3 风力发电电气控制系统的设计
风力发电机组控制系统工作的安全可靠性已成为风力发电系统能否发挥作用，甚至成为风电场长期安全可靠运行的重大问题。在实际应用过程中，尤其是一般风力发电机组控制与检测系统中,控制系统满足用户提出的功能上的要求是不困难的。往往不是控制系统功能而是它的可靠性直接影响风力发电机组的声誉。有的风力发电机组控制系统的功能很强,但由于工作不可靠,经常出故障,而出现故障后对一般用户来说维修又十分困难，于是这样一套控制系统可能发挥不了它应有的作用。因此对于一个风力发电机组控制系统的设计和使用者来说,系统的安全可靠性必须认真加以考虑,必须引起足够的重视。
我们的目的是希望通过控制系统的设计，采取必要的手段使我们的系统在规定的时间内不出故障或少出故障，并且在出故障之后能够以最快的速度修复系统,使之恢复正常工作。
3.1 风力发电机组的基本控制要求
3.1.1 风力发电机组运行的控制要求
(1)控制思想[3]
1定桨距失速型机组控制 ○
风速超过风力发电机组额定风速以上时，为确保风力发电机组输出功率不再增加，导致风力发电机组过载，通过空气动力学的失速特性，使叶片发生失速，从而控制风力发电机组的功率输出。
2变桨距失速型机组控制 ○
风速超过风力发电机组额定风速以上时，为确保风力发电机组输出功率不再增加，导致风力发电机组过载，通过改变桨叶节距角和空气动力学的失速特性，使叶片吸收风功率减少或者发生失速，从而控制风力发电机组的功率输出。 3控制功能和控制参数 ○
节距限制、功率限制、风轮转速、电气负荷的连接、起动和停机过程、电网或负荷丢失时的停机、扭缆的限制、机舱对风、运行时电量和温度的限制。 4保护环节以失效保护为原则进行设计 ○
自动执行保护功能：超速、发电机过载和故障、过振动、电网或负载丢失、脱网时的停机失败时。保护环节为多级安全链互锁在控制过程中具有“与”的功能在达到控制目标方面可实现逻辑“或”结果。
(2)自动运动的控制要求
1开机并网控制:当风速10分内的平均值在系统工作区域内，风力发电机组起动○
→软切入状态→机组并入电网。
2小风和逆功率脱网:机组在待风状态→10○
风速再次上升→风机旋转→并网。
3普通故障脱网停机:参数越限、状态异常→普通停机→刹车→软脱网→刹机械○
闸→计算机自行恢复。
4紧急故障脱网停机:紧急故障(飞车、超速、负荷丢失等)→紧急停机→偏航控○
制（90度）→脱网→机械刹车。
5安全链动作停机：电控制系统软保护控制失败→硬性停机→停机。 ○
6大风脱网控制：10分平均风速大于25m/s时→超速、过载→脱网停机→气动○
刹车→偏航控制（90度）→功率下降后脱网→刹机械闸→安全停机→风速回到工作风速区后→恢复自动对风→转速上升后→自动并网运动。
7对风控制：机组在工作风区→根据机舱的灵敏度→确定偏航的调整角度。 ○
8偏转90度对风控制：机组在大风速或超转速工作时→降低风力发电机组的功○
率→安全停机。→当10分平均风速大于25m/s时或超过超速上限时→风力发电机组作偏转90度控制→气动刹车→脱网→停机。
9功率调节：当机组在额定风速以上并网运行时→失速型机组→发电机的功率不○
会超过额定功率的15%→过载→脱网停机。
10软切入控制：软切入、软脱网→限制导通角→控制发电机端的软切入电流为额○
定电流的1.5倍→控制发电机端电压。
（3）控制保护要求
1主电路保护：变压器低压侧三相四线进线处设置低压配电低压断路器→维护操○
作安全和短路过载保护。
2过电压、过电流保护：主电路计算机电源进线端、控制变压器进线和有关伺服○
电动机的进线端均设置过电压、过电流保护措施。
3防雷设施及熔丝：控制系统有专门设计的防雷保护装置。 ○
4过继电保护：运行的所有输出运转机构的过热、过载保护控制装置。 ○
5接地保护：金属部分均要实现保护接地。 ○
分平均风速小于脱网风速→脱网→
3.2 风力发电机组控制系统的结构原理
3.2.1 风力发电机组的控制目标
风力发电机组是实现由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程的装
置。风轮系统实现了从风能到机械能的能量转换，发电机和控制系统则实现了从机械能到电能的能量转换过程，在考虑风力发电机组控制目标时应结合它们的运行方式，重点实现以下目标：
（1）控制系统保持风力发电机组安全可靠运行同时高质量地将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电送入电网。
（2）控制系统采用计算机控制技术对风力发电机组的运行参数、状态监控显示及故障处理完成机组的最佳运行状态管理和控制。
（3）利用计算机智能控制实现机组的功率优化控制定桨距恒速机组主要进行软切入、软切出及功率因数补偿控制对变桨距风力发电机组主要进行最佳叶尖速比和额定风速以上的恒功率控制。
（4）大于开机风速并且转速达到并网转速的条件下风力发电机组能软切入自动并网保
证电流冲击小于额定电流。当风速在4～7m/s之间切入小发电机组（小于300kW）并网运行当风速在7～30m/s之间切入大发电机组（大于500kW）并网运行。
主要完成下列自动控制功能：
1大风情况下当风速达到停机风速时风力发电机组应叶尖限速脱网抱液压机械○
闸停机而且在脱网同时风力发电机组偏航90°。停机后待风速降低到大风开机风速时风力发电机组又可自动并入电网运行。
2为了避免小风时发行频繁开、停机现象在并网后10分内不能按风速自动停机。○
同样在小风自动脱网停机后5分内不能软切并网。
3当风速小于停机风速时为了避免风力发电机组长期逆功率运行造成电网损耗○
应自动脱网使风力发电机组处于自由转动的待风状态。
4当风速大于开机风速要求风力发电机组的偏航机构始终能自动跟风。跟风精度○范围±15°。
5风力发电机组的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下应该松开机械闸其○
余状态下（大风停机、断电和故障等）均应抱闸。
6风力发电机组的叶尖闸除非在脱网瞬间、超速和断电时释放起平稳刹车作用。○
其余时间（运行期间、正常和故障停机期间）均处于归位状态。
7在大风停机和超速停机的情况下风力发电机组除了应该脱网、抱闸和甩叶尖闸○
停机外还应该自动投入偏航控制使风力发电机组的机舱轴心线与风向成一定的角度增加风力发电机组脱网的安全度待机舱转约90°后机舱保持与风向偏90°跟风控制跟风范围±15°。
8在电网中断、缺相和过电压的情况下风力发电机组应停止运行此时控制系统不○
能供电。如果正在运行时风力发电机组遇到这种情况应能自动脱网和抱闸刹车停机此时偏航机构不会动作风力发电机组的机械结构部分应能承受考验。
9风力发电机组塔架内的悬挂电缆只允许扭转±2.5○
圈系统已设计了正/反向扭
缆计数器超过时自动停机解缆达到要求时再自动开机恢复运行发电。
10风力发电机组应具有手动控制功能（包括远程遥控手操）手动控制时“自动”○
功能应该解除相反的投入自动控制时有些“手动”功能自动屏蔽。
11控制系统应该保证风力发电机组的所有监控参数在正常允许的范围内一旦超过极○
限并出现危险情况应该自动处理并安全停机。
3.2.2 异步发电机基本原理
（1）异步发电机基本原理
发电机是风力发电机组中最关键的零部件，是将风能最终转变成电能的设备。发电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。使用异步机作为风力发电机与电网并联的优点是：发电机结构简单成本低并网控制容易，缺点是要从电网吸收无功功率以提供自身的励磁。这一缺点可以通过在发电机端并联电容器来改善。
由于风电场的特殊性，它的并网和解列的操作十分频繁，而且由于投资成本的限制以及管理、维修等方面的优点，现在大多数的大型风电场都采用异步发电机作为主力机型。本论文的研究对象中使用也是异步发电机，下面我们对异步机做以下的简单介绍。
异步电机一般称感应电机即可作为发电机也可作为电动机。异步机作为电动机应用非常广泛异步机作为发电机的情况则比较少。但由于异步发电机具有结构简单价格便宜坚固耐用维修方便启动容易并网简单等特点在大中型风力发电机组中得到广泛应用。
异步发电机的基本结构和同步发电机的一样，也是由定子和转子两大部分组成。异步机的定子与同步机基本相同，其转子可分为绕线式和鼠笼式，绕线式异步机的转子绕组和定子绕组相同，鼠笼式异步机的转子绕组是由端部短接的铜条或铸铝制成像鼠笼一样。
异步机是利用电磁感应原理通过定子的三相电流产生旋转磁场并与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩以进行能量转换。通常异步机的转子转速总是略低于或略高于旋转磁场的转速。旋转磁场的转速ns与转子转速n之间的差为转差，转差n与同步转速ns的比值称为转差率用S表示
S??ns?n?/ns (3-1)
转差率是表证异步机运行状态的一个基本变量。
若电机用原动机驱动使转子转速高于旋转磁场的转速（n>ns）则转差率S<0，此时电磁转矩的方向与转子转向和旋转磁场两者的方向相反即电磁转矩为制动转矩。此时转子从原动机吸收机械功率通过电磁感应由定子输出电功率电机处于发电机状态。 （2）异步风力发电机的参数 1风轮额定转速 ○
风轮额定转速是风轮在额定风速时的转速。风轮额定转速也是风力发电机设计的重要参数之一。它是由叶尖速比及发电机功率决定的参数。
2发电机额定功率 ○
发电机的额定功率是发电机在额定功率因数下连续运行而输出的功率它是由用户提出或由不同的使用目的而确定的。它是风力发电机设计的最基础数据。单位为KW；也有用视在功率表示的单位为KVA。
3发电机是交流还是直流 ○
微小型风力发电机常用直流发电机中、大型风力发电机常用交流发电机。这要视用户的用途、发电机功率而确定。交流发电机分同步和异步交流发电机、异步交流发电机也称感应交流发电机。永磁交流发电机等。
4发电机额定电压 ○
发电机额定运行时电压为定子或转子输出的电压，单位为V。 5额定功率因数 ○
发电机在额定运行时其有功功率与视在功率的比值用以下公式来表示
cos??P/S (3-2)
P为有功功率 KW，S为视在功率KVA，cos与负载性质有关。
6发电机额定转速 ○
发电机在额定功率运行时的转速用rmin表示。 7额定频率 ○
发电机额定运行时其电压变化的频率。中国交流电网电压频率为50Hz。国外也有交流电网60Hz的。
8发电机额定励磁电流 ○
发电机在额定运行时的励磁电流。 9发电机额定温升 ○
发电机在额定功率输出及额定负载下定子绕组与转子绕组允许的最高温度与额定入口风温的差值。
10同步转速 ○
对于额定频率为f 的交流发电机其同步转速