并网型异步风力发电机的控制研究
控制装 备用电图2.3 风力发电系统组成
2.2 风力发电机的组成
从整体来看包括桨叶、齿轮箱系统、发电机系统、偏航系统、制动系统、解缆装置、塔架及控制系统等。
图2.4 风力发电系统
2.2.1 齿轮箱系统
并网型风电机组起停比较频繁，叶轮自身的转动惯量又很大，因此风力发电机组的风轮转速一般都在几十转/分。容量越大的机组，叶轮直径就越长，转速就越低，这时为了满足发电机的转速，在风轮和发电机之间就需要配置齿轮箱。齿轮箱分为增速箱和减速箱，风力发电机组主传动链上使用增速箱，而偏航系统和
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变桨距系统则使用减速箱。增速箱的低速轴接桨叶，高速轴接风力发电机。 增速箱的特点：
（1）高速级采用行星架浮动，低速级采用太阳轮浮动，这样使得结构简化而紧凑，并且均载效果好。
（2）输入轴的强度高、刚性大、加大支承，可承受的径向力、轴向力比较大，并且可传递大的转矩，以适应风力发电的要求。
齿轮箱还配有润滑系统和监控系统。润滑系统对齿轮箱和风轮轴是非常重要的，能够良好的保护齿轮和轴承。润滑的作用是：用润滑油把齿轮及轴承的运动表面润滑，可减少摩擦、降低接触应力、减少磨损、降低运动产生的温度。监控系统能够对齿轮箱中的轴承温度、润滑油温度、润滑系统的油压、润滑油位、润滑油的加热和散热装置的工作状态进行实时地监控，控制系统根据监控系统检测到的信号，自动的进行调整，使得齿轮箱可靠地工作在最佳状态。
2.2.2 发电机系统
异步风力发电机在并入电网运行时，只要发电机转速接近同步转速就可以并网，对机组的调速要求不高，不需要同步设备和整步操作。异步发电机在发出有功功率的同时还要从系统吸收无功功率，而且其无功需求随着有功输出的变化而变化。它的输出功率与转速近似成线性关系，可通过转差率来调整负载。
2.2.3 偏航系统
偏航系统是水平轴风力发电机组的重要部分，主要功能包括：
（1）当风速低于额定风速时，能够与风力发电机组的控制系统配合，使发电机的风轮处于迎风状态，最大限度捕获风能，从而提高风力发电机组的效率。
（2）当风速高于额定风速时，能使发电机的风轮偏离迎风状态，降低转速提供调速功能。
（3）当风速超过风力发电机的切出风速时，使风轮平面顺风，降低风轮转速提供安全保障功能。
（4）提供必要的阻尼力矩和锁紧力矩，以保障风力发电机组稳定安全运行。 偏航系统分为主动偏航系统和被动偏航系统。被动偏航是借助风力通过相关
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机构来完成风轮对风动作的方式，常用在中小型风力发电机组中。而主动偏航是通过风向仪和地理方位检测装置来检测风轮轴线与风向的偏差，再由控制系统使用电力或液压驱动来完成对风动作的偏航方式，有齿轮驱动和滑动两种形式。并网型风力发电常用齿轮驱动形式。
2.2.4 解缆装置
自然界中的风是一种不稳定的资源，它的速度与风向是不定的。由于风向的不确定性，风力发电机就需要经常偏航对风，而且偏航的方向也是不确定的，由此引起的后果是电缆会随风力发电机的转动而扭转。如果风力发电机多次向同一方向转动，就会造成电缆缠绕，绞死，甚至绞断，因此偏航系统还要具备扭缆保护的功能设法解缆。偏航齿轮上安有一个独立的计数传感器，以记录相对初始方位所转过的齿数。不同的风力发电机需要解缆时的缠绕圈数都有其规定，当风力机向一个方向持续偏航达到设定值时，表示电缆已被扭转到危险的程度，控制器将发出停机指令并显示故障，风力发电机组停机并执行顺或逆时针解缆操作。为了提高可靠性，在电缆引入塔筒处，还安装了行程开关，行程开关触点与电缆相连，当电缆扭转到一定程度时可直接拉动行程开关，引起安全停机。
2.2.5 控制系统
与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网风况和机组运行参数，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。
定桨距风力发电机组主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的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，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本的问题。由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制，桨叶的节距角在安装时就已确定，发电机的转速则由电网频率决定。因此，在允许的风速范围内，定桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对于因风速变化引起的输出能量的变化是不作任何控制的。这就大大简化了控制技术和相应的伺服传动技术。
变桨距风力发电机组启动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，
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使风力机的启动性能和功率输出特性都有显著的改善。此时的液压系统不再是简单的执行机构，它自身已组成闭环控制系统，采用了电液比例阀或电液伺服阀，使控制系统的水平提高到一个新的阶段。
针对上述结构，目前绝大多数风力发电机组的控制系统都选用集散型或分布式工业控制计算机。而比较普遍采用的是分布式控制系统，它可以方便的实现就地控制，许多控制模块可直接布置在控制对象的工作点，就地采集信号进行处理。这样就避免了各类传感器和舱内执行机构与地面主控制器之间的通信线路及控制线路。主控制器通过各类安装在现场的模块，对电网风况及风力发电机组的运行参数进行监控，并与其它控制模块保持通信，通过对各方面的情况进行综合分析后，发出控制指令。风电控制系统的组成如图2.5所示
电网调度控制 室远程控制 正常运行控自动起动 阵风控制 风 力 发 电 机 组 控 制 器 统一变桨距控变桨距控独立变桨距控安全保护控故障检测处功率解耦控无功功率调有功功率调最佳运行控功率最大输出控最佳叶尖速比控发电运行 并网解列控制 自动偏航解停机控制 工作状态监电网风况监液压系统控润滑加热冷风电场中央控
制 室中程控制 控制柜用户界面 输入用户命令， 显示运行状态、 数 据和故障等 情况，变更参数 图2.5 风电控制系统的结构
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2.3 刹车系统
2.3.1 传统风机的刹车过程
（一）正常停机
（1）由电磁阀释放叶尖扰流器；
（2）当风轮的转速低于设定值时，投入第一步刹车；
（3）如果叶尖扰流器释放后转速持续升高，则投入第二步刹车； （4）下一次刹车时，投入的第二步刹车先投入； （5）停机后收回叶尖扰流器。 （二）安全停机
（1）在释放叶尖扰流器的同时投入第一步刹车；
（2）当发电机的转速达到同步转速时，发电机的主接触器会跳开，这时第二步刹车投入；
（3）叶尖扰流器不收回。 （三）紧急停车
（1）所有的接触器、继电器都失电；
（2）叶尖扰流器和两步刹车同时投入，发电机脱网。
2.3.2 现代刹车系统
（1）风力刹车系统
定桨距风力发电系统运用叶尖扰流器；变桨距风力发电系统是利用桨距的变化来实现风力刹车。 （2）机械刹车系统
这种刹车系统的刹车闸安装在高速轴或低速轴上。
安装在高速轴上的刹车力矩小，齿轮箱可用风轮支撑。但是制动载荷大，对齿轮箱的冲击相对较大，制动的安全性也较差。
安装在低速轴上的制动力矩就相对较大，刹车可靠，刹车时制动力矩不会对齿轮箱产生任何冲击。但由于制动力矩较大，对支撑它的闸体材料要求很高，并且需
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