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1、第三章! 变桨距风力发电机组 从空气动力学角度考虑， 当风速过高时， 只有通过调整桨叶节距， 改变气流对叶片攻 角， 从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩， 才能使功率输出保持稳定。同时， 风力 机在起动过程也需要通过变距来获得足够的起动转矩。因此， 最初研制的风力发电机组 都被设计成可以全桨叶变距的。但由于一开始设计人员对风力发电机组的运行工况认 识不足， 所设计的变桨距系统， 其可靠性远不能满足风力发电机组正常运行的要求， 灾难 性的飞车事故不断发生， 变桨距风力发电机组迟迟未能进入商业化运行。所以一当失速 型桨叶的起动性能得到了改进， 人们便纷纷放弃变距机构而采用了定桨距风轮， 以至于
2、 后来商品化的风力发电机组大都是定桨距失速控制的。 经过“# 多年的实践， 设计人员对风力发电机组的运行工况和各种受力状态已有了 深入的了解， 不再满足于仅仅提高风力发电机组运行的可靠性， 而开始追求不断优化的 输出功率曲线， 同时采用变桨距机构的风力发电机组可使桨叶和整机的受力状况大为改 善， 这对大型风力发电机组的总体设计十分有利。因此， 进入 $# 世纪 %# 年代以后， 变桨 距控制系统又重新受到了设计人员的重视。目前已有多种型号的变桨距 （(） 。如果风速和功率输 出一直低于额定值， 发电机转差率将降低到 ? 第四编. 风力发电机的控制与供电质量技术 # 图 ! “#$% 转子电流控
3、制器原理图 宽度的控制就可控制 &() 的开关， 系统的响应速度加快。 转子电流控制器可在维持额定转子电流 （即发电机额定功率、 的情况下， 在。至最大 值之间调节转子电阻， 使发电机的转差率大约在 *+ ,- （转子自身电阻） 至 #*- （#() 关 断， 转子电阻为自身电阻与外接电阻之和） 之间连续变化。 为了保护 ./ 单元中的主元件 &()， 设有阻容回路和过压保护， 阻容回路用来限制 &() 每次关断时产生的过电压峰值， 过电压保护采用晶闸管， 当电网发生短路或短时中 断时， 晶闸管全导通， 使 &() 处于两端短路状态， 转子总电阻接近于转子自身的电阻。 四、 采用转子电流控制器
4、的功率调节 如图 ! “0 所示， 并网后， 控制系统切换至状态 (， 由于发电机内安装了 ./ 控制器， 发电机转差率可在一定范围内调整， 发电机转速可变。因此， 在状态 ( 中增加了转速控 制环节， 当风速低于额定风速， 转速控制环节 ( 根据转速给定值 （高出同步转速 !- 1 $-） 和风速， 给出一个节距角， 此时发电机输出功率小于最大功率给定值， 功率控制环节 根据功率反馈值， 给出转子电流最大值， 转子电流控制环节将发电机转差率调至最小， 发 电机转速高出同步转速 #-， 与转速给定值存在一定的差值， 反馈回速度控制环节 (， 速 度控制环节 ( 根据该差值， 调整桨叶节距参考值
5、， 变桨距机构将桨叶节距角保持在零度 附近， 优化叶尖速比； 当风速高于额定风速， 发电机输出功率上升到额定功率， 当风轮吸 收的风能高于发电机输出功率， 发电机转速上升， 速度控制 环节 ( 的输出值变化， 反馈信 号与参考值比较后又给出新的节距参考值， 使得叶片攻角发生改变， 减少风轮能量吸入， 将发电机输出功率保持在额定值上； 功率控制环节根据功率反馈值和速度反馈值， 改变 转子电流给定值， 转子电流控制器根据该值， 调节发电机转差率， 使发电机转速发生变 *02 第四编% 风力发电机的控制与供电质量技术 # 化， 以保证发电机输出功率的稳定。 如果风速仅为瞬时上升， 由于变桨距机构的动
6、作滞后， 发电机转速上升后， 叶片攻 角尚未变化， 风速下降， 发电机输出功率下降， 功率控制单元将使 !“ 控制单元减小发电 机转差率， 使得发电机转速下降， 在发电机转速上升或下降的过程中， 转子的电流保持不 变， 发电机输出的功率也保持不变： 如果风速持续增加， 发电机转速持续上升，转速控制 器 # 将使变桨距机构动作， 改变叶片攻角， 使得发电机在额定功率状态下运行。风速下 降时， 原理与风速上升时相同， 但动作方向相反。由于转子电流控制器的动作时间在毫 秒级以下， 变桨距机构的动作时间以秒计， 因此在短暂的风速变化时， 仅仅依靠转子电流 柞制器的控制作用就可保持发电机功率的稳定输出，
7、 减少对电网的不良影响； 同时也可 降低变桨距机构的动作频率， 延长变桨距机构的使用寿命。 图 $ %&( 变桨距风力发电机组在额定风速以上运行时节距角、 转速与功率曲线 五、 转子电流控制器在实际应用中的效果 由于自然界风速处于不断的变化中， 较短时间 $ )*+ 内的风速上升或下降总是不断 的发生， 因此变桨距机构也在不断的动作， 在转子电流控制器的作用下， 其桨距实际变化 情况如图 $ %& 所示。 &, 第四编( 风力发电机的控制与供电质量技术 # 从图上可以看出， !“ 控制单元有效地减少了变桨距机构的动作频率及动作幅度， 使得发电机的输出功率保持平衡， 实现了变桨距风力发电机组在额定风速以上的额定功 率输出， 有效地减少了风力发电机因风速的变化而造成的对电网的不良影响。 #$% 第四编& 风力发电机的控制与供电质量技术 #