并网型异步风力发电机的控制

并网型异步风力发电机的控制研究

课程设计任务书

学 生 姓 名 专 业 方 向 题 目 名 称 谢霞 电力系统 2014 年 秋 季学期 学 号 11230730 班 级 电力系统（6）班 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，3—5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）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： I

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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

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Abstract

Power 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-connected 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 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, 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, China's wind power installed wind power generating units are running at constant speed constant frequency mode, and the wind power generation 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 theoretical 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 system

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目录

摘 要 .............................................................. II Abstract ........................................................... III 1 绪 论 .............................................................. 1

1.1 课题背景及意义 ............................................... 1 1.2 国内外风力发电概况 ........................................... 2

1.2.1 国外风力发电概况 ....................................... 2 1.2.2 国内风力发电概况 ....................................... 3 1.2.3 风电产业的发展趋势 ..................................... 4 1.3 本文主要研究的内容 ........................................... 5 2 风电机组组成及并网控制原理 ......................................... 7

2.1 风力发电技术概述 ............................................. 7

2.1.1 风力机功率调节方式 ..................................... 7 2.1.2 风力发电系统的组成 ..................................... 9 2.2 风力发电机的组成 ............................................ 10

2.2.1 齿轮箱系统 ............................................ 10 2.2.2 发电机系统 ............................................ 11 2.2.3 偏航系统 .............................................. 11 2.2.4 解缆装置 .............................................. 12 2.2.5 控制系统 .............................................. 12 2.3 刹车系统 .................................................... 14

2.3.1 传统风机的刹车过程 .................................... 14 2.3.2 现代刹车系统 .......................................... 14

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2.3.3 改进后的刹车系统 ...................................... 15 2.4 风力发电机组的工作原理 ...................................... 16 2.5 风力机控制 .................................................. 17

2.5.1 风力机能量转换过程 .................................... 17 2.5.2 风力机的主要特性系数 .................................. 17 2.6 风力发电机组的基本控制要求 .................................. 20 2.7 风力发电机组的控制特性 ...................................... 21 2.8 异步风力发电系统并网时存在的问题 ............................ 22

2.8.1 对电网电压和稳定性的影响 .............................. 22 2.8.2 并网时对电网的冲击 .................................... 23

3 并网型异步风力发电机概述 .......................................... 24

3.1 异步感应电机的基本结构 ...................................... 24 3.2 异步感应电机的工作原理 ...................................... 25 3.3 笼型感应发电机的运行 ........................................ 26 3.4 异步风力发电机的并网方式 .................................... 27 3.5 风力发电机组工作状态及其转换 ................................ 29 3.6 风力发电机组的运行过程 ...................................... 30 4 偏航系统的控制与研究 .............................................. 31

4.1 偏航系统的工作原理 .......................................... 31 4.2 偏航系统的控制原理及其功能 .................................. 32

4.2.1 偏航系统的控制原理 .................................... 32 4.2.2 偏航控制系统的功能 .................................... 34 4.2.3 偏航控制的硬件 ........................................ 35

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4.2.4 偏航控制的软件 ........................................ 36

5 总结 .............................................................. 37 参考文献 ............................................................ 38 致谢 ................................................................ 40

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1 绪 论

1.1 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；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2×1010kW，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

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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kW[8]。

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。

1.2 国内外风力发电概况 1.2.1 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MW[11]。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2500MW。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

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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3.05×104亿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 容量 德国 11968 西班牙 美国 5043 4674 丹麦 2880 印度 1702 意大利 荷兰 806 727 英国 570 日本 486 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。

1.2.2 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。

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1986～1990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台，总装机容量为4.215 MW，最大单机容量为200kW。

1991～1995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，我国可开发利用风资源的陆地面积约为24×104km2，按5MW/km2来计算，陆地上可开发量为120×104MW，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250×104km2，就按8MW/km2来计算，近海风电装机容量约为200×104MW，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。

1.2.3 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。

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（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。

1.3 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

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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）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。

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2 风电机组组成及并网控制原理

2.1 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。

风能 机械能 电能 风力机 发电机 及其 控制系统 及其 控制系统 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。

2.1.1 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。失速调节的原理是：叶片的攻角沿着轴向从根

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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。

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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。

2.1.2 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。

监测显示装 蓄能装风 风力发电机组 9 负荷

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控制装 备用电图2.3 风力发电系统组成

2.2 风力发电机的组成

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

2.2.1 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

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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、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。

2.2.2 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。

2.2.3 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。 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

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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。

2.2.4 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。

2.2.5 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，

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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

电网调度控制 室远程控制 正常运行控自动起动 阵风控制 风 力 发 电 机 组 控 制 器 统一变桨距控变桨距控独立变桨距控安全保护控故障检测处功率解耦控无功功率调有功功率调最佳运行控功率最大输出控最佳叶尖速比控发电运行 并网解列控制 自动偏航解停机控制 工作状态监电网风况监液压系统控润滑加热冷风电场中央控

制 室中程控制 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 图2.5 风电控制系统的结构

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2.3 刹车系统

2.3.1 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。

2.3.2 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

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感应电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。铁心是电机中磁路的组成部分并能够放置定子绕组。铁心由0.5mm的硅钢片叠成，这样可以减少旋转磁场在铁心中引起的损耗，为了放置定子绕组，铁心还设计了很多槽。

定子绕组主要用来感应电动势，是电机的电路部分，通过电流来完成机电转换。定子绕组的槽内有单层和双层两种布置方式。

机座主要用来固定和支撑定子铁心。 2、 转子

感应电机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成。转子铁心由0.5mm的硅钢片叠成，是电机中的磁路部分。

转子绕组的作用是感应电动势、流过电流和产生电磁转矩。不需要外接电源，可以自行闭合构成短路绕组。 3、 气隙

感应电机转子和定子之间存在一定的气隙，气隙的大小会影响感应电机的性能；通常，气隙越小，电机的空载电流就越小，电机的功率因数就越高。

3.2 异步感应电机的工作原理

笼型感应发电机的定子上有三相绕组，空间上它们彼此相差120o电角度，每相绕组的匝数相同。转子槽内有导体，导体两端用短路环连接起来，构成一个闭合的绕组。将定子绕组接入频率一定的三相交流电网上，此时三相绕组中有对称的三相电流通过，则会产生一个定子旋转磁场。定子旋转磁场的同步转速决定于电网的频率和电机绕组的极对数。即 （3.1） 式中

—同步转速，r/min; —电网频率，Hz； —发电机绕组的极对数。

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当转子由原动机带动，以高于同步转速的转速同方向恒速旋转时，转子切

割磁力线就会产生感生电动势。在该电动势的作用下，电子绕组向电网输出电功率，感应发电机开始发电。

旋转磁场与转子之间的相对转速为异

步

电

机

的

转

差

率

，

即

相对转速与同步转速的比为

(3.2)

当s<0时，异步机工作在电动机状态，将电能转化为机械能；当s>0时，异步机工作在发电机状态，将机械能转化为电能。

3.3 笼型感应发电机的运行

图3.1 笼型感应发电机相量图

笼型感应发电机的基本方程式为：

ù1＝è1-ì） 1（R1+jX1e

è2ˊ＝—ì（Zˊ2+2ˊ ì m＝-ì1+ì2ˊ26

Rˊ2）

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è1＝è2ˊ è1＝ìmZm

式中 Zˊ2＝Rˊ2+jXˊ2e ，Zm＝Rm+jXm

转子侧物理量的折算方法为

èˊ2＝keè2s/s

ìˊ2＝

Rˊ2＝kekiR2

Xˊ2e＝kekiX2es/s

式中 è2s——折算前的转子电动势；

——折算前的转子漏抗；

式中 、——电机定子、转子相数； 、

——电机定子、转子每相串联匝数； 、——电机定子、转子绕组系数。

3.4 异步风力发电机的并网方式

主要并网方式有三种：直接并网、降压并网和通过晶闸管软并网。 1、 直接并网

异步风力发电机直接并网的条件：一是发电机和电网的相序必须相同；二是

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发电机的转速应尽可能的接近同步转速。第一个条件必须严格遵守，第二个不是很严格，但越接近于同步转速并网时产生的冲击电流越小。异步风力发电机直接并网如图所示。当风力机起动后，异步发电机的转子通过增速齿轮箱增加到接近同步转速时，测速装置发出并网信号，断路器自动合闸完成并网。

增速 齿轮箱 电 步发电异

风力图3.2 异步风力发电机直接并网

2、 降压并网

降压并网是在发电机和电网间串联电阻或电抗器，也可以是自耦变压器，来降低并网时的冲击电流和电网电压下降的幅度。 3、 晶闸管软并网

晶闸管软并网是指在异步发电机定子和电网之间每相串接一只双向晶闸管，通过控制晶闸管的导通角来控制并网时的冲击电流，这样就可以使并网暂态过程稳定，如图所示。

当发电机的转速接近于同步转速时，并且发电机的相序和电网的相同后，靠近发电机输出端的断路器闭合，发电机经双向晶闸管与电网连接，由计算机控制双向晶闸管的触发延迟角和导通角，将冲击电流降低到允许的范围内，这样异步发电机就并入电网。并入后，当发电机的转速和同步转速相同后，由控制器发出信号，用一组断路器再将晶闸管短接，这样发电机输出的电流就不经过晶闸管直接流入电网。与此同时，应立即在发电机端装设无功补偿装置，将功率因数提高到0.95以上。

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补偿 电容 异步 发电机

图3.3 异步风力发电机经晶闸管软并网

S1 S2 双向 晶闸管 增速齿轮R C 风力机

3.5 风力发电机组工作状态及其转换

风力发电机组有以下四种工作状态：①运行状态；②暂停状态；③停机状态； ④紧急停机状态。这四种工作状态之间的转换如图所示。

（1） 工作状态层次上升

1）从紧急停机到停机：如果满足停机状态的条件，则关掉紧急停机电路；开启液压工作压力；松开机械制动。

2）从停机到暂停：如果满足暂停条件，则起动自动偏航系统；如果是变桨距风力发电机组，变桨距系统起动；自动冷却开启。

3）从暂停到运行：如果满足运行条件，则检查风电机组是不是处在上风向；变桨距系统投入工作；检测转速，确定发电机能否切入电网。 （2）工作状态层次下降

1）紧急停机：包含3种情况，从停机到紧急停机；从 暂停到紧急停机；从运行到紧急停机。主要控制是：打开紧 急停机电路；置控制器所有输出信号于无效；机械制动作用； 控制器中所有逻辑电路复位。

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运暂停

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2）停机：包含2种情况，从暂停到停机；从运行到停机。 第一种情况：停止自动偏航；实行空气动力制动；冷却停止。 第二种情况：停止自动偏航；实行空气动力制动；冷却停止； 紧急停发电机脱网。 图3.4工作状态

的转换

3）暂停：如果发电机并网，调节功率降到零后切出发电机；如果发电机没有并入电网，则降低风轮转速至零。

3.6 风力发电机组的运行过程

（1）停机 机组停机时，叶片在90o顺桨位置，避免承受风载。

（2）待机 当风速提高时，机组准备开始发电，叶片转动一定角度以吸收风能，转子的转速及发电机的转速也逐步增加。

（3）并网 当发电机的转速达到并网转速时，机组开始并网发电；随着风速的增加，发电机的转速也在增加；风机将转子角速度调整到相应的转速，并使叶片保持0o桨距角。

（4）增加转子扭矩 当发电机达到额定转速时，功率控制设备通过增加转子扭矩使发电机的输出功率增加（捕获最大风能利用率），直到发电机的输出功率达到1500KW额定值。

（5）调节叶片角度 一旦发电机达到额定功率，为保持发电机转速为额定转速和额定功率，变桨系统会不断调节叶片角度。

（6）大风停机 当风速达到切出风速时，将叶片桨距调节至90o，执行停机程序。

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4 偏航系统的控制与研究

偏航系统是风电机组控制系统的重要组成，如图4.1是偏航控制系统。风能具有随机性、间歇性和不定向性，为了能够最大限度的捕获风能，工业上常用PI控制器、模糊控制器等来控制偏航系统。但这些控制器的对风精度不高，在一些精度要求比较高的情况下，风向标就可能会停止工作。基于这些问题本文提出使用陀螺仪和爬山算结合在一起的方法来控制偏航系统的策略。

风 风力机 齿轮箱 发电机 变压器 AC 减速 偏航 电机 DC 电网

DSP 控制

齿轮 信号转偏航系统

图4.1 偏航控制系统

4.1 偏航系统的工作原理

利用传感器将风向变化的信号传给偏航电机控制回路的处理器，经处理器判断后决定偏航方向和偏航角度，最后达到对风目的。当对风完成后，传感器失去电信号，电机结束工作，偏航过程完成。如图4.2所示，偏航系统由控制器、功

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率放大器、执行机构、偏航计数器等组成。

风向信号 风

轮轴向

— 控制功率放大执行机风力 偏航 计数 元检测 图4.2 偏航系统

4.2 偏航系统的控制原理及其功能 4.2.1 偏航系统的控制原理

风能普密度函数为: SW?2SK?2|?i|????i????1???????VW????2243 (4.1)

式中：

?i?(i?12)???，风波动频率；

??—积分步长； SK—表面张力因数； ?—风波动范围因数； VW—平均风速。

平均风速VW附近的瞬时风速vW(t)为：

vW(t)?2?i?1n?SW??i?????cos(?i?t??i) （4.2）

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i为时变量，?为自由独立变量，0

ii实际风速为：V?t??VW?vW(t) （4.3） 偏航角：

?e??W??T

式中：?W—风向角度； ?T—风力机叶轮角度。

偏航角与风向角度和风力机叶轮角度（也就是机舱角度）之间的相对关系有以下两种情况：（1）当风向与风力机叶轮迎风面法线方向角度差小于180?时， 偏航角为：

（4.4）

?W一般是相对叶轮迎风面法线方向，故取?T＝0，所以偏航角度为：

如图所示（粗实线表示叶轮迎风面，虚线表示风力机的迎风位置），电机正转，风力机舱顺时针调向。

图4.3 ?W<180o时

机舱顺时针调向

θw 风风 风 风θe θ w θe （2）当风向与风力机叶轮迎风面法线方向角度差大于180?时，偏航角为：

如图所示，电机反转，风力机舱逆时针调向。

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（4.5）

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风 风θe θw θθe w 风 风

图4.4 ?W>180o时

机舱逆时针调向

4.2.2 偏航控制系统的功能

偏航控制系统主要具备以下几个功能： （1）风向标控制的自动偏航；

（2）人工偏航，按其优先级别由高到低依次为：顶部机舱控制偏航、面板控制偏航、远程控制偏航；

（3）风向标控制的90°侧风； （4）自动解缆。

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