時間：2022-07-17 05:17:02
序論：在您撰寫淺談風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的1篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
論文關(guān)鍵字：風(fēng)能 發(fā)電機(jī) 電能
論文摘要：風(fēng)能是一種清潔，安全，可再生的綠色能源，利用風(fēng)能對環(huán)境無污染，對生態(tài)無破壞，環(huán)保效益和生態(tài)效益良好，對于人類社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，在世界范圍內(nèi)爆發(fā)的能源危機(jī)告誡人們，要生存就要尋找開發(fā)新能源，此后各國政府紛紛制定能源政策支持新能源的開發(fā)利用。現(xiàn)今調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體排放、緩解環(huán)境污染、加強(qiáng)能源安全已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點。國家對可再生能源的利用,特別是風(fēng)能開發(fā)利用給予了高度重視。
近年來，世界風(fēng)力發(fā)電事業(yè)蓬勃發(fā)展，截至2006年年底，全世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)7422萬千瓦，預(yù)計到2010年全世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到149．5吉瓦。
我國風(fēng)能資源豐富。據(jù)中國氣象科學(xué)研究院的初步測算,我國陸地10m高度處可開發(fā)儲量為2.53億kw,海上可開發(fā)儲量為7.5億kw,總計約10億kw,風(fēng)能利用潛力巨大。2005年以來我國每年的風(fēng)電新增裝機(jī)容量連年翻番，2005年裝機(jī)容量126萬kw，2006年裝機(jī)容量260萬kw，2007年裝機(jī)容量590萬kw，至2008年底風(fēng)電裝機(jī)容量已超過1000萬kw。國家規(guī)劃,到2020年中國風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模將達(dá)3000萬kw。在國家政策和資源優(yōu)勢的推動下,中國風(fēng)能開發(fā)利用取得了長足進(jìn)步。
風(fēng)力發(fā)電在并網(wǎng)時由于沖擊電流的存在，會對電網(wǎng)電壓產(chǎn)生影響。由于風(fēng)力發(fā)電是一種間歇性能源，風(fēng)電場的功率輸出具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，所以為了保證風(fēng)電并網(wǎng)以后系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，需要額外安排一定容量的旋轉(zhuǎn)備用以響應(yīng)風(fēng)電場的隨機(jī)波動。各種形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時對無功功率的需求不同，依靠電容補(bǔ)償來解決無功功率平衡問題，發(fā)電機(jī)的無功功率與出力有關(guān)，由此也影響電網(wǎng)的電壓。
大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的投入運(yùn)行，使大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)成為可能，風(fēng)電事業(yè)正逐步向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)。在某些地方，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)在電網(wǎng)中占有了相當(dāng)?shù)谋戎?，它的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到整個電網(wǎng)的安全性和可靠性。為了更加安全、充分的利用風(fēng)力資源，迫切需要深入研究大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的相關(guān)技術(shù)問題，是保證并入大規(guī)模風(fēng)電場后電力系統(tǒng)仍然可以正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提。
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
過去很長一段時期以來，由于結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要采用恒速恒頻發(fā)電方式，但采用恒速恒頻方式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率較低，而且機(jī)械承受的應(yīng)力較大，相應(yīng)的裝置成本較高。近年來，隨著大規(guī)模電力電子技術(shù)的日趨成熟，同時為實現(xiàn)不同風(fēng)速下實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲從而高效發(fā)電，國內(nèi)外正在采用變速恒頻發(fā)電方式，變速恒頻發(fā)電方式可以大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運(yùn)行轉(zhuǎn)速 ,來適應(yīng)因風(fēng)速變化而引起的風(fēng)力機(jī)功率的變化,可以最大限度的吸收風(fēng)能 ,因而效率較高；控制系統(tǒng)采取的控制手段可以較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率、無功功率 ,但控制系統(tǒng)較為復(fù)雜；低風(fēng)速下風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)下降，從而大大降低了系統(tǒng)的機(jī)械應(yīng)力和裝置成本，近年來變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成了大容量風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的主要選擇方向。
恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)包括同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)和異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)。同步發(fā)電機(jī)在重載情況下并網(wǎng)，若不進(jìn)行有效的控制，常會發(fā)生嚴(yán)重的無功振蕩和失步，對系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響。用于風(fēng)力發(fā)電的同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時，常采用自動準(zhǔn)同步并網(wǎng)和自同步并網(wǎng)方式。前者由于風(fēng)速的不確定性，通過該方法并網(wǎng)比較困難；后者的并網(wǎng)操作相對簡單，使并網(wǎng)在短時間內(nèi)完成，但要克服合閘時有沖擊電流的缺點。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制裝置簡單，而且并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步，運(yùn)行比較穩(wěn)定。然而，異步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)時會產(chǎn)生發(fā)電機(jī)額定電流5-7倍的沖擊電流，不僅對電網(wǎng)造成沖擊而且影響機(jī)組壽命；另外異步發(fā)電機(jī)本身不發(fā)無功功率，需要進(jìn)行無功補(bǔ)償。
變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有多種，例如同步發(fā)電機(jī)交/直/交系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行和雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行。在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的眾多種方案中,最具優(yōu)勢的方案是采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)型交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。
同步發(fā)電機(jī)交/直/交系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時，由于采用頻率變換裝置進(jìn)行輸出控制, 因此并網(wǎng)時沒有電流沖擊, 對系統(tǒng)幾乎沒有影響。由于同步發(fā)電機(jī)組工作頻率與電網(wǎng)頻率是彼此獨立的, 風(fēng)輪及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以變化, 不必?fù)?dān)心發(fā)生同步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)運(yùn)行可能出現(xiàn)的失步問題。在風(fēng)電系統(tǒng)中使用阻抗匹配和功率跟蹤反饋來調(diào)節(jié)輸出負(fù)荷, 可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按最佳效率運(yùn)行, 向電網(wǎng)輸送更多的電能。
雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時，風(fēng)力機(jī)起動后帶動發(fā)電機(jī)至接近同步轉(zhuǎn)速時電網(wǎng), 并網(wǎng)時基本上無電流沖擊。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)負(fù)載的變化及時做出相應(yīng)的調(diào)整, 產(chǎn)生最大的電能輸出。而且通過調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機(jī)勵磁電流的頻率、幅值和相位，可以保證發(fā)電機(jī)在變速運(yùn)行的情況下發(fā)出恒定頻率的電力,并可以調(diào)節(jié)無功功率和有功功率。
交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間是一種柔性連接，尤其對無刷雙饋電機(jī)而言，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)交流勵磁電流的調(diào)節(jié)與控制，就可在變速運(yùn)行的任何轉(zhuǎn)速下滿足并網(wǎng)條件，實現(xiàn)變速恒頻無沖擊電流的高效并網(wǎng)。其勵磁繞組與電網(wǎng)間的雙向變頻器功率，僅為發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的一小部分功率。可以預(yù)見，在未來幾年內(nèi)，無刷雙饋電機(jī)在變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中將會獲得廣泛的應(yīng)用，對全國的風(fēng)力發(fā)電等機(jī)電產(chǎn)品的更新?lián)Q代起推動作用，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
研究(設(shè)計)內(nèi)容
對主要風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型進(jìn)行對比研究，不同機(jī)型的發(fā)電機(jī)原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性和對電力系統(tǒng)的影響不盡相同，有必要進(jìn)行研究。
對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)方式進(jìn)行比較分析研究，主要是同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式和異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式進(jìn)行比較分析，并對目前主流的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行重點探討。
電壓水平是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，研究了風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行后電力系統(tǒng)的電壓特性。
從風(fēng)電場接入地區(qū)的中樞點電壓水平、風(fēng)電系統(tǒng)負(fù)荷的輕重、風(fēng)電場的無功補(bǔ)償容量大小等各個方面分析探討影響風(fēng)電機(jī)組最大注入功率的各種因素。
綜合分析幾種常用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)控制技術(shù)，分析比較它們各自應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電上的優(yōu)缺點。并提出風(fēng)力發(fā)電技術(shù)今后的發(fā)展趨勢。
研究(設(shè)計)方法及技術(shù)路線
首先建立幾種常用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，建立風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)模型，并利用已建立的數(shù)學(xué)模型對發(fā)電機(jī)原理進(jìn)行探討，研究各風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，并就各種發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時對電網(wǎng)的影響進(jìn)行理論探討，特別是與電網(wǎng)有功、無功交換功率及對電網(wǎng)電壓的影響進(jìn)行探討，找出合適的并網(wǎng)運(yùn)行控制方案。
本課題研究的難點有：1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立；由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型較多，不同電機(jī)的數(shù)學(xué)模型不一樣，不能建立統(tǒng)一的、適應(yīng)各種機(jī)型的數(shù)學(xué)模型。2）該課題的探討主要停留在理論上，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆抡嬗嬎?，難以進(jìn)行實驗驗證
時間安排
第九周
詳細(xì)地了解設(shè)計題目、設(shè)計任務(wù)、設(shè)計要求、預(yù)期效果。本周內(nèi)主要完成：①明確設(shè)計任務(wù)的具體內(nèi)容。② 完成開題報告。③編制初步設(shè)計方案
第十周
通過分析設(shè)計任務(wù)，提出各自的問題。
第十一周、第十二周
① 將設(shè)計任務(wù)再次細(xì)化，提出更加具體的問題。② 開始設(shè)計預(yù)期目標(biāo)的整體方案，包括相關(guān)硬件、軟件方案，提出可行性。
第十三周、第十四周
① 設(shè)計方案更加具體化，使之更加清晰，明確提出可達(dá)到的預(yù)期效果。② 再次論證方案的可行性。③ 對設(shè)計方案各部分進(jìn)行系統(tǒng)的分析計算，解決設(shè)計中出現(xiàn)的具體問題。
第十六周
總結(jié)前兩個階段的工作成果，編寫設(shè)計說明書。
第十七周
① 妥善保存設(shè)計系統(tǒng)。② 修改畢業(yè)論文，并完成打印。③準(zhǔn)備答辯
預(yù)期成果
預(yù)期成果為幾種常見風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行控制方案，并以論文論文的形式表達(dá)出來。可能的創(chuàng)新點為：考慮充分利用電力存儲或者能量存儲技術(shù)，降低風(fēng)能資源的隨機(jī)性對電網(wǎng)造成的不利影響，改善風(fēng)能資源的利用條件，盡可能達(dá)到可控的目的。
【摘 要】本文對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行了分析，論述了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測的重要性，介紹了振動信號的采集和分析過程，以及大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容易出現(xiàn)的故障。
【關(guān)鍵詞】大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；旋轉(zhuǎn)機(jī)械；狀態(tài)監(jiān)測
大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常都是位于草原、戈壁灘等廣闊偏遠(yuǎn)的地區(qū)，分布的面積非常廣，離監(jiān)控中心的位置很遠(yuǎn)，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電子裝置和發(fā)電機(jī)組又比較復(fù)雜，在這樣的情況下，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備就會很容易出現(xiàn)故障。而狀態(tài)監(jiān)測作為一種重要的手段，能夠保障風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的正常運(yùn)行，優(yōu)化機(jī)組設(shè)備，在機(jī)組設(shè)備出現(xiàn)故障時，及時作出診斷，由此看來，對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行分析和研究，是非常有必要的。
1、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測
大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行的過程中，需要時刻對正在運(yùn)行中的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并且將數(shù)據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過得出的結(jié)果對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)進(jìn)行評估和預(yù)測，這樣即使是遠(yuǎn)程控制，也可以最大程度地提高大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作效率，減少故障的產(chǎn)生，降低維修的費用。通常的監(jiān)控系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)是有限的，只能采集到一部分?jǐn)?shù)據(jù)，例如振動量就無法采集到，這就可能會導(dǎo)致故障預(yù)警不準(zhǔn)確，使設(shè)備的存在安全隱患。想要實現(xiàn)對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全方位的控制和監(jiān)測，在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)中加入狀態(tài)監(jiān)測，是一種十分有效的方法。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測是scada系統(tǒng)的一個組成部分，結(jié)構(gòu)和scada是一致的，都是由上、下位機(jī)等組成的，上位機(jī)在完成數(shù)據(jù)交換和傳送命令的時候，要通過網(wǎng)關(guān)和下位機(jī)的plc控制組相連接，plc控制組主要包括a/d轉(zhuǎn)換模塊、i/o輸入輸出模塊、cpu模塊和電源模塊等。整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心部位就是plc控制組，程序如果想要順利的執(zhí)行，就必須要先上傳到plc控制組。plc控制組中的a/d轉(zhuǎn)換模塊的主要作用就是信號轉(zhuǎn)換，將采集到的信號轉(zhuǎn)換成為監(jiān)測系統(tǒng)可以識別的信號；i/o輸入輸出模塊的輸出功能就是實現(xiàn)操作對象命令的執(zhí)行，輸入功能則是將plc控制組和各個傳感器連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集；cpu模塊的主要功能是運(yùn)算和判斷；電源模塊的主要作用是保持電源的穩(wěn)定性，保障其它的各個模塊都能正常的工作。只有各個部分之間相互配合，才能更好地對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。
2、旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號的采集
旋轉(zhuǎn)機(jī)械的部件在有許多阻力的情況下，產(chǎn)生的響應(yīng)，稱之為機(jī)械振動。機(jī)械信號振動的采集要通過傳感器，傳感器的選擇一定要準(zhǔn)確，要選擇最為恰當(dāng)?shù)?，并且安裝在合適的位置，通過制定的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳遞。傳感器要根據(jù)所處的環(huán)境以及監(jiān)測部位的振動情況來選擇，傳感器的靈敏度要好，抗干擾的能力要強(qiáng)，這樣才能保障數(shù)據(jù)的可靠性。傳感器在安裝方面，也是需要特別注意的，如果安裝的位置不恰當(dāng)，不僅會影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，還可能會導(dǎo)致傳感器自身出現(xiàn)損壞。電渦流式的傳感器是一種非觸碰型的傳感器，非常適合監(jiān)測機(jī)軸的轉(zhuǎn)軸相對于軸承座的振動，電渦流式的傳感器有兩種安裝方式：①第一種方式是根據(jù)主軸的垂直和平行方向，將傳感器用支架固定在軸承座的側(cè)邊；②第二種方式則是在軸承座中分面上夾角45°的位置處，垂直軸頸安裝兩個傳感器，用支架固定。在安裝的過程中，如果出現(xiàn)了兩個傳感器的位置過于靠近，則要注意防止交叉影響。其它的傳感器，如壓電加速傳感器和磁電式速度傳感器在安裝方面是差不多的，都是安裝在軸承座上，為了獲得最佳的監(jiān)測效果，也可以用螺絲將傳感器牢牢地固定在機(jī)座的表面。
德國勞埃德船級社 gl 認(rèn)證的在線狀態(tài)檢測標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了幾個必要的振動測試點，具體內(nèi)容見表1。
在具體的發(fā)電場工作中，可以根據(jù)機(jī)組的類別和監(jiān)測情況等增加測試點，使重要位置和容易出現(xiàn)損害的位置得到監(jiān)控保障。
3、旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號的處理分析
在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)械測試出的振動信號，都不是單一的，通常都是兩個或者更多信號形成的綜合性信號，這時，就需要對振動信號進(jìn)行處理，將信號的特征擴(kuò)大化，這樣的做法，有利于對監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行最為準(zhǔn)確的判斷。信號最基本的處理方法主要有頻域分析、時域分析、相域分析和幅域分析：①頻域分析：頻域分析就
要將信號的頻域機(jī)構(gòu)進(jìn)行確定，簡單來說就是將信號中所包括的頻率成分以及這些頻率成分幅值的大小搞清楚。主要的內(nèi)容就是通過傅立葉的變換，以頻域的形式對信號進(jìn)行描述，傅立葉的正逆變換、倍頻分析、小波變換、三維坐標(biāo)圖等；②時域分析：時域分析就是信號在時間區(qū)域之內(nèi)進(jìn)行的變化以及分析，主要的內(nèi)容包括時域平均、瞬態(tài)記錄等；③相域分析：相域分析指的是對相位隨時間的變化以及相位值的測量值進(jìn)行分析；④幅域分析：幅域分析指的是將信號在幅值上進(jìn)行處理，主要的內(nèi)容包括均值計算、概率密度和概論分布函數(shù)等。當(dāng)今時代，微電子計算機(jī)發(fā)展迅速，對振動信號的分析主要采用數(shù)字式分析機(jī)來完成，分析儀所進(jìn)行的數(shù)字頻率分析的計算工作量是非常繁重的，fft作為一種傅立葉變換的快速算法，能夠節(jié)省計算所耗費的時間。通過快速傅立葉變換，可以迅速的識別出旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號的振動頻率。
4、結(jié)語
大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障分析和預(yù)測方法，可以通過狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)實行，利用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)把機(jī)組的狀態(tài)發(fā)展和信息提供出來，通過這些信息來減少安全事故的發(fā)生。在線監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢可以預(yù)測可能發(fā)生的故障，這樣就可以優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行和使用，所以在線狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)對安全生產(chǎn)和提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益有著不可忽視的重要作用。
1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的構(gòu)成分析
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，其控制系統(tǒng)關(guān)系著機(jī)組是否能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)可以分為本體系統(tǒng)與電控系統(tǒng)，也叫做總體控制。其中，本體系統(tǒng)又可以分成空氣動力學(xué)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)以及變流系統(tǒng)和其附屬結(jié)構(gòu)；電控系統(tǒng)是由各種不同類型的模塊組成的，分為變槳控制、偏航控制以及變流控制等等。與此同時，本體系統(tǒng)和電控系統(tǒng)之間已經(jīng)實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換，比如空氣動力系統(tǒng)里，槳距主要受變槳控制系統(tǒng)控制，這樣做能夠發(fā)揮風(fēng)能轉(zhuǎn)化的效率，同時也能使得功率平穩(wěn)。由于風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)不同，其控制系統(tǒng)也是不一樣的。根據(jù)功率可以將發(fā)電機(jī)組分定槳距和變槳距發(fā)電機(jī)組以及變速型機(jī)組三種。其控制技術(shù)也是由原來的定槳距恒速恒頻控制向變槳距恒速恒頻發(fā)展，而后再發(fā)展到變槳距變速恒頻技術(shù)。
2對定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制分析
在定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組里，主要運(yùn)用的是定槳距風(fēng)力機(jī)與雙速異步發(fā)電機(jī)，所采用的控制系統(tǒng)是恒速恒頻技術(shù)。運(yùn)用這種技術(shù)，確保了機(jī)組運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。定槳距恒速恒頻技術(shù)主要應(yīng)用了軟并網(wǎng)技術(shù)、偏航技術(shù)以及空氣動力剎車技術(shù)等等。發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間有晶閘管，晶閘管的開度對于沖擊電流有很大的影響。使用恒速恒頻技術(shù)對晶閘管的開度進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而來對并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生的電流進(jìn)行限制。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的相關(guān)分析文/江康貴蒲上哲在風(fēng)力發(fā)電中，發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)是確保機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是一個綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)，因此，加強(qiáng)對控制系統(tǒng)的研究分析，對于確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本文擬對機(jī)組中的幾種控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。摘要此外，利用這種技術(shù)，經(jīng)過傳感、檢測等能夠?qū)崿F(xiàn)自動偏航以及自動解纜的功效。在定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，槳葉的節(jié)角距是固定不變的，如果風(fēng)速比額定的風(fēng)速要大很多時，那么槳葉本身的自動失速就會失去效能，不能讓輸出的功率更加的平穩(wěn)。
3對變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)分析
變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所使用的電機(jī)是可以調(diào)節(jié)滑差的繞線式異步發(fā)電機(jī)，風(fēng)力機(jī)使用的是變槳距風(fēng)力機(jī)。和定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比較，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有更大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在輸出功率更加的平穩(wěn)，此外，還有在額定點上有著非常高的風(fēng)能利用系數(shù)，同時還有非常好啟動性能以及非常好的制動性。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)主要使用了轉(zhuǎn)速控制器1和2,以及功率控制器。為了能夠最大限度的將由風(fēng)速引發(fā)的功率波動降低，機(jī)組還應(yīng)用了轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)。這種技術(shù)可以對轉(zhuǎn)子的電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而確保轉(zhuǎn)子電流對恒定電流的給定值進(jìn)行有效的跟蹤，進(jìn)而保證輸出功率的穩(wěn)定。在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)以前，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號控制著系統(tǒng)的節(jié)距值大小，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有控制器1控制，變槳距系統(tǒng)會依據(jù)給定的速度參考值，對節(jié)距角進(jìn)行調(diào)整，從而讓風(fēng)輪擁有比較大的啟動轉(zhuǎn)矩。在并網(wǎng)以后，發(fā)電機(jī)組主要由控制器2和功率控制進(jìn)行管控。與此同時，要把發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)差調(diào)整到1%，節(jié)距的大小應(yīng)根據(jù)實際的風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整。在風(fēng)速比額定值高的時候，伴隨著風(fēng)力的不斷加大，風(fēng)力機(jī)逐漸的吸收更多的風(fēng)能，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也將變快。對于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，主要通過改變節(jié)距來進(jìn)行。隨著槳距角的改變，發(fā)電機(jī)輸出的功率就會維持在一個穩(wěn)定的值上，不會出現(xiàn)大的波動。某個時段的風(fēng)速不穩(wěn)定，一會上升一會下降。上升的時候，輸出功率也隨之上升，轉(zhuǎn)子電流給定值相應(yīng)的改變，從而使得轉(zhuǎn)子電流控制器工作，將轉(zhuǎn)子回路的電阻改變，提升發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，那么發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會逐漸上升。此時，風(fēng)力又開始降低，在功率控制的作用下，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨著下降。這樣，在風(fēng)速上升和下降的過程中，發(fā)電機(jī)的輸出功率基本上沒有出現(xiàn)變化，這樣就維持了功率的穩(wěn)定，確保了發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。
4對變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分析
與恒速恒頻技術(shù)相比，使用變速恒頻技術(shù)，能夠在風(fēng)速較低的情況下，葉尖速比能夠一直處于最佳的狀態(tài)，從而獲得最大的風(fēng)能。如果風(fēng)速比較大，使用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，對部分能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而增加傳動系統(tǒng)的韌性，確保輸出功率的穩(wěn)定性。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總體控制可以分為三個區(qū)：恒定、轉(zhuǎn)速恒定以及功率恒定。在恒定區(qū)，隨著風(fēng)速的變化，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)了變化。受功率—轉(zhuǎn)速曲線的影響，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的值后就保持不變，然后進(jìn)入轉(zhuǎn)速恒定區(qū)。在這個區(qū)里，轉(zhuǎn)速控制對發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，確保轉(zhuǎn)速不變。當(dāng)風(fēng)力進(jìn)一步增大，功率也增大，達(dá)到極限后，功率進(jìn)入恒定區(qū)。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)主要就是變速恒頻技術(shù)。雙饋異步發(fā)電機(jī)在繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝有三相對稱的繞組，同時，三相對稱交流電又與這三線繞組接通，從而產(chǎn)生了一個旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場的轉(zhuǎn)速和交流電的頻率以及電機(jī)的極對數(shù)的關(guān)系非常密切，我們可以通過下面的公式來看：在這個公式中，n2代表的是繞組被接入頻率是f2的交流電之后所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度，p代表的是極對數(shù)。從上面的公式中，我們可以得知，只要頻率發(fā)生改變，既可以使得轉(zhuǎn)速發(fā)生變化；如果通入轉(zhuǎn)子的交流電的相序發(fā)生變化，那么磁場的旋轉(zhuǎn)方向就會發(fā)生變化。我們可以假設(shè)n1是電網(wǎng)頻率為50Hz的時候發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，n是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，只要是n±n2=n1，那么異步電機(jī)的定子繞組感應(yīng)電動勢的頻率就不會發(fā)生改變，始終維持在50Hz。
5結(jié)語
綜上所述，當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)越來越引起人們的關(guān)注了。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，控制系統(tǒng)對于維持機(jī)組的未定具有非常重要的作用。本文主要分析了三種控制系統(tǒng)：定槳距風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)、變槳距風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)以及變速恒頻控制系統(tǒng)，這三種控制系統(tǒng)隨著風(fēng)速的變化能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出功率的調(diào)整，使其保持平穩(wěn)的狀態(tài)，進(jìn)而維持了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定。
作者：江康貴蒲上哲單位：汕頭市眾業(yè)達(dá)電器設(shè)備有限公司
1風(fēng)電機(jī)組振動特性研究分析
風(fēng)電機(jī)組中發(fā)生共振的現(xiàn)象時有發(fā)生，為了避免機(jī)組發(fā)生較大振動，需對塔筒以及整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸系進(jìn)行共振裕度分析。塔筒為細(xì)長結(jié)構(gòu)，可采用梁模型進(jìn)行簡化處理得到塔筒的1、2階彎曲頻率。軸系計算中，重點關(guān)心了機(jī)組的1、2階扭轉(zhuǎn)自振頻率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的激振源較多，主要有轉(zhuǎn)頻、電網(wǎng)頻率以及葉片通過頻率，振動特性分析較為復(fù)雜。通過機(jī)組工作轉(zhuǎn)速與固有頻率的CAMPBELL分析以及機(jī)組的共振裕度分析表，從而可得出結(jié)論，該機(jī)組動力特性良好。塔筒為細(xì)長梁模型，一階彎曲固有頻率一般介于1倍工作轉(zhuǎn)頻至3倍工作轉(zhuǎn)頻之間，因此塔筒的頻率必須首先保證避免共振。同時發(fā)電機(jī)部件由于激振來源較多，主要來自轉(zhuǎn)頻、電網(wǎng)以及葉片通過頻率等，振動特性分析較為復(fù)雜。對于機(jī)組振動特性的分析，可以通過機(jī)組CAMPBELL分析.
2強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計
為提高風(fēng)電產(chǎn)品的市場競爭力，機(jī)組在保證性能的基礎(chǔ)上，要具備成本優(yōu)勢以及開發(fā)效率優(yōu)勢。基于以上目的，優(yōu)化設(shè)計的方向和目標(biāo)大致分為以下幾個方面。
2.1以降低重量為目標(biāo)的多參數(shù)強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計
降低重量主要是要通過減小產(chǎn)品的尺寸來實現(xiàn)。在保證產(chǎn)品的剛強(qiáng)度各項性能指標(biāo)滿足要求的前提下進(jìn)行，即優(yōu)化之后進(jìn)行。許用應(yīng)力值:σ≤［σ］疲勞損傷因子:D≤1，D＜0.5(焊縫)
2.2基于工藝成本控制的多目標(biāo)強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計
對于產(chǎn)品某些加工部位的表面光潔度可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對產(chǎn)品成型工藝可進(jìn)行降本優(yōu)化改進(jìn)。例如，在保證疲勞可靠性的前提下，由原來的表面光潔度2.5μm增至12.5μm，顯然降低了加工的難度，節(jié)約了加工成本。同樣，由原來的鍛造成型改為鑄造成型，同樣可降低機(jī)組的制造成本，并滿足批量產(chǎn)生的需求。在工藝優(yōu)化設(shè)計中，同樣需保證結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，需滿足以下疲勞性能指標(biāo):疲勞損傷因子:D＜1，D＜0.5(焊縫位置)。
2.3整體提高產(chǎn)品性能的全新優(yōu)化設(shè)計
上述2種優(yōu)化方式與方法，參數(shù)的調(diào)整系統(tǒng)性不強(qiáng)。借助計算軟件的先進(jìn)優(yōu)化算法，例如遺傳算法等，可以對結(jié)構(gòu)的重量、疲勞可靠性等進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化分析。
2.4基于軟件設(shè)計開發(fā)平臺，自主編程定制優(yōu)化
設(shè)計流程，縮短開發(fā)周期為了能夠滿足批量產(chǎn)品的設(shè)計需求，在大量分析計算經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，對于某些特定問題，借助軟件的設(shè)計開發(fā)平臺，開發(fā)全參數(shù)的強(qiáng)度分析設(shè)計軟件。
3風(fēng)電機(jī)組中幾類特殊難點問題
3.1螺栓連接強(qiáng)度分析計算
風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)部件中，螺栓連接及焊縫連接是最常用的2種連接方式。對于此類問題的靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度分析，考核標(biāo)準(zhǔn)以歐洲的標(biāo)準(zhǔn)體系British、GermanorDNV或美國的ASME標(biāo)準(zhǔn)為主。對于塔筒分段的鏈接螺栓，有學(xué)者提出了采用分段線性模擬螺栓在不同階段受力的方法，該方法簡單易行。對于塔筒與主機(jī)架、主機(jī)架與發(fā)電機(jī)主軸、輪轂與發(fā)電機(jī)等部位的連接螺栓，由于載荷較為復(fù)雜，采用上述經(jīng)驗公式已不能滿足要求，需要借助FEA分析方法。結(jié)合載荷譜，通過計算最終得到螺栓的疲勞損傷值。
3.2焊縫連接強(qiáng)度分析計算
關(guān)于焊縫疲勞問題，國際焊接協(xié)會IIW－2003、歐洲標(biāo)準(zhǔn)Eurocode3part1.9、英國標(biāo)準(zhǔn)BS7608、挪威船級社DNV的相關(guān)規(guī)范，以及美國機(jī)械工程協(xié)會ASME規(guī)范，均給出了相應(yīng)的計算方法。東方電機(jī)一般采用國際焊接協(xié)會中的熱點應(yīng)力法來分析焊縫疲勞。首先，在FEA分析模型中建立熱點應(yīng)力的參考點，單位載荷作用下，得到2個參考應(yīng)力點的應(yīng)力分量，然后通過外推公式，最終得到熱點位置的應(yīng)力分量。通過查找和選取相應(yīng)的疲勞等級DC，計算之后得到焊縫損傷。若損傷因子D＜0.5，可滿足抗疲勞的要求。
3.3傳動鏈疲勞分析難點
傳動鏈的疲勞問題較為復(fù)雜。主軸軸承的裝配，使得載荷在該位置的傳遞出現(xiàn)了較大的非線性因素耦合效應(yīng)，主要來自于3個方面:
(1)軸承軸向及徑向緊量裝配。
(2)軸承內(nèi)部滾子與滾道的接觸。
(3)螺栓預(yù)緊作用的非線性效應(yīng)。這使得FEA模擬仿真結(jié)果具有較大的不確定性，成功解決此類問題的難點在于準(zhǔn)確模擬滾子與滾道的接觸應(yīng)力傳遞。
4結(jié)語
風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)設(shè)計雖然借助于較為完備的標(biāo)準(zhǔn)體系，但對于工程中出現(xiàn)的復(fù)雜多樣的事故及問題，有時卻沒有標(biāo)準(zhǔn)可供參考。所以，風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)分析、機(jī)電耦合振動分析、風(fēng)流場與復(fù)合材料耦合振動響應(yīng)分析、機(jī)組應(yīng)力及位移響應(yīng)分析、機(jī)組疲勞斷裂損傷的深入研究等，均有待更為深入的研究逐步解決。此外，產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計也是一個多因素集成的工作，往往需將設(shè)計工藝制造難度、材料成本、電磁性能、通風(fēng)散熱性能、強(qiáng)度振動性能、軟件計算性能等諸多因素予以綜合考慮，才能創(chuàng)造性價比高、具有市場競爭力的產(chǎn)品。
作者：李源 陳昌林 譚恢村 單位：東方電氣東方電機(jī)有限公司
