節(jié)距角的非線性化環(huán)節(jié)，通過非線性化處理，增益隨節(jié)距角的增加而減小，以此補(bǔ)償由于轉(zhuǎn)子空氣動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的非線性，因?yàn)楫?dāng)功率不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩對(duì)節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變槳距系統(tǒng)先將槳葉節(jié)距角快速地轉(zhuǎn)到45°，風(fēng)輪在空轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速從0增加到1500時(shí)，節(jié)距角給定值從45°線性的減小到5°。這一過程不僅使轉(zhuǎn)子具有高起動(dòng)力矩，而且在風(fēng)速快速地增大時(shí)能夠快速起動(dòng)。（4）速度控制器B發(fā)電機(jī)切入電網(wǎng)后，速度控制系統(tǒng)B作用。如圖2-11所示，速度控制器B受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的雙重控制。在達(dá)到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加。額定的速度給定值是1569r/min,相應(yīng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率是4%。如果風(fēng)速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率將降低到2%，節(jié)距控制將根據(jù)風(fēng)速調(diào)整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。如果風(fēng)速高于額定值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速通過改變節(jié)距來跟蹤相應(yīng)的速度給定值。功率輸出將穩(wěn)定地保持在額定值上。從圖中可知在風(fēng)速信號(hào)輸入端設(shè)有低通濾波器，節(jié)距控制對(duì)瞬變風(fēng)速并不響應(yīng)。3.4.3功率控制為了有效地控制高速變化的風(fēng)速引起的功率波動(dòng)，新型的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用了RCC（RotorCurrentControl）技術(shù)，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)。通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的控制來迅速改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，從而改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，吸收由于瞬變風(fēng)速引起的功率波動(dòng)。（1）功率控制系統(tǒng)功率控制系統(tǒng)如圖2-12所示，它由兩個(gè)控制環(huán)節(jié)組成。外環(huán)通過測(cè)量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生功率參考曲線。內(nèi)環(huán)是一個(gè)功率伺服環(huán)，它通過轉(zhuǎn)子電流控制器（RCC）對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率進(jìn)行控制，使發(fā)電機(jī)功率跟蹤功率給定值。如果功率低于額定功率值，這一控制環(huán)將通過改變轉(zhuǎn)差率，進(jìn)而改變槳葉節(jié)距角，使風(fēng)輪獲得最大功率。（2）轉(zhuǎn)子電流控制器原理[8]轉(zhuǎn)子電流控制器由快速數(shù)字式PI控制器和一個(gè)等效變阻器構(gòu)成。它根據(jù)給定的電流值，通過改變轉(zhuǎn)子電路和電阻來改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。在額定功率時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率能夠從1%到10%（1515到1650）變化，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子平均電阻從0到100%變化。當(dāng)功率變化即轉(zhuǎn)子電流變化時(shí)，PI調(diào)節(jié)器迅速調(diào)整轉(zhuǎn)子電阻，使轉(zhuǎn)子電流跟蹤給定值，如果從主控制器傳出的電流給定值是恒定的，它將保持轉(zhuǎn)子電流恒定，從而使功率輸出保持不變。圖2-13轉(zhuǎn)子電流控制器原理圖從電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式來說明轉(zhuǎn)子電阻與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率的關(guān)系。發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為(2-3)式中—電機(jī)極對(duì)數(shù)；—電機(jī)定子相數(shù)；—定子角頻率,即電網(wǎng)角頻率；—定子額定相電壓；—轉(zhuǎn)差率；—定子繞組的電阻；--定子繞組的漏抗；—折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；--折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏抗。式中只要不變，電磁轉(zhuǎn)矩就可以不變，發(fā)電機(jī)的功率可保持不變。當(dāng)風(fēng)速變大時(shí)，風(fēng)輪及發(fā)電機(jī)上的轉(zhuǎn)速上升，即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率增大，只要改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻即可保持輸出功率不變。RCC控制單元有效地減少了變槳距機(jī)構(gòu)的動(dòng)作頻率及動(dòng)作幅度，使得發(fā)電機(jī)的輸出功率保持平衡，實(shí)現(xiàn)了變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速以上的額定功率輸出，有效地減少了風(fēng)力發(fā)電機(jī)因風(fēng)速的變化而造成的對(duì)電網(wǎng)的不良影響。3.5變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)3.5.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制系統(tǒng)模型變槳距風(fēng)輪機(jī)的槳葉靜止時(shí)節(jié)距角為90°，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速時(shí)槳葉向0°方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角后風(fēng)輪才起動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入額定功率狀態(tài)，將轉(zhuǎn)速控制切換為功率控制，變距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機(jī)的功率信號(hào)進(jìn)行控制。功率反饋信號(hào)與額定功率進(jìn)行比較，功率超過額定功率時(shí)，槳葉節(jié)距向迎風(fēng)面積減少的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，反之則向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。槳距角控制輸入量模型根據(jù)控制選擇器來選擇異步發(fā)電機(jī)的有功功率反饋值或給定值為槳距角控制功率的輸入量。槳距角控制功率的參照量（Pref）模型以發(fā)電機(jī)的額定功率作為控制系統(tǒng)功率輸入的參照量，由實(shí)際值與其進(jìn)行比較，根據(jù)所得值的大小可以判斷功率輸出是否穩(wěn)定，從而可以通過改變槳距角進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。4變槳程序設(shè)計(jì)4.1變槳系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論4.1.1貝茨(Betz)理論世界上第一個(gè)關(guān)于風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的比較完整的理論是1919年由A·貝茨(Betz)建立的。貝茨理論的建立依據(jù)的假設(shè)條件是假定風(fēng)輪是理想的，能全部接受風(fēng)能并且沒有輪轂，葉片是無限多，對(duì)氣流沒有任何阻力。而空氣流是連續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的(或稱為是平行風(fēng)輪軸線的)，滿足以上條件的風(fēng)輪稱為“理想風(fēng)輪”。如圖1-3所示，我們分析一個(gè)放置在移動(dòng)的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動(dòng)的空氣對(duì)風(fēng)輪葉片所做的功。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能，則有，。如果假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得(4-1)由流體力學(xué)可知?dú)饬鞯膭?dòng)能為(4-2)設(shè)單位時(shí)間內(nèi)氣流流過載面積為s的氣體的體積為V，則。如果以表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量，此時(shí)氣體所具有的動(dòng)能為(4-3)的單位是kg/m3；V的單位是m3；的單位是m/s；T的單位是W。從風(fēng)能公式可以看出風(fēng)能的大小與氣流密度和通過的面積成正比，與氣流速度成正比，其中和隨地理位置、海拔、地形等因素而變。風(fēng)作用在葉片上的力由歐拉定理求得(4-4)式中——空氣當(dāng)時(shí)的密度風(fēng)輪所接受的功率為(4-5)所以經(jīng)過風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化(4-6)式中——空氣質(zhì)量(4-7)(4-8)因此，風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力F和風(fēng)輪輸出的功率P分別為(4-9)(4-10)風(fēng)速是給定的，的大小取決于，是的函數(shù)，對(duì)微分求最大值得(4-11)令其等于0，求解方程得(4-12)(4-13)16/27=0．593，稱作貝茨功率系數(shù)(4-14)而正是風(fēng)速為的風(fēng)能，故(4-15)=0．593，說明風(fēng)吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率為風(fēng)吹過葉片掃掠面積的風(fēng)能的59．3％。貝茨理論說明理想的風(fēng)能對(duì)風(fēng)輪葉片做功的最高效率是59.3％。通常風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率達(dá)不到59．3％，一般根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片的翼形、功率等情況取0.25-0.45。風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性系數(shù)貝茨理論提供了風(fēng)能的基本理論，但在討論風(fēng)輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換與控制時(shí)有幾個(gè)特性系數(shù)具有特別重要的意義。（1）風(fēng)能利用系數(shù)風(fēng)輪機(jī)從自然風(fēng)能中吸到能量的大小和程度可以用風(fēng)能利用率系數(shù)表示(4-16)（2）葉尖速比為了表示風(fēng)輪在不同的風(fēng)速中的狀態(tài)用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比來衡量稱為葉尖速比(4-17)低速風(fēng)輪取較小值；高速風(fēng)輪取較大值。（3）轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推力系數(shù)為了便于把氣流作用下的風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和推力進(jìn)行比較常以為變量作成轉(zhuǎn)矩和推力的變化曲線，因此轉(zhuǎn)矩和推力也要無因次化。(4-18)(4-19)在低風(fēng)速時(shí)，槳葉節(jié)距角可以轉(zhuǎn)到合適的角度，使風(fēng)輪具有最大的起動(dòng)力矩，起動(dòng)容易。當(dāng)發(fā)電機(jī)組需要脫網(wǎng)時(shí)，可以先轉(zhuǎn)動(dòng)葉片使之減小功率。在機(jī)組與電網(wǎng)斷開之前，使之輸出功率減小到0，對(duì)電網(wǎng)的沖擊最小。當(dāng)有緊急情況需要停機(jī)時(shí)，通過變槳機(jī)構(gòu)可以使槳葉迅速調(diào)節(jié)到順槳位置，起到氣動(dòng)剎車的作用，使發(fā)電機(jī)組迅速停下來。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)槳葉由順槳位置（90度）到0度，風(fēng)機(jī)葉輪速度不斷上升，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到700rpm時(shí)，主控制發(fā)出并網(wǎng)指令，由變頻器輸出一定頻率和幅值的正序勵(lì)磁電流，使得發(fā)電機(jī)定子輸出電壓與電網(wǎng)電壓等幅值同相位，然后控制并網(wǎng)接觸器并網(wǎng)。并網(wǎng)成功后，由變換器返回一個(gè)并網(wǎng)成功信號(hào)給主控制器。并網(wǎng)成功后，在額定風(fēng)速以下，由主控制器對(duì)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，槳距角保持0度不變。額定風(fēng)速以上，調(diào)節(jié)槳距角限制風(fēng)力機(jī)接受的風(fēng)能的增大，限制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，通過改變槳距角來跟蹤相應(yīng)的速度給定值。功率輸出將穩(wěn)定地保持在額定值上。4.2變槳距控制電路設(shè)計(jì)變槳距是指安裝在輪轂上的葉片通過控制可以改變其槳距角的大小，通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)，伺服電機(jī)連接齒輪，從而完成調(diào)節(jié)調(diào)整槳距角的大小。在運(yùn)行過程中，當(dāng)輸出功率小于額定功率時(shí)，通過調(diào)節(jié)槳距角，增大葉片迎風(fēng)面積；若輸出功率大于額定功率，調(diào)節(jié)槳距角，減小葉片迎風(fēng)面積。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到額定功率，則無相應(yīng)的動(dòng)作。通過變槳距的調(diào)節(jié)，使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率。此時(shí)控制系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制。本設(shè)計(jì)根據(jù)發(fā)電機(jī)測(cè)速傳感器的信號(hào)及風(fēng)力大小傳感器傳遞的信號(hào)，送至PLC進(jìn)行分析，若發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速，即功率未達(dá)到額定功率，則控制槳距角在0度，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化，使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率。伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)型號(hào)都與偏航控制電路所選類型相同，因此電路圖如圖4-2所示。LL1L2LUVWPULS_DIR_24VM~來自PLC輸出接口L1L2L3FU3QF3M3FR3圖4-2變槳距控制電路圖5偏航系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)5.1偏航控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及選型風(fēng)力機(jī)的偏航系統(tǒng)由偏航檢測(cè)機(jī)構(gòu)、偏航控制機(jī)構(gòu)和偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成，其中偏航檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括：風(fēng)傳感器、機(jī)艙位置傳感器；偏航控制機(jī)構(gòu)包括：偏航控制器、變頻器；機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：偏航軸承、偏航潤滑系統(tǒng)、偏航驅(qū)動(dòng)裝置、偏航制動(dòng)器。5.風(fēng)向信號(hào)作為偏航控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的輸入信號(hào)，對(duì)其準(zhǔn)確的測(cè)量將影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。風(fēng)作為矢量，既有大小，又有方向，其測(cè)量包括風(fēng)向和風(fēng)速兩項(xiàng)。設(shè)計(jì)中測(cè)風(fēng)感器采用的ThiesClima公司測(cè)風(fēng)傳感器，風(fēng)向傳感器型號(hào)：4.3519.00.141。風(fēng)速傳感器型號(hào)：4.3129.60.141。由于風(fēng)力機(jī)總是選擇最短距離最短時(shí)間內(nèi)偏航對(duì)風(fēng)，由于風(fēng)向的變化隨意性，風(fēng)力機(jī)有可能長時(shí)間往一個(gè)方向偏航對(duì)風(fēng)，這樣就會(huì)造成電纜的纏繞，如果纏繞圈過多，超過了規(guī)定值，將造成電纜的損壞。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，通常安裝有機(jī)艙位置編碼器。設(shè)計(jì)中采用了絕對(duì)值編碼器，選型為HEIDENHAIN公司ROQ425的絕對(duì)型多轉(zhuǎn)編碼器。5.1.2偏航控制機(jī)構(gòu)偏航控制平臺(tái)擁有四層結(jié)構(gòu),包括網(wǎng)絡(luò)層,主站層,從站層和現(xiàn)場(chǎng)層。網(wǎng)絡(luò)層通過TCP/IP協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、資源共享及網(wǎng)絡(luò)化;主站層由嵌入式PC、電源模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊以及其他I/O模塊等組成，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制；從站層是智能化I/O模塊，帶內(nèi)置Profibus-DP接口的總線耦合器，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、控制信號(hào)輸出等功能;現(xiàn)場(chǎng)層由變頻器、偏航電機(jī)、風(fēng)向傳感器及電磁閥等組成，完成物理量的檢測(cè)與變送、接收并執(zhí)行控制量、實(shí)現(xiàn)對(duì)偏航電機(jī)的控制。偏航控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示?？刂破骱屯ㄓ嵞K配置數(shù)量如表5.1所示。表5.1控制器和通訊模塊置表名稱型號(hào)數(shù)量控制器CX1020-00001PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線主站接口CX1500-M3101電源模塊CX1100-00021數(shù)字量輸入模塊KL14081數(shù)字量輸出模塊KL21343總線耦合器BK31501安全總線端子模塊KL19041SSI編碼器接口模塊KL50011模擬量輸入模塊KL31221總線末端模塊KL90102這些功能模塊可以通過現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP與上位機(jī)進(jìn)行通信及數(shù)據(jù)交換；接收控制量，并將控制量送給控制對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；采集現(xiàn)場(chǎng)過程值送入上位機(jī)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制等功能。圖5.1偏航控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖為了使偏航系統(tǒng)達(dá)到很好的控制效果，為避免在不同的風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在偏航過程中產(chǎn)生過大的振動(dòng)而造成整機(jī)的共振，設(shè)計(jì)中選用的變頻器，實(shí)現(xiàn)了在不同風(fēng)速下的變頻控制，風(fēng)速與頻率對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線如圖5.2圖5.2風(fēng)速與頻率對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線設(shè)計(jì)中選用了SINAMICSG120變頻器，該變頻器是一個(gè)由多種不同功能單元組成的模塊化變頻器。兩種主要的單元是：控制單元（CU）、功率模塊（PM）。在設(shè)計(jì)中選用CU240SDP-F型號(hào)的控制單元。功率模塊選用了PM240功率模塊具體型號(hào)為6SL3224-0BE31-5AA0。由于在偏航系統(tǒng)中采用Bonfiglioli公司4個(gè)100LB電磁抱閘一體化的三相異步電動(dòng)機(jī)，額定電流為5.2A。在選擇變頻器時(shí)，依據(jù)電流相加計(jì)算，總電流i=5.2×4=20.8A，考慮1.2倍的裕量i=20.8×1.2=25A,同時(shí)考慮了輸出功率的問題，最終選擇型號(hào)為6SL3224-0BE31-5AA0的功率模塊。同時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及制動(dòng)電阻的選型手冊(cè)，選用了選型為6SE6400-4BD16-5CA0的制動(dòng)電阻。5.1.3偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)針對(duì)的偏航軸承采用的是回轉(zhuǎn)軸承是一種特殊結(jié)構(gòu)的大型軸承，必須定時(shí)給軸承潤滑。針對(duì)軸承的潤滑，設(shè)計(jì)了自動(dòng)潤滑系統(tǒng)，其由潤滑泵、油脂分配器、潤滑小齒輪、潤滑管等組成如圖，主要用于偏航軸承滾道及齒面的潤滑，潤滑系統(tǒng)原理圖如圖5.3所示。選型：電機(jī)選用了單相交流電動(dòng)機(jī)，為力士德YL8014型號(hào)的電機(jī)，額定功率：0.75kw；額定電壓：

220V；額定電流：4A額定轉(zhuǎn)速：

1400rpm。圖5.3自動(dòng)潤滑系統(tǒng)原理圖偏航驅(qū)動(dòng)裝置包括偏航電機(jī)和偏航減速齒輪機(jī)構(gòu)。偏航電機(jī)：為電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)，在三相異步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上附加一個(gè)直流電磁鐵制動(dòng)器組成，電磁鐵的直流勵(lì)磁電源由安放在電機(jī)接線盒內(nèi)的整流裝置供給，制動(dòng)器具有手動(dòng)釋放裝置。偏航時(shí)，電磁剎車通電，剎車釋放。偏航停止時(shí)，電磁剎車斷電，剎車釋放將電機(jī)鎖死。附加的電磁剎車手動(dòng)釋放裝置，在需要時(shí)可將手柄抬起剎車釋放。設(shè)計(jì)中選用了Bonfiglioli公司100LB電磁抱閘一體化的三相異步電動(dòng)機(jī)。為了得到對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)扭矩，在設(shè)計(jì)中用四臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏航系統(tǒng)。通過行星齒輪減速機(jī)得到合適的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，由于偏航速度很慢，減速器傳動(dòng)比很大，通常在1：1000左右，因此采用多級(jí)減速器，在設(shè)計(jì)中選用Bonfiglioli700T系列的711T行星齒輪減速機(jī)。為了保證風(fēng)力機(jī)停止偏航時(shí)不會(huì)因葉片受風(fēng)載荷而被動(dòng)偏離風(fēng)向的情況，風(fēng)力機(jī)上多裝有偏航制動(dòng)器,在設(shè)計(jì)中采用了電磁抱閘制動(dòng)和液壓制動(dòng)兩套制動(dòng)系統(tǒng)，以防止停止偏航時(shí)機(jī)艙被動(dòng)偏離風(fēng)向。液壓制動(dòng)系統(tǒng)的原理圖如圖5.4所示。制動(dòng)器在液壓驅(qū)動(dòng)管路上一般裝有一個(gè)預(yù)壓閥，以使在松閘狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)液壓缸仍保持有很小的壓力，使偏航過程中仍有一定的阻力，以保證偏航的穩(wěn)定性。圖5.4液壓制動(dòng)系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)中機(jī)組選用用10臺(tái)制動(dòng)器，每臺(tái)制動(dòng)器由上下兩個(gè)閘體組成。剎車閘為液壓卡鉗形式，在偏航剎車時(shí)，電磁K1關(guān)閉，先導(dǎo)溢流閥溢流值設(shè)定為150bar的壓力，此時(shí)剎車盤約具有150bar的壓力，使剎車片緊壓在剎車盤上，提供制動(dòng)力。當(dāng)需要偏航時(shí)，電磁閥K1得電打開，先導(dǎo)溢流閥維持在23bar左右的一個(gè)設(shè)定值，產(chǎn)生一定的阻尼力矩，使偏航運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，減小機(jī)組振動(dòng)。液壓泵電機(jī)為三相異步電機(jī)，品牌：恒碩；型號(hào)：Y80M2；電流：2.5A；極數(shù)：2；額定轉(zhuǎn)速：2830r/min；額定功率：1.1KW。電磁抱閘制動(dòng)有兩部分組成：閘片部分和電磁部分，原理圖如5.5所示，安裝在電動(dòng)機(jī)的主軸上，當(dāng)需要偏航時(shí)，電磁部分通電閘片松開，停止偏航時(shí)電磁線圈斷開，閘片抱住電動(dòng)機(jī)主軸進(jìn)行制動(dòng)。在設(shè)計(jì)中也選用Bonfiglioli的抱閘系統(tǒng)，該抱閘系統(tǒng)通過整流模塊線圈最終得到24V的直流電來開啟閘片。同時(shí)在閘片上聯(lián)動(dòng)了一個(gè)常開開關(guān)，將電磁抱閘分合狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)，來確保電機(jī)在電磁抱閘打開情況下啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，使設(shè)備的安全性和可靠性得到大大提高。圖5.5電磁抱閘制動(dòng)原理圖5.2風(fēng)力機(jī)偏航軟件設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)偏航控制系統(tǒng)工作原理是通過測(cè)風(fēng)傳感器檢測(cè)風(fēng)向、風(fēng)速，并將檢測(cè)到的風(fēng)向信號(hào)送到控制器。當(dāng)需要調(diào)整方向時(shí)，控制器發(fā)出信號(hào)給偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以調(diào)整機(jī)艙的方向，達(dá)到對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的目的，偏航控制系統(tǒng)框圖如圖5.6所示。5.6典型的偏航控制系統(tǒng)框圖為了實(shí)現(xiàn)這樣的伺服控制，通過對(duì)整個(gè)偏航系統(tǒng)的控制過程進(jìn)行分析。偏航系統(tǒng)的控制過程可以分為：自動(dòng)潤滑、自動(dòng)解纜、人工偏航、自動(dòng)偏航。5.2.1測(cè)量值濾波由于大自然中風(fēng)的隨機(jī)性，風(fēng)傳感器的測(cè)量值隨機(jī)干擾很大，為了消除干擾，保證系統(tǒng)的可靠性，綜合考慮各種濾波的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中選用了一階滯后濾波法，器程序設(shè)計(jì)如下（結(jié)構(gòu)文本語言編寫）函數(shù)體：out:=(old_value*(1.0-(1.0/time_factor)))+(in/time_factor);old_value:=out;根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速的特性和經(jīng)驗(yàn)值，在調(diào)用該函數(shù)塊濾波時(shí)，風(fēng)向測(cè)量值的濾波平滑系數(shù)取300，風(fēng)速測(cè)量值的濾波平滑系數(shù)取60。5.2.2主程序主程序流程圖如圖5.2所示,主程序采用了連續(xù)功能圖（CFC）編寫。圖5.2主程序流程圖5.2.3自動(dòng)潤滑風(fēng)電發(fā)電機(jī)組因其工作環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行方式的特殊性，對(duì)機(jī)組的潤滑提出了較高的要求。自動(dòng)潤滑系統(tǒng)通過油脂潤滑泵定時(shí)定量的將偏航潤滑油脂以及偏航小齒潤滑脂連續(xù)的輸入軸承及偏航齒輪外齒面，最終到達(dá)連續(xù)潤滑效果，避免了手動(dòng)潤滑的間隔性以及潤滑不均問題（過潤滑，欠潤滑）的產(chǎn)生。只有這樣才能使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在惡劣多變的復(fù)雜工況下長期保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。①潤滑計(jì)時(shí)及計(jì)算潤滑偏航的停止位置程序在程序設(shè)計(jì)時(shí)，潤滑時(shí)間可以自由設(shè)定，從上次執(zhí)行潤滑時(shí)開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間到，啟動(dòng)潤滑系統(tǒng)，潤滑時(shí)間從新計(jì)時(shí)。在執(zhí)行潤滑時(shí)，若機(jī)艙位置>0；潤滑偏航停止位置=機(jī)艙位置-355；反之，潤滑偏航停止位置=機(jī)艙位置+355。②判斷是否需要潤滑當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，設(shè)定自動(dòng)潤