风力发电系统的控制原理,风力发电系统
综述了风力发电机组的电气控制。在介绍风力涡轮机特性的基础上介绍了双馈异步发电系统和永磁同步全馈发电系统，具体介绍了双馈异步发电系统的运行过程，最后简单介绍了风力发电系统的一些辅助控制系统。
经过20年的发展风力发电系统已经从基础单一的定桨距失速控制发展到全桨叶变距和变速恒频控制，目前主要的两种控制方法是：双馈异步变桨变速恒频控制方法和低速永磁同步变桨变速恒频控制方法。
在讲述风力发电控制系统之前，我们需要理解风力涡轮机输出功率（W）（W）与风速和转动速度的关系。
风力涡轮机特性：
1，风能运用系数Cp
风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能运用系数Cp表示：
P---风力涡轮实际获取的轴功率（W）（W）
r ---空气密度
S---风轮的扫风面积
V---上游风速
按照贝兹（Betz）课程课程理论可以推得风力涡轮机的课程课程理论大效率为：Cpmax=0.593。
2，叶尖速比l
为了表示风轮在不一样风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。
n---风轮的转动速度
w---风轮叫角频率
R---风轮半径
V---上游风速
在桨叶倾角b固定为小值条件下，输出功率（W）（W）P/Pn与涡轮机转动速度N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的弯弯曲线，全部有一个大输出功率（W）（W）点，风速越高，大值点对应得转动速度越高。如故能随风速改变改变转动速度，使得在全部风速下全部作业于大作业点，则发出电能多，否则发电效能将降低。
涡轮机转动速度、输出功率（W）（W）还与桨叶倾角b有关，关系弯弯曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率（W）（W）系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)弯弯曲线，倾角越大，弯弯曲线越靠左下方。每条弯弯曲线全部有一个上升段和下降段，其中下降段是平稳作业段（若风速和倾角不变，受扰动后转动速度多加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率（W）（W）和转矩减小，转子减慢速度，返回平稳点。）它是作业区段。在作业区段中，倾角越大，l和Cp越小。
3，变速发电的控制
变速发电不是按照风速信号控制功率（W）（W）和转动速度，而是按照转动速度信号控制，因为风速信号扰动大，而转动速度信号较平稳和准确（机组惯量大）。
三段控制要求：
低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率（W）（W）大功率（W）（W）要求实行变速控制。联接不一样风速下涡轮机功率（W）（W）－转动速度弯弯曲线的大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，经过控制电动机的输出力矩，使风力发电实际输出功率（W）（W）Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速改变时的调动速度过程示意图。设开始作业与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转动速度还没来得及改变，作业点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率（W）（W）大于电动机发出的电功率（W）（W），机组加快速度，沿对应于Ｖ２的弯弯曲线向Ａ３位移，后平稳于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转动速度下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹动作。
中风速段为过渡区段，电动机转动速度已达规格限定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率（W）（W）尚未达到规格限定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入作业，风速多加时，控制器限制转动速度升，而功率（W）（W）则--风速多加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。
高风速段为功率（W）（W）和转动速度均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速多加时，转动速度靠倾角控制器限制，功率（W）（W）靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。
４，双馈异步风力发电控制系统
双馈异步风力发电系统的示意见图４，绕线异步电动机的定子直接连接电网，转子经四象限ＩＧＢＴ电压（V）（V）型交－直－交变频器接电网。
转子电压（V）（V）和频率比例于电动机转差率，--转动速度改变而改变，变频器把转差频率的转差功率（W）（W）变为恒压、恒频（５０ＨＺ）的转差功率（W）（W），送至电网。由图４可知：
Ｐ＝ＰＳ－ＰＲ；ＰＲ＝ＳＰＳ；Ｐ＝（１－Ｓ）ＰＳ
Ｐ是送至电网总功率（W）（W）；ＰＳ和ＰＲ分别是定子和转子功率（W）（W）
转动速度高于同步速时，转差率Ｓ＜０，转差功率（W）（W）流出转子，经变频器送至电网，电网收到的功率（W）（W）为定、转子功率（W）（W）之和，大于定子功率（W）（W）；转动速度低于同步转动速度食，Ｓ＞０，转差功率（W）（W）从电网，经变频器流入转子，电网收到的功率（W）（W）为定、转子输出功率（W）（W）之差，小于定子功率（W）（W）。
５，双馈异步控制系统的运行过程
系统的运行分为两个阶段：
同步阶段：在此过程中风机已经开始转动，当其转动速度大于启动转动速度后，充电线路先闭合，使变频器直线DC电容电压（V）（V）升高，当电压（V）（V）大于８０％规格限定值后，转子线路主接触器闭合，并而而且同时断开充电线路接触器。母线电压（V）（V）不断升高至规格限定值，这时变频器逆变器开始作业，电动机转子中有电流（A）（A），所以在定子中有电压（V）（V）产生，变频器检验测量试验电网电压（V）（V）和电动机定子电压（V）（V），经过调动住转子的电压（V）（V）电流（A）（A），使这两个电压（V）（V）同步，并而而且闭合定子主接触器，系统便完成了同步切入。
运行阶段：同步切入结束后便进入正常运行阶段，这个时候经过上述的三阶段控制方法使风力发电动机输出大的规格限定功率（W）（W）。在实际运行中，变频器接收主控制传输过来的两个主要控制信号：功率（W）（W）因数和电动机力矩。功率（W）（W）因数信号使变频器写入端的写入功率（W）（W）因数始终为１，电动机力矩使风力发电系统始终--风速改变而输出大的规格限定功率（W）（W）。主要的控制方法可以经过矢量控制和直接力矩控制全部可以完成上述功能，在这里就不多讲了。
双馈系统在变频器中仅流过转差功率（W）（W），其容量（KV）（KV）小，通常按发电总功率（W）（W）的２５％左右选取，投资和损耗小，发电效率高，谐波吸收便利。由于要求双向功率（W）（W）流过变频器，它必须是四象限双ＰＷＭ变频器，由两套ＩＧＢＴ变换器含有概括，价格是同容量（KV）（KV）单象限变频器的一倍。而而而且只能让用双馈电动机，效率较低，而而而且有滑环和碳刷，维护作业量较大。
６，永磁同步全馈风力发电控制系统
永磁同步全馈风力发电控制系统应用应用永磁同步电动机作为发电动机，同步电动机输出的频率和电压（V）（V）随转动速度改变的交流ACAC电，经一台双象限ＩＧＢＴ电压（V）（V）型交－直－交变频器接至恒压、恒频电网。
目前，永磁同步全馈风力发电系统的大功率（W）（W）可至５ＭＷ，而而而且应用低速永磁同步电动机，并而而且取消了中间的齿轮变速箱，变频器应用双ＰＷＭ型的中压变频器，主要应用在离岸的风力发电场中。
永磁同步全馈风力发电控制系统的运行和双馈系统基础类似，也经过同步切入过程，和正常运行阶段，控制方法也应用上述的三段式控制。
永磁同步全馈风力发电控制系统发电动机发出的全部电功率（W）（W）全部经过变频器，变频器容量（KV）（KV）需按１００％功率（W）（W）选取，比双馈系统容量（KV）（KV）大，投资和损耗大，使用永磁同步发电动机，电动机轻，取消变速齿轮构造减轻了整机重量（kg）（kg），变换器多加的投资可以从机械构造的节约中得到补偿。
７，风力发电系统中的辅助控制系统
这些辅助控制系统由风力发电系统的主控制器控制，主要含有概括：
桨叶倾角控制系统：桨叶倾角控制经过液压执行机构来完成，在转动速度随风速多加升至规格限定转动速度后，经过加大倾角来维持转动速度不变，目前工程上使用线性ＰＩＤ控制器来实行控制。
偏航控制系统：偏航系统有两个主要目的：一是使风轮跟踪改变平稳的风向，二是当风力发电动机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。偏航系统一般经过控制电动机完成。
风机限限制动作作系统：风叶的限限制动作作系统应用液压的盘式刹车系统，一般安排在高速轴上。设定有三种刹车方法：正常停机方法；安全停车方法；紧急停车方法。
其他安全保护系统：其他安全保护系统主要有：超速保护、电网失电保护、电气保护（过压，过流）、雷击保护、机舱机械保护、桨叶保护、紧急安全链保护等等。
在讲述风力发电控制系统之前，我们需要理解风力涡轮机输出功率（W）（W）与风速和转动速度的关系。
风力涡轮机特性：
1，风能运用系数Cp
风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能运用系数Cp表示：
P---风力涡轮实际获取的轴功率（W）（W）
r ---空气密度
S---风轮的扫风面积
V---上游风速
按照贝兹（Betz）课程课程理论可以推得风力涡轮机的课程课程理论大效率为：Cpmax=0.593。
2，叶尖速比l
为了表示风轮在不一样风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。
n---风轮的转动速度
w---风轮叫角频率
R---风轮半径
V---上游风速
在桨叶倾角b固定为小值条件下，输出功率（W）（W）P/Pn与涡轮机转动速度N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的弯弯曲线，全部有一个大输出功率（W）（W）点，风速越高，大值点对应得转动速度越高。如故能随风速改变改变转动速度，使得在全部风速下全部作业于大作业点，则发出电能多，否则发电效能将降低。
涡轮机转动速度、输出功率（W）（W）还与桨叶倾角b有关，关系弯弯曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率（W）（W）系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)弯弯曲线，倾角越大，弯弯曲线越靠左下方。每条弯弯曲线全部有一个上升段和下降段，其中下降段是平稳作业段（若风速和倾角不变，受扰动后转动速度多加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率（W）（W）和转矩减小，转子减慢速度，返回平稳点。）它是作业区段。在作业区段中，倾角越大，l和Cp越小。
3，变速发电的控制
变速发电不是按照风速信号控制功率（W）（W）和转动速度，而是按照转动速度信号控制，因为风速信号扰动大，而转动速度信号较平稳和准确（机组惯量大）。
三段控制要求：
低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率（W）（W）大功率（W）（W）要求实行变速控制。联接不一样风速下涡轮机功率（W）（W）－转动速度弯弯曲线的大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，经过控制电动机的输出力矩，使风力发电实际输出功率（W）（W）Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速改变时的调动速度过程示意图。设开始作业与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转动速度还没来得及改变，作业点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率（W）（W）大于电动机发出的电功率（W）（W），机组加快速度，沿对应于Ｖ２的弯弯曲线向Ａ３位移，后平稳于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转动速度下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹动作。
中风速段为过渡区段，电动机转动速度已达规格限定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率（W）（W）尚未达到规格限定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入作业，风速多加时，控制器限制转动速度升，而功率（W）（W）则--风速多加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。
高风速段为功率（W）（W）和转动速度均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速多加时，转动速度靠倾角控制器限制，功率（W）（W）靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。
４，双馈异步风力发电控制系统
双馈异步风力发电系统的示意见图４，绕线异步电动机的定子直接连接电网，转子经四象限ＩＧＢＴ电压（V）（V）型交－直－交变频器接电网。
转子电压（V）（V）和频率比例于电动机转差率，--转动速度改变而改变，变频器把转差频率的转差功率（W）（W）变为恒压、恒频（５０ＨＺ）的转差功率（W）（W），送至电网。由图４可知：
Ｐ＝ＰＳ－ＰＲ；ＰＲ＝ＳＰＳ；Ｐ＝（１－Ｓ）ＰＳ
Ｐ是送至电网总功率（W）（W）；ＰＳ和ＰＲ分别是定子和转子功率（W）（W）
转动速度高于同步速时，转差率Ｓ＜０，转差功率（W）（W）流出转子，经变频器送至电网，电网收到的功率（W）（W）为定、转子功率（W）（W）之和，大于定子功率（W）（W）；转动速度低于同步转动速度食，Ｓ＞０，转差功率（W）（W）从电网，经变频器流入转子，电网收到的功率（W）（W）为定、转子输出功率（W）（W）之差，小于定子功率（W）（W）。
５，双馈异步控制系统的运行过程
系统的运行分为两个阶段：
同步阶段：在此过程中风机已经开始转动，当其转动速度大于启动转动速度后，充电线路先闭合，使变频器直线DC电容电压（V）（V）升高，当电压（V）（V）大于８０％规格限定值后，转子线路主接触器闭合，并而而且同时断开充电线路接触器。母线电压（V）（V）不断升高至规格限定值，这时变频器逆变器开始作业，电动机转子中有电流（A）（A），所以在定子中有电压（V）（V）产生，变频器检验测量试验电网电压（V）（V）和电动机定子电压（V）（V），经过调动住转子的电压（V）（V）电流（A）（A），使这两个电压（V）（V）同步，并而而且闭合定子主接触器，系统便完成了同步切入。
运行阶段：同步切入结束后便进入正常运行阶段，这个时候经过上述的三阶段控制方法使风力发电动机输出大的规格限定功率（W）（W）。在实际运行中，变频器接收主控制传输过来的两个主要控制信号：功率（W）（W）因数和电动机力矩。功率（W）（W）因数信号使变频器写入端的写入功率（W）（W）因数始终为１，电动机力矩使风力发电系统始终--风速改变而输出大的规格限定功率（W）（W）。主要的控制方法可以经过矢量控制和直接力矩控制全部可以完成上述功能，在这里就不多讲了。
双馈系统在变频器中仅流过转差功率（W）（W），其容量（KV）（KV）小，通常按发电总功率（W）（W）的２５％左右选取，投资和损耗小，发电效率高，谐波吸收便利。由于要求双向功率（W）（W）流过变频器，它必须是四象限双ＰＷＭ变频器，由两套ＩＧＢＴ变换器含有概括，价格是同容量（KV）（KV）单象限变频器的一倍。而而而且只能让用双馈电动机，效率较低，而而而且有滑环和碳刷，维护作业量较大。
６，永磁同步全馈风力发电控制系统
永磁同步全馈风力发电控制系统应用应用永磁同步电动机作为发电动机，同步电动机输出的频率和电压（V）（V）随转动速度改变的交流ACAC电，经一台双象限ＩＧＢＴ电压（V）（V）型交－直－交变频器接至恒压、恒频电网。
目前，永磁同步全馈风力发电系统的大功率（W）（W）可至５ＭＷ，而而而且应用低速永磁同步电动机，并而而且取消了中间的齿轮变速箱，变频器应用双ＰＷＭ型的中压变频器，主要应用在离岸的风力发电场中。
永磁同步全馈风力发电控制系统的运行和双馈系统基础类似，也经过同步切入过程，和正常运行阶段，控制方法也应用上述的三段式控制。
永磁同步全馈风力发电控制系统发电动机发出的全部电功率（W）（W）全部经过变频器，变频器容量（KV）（KV）需按１００％功率（W）（W）选取，比双馈系统容量（KV）（KV）大，投资和损耗大，使用永磁同步发电动机，电动机轻，取消变速齿轮构造减轻了整机重量（kg）（kg），变换器多加的投资可以从机械构造的节约中得到补偿。
７，风力发电系统中的辅助控制系统
这些辅助控制系统由风力发电系统的主控制器控制，主要含有概括：
桨叶倾角控制系统：桨叶倾角控制经过液压执行机构来完成，在转动速度随风速多加升至规格限定转动速度后，经过加大倾角来维持转动速度不变，目前工程上使用线性ＰＩＤ控制器来实行控制。
偏航控制系统：偏航系统有两个主要目的：一是使风轮跟踪改变平稳的风向，二是当风力发电动机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。偏航系统一般经过控制电动机完成。
风机限限制动作作系统：风叶的限限制动作作系统应用液压的盘式刹车系统，一般安排在高速轴上。设定有三种刹车方法：正常停机方法；安全停车方法；紧急停车方法。
其他安全保护系统：其他安全保护系统主要有：超速保护、电网失电保护、电气保护（过压，过流）、雷击保护、机舱机械保护、桨叶保护、紧急安全链保护等等。
