风力发电机组检测与控制
—— 华北电力大学控制科学与工程学院
吕 跃 刚
第一章 绪 论
轮毂
齿轮箱
油冷却器
发电机
变桨驱动
旋转罩
机舱
低速轴
热交换器
控制箱
旋转接头
支撑轴承
偏航驱动
机舱座
通风
隔离减震
风力发电机组结构图
一、机组的总体结构
第一章 绪 论
定桨：1.5-2.5叶尖扰流器起脱网停机气动刹车，一般采用双速发电机来提高效率。 变桨：随风速改变攻角，超过额定风速保持额定功率。 设计风轮转速：20-30r/min，通过增速器与发电机匹配。 采用晶闸管软切入并网，并网容易，扰动小。 含微处理器的控制系统。
第一章 绪 论
二、风力发电机组的主要类型与控制要求
定桨距失速型机组 监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；自动相位补偿；监视机组的运行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、发电量等机组运行数据。 全桨叶变距型机组 监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；优化功率曲线；监视机组的运行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、发电量等机组运行数据。 基于变速恒频技术的变速型机组 监控系统任务除去上述功能外主要包括： 基于微处理器及先进IGBT电力电子技术的发电机转子变频励磁；脉宽调制技术产生正弦电压控制发电机输出电压与频率质量；低于额定风速的最大风能（功率）控制与高于额定风速的恒定额定功率控制。
第一章 绪 论
三、风力发电机组的控制技术
定桨距失速型机组 解决了风力发电机组的并网问题和运行安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术。 固定的节距角及电网频率决定的转速，简化了控制与伺服驱动系统 。 全桨叶变距型机组 启动时可进行转速控制，并网后可进行功率控制。 电液伺服机构与闭环变距控制提高了机组效率。 基于变速恒频技术的变速型机组 采用变速风力发电机。 根据风速信号控制，低于额定风速跟踪最佳功率曲线，高于额定风速柔性保证额定功率输出。改善了高次谐波对电网影响，提高了功率因数，高效高质地向电网供电。
习题：各不同类型机组的控制技术有何功能特点。
第一章 绪 论
图中看出，系统的特性除了与机组特性有关外，还受控制器影响。 运行中控制器可改变功率输出，风能看成是扰动。
四、风力发电机组的控制特性
第一章 绪 论
五、风力发电机组的控制系统结构
用户界面
输入用户指令，变更参数 显示系统运行状态、数据及 故障状况
发电机控制
软并网 变频器励磁调节
主控制器
运行监控，机组起/停 电网、风况监测
无功补偿
根据无功功率信号分组切入或切出补偿电容
变距系统
转速控制 功率控制
液压系统
刹车机构压力保持 变距机构压力保持
制动系统
机械刹车机构 气动刹车机构
调向系统
偏航 自动解除电缆缠绕
习题：通过对控制系统结构的了解，回答控制系统主要包括那些功能？
第二章 风力机控制
气流动能为 m 空气质量，v 气流速度 密度为ρ的气流过面积 S 的气体体积为 V，M= ρ V= ρSv 则单位时间内气流所具有的动能为 理想风轮与贝兹（Betz）理论： 前后空气体积相等：S1v1=Sv=S2v2 根据牛顿第二定律，单位时间内风轮上的受力 F= mv1-mv2= ρSv(v1-v2) 风轮吸收的功率P=Fv= ρSv2 (v1-v2) 风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化： 令两式相等，得 经过风轮风速变化产生的功率为 其最大功率可令 得 ，代入后得到的最大理想功率为 与气流扫掠面积风的能量相比，可得风力机的理论最大效率：
一、1、风力机能量转换过程