变桨距风力发电机组的模糊控制器设计.docx

引 言

风能是一种干净的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此也可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源；而煤、石油、天然气等矿物燃料能源，其储量将随着利用时间的增长而日趋减少，矿物燃料在利用量程中会带来严重的环境污染问题。如空气中的、、、等气体的排放量的增长导致了温室效应、酸雨等现象的产生。因此，自20世纪70年代末以来，随着世界各国对环境保护、能源短缺及节能等问题的日益关注，认为大规模利用风力发电是减少空气污染、减少有害气体(等)排放量的有效措施之—。德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度、加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金，充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果。开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展了变桨距控制及失速控制的风力机设计理论，采用新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发出微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。在此基础上，许多国家建立了众多的中型及大型风力发电场，并形成了一整套有关风力发电场的规划方法、运行管理与维护方式、投融资方式、国家扶持的优惠政策及规范、法规等
中国三北地区(西北、华北北部、东北)及东向沿海地区有丰富的风能资源，而这些地区又都存在能源短缺及环境污染的问题，因此通过利用风力发电来改变能源结构并改善环境，不失为在能源开发领域中重要的策略之—，中国风力发电技术的研究始于20世纪70年代末80年代初，通过自主开发研制，小型风力发电机(额定容量为100w一10KW)已实现了商业化批量生产，并获得了广泛应用，对解决广大牧区牧民及一些岛屿上居民的生活及生产用电起着重要作用；与此同时，在国家有关部委的支持下,研制出额定功率为200KW、250KW、300KW、600KW的风力发电机组(已逐步实现国产化),并在全国11个省区建立了27个风电场，总装机容量到2001年底约40万千瓦，取得了较快的发展。
第一章 风力发电系统的概述

1.1 中国风力发电的概况
1.1.1
风是太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，引起各地温差和气压不同，导致空气运动而产生的能量。
风是空气流动的现象，风又是一种自然资源，风是一种用之不尽的清洁可再生能源，随着工业的发展，地球上不可再生能源的加剧消耗，其产生的废气、废水和废渣等造成环境污染、生态失衡。利用风能可以节约化石燃料，同时可以减少环境污染。因此清洁可再生的风能为世人所瞩目，21世纪将出现太阳能和风能时代，它可以作为技术上、经济上日趋理想的常规能源的替补，与生物能、海洋能、地热能等可再生能源集群在一起发展。
1.1.2 我国风力发电的发展史
风电起源于20世纪70年代，风电技术成熟于80年代。自90年代以来，风电进入大发展阶段，单机容量兆瓦级风电机设备已投入商业化运行。风力发电是近年来世界各国普遍关注的可再生能源开发项目，发展速度非常快。1997-2004年，全球风电装机年平均增长率达26.1%。目前全球风电装机容量已达到5000万千瓦左右，相当于47座标准核电站。
中国风能资源丰富，根据全国900多个气象站的观测资料估计，我国陆地风能资源总储量约32.26亿千瓦，其中可开发利用的风能资源总量为2.53亿千瓦，居世界首位；中国近海风能资源，估计为陆地上的三倍，即近海的风能储量约为7.5亿千瓦。这样陆地上和近海10米处技术可开发风能资源总量总计为10亿千瓦。
现代大型风力发电机组高度约超过50米，50米处的风能密度为10米高处的2倍，这样，中国技术可开发的风能资源总量即可高达20亿千瓦。
我国东南沿海和山东、辽宁沿海及其岛屿、内蒙古北部、甘肃、新疆北部以及松花江下游等地区均属风能资源丰富区，年平均风速大于等于6m/s，有效风能密度大于等于200W/m有很好的开发利用条件。这些地区中很多地方常规能源贫乏，无电或严重缺电，尤其是新疆、内蒙古的大部分草原牧区及沿海几千个岛屿人口分散，电网难以通达，或无电力供应，或采用很贵的柴油机发电。在上述地区，利用风力发电，以节约能源，改善环境，缓解电力供应紧张状况，具有重要意义。
另一方面，这几年的交通条件得到很大的改善，电网覆盖程度有了很大的提高，不少风能资源丰富地区已置于电网覆盖之下，这也为建设大型风力发电场提供了有利条件。
上述情况决定了发展风电的特点是：在风能资源丰富或较丰富的边远无电、缺电地区，以发展小型或中型独立运行的风电系统为主，利用风电发展解决边远地区的生活用电和生产用电；在风力资源丰富、电网发达的地区，风力发电则作为一种清洁的可再生能源，补充和逐步代替部分常规能源，缓解电力供应紧张的矛盾，提高当地的环境质量，所以应以发展大型风电场为主。
利用风力发电已越来越成为风能利用的主要形式受到世界各国的高度重视，而且发展速度很快。风力发电通常有三种方式。一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它有蓄电池储能，以保证无风时的用电。二是风力发电与其他发电方式相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电。三是风力发电并入常规电网运行。向大电网提供电力常常是一处风场安装几十台甚至是几百台风力发电机，这是风力发电的主要方向。前面两种风力发电形式又称离网型风力发电。
由于风能具有随机性，利用风能必须考虑储能或与其他能源相互配合，才能获得稳定的能源供应，这就增加了技术上的复杂性。独立运行的风力发电机组是把风力发电机组输出的电能经储能装置储能，再供应用户使用。为保证独立运行的离网型风力发电机组连续可靠地供电，解决风力发电受自然条件限制的影响，风力发电机组经常与其他动力能源联合使用，互为补充。
1.2 离网型风力发电的发展与现状
1.2.1 离网型风力发电的发展史
尽管中国在1800多年前就有了帆船、风车等利用风能的记录，但现代风电产业的发展始于20世纪70年代初。从80年代初开始，国家科委和国家计委将新能源利用列入国家科技公关计划，其中包括风力发电的研发项目，全国先后共研制出从50W到200KW机型40多种。
根据的具体情况，为解决地处边远、居住分散、电网难以到达地区的农牧民群众的用电问题，重点推广了户用微型风力发电机。即从离网式小风机的研发推广开始，经过初期发展、单机分散研制、示范应用、重点攻关、使用推广、系列化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究、设计制造，还是实验、示范、应用推广等方面均有长足的进步和很大的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益。特别是在解决常规电网外无电地区农、牧、渔民用电方面走在世界前列，生产能力、保有量和年产量都居世界第一。目前，中国远离电网的偏僻地区，有三千万人用不上电，在常规电网外，推广独立供电的风力发电系统，对解决农、牧、渔民看电视、听收音机、照明和用电动鼓风机做饭等生活用电问题，对改善和提高当地经济，促进地区社会文化事业发展，加强民族团结，巩固国防建设有着重大的意义。
离网型风力发电机组的开发利用成效显著，特别是小型风力发电机组发展迅速。离网型小风机对解决边远地区农、牧和渔民基本生活用电发挥了重大作用。我国的边远农村、牧区和渔区的沿海岛屿、自然村落、边防哨所、电视差转台站、通讯塔台、森林防火了望台、旅游景点等，由于用户分散、用电量小，因此，常规电网难以到达。在过去的30年里，大力推广应用国产小型风力发电机组、风-光互补供电系统、风-柴供电系统，较好地解决了这些地区无电、缺电的困难，并已取得重大成效。
在这方面内蒙古自治区走在全国的前列。截止2004年底，全国累计生产各类小风机28.09117万台，总装机容量为5.32万千瓦，预计年发电量约13302万千瓦时。单机额定功率0.05-10千瓦。目前，小型风力发电机的年产量、产值和保有量均列世界之首。中国西部地区已有20多万户农牧民安装了小型风力发电机，为接近100万户农牧民提供了电力，为无电区农牧民送去了光明，并培育了世界上最大的小风机产业和市场。
1.2.2 离网型风力发电机组的现状
目前，在大电网难以到达的边远或孤立地区，如边防连队、哨所、森林中的海岛驻军、渔民、地处野外高山的微波站、电视差转台、气象站、公共铁路无电小站、了望台、石油天然气输油管道及滩涂养殖业等多数地方，通常的办法是采用柴油发电机组来提供必要的生活和生产用电。由于柴油价格高，加之运输方面的困难，造成发电成本相当高，并且由于交通不便和燃料供应紧张，往往不能保证电力的可靠供应。
而这些边远地区特别是海岛大部分有较丰富的风能资源，随着风电技术的日趋成熟，其电能的生产成本已经低于柴油发电成本。因此，采用风力发电机组和柴油发电机组联合运行，为电网不能到达的地区提供稳定可靠的、符合电能质量标准的电力，最大限度地节约柴油并且减少对环境的污染，是世界各国在风能利用与开发研究中颇受瞩目的方向之一。特别是对发展中国家，由于电网尚不够普及，更具有广阔的应用前景。
1.3 型风力发电的发展与现状
1.3.1 并网型风力发电的发展史
风力发电的另一重要方面，是在风能资源丰富、电网通达的地区发展并网型中大型风力发电场。风力发电场的建设是使风能成为真正的补充替代能源，缓解电力紧张的矛盾，提高当地的环境质量和发挥规模效益的主要方式。80年代中期，开始进行并网型风力发电机技术的实验和示范。经过十多年的努力，逐步走向规模发展。
1994年，原电力部发布了风力发电上网有关规定以后，并网型风力发电技术的发展越来越受到重视。风力发电产业从新疆、内蒙古和东南沿海部分起步开始大规模发展。近十多年来，中国政府一直关注和支持风能的开发和利用，制定了一系列的政策，经过20多年的发展，风力发电从无到有，从小到大，经历了曲折和坎坷的道路，迎来了并网风电场发展的春天。
1.3.2 并网型风力发电机组的现状
风力发电场是将多台并网型风力发电机安装在风力资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电。风电场是大规模利用风能的有效方式，于20世纪和80年代在美国兴起。截止2004年底，我国共建设了43个风电场。分布在14个省，累计安装风电机组1291台，并网风电装机容量为764MW。
风电装机容量仅占全国装机容量的0.17%，其中2004年新投入运行的风机容量为19.7万千瓦，年增长率达到34%，装机容量居世界第十位，亚洲第三位。计划在2010年，并网风电装机达到500万千瓦。目前，我国的风电装机容量还不到全国总装机容量的0.5%，根据能源发展规划，风电具有大规模发展的前景和市场需求。
1.4 内蒙古风力发电的发展
内蒙古拥有得天独厚的风力资源，是北部的风能富集区。国家气象科学研究院根据国内100个气象台站，30年内的观测资料测算出，在内蒙古118万平方公里的土地上，内蒙古自治区风能总功率为10.1亿千瓦，其中可以利用的风能总功率为1.01亿千瓦，占全国风能储量的40%，居全国之首。理论发电量相当于三个三峡，发展的空间非常大。
据专家介绍，内蒙古的风能分布范围广、面积大，且具有稳定性高、连续性好、无破坏性风速等优良品位。经测定，10米高度年平均风速在6米/秒以上，年可利用小时约4400~7800小时，开发条件十分优越，比美国加利弗尼亚的条件还要好。
位于中国北部的内蒙古自治区，拥有广阔的大草原，到处可见蓝天白云和成群的牛羊。但是由于游牧和居住分散，电网无法到到达许多家庭过去生活在无电的状态下。20世纪70年代开始尝试利用这里的丰富资源。
80年代的大量小型户用风力发电机组的推广应用，解决了大多数农牧民家庭的用电问题，使他们的生活方式发生了质的变化，用了电灯，看上了电视，还有各式各样的家用电器，使他们过上了现代生活，尝到了利用风能的甜头，目前，保有量已达17万台，解决了边远和游牧地区17万多个农牧民家庭的生活用电问题。
内蒙古不仅发展小型户用风力发电机组，而且从1990年开始发展并网风电。近年来，内蒙古自治区确立了“风火并举”发展战略，以并网风力发电场建设为标志的内蒙古风力发电产业得到长足发展。1995年以来，在辉腾锡勒风电场实施了国家技改“双加”专项工程，以建设速度快、质量高、造价低、管理好等优点，被评为“九五”国家技改优秀项目。
自治区还结合扶贫共富工程和实现农牧区通电目标，从产业政策上给予优惠和支持。到2004年底，内蒙古的风电场有朱日和、商都、锡林浩特、辉腾锡勒和达里，风电装机容量为13.5万千瓦。每年可利用风能发出3亿多千瓦时的风电量，并将其送入电网。
在锡林郭勒大草原和朱日和，乌兰察布的黄花岗，洪格尔的达里诺尔湖等地，搏击风云、向长空揽光明的草原风力田，已成为内蒙古大草原一道道亮丽的旅游风景线。
1.5 风力发电的前景
风力发电能够成为中国电源结构的重要组成部分，发展风电有利于调整能源结构。目前中国的电源结构中75%是煤电，排放污染严重，增加风电等清洁电源比重刻不容缓。尤其在减少二氧化碳等温室气体排放，缓解全球气候变暖方面，风电是有效措施之一。从长远看，中国常规能源资源人均拥有量相对较少，为保持经济和社会的可持续发展必须采取措施解决能源供应。
中国风能资源丰富，如果能够充分开发，按目前估计的技术可开发储量计算，风电年发电量可达几万亿千瓦时。据官方和专家的推算，中国2020年需要10亿千瓦的发电装机，4亿千瓦时的发电量，之后如果按照人均2千瓦，达到中等发达国家生活水平的基本要求，在2050年中国需要大约30亿千瓦的发电装机和12万千瓦时的发电量。庞大的装机和发电量需求，给风力发电的发展提供了足够的空间。
由中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会支持、绿色和平和欧洲风能协会共同资助的报告指出，中国有能力在2020年实现3000-4000万千瓦的风电装机容量，年发电量将达到800亿千瓦时，可满足8000万人的用电需求，同时每年可减少4800万吨二氧化碳排放量。
专家们预测，风电发展可能将分为3个阶段进行：首先在2010年之前完成起步阶段，风电装机达到400-500万千瓦，初步奠定风电产业基础；第二阶段时2020年达到3000万-4000万千瓦，实现快速发展，在全部发电装机中占有一定比例；第三阶段是在2020年之后超过核电成为第三发电电源，并在2050年前后达到或超过4亿千瓦，超过水电，成为第二大主力发电电源。
目前，发改委已经对全国风力资源作了普查计划，并确定了风力发电的主要目标。大体思路就是在东北、华北北部、西北、东南沿海一带风力资源丰富的地区建一批十万千瓦以上的大型风电场，在风力资源比较集中的河北张家口、坝上、江苏沿海、甘肃、河西走廊地区建百万千瓦以上的大型风电场。而在具体执行过程中，政府将会出台相关政策对风电投资实行倾斜。
1.6 智能控制在风力发电系统中的应用
风力发电控制系统的基本目标分为3个层次。就是保证可靠运行，获取最大的能量，提供良好的电力质量。风力发电系统的控制技术从定桨距又发展到近年来采用的变速控制技术正是为了达到这个目的。
传统的变速控制模式需要首先建立一个有效的系统模型，而由于空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性，系统模型的确定不是一件容易的事情。从已列出的那些可能影响风力发电机组性能的误差源和不确定因素中，研究人员发现，由于雷诺数的变化会引起在功率上5%的误差，而由于叶片上的沉积物和下雨可造成20%的功率变化，其他诸如老化和大气条件等因素，也将在机组的能量转换过程中引起不同程度的变化。因此所有基于某些有效系统模型的控制也仅适合于某个特定的系统和一定的工作周期。由于这些原因，基于模糊逻辑的控制技术于最近几年被引入了风力发电机组控制领域并受到了研究人员的重视。模糊逻辑控制器根据功率偏差及其变化率调整PWM逆变器的调制点，从而取得在额定风速下运行时的最大功率。
模糊控制器与传统的控制器相比有很多的优点，首先模糊控制是一种既可以适应非线性又可以适应线性的控制方法，它不会因为控制器的特性受到限制，其次它的工作范围广,它不依赖于对象的数学模型，对于很难建模或者复杂建模的对象，可以通过人的经验知识设计模糊控制器，完成难以完成的控制任务。再次传统的控制方法都要已知被控对象的数学模型才能设计控制器，而模糊控制器可以在未知的情况下进行控制，这是因为它具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒特性，对被控制对象的特性变化不敏感。最后模糊控制器的设计参数容易选择整调，算法简单，执行快，容易实现容易普及推广。

第二章 风力发电系统结构及特点

2.1 风力发电系统的概况
2.1.1 风力机的特点
风力机又称为风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风力机的类型很多，通常将其分为水平轴风力机，垂直轴风力机和特殊风力机三大类。但应用最广的还是前两种类型的风力机。
1.　水平轴风力机
水平轴风力机是目前国内外最常见的一种风机。下图表示了目前应用最广的各种不同水平轴风力机的示意图。
各种不同水平轴风力机的示意图如下：

（1）　单叶片 （2）　双叶片 （3）　三叶片

（4）　迎风式 （5）　背风式
2.　垂直轴风力机
垂直轴风力机叶轮的转动与风向无关，因此不需要像水平轴风力机那样采用迎风装置，其输出功率一般比水平轴式风力机要小。该风力机的效率主要取决于风轮效率、传动效率、蓄能效率。基于以上原因所以很少采用垂直轴式风力发电机。
2.1.2 风力发电原理
风力发电原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，如图2-1所示。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动叶轮旋转。如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连，就会带动发电机发出电来。

图2-1　风力发电原理图
2.1.3 现代风力机的特点
图2-1所示的风力发电机发出的电时有时无，电压和频率也不稳定，是没有实际应用价值的。一阵狂风吹来，风轮越转越快，系统就会被吹垮。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等，现代风机的示意图如图2-2所示
齿轮箱可以将很低的风轮转速（600千瓦的风机通常为27r/min）变为很高的发电机转速（通常为1500r/min）同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。
偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道，600千瓦的风机机舱总重20多吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。
风机是有很多转动部件的。以说明，机舱在水
图2-2　现代风机示意图
平面旋转，随时跟风。风轮沿水平轴旋转，以便产生动力。在变桨距风机，组成风轮的叶片要围绕跟部的中心轴旋转，以便适应不同的风况。在停机时，叶片尖部要甩出，以便形成阻尼板。液压系统就是用于调节叶片桨距、阻尼、停机、刹车等状态下使用。
要知道，通常所说的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。风机的控制系统，要在这样恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网，并监视齿轮、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。
2.2 风力发电机
2.2.1 风力发电机的分类
按照风力机的功率分类，可分为：
微型风力发电机，其额定功率为50-100W；
小型风力发电机，其额定功率为1-10KW；
中型风力发电机，其额定功率为10-100KW；
大型风力发电机，其额定功率为100KW以上。
按照风轮轴安装形式分类，可分为：
水平轴风力发电机；
垂直轴风力发电机。
2.2.2 水平轴风力发电机组的构成
水平轴风力发电机主要由风轮、风轮轴、低速联轴器、增速器、高速联轴器、发电机、塔架、调速装置、调向装置、制动器等组成。
1.　风轮
叶片安装在轮毂上称作风轮，它包括叶片、轮毂等。风轮是风力发电机接受风能的部件。现代的风力发电机的叶片数，常为1-4枚叶片，常用的是2枚或3枚叶片。由于叶片是风力发电机接受风能的部件，所以叶片的扭曲、翼型的各种参数及叶片机构都直接影响叶片接受风能的效率和叶片的寿命。
叶片尖端在风轮转动中形成圆的直径称风轮直径，亦称叶片直径。叶片又可分为变桨距叶片和固定桨距叶尖有阻尼器两种叶片，其作用都是为了调速。从叶片结构上又可分为木制叶片、铝合金挤压成型的等弦长叶片、钢制叶片、钢纵梁玻璃钢叶片、玻璃钢叶片等。
由于叶片在转动中，距转动中心不同半径部位的线速度不同，接受风能也不同。为了使叶片各部接受风能大体一致，其往往做成渐缩型的，并且扭转一定角度，这种叶片称为扭曲叶片。现代大、中型风力发电机都采用扭曲叶片。
2.　增速器
由于风轮的转速低而发电机的转速高为匹配发电机，要在低速的风轮轴与高速的发电机轴之间接一个增速器。增速器就是一个使转速提高的变速器。
3.　联轴器
增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空间，往往把联轴器与制动器设计在一起。风轮轴与增速器之间也有用联轴器的，称低速联轴器。
4.　制动器
制动器是使风力发电机停止运转的装置，也称刹车。制动器有手动制动器、电磁制动器和液压制动器。当采用电磁制动器时，需有外电源；当采用液压制动器时，除需外电源外，还需泵站、电磁阀、液压油缸及管路等。
5.　发电机
叶片接受风能而转动最终传给发电机，发电机是将风能最终转变成电能的设备。
风力发电机常用的发电机有四种：
⑴ 　直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。直流电压12，24，36V等。中型风力发电机也有用直流发电机的。
⑵ 　永磁发电机，常用在小型风力发电机上，电压一般为115V，127V的等，有直流也有交流。永磁交流发电机在中、大型风力发电机上尚未得到使用，主要有些技术问题还未解决。现在已发明了交流电压440/240V的高效永磁交流发电机，可以作成多极低转速，特别适合风力发电机。
⑶ 　同步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场同步旋转，同步转速。
⑷ 　异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速比同步转速略低。当并网时转速应提高。
6.　塔架
塔架是支撑风力发电机的支架。塔架有圆锥型钢管合钢筋混凝土的等两种形式。同时塔架又分为硬塔、柔塔、甚柔塔。硬塔的固有频率大于Kn，其中K为叶片数，n为风轮转数；柔塔的固有频率在Kn和n之间；甚柔塔的固有频率小于n。
7.　调速装置
风速是变化的，风轮的转速也会随着风速的变化而变化。为使风轮运转在所需要的额定转速下的装置称为调速装置。当风速超过停机风速时，调速装置会使风力发电机停机。调速装置只在额定风速上时调速。
目前，世界各国所采用的调速装置主要有以下几种：
⑴ 　可变桨距调速装置。变桨距调速装置是现代风力掣电机主要调速方式之一。微机发出指令让叶片增大安装角以减少由于风速增大使叶片转速加快的趋势，电磁阀打开，变桨距液压油缸动作，拉动叶片向叶片安装角增大的方向转动一定角度使叶片接受风能减少，维持风轮运转在额定转速范围内。变桨距调速装置也有很多种形式，上述为液压变桨距调速装置，变桨距调速装置还有一种由调速电机来驱动。这种由调速电机驱动的变桨距调速是当代风力发电机主要的调速方式之一。
⑵ 　定桨距叶尖失速控制调速装置。定桨距叶尖失速控制装置是当代风力发电机常采用的主要调速方式之一。定桨距就是叶片与轮毂的安装角是固定不变的，也就是叶片固定的安装在轮毂上不能转动。在叶尖上有一段叶片是可以转动的，在额定风速下叶尖上可动的一段叶片与叶片主体保持一致，当风速超过额定风速时，可转叶尖在液压或机械动力的驱动下，转过一定角度，使可动叶尖失速对风形成阻力，风愈大对风的阻力也愈大，从而保持叶片运转在额定风速下，当风速减小时上面的过程正好相反。当风速达到停机风速时，可动叶尖对风轮运转完全形成阻力，致使风轮停止转动，也称空气动力制动或刹车。
8.　调向装置
调向装置就是使风轮正常运行时一直使风轮对准风向的装置。风力发电机的调向有很多种形式，总的来说有五种形式：尾舱调向、侧风轮调向下风向调向及调向电机调向和液压驱动调向。
2.3 风力发电场
现代大型风力发电机，单台容量一般为600-1000千瓦，目前，国际上研制的超大型风力发电机单机容量也只为6MW。对于一个大型风电场来说，其容量还是很小的。因此，我们一般将十几台或几十台风力发电机组成一个风电场。这样既形成一个强大的供电体系，也便于管理，实现远程监控。同时，也降低了安装、运行和维护的成本。
控制系统是现代风力发电机的神经中枢。现代风机是无人值守的。就600千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动起动，在14米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。现代风机的存活风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会被吹坏。

第三章 定桨距风力发电机组的特点和运行状态

3.1 定桨距风力发电机组的主要特点
3.1.1 定桨距风力发电机组的概述
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，当风速变化时桨叶的迎风角度不能随之改变。这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须解决的问题。一是当风速高于风轮的设计点风速即额定风速时，桨叶必须能够自动的将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。桨叶的这一特性被称为自动失速性能。二是运行中的风力发电机组在突然失去电网的情况下，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。早期的定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力，脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动。这对于数十千瓦级的机组来说问题不大，但对于大型风力发电机组，如果只使用机械刹车，就会对整机结构强度产生严重的影响。为了解决上述问题，桨叶制造商首先在20世纪70年代用玻璃钢复合材料成功研制了失速性能良好的风力机桨叶，解决了定桨距风力发电机组在大风时的功率控制问题；20世纪80年代又将叶尖扰流器成功地应用到风力发电机组上，解决了在突甩负荷情况下的安全停机问题，使定桨距风力发电机组在近20年的风能开发利用中始终占据主导地位，直到最新推出的兆瓦级风力发电机组仍有机型采用该项技术。
3.1.2 桨叶的失速调节原理
当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因凸面的弯曲而使气流加速，压力较低；凹面较平缓面使气流速度缓慢，压力较高，因而产生升力。桨叶的失速性能是指它在最大升力系数附近的性能。当桨叶的安装角不变，随着风速增加攻角i增大，升力系数线性增大；在接近时，增加变缓；达到后开始减小。另一方面，阻力系数初期不断增大；在升力开始减小时，继续增大，这是由于气流在叶片上的分离随攻角的增大而增大，分离区形成大的涡流，流动失去翼型效应，与未分离时相比，上下翼面压力差减小，致使阻力激增，升力减少，造成叶片失速，从而限制了功率的增加。如图3-1所示。
失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减少，因而根部叶面先进入失速，随着风速增大，失速部分向叶尖处扩展，原先已失速的部分，失速程度加深，未失速的部分逐渐进入失速区。失速部分使功率减少，未失速部分仍有功率增加。从而使输入功率保持在额定功率附近。

图3-1　桨叶的升力系数和阻力系数
3.1.3 叶尖扰流器
由于风力机风轮巨大的转动惯量，如果风轮自身不具备有效的制动能力，在高风速下要求脱网停机是不可想象的。早年的风力发电机组正是不能解决这一问题，使灾难性的飞车事故不断发生。目前所有的定桨距风力发电机组均采用了叶尖扰流器的设计。当风力机正常运行时，在液压系统的作用下，叶尖扰流器与桨叶主体部分精密地合为一体，组成完整的桨叶。当风力机需要脱网停机时，液压系统按控制指令将扰流器释放并使之旋转～形成阻尼板，由于叶尖部分处于距离轴最远点，整个叶片作为一个长的杠杆，使扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力机在几乎没有任磨损的情况下迅速减速，这一过程即为桨叶气动力刹车。叶尖扰流器是风力发电机组的主要制动器，每次制动时都是它起主要作用。
在风轮旋转时，作用在扰流器上的离心力和弹簧力会使叶尖扰流器力图脱离桨叶主体转动到制动位置；而液压力的释放，不论是由于控制系统是正常指令，还是液压系统的故障引起，都将导致扰流器展开而使风轮停止运行。因此，空气动力刹车是一种失效保护装置，它使整个风力发电机组的制动系统具有很高的可靠性。
3.1.4 功率输出
根据风能转换的原理，风力发电机组的功率输出主要取决于风速，但除此以外，气压、气温和气流扰动等因素也显著地影响其功率输出。因为定桨距叶片的功率曲线是在空气的标准状态下测出的，这时空气密度=1.225kg/。当气压与气温变化时，会跟着变化，一般当温度变化±C，相应的空气密度变化±4%。而桨叶的失速性能只与风速有关，只要达到了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，影响功率输出。因此，当气温升高，空气密度就会降低，相应的功率输出就会减少，反之，功率输出就会增大。对于一台750KW容量的定桨距风力发电机组，最大的功率输出可能会出现30～50KW的偏差。因此在冬季与夏季，应对桨叶的安装角各作一次调整。
为了解决这一问题，近年来定桨距风力发电机组研制商又研制了主动失速型定桨距风力发电机组。采取主动失速的风力机开机时，将桨叶节距推进可获得最大功率位置，当风力发电机组超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值上。由于功率曲线在失速范围的变化率比失速前要低得多，控制相对容易，输出功率也更加平稳。
3.2 定桨距风力发电机组的基本运行过程
3.2.1 待机状态
当风速>3m/s，但不足以将风力发电机组拖到切入的转速，或者风力发电机组从小功率状态切出，没有重新并入电网，这时的风力机处于自由转动状态，称为待机状态。待机状态除了发电机没有并入电网，机组实际上已处于工作状态。这时控制系统已做好切入电网的一切准备：机械刹车已松开；叶尖阻尼板已收回；风轮处于迎风状态；液压系统的压力保持在设定值上；风况、电网和机组的所有状态参数均在控制系统检测之中，一旦风速增大，转速升高，发电机即可并入电网。
3.2.2 定桨距风力发电机组的自起动
风力发电机组的自起动是指风轮在自然风速的作用下，不依靠其他外力的协助，将发电机拖到额定转速。早期的定桨距风力发电机组不具有自起动能力，风轮的起动是在发电机的协助下完成的，这时发电机作为电动机运行，通常称为电动机起动。直到现在，绝大多数定桨距风力机仍具备电动机的功能。由于桨叶气动性能的不断改进，目前绝大多数风力发电机组的风轮具有良好的自起动性能。一般在风速>4m/s的条件下，即可自起动到发电机的额定转速。
3.2.3 定桨距风力发电机组自起动的条件
正常起动前10min，风力发电机组控制系统对电网、风况和机组的状态进行检测。这些状态必需满足以下条件：
1.　电网
⑴　连续10min内电网没有出现过电压、低电压；
⑵　电网电压0.1s内跌落值均小于设定值；
⑶　电网频率在设定范围之内；
⑷　没有出现三相不平衡等现象。
2.　风况
连续10min风速在风力发电机组运行风速的范围内（3.0m/s<<25m/s）
3.　机组
机组本身至少应具备以下条件：
⑴　发电机温度、增速器油温度应在设定值范围以内；
⑵　液压系统所有部位的压力都在设定值；
⑶　液压油位和齿轮润滑油位正常；
⑷　制动器摩擦片正常；
⑸　扭揽开关复位；
⑹　控制系统DC24V、AC24V、DC5V、DC±15V电源正常；
⑺　非正常停机后显示的所有故障均已排除；
⑻　维护开关在运行位置。
上述条件满足时，按控制程序机组开始执行“风轮对风”与“制动解除”指令。
3.2.4 风轮对风
当风速传感器测得10min平均风速>3m/s时，控制器允许风轮对风。
偏航角度通过风向标测定。当风力机向左或向右偏离风向确定时，需延迟10s后才执行向左或向右偏航。以避免在风向扰动情况下的频繁起动。
释放偏航刹车1s后，偏航电动机根据指令执行左右偏航；偏航停止时，偏航刹车投入。
3.2.5 制动解除
当自起动的条件满足时，控制叶尖扰流器的电磁阀打开，压力油进入桨叶液压缸，扰流器被收回与桨叶主体合为一体。控制器收到叶尖扰流器已收回的反馈信号后，压力油的另一路进入机械盘式制动器液压缸，松开盘式制动器。
3.3 定桨距风力发电机组的基本控制要求
3.3.1 控制系统的基本功能
并网运行的风力发电机组的控制系统必须具备以下功能：
1.　根据风速信号自动进入起动状态或从电网切出；
2.　根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制；
3.　根据风向信号自动对风；
4.　根据功率因素自动投入相应的补偿电容；
5.　当发电机脱网时，能确保机组安全停机；
6.　在机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行监测和记录，对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，并能够根据记录的数据，生成各种图表，以反应风力发电机组的各项性能指标；
7.　对在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信的功能。
3.3.2 运行过程中的主要参数监测
一、电力参数监测
风力发电机组需要持续监测的电力参数包括电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率、发电机功率因数等。这些参数无论风力发电机组是处于并网状态还是脱网状态都被监测，用于判断风力发电机组的起动条件、工作状态及故障情况，还用于统计风力发电机组的有功功率、无功功率和总发电量。此外，还根据电力参数，主要是发电机有功功率和功率因数来确定补偿电容的投入与切出。
1.　电压测量
电压测量主要检测以下故障：
⑴　电网冲击 相电压超过 450V 0.2s
⑵　过电压 相电压超过 433V 50s
⑶　低电压 相电压低于 329V 50s
⑷　电网电压跌落 相电压低于 260V 0.1s
⑸　相序故障。
对电压故障要求反应较快。在主电路中设有过电压保护，其动作设定值可参考冲击电压整定保护值。发生电压故障时风力发电机组必须退出电网，一般采取正常停机，而后根据情况进行处理。
电压测量值经平均值算法处理后可用于风力发电机组的功率和发电量的计算。
2.　电流测量
关于电流的故障有：
⑴　电流跌落，0.1s内一相电流跌落80%；
⑵　三相不对称，三相中有一相电流与其他两相相差过大，相电流相差25%，或在平均电流低于50A时，相电流相差50%；
⑶　晶闸管故障，软起动期间，某相电流大于额定电流或触发脉冲发出后电流连续0.1s为0。
对电流故障同样要求反映迅速。通常控制系统带有两个电流保护，即电流短路保护和过电流保护。电流短路保护采用断路器，动作电流按照发电机内部相间短路电流整定，动作时间0～0.05s。过电流保护由软件控制，动作电流按照额定电流的2倍整定，动作时间1～3s。
电流测量值经平均值算法处理后与电压、功率因数合成为有功功率、无功功率及其他电力参数。
电流是风力发电机组并网时需要持续监视的参量，如果切入电流不小于允许极限，则晶闸管导通角不再增大，当电流开始下降后，导通角逐渐打开直至完全开启。并网期间，通过电流测量可检测发电机或晶闸管的短路及三相电流不平衡信号。如果