教學(xué)設(shè)備

經(jīng)過20年的發(fā)展風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)從基本單一的定槳距失速控制發(fā)展到全槳葉變距和變速恒頻控制，目前主要的兩種控制方式是：雙饋異步變槳變速恒頻控制方式和低速永磁同步變槳變速恒頻控制方式。
在講述風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)之前，我們需要了解風(fēng)力渦輪機(jī)輸出功率與風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。
風(fēng)力渦輪機(jī)特性：

1，風(fēng)能利用系數(shù)Cp
    風(fēng)力渦輪從自然風(fēng)能中吸取能量的大小程度用風(fēng)能利用系數(shù)Cp表示：
    P---風(fēng)力渦輪實(shí)際獲得的軸功率
   r ---空氣密度
   S---風(fēng)輪的掃風(fēng)面積
   V---上游風(fēng)速
根據(jù)貝茲（Betz）理論可以推得風(fēng)力渦輪機(jī)的理論最大效率為：Cpmax=0.593。
2，葉尖速比l
為了表示風(fēng)輪在不同風(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l。
   n---風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速
    w---風(fēng)輪叫角頻率
    R---風(fēng)輪半徑
    V---上游風(fēng)速
    在槳葉傾角b固定為最小值條件下，輸出功率P/Pn與渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速N/Nn的關(guān)系如圖1所示。從圖1中看，對(duì)應(yīng)于每個(gè)風(fēng)速的曲線，都有一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)，風(fēng)速越高，最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)得轉(zhuǎn)速越高。如故能隨風(fēng)速變化改變轉(zhuǎn)速，使得在所有風(fēng)速下都工作于最大工作點(diǎn)，則發(fā)出電能最多，否則發(fā)電效能將降低。
渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出功率還與槳葉傾角b有關(guān)，關(guān)系曲線見圖2 。圖中橫坐標(biāo)為槳葉尖速度比，縱坐標(biāo)為輸出功率系統(tǒng)Cp。在圖2 中，每個(gè)傾角對(duì)應(yīng)于一條Cp=f(l)曲線，傾角越大，曲線越靠左下方。每條曲線都有一個(gè)上升段和下降段，其中下降段是穩(wěn)定工作段（若風(fēng)速和傾角不變，受擾動(dòng)后轉(zhuǎn)速增加，l加大，Cp減小，渦輪機(jī)輸出機(jī)械功率和轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)子減速，返回穩(wěn)定點(diǎn)。）它是工作區(qū)段。在工作區(qū)段中，傾角越大，l和Cp越小。
3，變速發(fā)電的控制
    變速發(fā)電不是根據(jù)風(fēng)速信號(hào)控制功率和轉(zhuǎn)速，而是根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)控制，因?yàn)轱L(fēng)速信號(hào)擾動(dòng)大，而轉(zhuǎn)速信號(hào)較平穩(wěn)和準(zhǔn)確（機(jī)組慣量大）。
三段控制要求：
    低風(fēng)速段Ｎ＜Ｎｎ，按輸出功率最大功率要求進(jìn)行變速控制。聯(lián)接不同風(fēng)速下渦輪機(jī)功率－轉(zhuǎn)速曲線的最大值點(diǎn)，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）關(guān)系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作為變頻器的給定量，通過控制電機(jī)的輸出力矩，使風(fēng)力發(fā)電實(shí)際輸出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。圖３是風(fēng)速變化時(shí)的調(diào)速過程示意圖。設(shè)開始工作與Ａ２點(diǎn)，風(fēng)速增大至Ｖ２后，由于慣性影響，轉(zhuǎn)速還沒來得及變化，工作點(diǎn)從Ａ２移至Ａ１，這時(shí)渦輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率大于電機(jī)發(fā)出的電功率，機(jī)組加速，沿對(duì)應(yīng)于Ｖ２的曲線向Ａ３移動(dòng)，最后穩(wěn)定于Ａ３點(diǎn)，風(fēng)速減小至Ｖ３時(shí)的轉(zhuǎn)速下降過程也類似，將沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３軌跡運(yùn)動(dòng)。
     中風(fēng)速段為過渡區(qū)段，電機(jī)轉(zhuǎn)速已達(dá)額定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率尚未達(dá)到額定值Ｐ＜Ｐｎ。傾角控制器投入工作，風(fēng)速增加時(shí)，控制器限制轉(zhuǎn)速升，而功率則隨著風(fēng)速增加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。
高風(fēng)速段為功率和轉(zhuǎn)速均被限制區(qū)段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，風(fēng)速增加時(shí)，轉(zhuǎn)速靠?jī)A角控制器限制，功率靠變頻器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。
４，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)
    雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的示意見圖４，繞線異步電動(dòng)機(jī)的定子直接連接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子經(jīng)四象限ＩＧＢＴ電壓型交－直－交變頻器接電網(wǎng)。
    轉(zhuǎn)子電壓和頻率比例于電機(jī)轉(zhuǎn)差率，隨著轉(zhuǎn)速變化而變化，變頻器把轉(zhuǎn)差頻率的轉(zhuǎn)差功率變?yōu)楹銐�、恒頻（５０ＨＺ）的轉(zhuǎn)差功率，送至電網(wǎng)。由圖４可知：
Ｐ＝ＰＳ－ＰＲ；ＰＲ＝ＳＰＳ；Ｐ＝（１－Ｓ）ＰＳ
Ｐ是送至電網(wǎng)總功率；ＰＳ和ＰＲ分別是定子和轉(zhuǎn)子功率
轉(zhuǎn)速高于同步速時(shí)，轉(zhuǎn)差率Ｓ＜０，轉(zhuǎn)差功率流出轉(zhuǎn)子，經(jīng)變頻器送至電網(wǎng)，電網(wǎng)收到的功率為定、轉(zhuǎn)子功率之和，大于定子功率；轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速食，Ｓ＞０，轉(zhuǎn)差功率從電網(wǎng)，經(jīng)變頻器流入轉(zhuǎn)子，電網(wǎng)收到的功率為定、轉(zhuǎn)子輸出功率之差，小于定子功率。
５，雙饋異步控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程
    系統(tǒng)的運(yùn)行分為兩個(gè)階段：
    同步階段：在此過程中風(fēng)機(jī)已經(jīng)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)其轉(zhuǎn)速大于啟動(dòng)轉(zhuǎn)速后，充電回路先閉合，使變頻器直流電容電壓升高，當(dāng)電壓大于８０％額定值后，轉(zhuǎn)子回路主接觸器閉合，并且同時(shí)斷開充電回路接觸器。母線電壓不斷升高至額定值，這時(shí)變頻器逆變器開始工作，電機(jī)轉(zhuǎn)子中有電流，所以在定子中有電壓產(chǎn)生，變頻器檢測(cè)電網(wǎng)電壓和電機(jī)定子電壓，通過調(diào)節(jié)住轉(zhuǎn)子的電壓電流，使這兩個(gè)電壓同步，并且閉合定子主接觸器，系統(tǒng)便完成了同步切入。
    運(yùn)行階段：同步切入結(jié)束后便進(jìn)入正常運(yùn)行階段，這個(gè)時(shí)候通過上述的三階段控制方法使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出最大的額定功率。在實(shí)際運(yùn)行中，變頻器接收主控制傳輸過來的兩個(gè)主要控制信號(hào)：功率因數(shù)和電機(jī)力矩。功率因數(shù)信號(hào)使變頻器輸入端的輸入功率因數(shù)始終為１，電機(jī)力矩使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)始終隨著風(fēng)速變化而輸出最大的額定功率。主要的控制方式可以通過矢量控制和直接力矩控制都可以實(shí)現(xiàn)上述功能，在這里就不多講了。
    雙饋系統(tǒng)在變頻器中僅流過轉(zhuǎn)差功率，其容量小，通常按發(fā)電總功率的２５％左右選取，投資和損耗小，發(fā)電效率高，諧波吸收方便。由于要求雙向功率流過變頻器，它必須是四象限雙ＰＷＭ變頻器，由兩套ＩＧＢＴ變換器構(gòu)成，價(jià)格是同容量單象限變頻器的一倍。而且只能使用雙饋電機(jī)，效率較低，而且有滑環(huán)和碳刷，維護(hù)工作量較大。
６，永磁同步全饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)
    永磁同步全饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)采用采用永磁同步電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)，同步電動(dòng)機(jī)輸出的頻率和電壓隨轉(zhuǎn)速變化的交流電，經(jīng)一臺(tái)雙象限ＩＧＢＴ電壓型交－直－交變頻器接至恒壓、恒頻電網(wǎng)。
    目前，永磁同步全饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率可至５ＭＷ，而且采用低速永磁同步電動(dòng)機(jī)，并且取消了中間的齒輪變速箱，變頻器采用雙ＰＷＭ型的中壓變頻器，主要應(yīng)用在離岸的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中。
永磁同步全饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的運(yùn)行和雙饋系統(tǒng)基本類似，也通過同步切入過程，和正常運(yùn)行階段，控制方式也采用上述的三段式控制。
永磁同步全饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部電功率都通過變頻器，變頻器容量需按１００％功率選取，比雙饋系統(tǒng)容量大，投資和損耗大，使用永磁同步發(fā)電機(jī)，電機(jī)輕，取消變速齒輪結(jié)構(gòu)減輕了整機(jī)重量，變換器增加的投資可以從機(jī)械結(jié)構(gòu)的節(jié)約中得到補(bǔ)償。
７，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的輔助控制系統(tǒng)
    這些輔助控制系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主控制器控制，主要包括：
    槳葉傾角控制系統(tǒng)：槳葉傾角控制通過液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速增加升至額定轉(zhuǎn)速后，通過加大傾角來維持轉(zhuǎn)速不變，目前工程上使用線性ＰＩＤ控制器來進(jìn)行控制。
    偏航控制系統(tǒng)：偏航系統(tǒng)有兩個(gè)主要目的：一是使風(fēng)輪跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向，二是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于偏航作用，機(jī)艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時(shí)，自動(dòng)解除纏繞。偏航系統(tǒng)一般通過控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)。
    風(fēng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)：風(fēng)葉的制動(dòng)系統(tǒng)采用液壓的盤式剎車系統(tǒng)，一般安排在高速軸上。具有三種剎車方式：正常停機(jī)方式；安全停車方式；緊急停車方式。
    其他安全保護(hù)系統(tǒng)：其他安全保護(hù)系統(tǒng)主要有：超速保護(hù)、電網(wǎng)失電保護(hù)、電氣保護(hù)（過壓，過流）、雷擊保護(hù)、機(jī)艙機(jī)械保護(hù)、槳葉保護(hù)、緊急安全鏈保護(hù)等等。