第2章 恒速风力发电机组的运行和控制

第2章恒速风力发电机组的运行和控制

2.1定桨距失速型风力发电机组

定桨距风力发电机组的主要结构特点是，桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶节距角不能随之变化。这一特点使得，当风速高于风轮的设计点风速(额定风速)时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，桨叶的这一特性称为自动失速性能。运行中的风力发电机组在突甩负载的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。20世纪70年代失速性能良好的桨叶的出现，解决了风力发电机组的自动失速性能的要求，以及20世纪80年代以及叶尖扰流器的应用，解决了在突甩负载情况下的安全停机问题，这些使得定桨距失速型风电机组在过去20年的风能开发利用中始终处于主导地位，最新推出的兆瓦级风电机组仍有机型采用该项技术。

定桨距风电机组的执行机构包括液压系统和偏航系统。液压系统是制动系统的驱动机构，主要用来执行风力机的开关指令;偏航系统使风轮轴线与风向保持一致。

定桨距失速型风电机组的最大优点是控制系统结构简单，制造成本低，可靠性高。但失速型风电机组的风能利用系数低，叶片上有复杂的液压传动机构和扰流器，叶片质量大，制造工艺难度大，当风速跃升时，会产生很大的机械应力，需要比较大的安全系数。

定桨距失速型风电机组主要由以下几部分组成:叶轮、增速机构、制动机构、发电机、偏航系统、塔架、机舱、加温加压系统以及控制系统等[13]。

图2-1 定桨距失速型机组

风力发电机组的输出功率主要取决于风速，同时也受气压、气温和气流扰动等因素的影响。定桨距风机桨叶的失速性能只与风速有关，直到达到叶片气动外形所决定的失速调节风速，不论是否满足输出功率，桨叶的失速性能都要起作用。定桨距风机的主动失速性能使得其输出功率始终限定在额定值附近。

同时，定桨距风电机组中发电机额定转速的设定也对其输出功率有影响。定桨距失速型风电机组的节距角和转速都是固定不变的，这使得风电机组的功率曲线上只有一点具有最大功率系数，对应于某个叶尖速比。当风速变化时，功率系数也随之改变。而要在变化的风速下保持最大功率系数，必须保持发电机转速与风速之比不变，而在风力发电机组中，其发电机额定转速有很大的变化，额定转

速较低的发电机在低风速下具有较高的功率系数，额定转速较高的发电机在高风速时具有较高的功率系数。

另一方面改变桨叶节距角的设定也显著影响额定功率的输出，定桨距风力发电机组在风速达到额定值以前就开始失速，到额定点时的功率系数已经相当小了。调整桨叶的节距角，只是改变桨叶对气流的失速点。节距角越小，气流对桨叶的失速点越高，其最大输出功率也越高。故而定桨距风力机在不同的空气密度下需要调整桨叶的安装角度[6]。

图2-2 普通异步发电机的恒速风电机组

恒速恒频风力发电机的主要缺点是风力机转速不能随风速而变，从而降低了对风能的利用率，而且当风速突变时，巨大的风能变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力，并网时还可能产生较大的电流冲击，目前的恒速机组，大部分使用异步发电机，在发出有功功率的同时，还需要消耗无功功率(通常是安装电容器，以补偿大部分消耗的无功功率)。

2.2恒速变桨距调节型风力发电机组

2.2.1性能和控制简述

恒速变桨距调节型风力发电机组中变桨矩是指安装在轮毂上的叶片，可以借助控制技术改变其桨距角的大小。其优点是桨叶受力较小，桨叶可以做的比较轻巧。由于桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的捕获风能，多发电，又可以在高风速时段保持输出功率平稳，不致引起异步发电机的过载，还能在风速超过切出风速时通过顺桨（叶片的几何攻角趋于零升力的状态）防止对风力机的损坏，这是兆瓦级风力发电机的发展方向。其缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。

经过10多年的实践，设计人员对风力发电机组的运行工况和各种受力状态已经有了深入的了解，不再满足于仅仅提高风力机组的运行的可靠性，而开始追求不断优化的输出功率曲线，同时采用变桨距机构的风力发电机组可以使桨叶和整机的受力状况大为改善，这对大型风力发电机组的总体设计十分有利。

变桨距风力机组的主要结构特点是：

(1)输出功率特性；变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点上输出功率平稳的特点。

(2)在额定点具有较高的风能利用系数。

(3)确保高风速段的额定功率；变桨距风力发电机组的桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来确定的，不受气流密度的影响。

(4)起动性能与制动性能；变桨距风力发电机组在低风速时，桨叶节距可以转动到合适的角度，使风轮具有最大的动力矩容易起动。当风力发电机组需要脱离电网时，变桨距系统可以转动叶片使之减小功率，在发电机与电网断开时，功率减小至零，避免了定桨距风力发电机组上每次脱网时所要经历的突甩负载的过程。从今后发展趋势来看，在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距风力发电机组。

2.2.2变桨距控制过程

针对变桨距风力机动力学分析，变桨距的控制过程如下:风力机启动前，桨叶保持顺桨位置，其节距角为90°，气流对桨叶攻角为 0°，不产生力矩。当风速增大到切入风速时，由控制机构驱动桨叶向从90°向0°方向转动，当气流相对桨叶的攻角到达某个角度，作用在桨叶上的转动力矩超过叶轮启动所需要的力矩时，叶轮开始转动。在电机并网以前，变桨距系统对叶轮进行速度控制。控制器按速度上升斜率给出速度参考值，变距系统根据此值，调整节距角。

并网后，风力机正常运行最重要的有这样两个工况:

(1)风速低于额定风速;

(2)风速高于额定风速。

风速低于额定风速

当风速低于额定风速时，发电机输出功率低于额定功率，此时控制器控制转子转速，保持风能利用系数在额定风速下的整个运行风速范围内都处于最大值，使发电机在不同风速下都工作在最佳功率状态，尽可能多的将风能转化为输出的电能。

风速高于额定风速

当风速变大超过额定风速时，由于发电机的的各个部件机械结构和疲劳强度以及电气特性的要求，不能使发电机的输出功率随风速增加而无限制的变大，应使其维持在额定功率附近，通过变桨距系统改变节距角来限制风轮获取能量。在风速高于额定风速时，即当发电机输出功率超过额定功率，可以通过控制机构增大桨叶节距角，由此调节发电机的输出功率并维持在额定功率;当输出功率继续减小并小于额定功率时，在通过控制机构减小桨叶节距角，则可增加发电机输出功率。因此在风速高于额定风速阶段，变桨距控制技术使用较多。

2.3恒速恒频控制分析

同步旋转坐标系下的电机状态方程

异步电机的三相电机基本方程直观、物理意义明显，但是由于方程中定子和转子间的互感是由定子、转子绕组之间角度定义的转子位置的函数，所以电压方程是一个变系数微分方程组，这对分析和计算带来诸多不便。因此需象同步电机