第2章 恒速风力发电机组的运行和控制

风力发电系统运行及控制方法摘要：加强使用各类新能源的发展，风力发电系统作为一种新能源逐渐被应用到人们的生活和工作，利用风力发电系统不仅可以减少煤炭资源的消耗，保护环境，减少环境污染，电力供应质量可以继续为我国提供安全高效的保障。

本文主要研究风力发电系统的运行与控制。

关键词：风力发电系统；运行控制；方法前言：今天，随着技术无污染、高效发展的发展，各国都在积极探索和研究风能和其他新能源的开发，特别是在当前能源短缺的形势下。

风力发电系统的研究越来越重要。

根据各种运行方式和控制技术，风力发电系统可分为定速恒频系统和变速恒频系统，以充分利用风能。

1风力发电系统结构风力发电系统的系统结构，主要由风轮、齿轮箱、发电机和转换器设备和其他设备，风轮主要是用来捕获风能，然后进一步将捕获的风能转化为机械能，机械能可以用到人们生活中的发电中，可以利用风的能量由发电机最终完成发电，然后转移到电网实现发电的目的。

以小型风力发电系统中风力发电机为例简单介绍，小型风力发电系统主要由小型风力发电机、发电机、三相无控整流器、升压变换器、逆变器、滤波器、直流电压负载和负载局部用户部分组成。

和谐运行，促进风电系统正确运行与控制。

在风力发电系统的运行控制过程中，为了实现风力发电机组的最大功率跟踪，对变换器进行了一系列相关的控制研究。

2风力发电系统液压系统综述压力冲击应保持在最小值，压力冲击大能造成危险。

即使在电源故障恢复的情况下，也必须保证安全的工作条件。

下列外部因素不影响液压系统的运行：（1）污染介质；（2）沙尘；（3）杂质；（4）外加磁场、电磁场和电场；（5）阳光；（6）振动。

如果液压系统是保护系统的一部分，电网故障和外部极限温度不应危及系统的正常运行。

同步发电机以恒定的速度运行，它不受连接电网频率作用，也不受转矩的影响。

电网频率所规定的速度也是通常的同步速度。

异步发电机也是一种发电机，它允许一定的偏离，即偏离电网频率所规定的速度。

变速恒频风力发电系统运行与控制研究一、本文概述随着全球对可再生能源需求的不断增长，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，在全球范围内得到了广泛的关注和应用。

变速恒频风力发电系统作为风力发电的一种重要形式，其运行与控制策略的研究对于提高风力发电的效率和稳定性具有重要意义。

本文旨在深入研究变速恒频风力发电系统的运行与控制技术，探讨其在实际应用中的性能表现和优化策略。

文章首先介绍了变速恒频风力发电系统的基本原理和组成结构，包括风力发电机组、变速恒频控制器、并网逆变器等关键部分。

然后，文章重点分析了变速恒频风力发电系统的运行特性，包括风速变化对系统运行的影响、最大功率跟踪策略的实现等。

在控制策略方面，文章详细探讨了变速恒频风力发电系统的控制技术，包括变速恒频控制、最大功率跟踪控制、并网控制等。

文章还分析了现有控制策略的优缺点，并在此基础上提出了一种优化的控制策略，以提高系统的运行效率和稳定性。

文章通过仿真实验和现场测试验证了所提控制策略的有效性和可行性，为变速恒频风力发电系统的实际应用提供了理论支持和技术指导。

本文的研究对于推动风力发电技术的发展，提高风力发电系统的运行效率和稳定性具有重要意义。

二、变速恒频风力发电系统基本原理变速恒频风力发电系统（Variable Speed Constant Frequency Wind Power Generation System, VSCF-WPGS）是一种新型的风力发电技术，其核心在于通过变速运行的风力发电机组，实现电网频率的恒定输出。

这一系统相较于传统的恒速恒频风力发电系统，具有更高的风能利用率和更好的电网适应性。

VSCF-WPGS的基本原理主要基于风力机、发电机以及控制系统的相互作用。

风力机通过风轮捕获风能，并将其转换为机械能。

由于风速的自然变化，风轮的转速也会相应变化，这就是所谓的“变速”特性。

接着，这种变化的机械能传递给发电机，通过电磁转换过程，将机械能进一步转换为电能。

浅谈变速恒频风力发电系统的运行和控制风力发电作为清洁能源发电，具有很大的发展潜力，能够在未来的电力行业中占据一席之地。

但是风力发电并入电网存在一定的技术难点，需要通过变速恒频实现风电系统和电网的高效互联，进一步提升风电系统的发展空间和能力。

一、风力发电系统变速恒频运行的技术基础探析风力发电系统在变速恒频运行模式下，随着外界风速的变化，风力机的转速也会随之对应出现变化，需要通过一定的控制手段，实现电能传输恒定，就是变速恒频的实质所在。

风力机功率的影响因素主要包括了三个，即叶尖转速比、桨叶节距角和风速。

根据相关资料可知，风力机功率的计算式为：；；；上述三个计算式中：为空气密度；R为风力机的风轮半径；为风轮的角速度；为风能利用系数。

可以看出，桨叶节距角以及叶尖转速比都可对风能利用系数产生较大的影响。

在桨叶节距角处于一个固定值时，就只有叶尖转速比对风能利用系数产生影响了。

对于风力机来说，其具有一个风能利用系数上限，也就是最大利用值，该值下对应的叶尖转速比是最佳值。

在变速恒频技术中，风力机在不同风速下具有不同的运转速度，可以有效切换运转速度追求风能最大转换。

风电系统变速恒频的运行方式非常适用，具有下面几个优点。

第一，变速恒频运行可以有效减少风力机受到阵风冲击的机械应力影响，可以在风速升高时把阵风余量转化为风力机的转动惯量；当外界风速出现下降的时候，又可以把转动惯量重新释放，通过一定的控制手段使其转为电能。

第二，电网和风电机组可以在变速恒频运行模式下进行柔性连接，有效削弱电网和风电系统之间存在的差异，切实降低并网后冲击电流引发的问题，保障电网运行安全。

除此之外，变速恒频的实现比较容易，是进行风电并网的不二选择。

第三，风力机在低风速条件下会产生噪音，但是变速恒频技术可以有效缓解这一问题。

在低风速情况下，风力机可以把存储的动能释放保证风力机的稳定运行，这就避免了风速较低情况下恒速运行产生的噪音。

总之，变速恒频运行已经得到国内外风电行业的一致认可，并且开始使用变速恒频取代恒速恒频，在提高发电效率和捕获风能等方面进行着深入研究。

风力发电系统运行及控制方法作者：胡飞来源：《中国科技纵横》2016年第24期【摘要】随着各类新型能源的开发与使用，风力发电系统作为一种新能源也逐渐应用于人们的生活与工作中，风力发电系统的使用不仅可以减少煤炭等资源的应用，保护环境，减少污染环境的气体，也可以不断地为我国提供安全、高效率的供电质量。

本文就主要针对风力发电系统的运行及控制进行相关探究。

【关键词】风力发电系统运行控制方法在提倡无污染、高效率发展的今天，各个国家也都在相继追求与研究风能以及其他各类新能源的发展，尤其是在现在这个能源及其短缺的情况下，风力发电系统的研究更显得极为重要。

依据各种各样的运行方式和控制技术，风力发电系统可以分为恒速恒频系统和变速恒频系统，都可以有效地利用风能。

1 风力发电系统的系统结构风力发电系统的系统结构主要是由风轮、齿轮箱、发电机和变流设备等设备组成，其中风轮主要是用于捕捉风能，然后再进一步将捕捉到的风能转化为机械能，而机械能转化为人们可以进一步使用的风能主要是由发电机来完成的，最终再由变流设备将发电机发出的频率转化为一样频率的交流电，再移送至电网就可以达到发电的目的。

在风力发电机中以小型风力发电系统为例进行简单介绍，小型风力发电系统主要是由小型风力机、交流发电机、三相不控整流桥、Boost变换器、单相并网逆变器、滤波器、直流调压负载以及本地用户负载等各个部分组成，这几大部分相互调节，和谐运作，共同促进了风力发电系统的正确运行与控制。

在对风力发电系统的运行控制过程中，为了实现风力发电机的最大功率跟踪，研究人员对Boost变换器进行了一系列的相关控制研究。

2 风力发电系统的运行风力发电系统主要包括两种运行状态，即为最大风能追踪状态与额定功率运行状态。

2.1 最大风能追踪状态风力发电系统的最大风能追踪状态，就是指当风速比额定风速低时，但是为了达到该风力发电机的最大输出功率，要不断地让风轮的转速随着风波的变化而不断变化，从而可以最大程度的利用风能，提高最大风能利用系数。

风力发电机组的传动与控制博世力士乐北京华电天仁电力控制有限公司：风力发电机组中应用的驱动系统，必须满足许多特殊要求。

除因气候原因产生的应力外，还必须保证风力发电机组能够满足各种风力载荷、更高的输出功率，结构紧凑的安装空间，以及装置重量轻便等技术要求。

电动变桨电动变桨：实时跟踪风向，可随时驱动叶片，以保证叶片总是处于最佳的受风位置。

除了可靠要求以外，位置的精确性极为重要。

以液压或电机为动力的变桨驱动装置，可满足这些技术要求。

电动变桨的技术特性：输出扭矩3－28KNm；传动比在60－200之间；可选的锥齿轮系；坚固耐用的抗磨轴承；可配备电机附件；更换润滑油方便；运行噪音低，采用两级至三级的行星齿轮箱。

由于电机驱动的变桨驱动装置随着传动轴心不停地旋转，因此必须配有专用的密封系统。

风电变桨控制系统是发电机组控制和保护的重要装置，是风机停机的主刹车系统，在风机启动过程中，变桨系统控制桨叶的角度以实现风机依靠风力自行启动，在风机正常运行过程中，变桨系统中桨叶角度以实现达到额定风速后风机维持满负荷稳定运行，不过载，在风机正常或紧急停机时，变桨系统控制桨叶转到预定安全位置，实现空气动力刹车，确保风机运行安全。

变桨系统由一个中央控制器或三个本地控制器构成。

编码器端子模块适用于各种桨叶角度传感器。

实时跟踪风向的偏航系统：如果风向发生一定的变化，则传感器把检测到的信号传输到控制系统，控制偏航驱动装置将机舱定位到合适的位置，装置由4级行星轮系构成，配备有电机和输出小齿轮。

4级行星轮可提供大的传动比以实现高精度的传动。

输出扭矩8－150KNm，传动比范围700－2000，润滑油同更换方便。

通常在风改变其方向时，风机一次只能偏转几度。

刚柔并济的传动链制动器及偏航制动器，电－液制动器可将风力发电机停在预定的位置，并且自动与转子制动销配合。

出于安全目的的机械锁紧装置。

偏航系统共有两个功能：使风轮跟踪风向的变化；当风机由于偏航使机舱内的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。

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。

b定桨恒速风力发电机组的控制解析pptxx年xx月xx日CATALOGUE 目录•风力发电机组简介•b定桨恒速风力发电机组•b定桨恒速风力发电机组的控制原理•b定桨恒速风力发电机组的控制系统设计•b定桨恒速风力发电机组的控制实例•结论与展望01风力发电机组简介1风力发电机组工作原理23风能驱动风轮旋转，将风能转化为机械能。

风能驱动风轮通过增速齿轮箱与发电机相连，将低速旋转转化为高速旋转，提高发电效率。

增速齿轮箱发电机利用电磁感应原理将机械能转化为电能。

发电机发电风力发电机组的结构捕捉风能并驱动发电机旋转的重要部件。

风轮塔筒增速齿轮箱发电机支撑风轮并为其提供稳定的旋转平面。

连接风轮和发电机的重要部件，将风轮的低速旋转转化为发电机所需的高速旋转。

将机械能转化为电能的重要部件。

风力发电机组的分类风轮与地面平行，通过主轴与增速齿轮箱和发电机连接。

水平轴风力发电机组风轮与地面垂直，通过主轴与增速齿轮箱和发电机连接。

垂直轴风力发电机组风轮与发电机直接相连，采用定桨距控制方式，转速恒定。

定桨恒速风力发电机组风轮与发电机直接相连，采用变桨距控制方式，转速可调。

变桨变速风力发电机组02b定桨恒速风力发电机组定桨恒速风力发电机组采用定桨距失速调节方式，利用风能驱动风轮旋转，通过增速齿轮箱驱动发电机转子转动，实现风能到机械能的转化。

定桨恒速风力发电机组的桨距角是固定的，因此风能利用率相对较高，同时具有结构简单、可靠性高的优点。

b定桨恒速风力发电机组的特点1b定桨恒速风力发电机组的控制策略23通过控制风轮桨距角的大小来调节风能利用率。

采用PID控制器对发电机转速进行控制，以保持发电机输出频率稳定。

通过最大风能捕获策略，使风能利用率达到最优。

定桨恒速风力发电机组适用于风能资源丰富、风向稳定、地形平坦的地区。

广泛应用于陆地、海上风电场以及分布式能源系统中，是风能发电的重要形式之一。

b定桨恒速风力发电机组的应用场景03b定桨恒速风力发电机组的控制原理风速测量与反馈风速传感器实时监测风速，将风速信号反馈至控制系统。