風力發(fā)電機組控制技術教案

緒論能源是人類社會存在與發(fā)展的物質基礎。過去200多年，建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎上的能源體系，極大地推動了人類社會的發(fā)展。然而，人們在物質生活和精神生活不斷提高的同時，也越來越感悟到大規(guī)模使用化石燃料所帶來的嚴重后果；資源日益枯竭，環(huán)境不斷惡化，還誘發(fā)了不少國與國之間、地區(qū)之間的政治經濟糾紛，甚至沖突和戰(zhàn)爭。因此，人類必須尋求一種新的、清潔、安全、可靠的可持續(xù)能源系統(tǒng)。風能是太陽能的一種轉化形式，是一種不產生任何污染物排放的可再生的自然資源。風能的開發(fā)利用已有數千年歷史。在蒸氣機發(fā)明以前，風能就曾作為重要的動力，由于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。在幾千年前，埃及的風帆船就在尼羅河上航行。中國是最早使用帆船和風車的國家之一，至少在三千年前的商代就出現(xiàn)了帆船。受化石能源資源日趨枯竭、能源供應安全和保護環(huán)境等的驅動，自20世紀70年代中期以來，世界主要發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家都重視風能的開發(fā)利用。特別是自20世紀90年代初以來，風力發(fā)電的發(fā)展十分迅速，世界風電機裝機容量的年平均增長率超過了30％，從1993年的216萬kW上升到2003年的4030萬kW。我國對現(xiàn)代風力機的研制可以追溯到20世紀50年代，但系統(tǒng)的研究始于20世紀70年代。20世紀80年代中期開始，我國從國外引進了一些大、中型風力發(fā)電機組并入電網。1986年山東榮成市建成中國第一個風電場，年均發(fā)電量為33萬kwh，以后相繼在福建平潭、廣東南澳島、新疆達坂城及內蒙古朱日和等地建立了風電場。進入20世紀90年代以來，我國風電發(fā)展勢頭強勁，成為我國發(fā)展速度最快的能源工業(yè)，但是，我國安裝的大型風力發(fā)電機組中90%是從國外進口。我國對現(xiàn)代并網型風力發(fā)電機的研究工作始于20世紀80年代，我國自行研制出的有20kw,30kw,75kw,120kw,200kw,600kw和1MW風力發(fā)電機組。目前世界上有幾十種型號的大型風力發(fā)電機組在商業(yè)化運行，大體可分為四種類型。第一種為雙繞組定槳距恒速機型，以Bounsl,BOUNS2,Nordex60和Nordex63為代表。第二種為變滑差變速機型，主要代表VestasV63,VstasV66,VstasV80.第三種是采用雙饋發(fā)電機轉差勵磁方案，實現(xiàn)變速變距運行的機型，主要代表機型有DeWind公司的DeWindD6,D9，Tacke公司的TW-1.5，TW-2.0和Nordex80。第四種是采用直接驅動的永磁發(fā)電機，直接采用交-直-交功率變換系統(tǒng)送電，如德國EnerconE66、意大利Gamma60型等。當前國外大型風力發(fā)電機組的發(fā)展趨勢是單機容量越來越大，機組運行越來越可靠，而維護量越來越小。從國內外近幾年風電產業(yè)發(fā)展看，隨著風電產業(yè)的不斷發(fā)展，風力發(fā)電機組控制技術也在不斷發(fā)展，以滿足其自身對風速變化、成本、環(huán)境及穩(wěn)定運行等方面的要求，其主要發(fā)展趨勢為：變槳距調節(jié)方式迅速取代失速調節(jié)方式。從目前市場看，變槳距調節(jié)方式能充分克服失速調節(jié)不能充分利用風能的缺陷，因此，得到了迅速的應用。變速運行方式迅速取代恒速運行方式。由于變速運行方式能夠最大限度地利用風能，提高風力機的運行效率，因而被廣泛采用。風力機的基本理論風力機是一種葉片式機械，風機的槳葉與機翼類似，可用機翼升力理論描述。本章介紹了風力機的結構及分類、風力機空氣動力學基礎、槳葉受力分析以及風輪氣動功率的調節(jié)等內容。第一節(jié)風力機的結構及分類風力發(fā)電是將風的動能轉換為機械能，再帶動發(fā)電機發(fā)電，轉換成電能。本節(jié)主要介紹風力機組的基本結構及分類。一、風力機的結構風力機的樣式雖然很多，但其原理和結構總的來說還是大同小異的。這里以水平軸風力機為例作介紹。它主要由以下幾部分組成：風輪、傳動機構（增速箱）、發(fā)電機、機座、塔架、調速器（限速器）、調向器、停車制動器等，如圖2-1所示。(1)輪轂。風力機葉片都要裝在輪轂上。輪轂是風輪的樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件。所有從葉片傳來的力，都通過輪轂傳遞到傳動系統(tǒng)，再傳到風力機驅動的對象。同時輪轂也是控制葉片槳距（使葉片作俯仰轉動）的所在，在設計中應保持足夠的強度。（2）調速或限速裝置。在很多情況下，要求風力機不論風俗如何變化，轉速總保持恒定或不超過某一限定值，為此，采用了調速或限速裝置。當風速過高時，這些裝置還用來限制功率，并減小作用在葉片上的力。調速或限速裝置有各種各樣的類型，但從原理上來看大致有三類：第一類是使風輪偏離主風向；第二類是利用氣動阻力；第三類是改變葉片的槳距角。圖2-1風力機的結構和組成（3）塔架。風力機塔載有機艙及轉子。通常高的塔架具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風速越大。它可以為管狀的塔架，也可以是格子狀的塔架。管狀的塔架對于維修人員更為安全，因為他們可以通過內部的梯子達到塔頂。格狀塔架的優(yōu)點在于它比較便宜。風力機的塔架除了要支撐風力機的重量，還要承受吹向風力機和塔架的風壓，以及風力機運行中的動載荷。它的剛度和風力機的振動有密切聯(lián)系，如果說塔架對小型風力機影響還不太大的話，對大、中型風力機的影響就不容忽視了。（4）機艙。機艙包含著風力機的關鍵設備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護人員可以通過風力機塔架進入機艙。（5）葉片。捕獲風能并將風力傳送到轉子軸心?，F(xiàn)代600kw風機上每個葉片的測量長度大約為20m，而且被設計得很像飛機的機翼。（6）低速軸。風力機的低速軸將轉子軸心與齒輪箱連接在一起。在現(xiàn)代600kw風電機上，轉子轉速相當慢，大約為19—30r/min。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導管來激發(fā)空氣動力閘的運行。（7）齒輪箱。風力機轉子旋轉產生的能量，通過主軸、齒輪箱及高速軸傳動到發(fā)電機。使用齒輪箱，可以將風力機轉子上的較低速轉、較高轉矩轉換為用于發(fā)電機上的較高轉速、較低轉矩。風力機上的齒輪箱通常在轉子及發(fā)電機轉速之間具有單一的齒輪比。對于600kw或750kw機組的齒輪比大約為1:50。（8）高速軸及其機械閘，用于空氣動力閘失效或風力機被維修時使用。（9）發(fā)電機。通常被稱為感應電機或異步發(fā)電機。在現(xiàn)代風機上，最大電力輸出通常為500—1500kw或者更大（海上風力機電力輸出功率已到達5000kw）。（10）偏航裝置。借助電動機轉動機艙，以使轉子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。（11）電子控制器。包含一臺不斷監(jiān)控風力機狀態(tài)的計算機，并控制偏航裝置。為防止任何故障（及齒輪箱或發(fā)電機的過熱），該控制器可以自動停止風力機的轉動，并通過電話調制解調器來呼叫風力機操作員。（12）液壓系統(tǒng)。用于重置風力機的空氣動力閘。（13）風速計及風向標。用于測量風速及風向。（14）冷卻系統(tǒng)。發(fā)電機在運轉時需要冷卻。在大部分風力機上，使用大型風扇來空冷，還有一部分制造商采用水冷。水冷發(fā)電機更加小巧，而且電效高，但這種方式需要在機艙內設置散熱器，來消除液體冷卻系統(tǒng)產生的熱量。二、風力發(fā)電機組的分類按照不同的分類方式，風力發(fā)電機組可分為以下幾種類型：1.按風輪槳葉分類（1）失速型。高風速時，因槳葉形狀或因葉尖的擾流器動作，限制峰立即的輸出轉矩與功率。（2）變槳型。高風速時通過調整槳距角，限制輸出轉矩與功率。2.按風輪轉速分類（1）定速型。風輪保持一定轉速運行，風能轉換率較低，與恒速發(fā)電機對應。（2）變速型。1）雙速型?？稍趦蓚€設定轉速之間運行，改善風能轉換率，與雙速發(fā)電機對應；2）連續(xù)變速型。在一段轉速范圍內連續(xù)可調，可捕捉最大風能功率，與變速發(fā)電機對應。3.按傳動機構分類（1）齒輪箱升速型。用齒輪箱連接低速風力機和高速發(fā)電機（減小發(fā)電機體積重量，降低電氣系統(tǒng)成本）。（2）直驅型。直接連接低速風力機和低速發(fā)電機（避免齒輪箱故障）4.按發(fā)電機分類（1）異步型。1）籠型單速異步發(fā)電機；2）籠型雙速變極異步發(fā)電機；3）繞線式雙饋異步發(fā)電機。（2）同步型。1）電勵磁同步發(fā)電機；2）永磁同步發(fā)電機。5.按并網方式分類（1）并網型。并入電網，可省卻儲能環(huán)節(jié)。（2）離網型。一般需配置電池等直流儲能環(huán)節(jié)，可帶交、直流負載或與柴油發(fā)電機、光伏電池并聯(lián)運行。第二節(jié)風力機的空氣動力學基礎一、風力機基礎理論1.風速風場的風速資料是設計風力機最基本的資料。風場的實際風速是隨時間不斷變化的量，因此風速一般用瞬時風速和平均風速來描述。瞬時風速是短時間發(fā)生的實際風速，也稱有效風速。平均風速是一段較長時間內瞬時風速的平均值。某地一年內發(fā)生同一風速的小時數與全年小時數（8760h）的比值稱為該風速的風速頻率，如圖2-2(a)所示，它是風能資源和風能電站可研報告的基本數據。風速與地形、地勢、高度、建筑物等密切相關，風能槳葉高度處的風速才是風力機設計風速，因此，設計風電場還要有風速沿高度的變化資料，如圖2-2（b）所示。圖2-2平均風速頻率圖（a）風速頻率曲線(b)不同高度風速變化曲線風的變化是隨機的，任意地點的風向、風速和持續(xù)的時間都是變的，為定量的衡量風力資源，通常用風能玫瑰圖來表示，如圖2-3所示。圖上涉嫌長度是某一方向上風速頻率和平均風速三次方的乘積，用以評估各方向的風能優(yōu)勢。2.風能的計算有流體力學可知，氣流的動能為：圖2-3風能玫瑰圖（2-1）式中，—氣體的質量；—氣體的速度（可視為距離風力機一定距離的上游風速）。設單位時間內氣流流過截面積為S的氣體的體積為V，則(2-2)如果以表示空氣密度，該體積的空氣質量為：(2-3)這時氣流所具有的動能為：（2-4）式中，—空氣密度，kg/m3；V—氣體體積，m3；—風速，m/s；E—風能，J。式（2-4）即為風能的表達式。從風能共識可以看出，風能的大小與氣流密度和通過的面積成正比，與氣流速度的立方成正比。其中和隨地理位置、海拔、地形等因素而變化。3.風力機氣動理論風輪的作用是將風能轉換為機械能。由于流經風輪后的風速不可能為零，因此風所擁有的能量不可能完全被利用，也就是說只有風的一部分能量可以被吸收，成為槳葉的機械能。那么風輪究竟能吸收多少風能呢？作為風力機的氣動理論—貝茲理論討論了這個問題。貝茲理論是由德國的貝茲（Betz）于1926年建立的。他假定風輪是理想的，既沒有輪轂，又具有無限多的葉片，氣流通過風輪時沒有阻力，并假定經過整個風輪掃及面全是均勻的，而且通過風輪前后的速度都為軸向方向。現(xiàn)研究理想風輪在流動的大氣中的情況，如圖2-4所示，并規(guī)定：—距離風力機一定距離的上游風速；—通過風輪時的實際風速；—離風輪遠處的下游風速。圖2-4風輪氣流圖設通過風輪的氣流其上游截面為，下游截面為。由于風輪的機械能量僅由空氣的動能降低所致，因而必然低于，所以通過風輪的氣流截面積從上游至下游是增加的，即大于。如果假定空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得：（2-5）風作用在風輪上的力可由Euler理論寫出：（2-6）故風輪吸收的功率為：（2-7）此功率是由動能轉換來的。從上游至下游動能的變化為：(2-8)令式（2-7）和（2-8）相等，得到：（2-9）作用在風輪上的力和提供的功率可寫為：（2-10）（2-11）對于給定的上游速度，可寫出以為函數的功率變化關系，將式（2-11）微分得：（2-12）式有兩個解：①，沒有物理意義；②，對應于最大功率。把②帶入P的表達式，得到最大功率為：（2-13）將式（2-13）除以氣流通過掃掠面S時風所具有的動能，可推得風力機的理論最大效率（或稱理論風能利用系數）為：（2-14）式（2-14）即為著名的貝茲理論極限值。它說明，風力機從自然風中所能索取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉動能。能量的轉換將導致功率的下降，它隨所采用的風力機和發(fā)電機的型式而異，因此，風力機的實際風能利用系數。風力機實際能得到的有用功率輸出是：(2-15)對于每平方米掃風面積則有：（2-16）4.風力機的特性系數在討論風力機的能量轉換與控制時，以下特性系數具有特別重要的意義。（1）風能利用系數。風力機從自然風能中吸取能量的大小程度用風能利用系數表示，由式(2-15)可知：（2-17）式中，P—風力機實際獲取的軸功率，W；—空氣密度，kg/m3;S—風輪的掃風面積，m2;—上游風速，m/s。（2）葉尖速比。為了表示風輪在不同風速中的狀態(tài)，用葉片的葉尖圓周速度與風速之比來衡量，稱為葉尖速比：（2-18）式中，—風輪的轉速，r/s；—風輪角頻率，rad/s；R—風輪半徑，m；—上游風速，m/s。（3）轉矩系數和推力系數。為了便于把氣流作用下風力機所產生的轉矩和推力進行比較，常以為變量作成轉矩和推力的變化曲線。因此，轉矩和推力也要無因此變化。(2-19)（2-20）式中，T—風輪氣動轉矩，；F—推力，。第三節(jié)風力機槳葉受力分析一、風輪在靜止情況下葉片的受力分析風力機的風輪有輪轂及均勻分布安裝在輪轂上的若干槳葉組成，在安裝這些槳葉時，必須對每支槳葉的翼片按同一方向旋轉，槳葉圍繞自身軸心線轉過一個給定的角度，即使每個葉片的翼弦與風輪旋轉平面（風輪旋轉時槳葉所掃過的平面）形成一個夾角，稱為安裝角（也就是槳葉節(jié)距角）。如圖2-5所示為風輪靜止時的受力情況。設風輪的中心軸位置與風向一致，當氣流以速度V流經風輪時，在槳葉I和槳葉II上將產生氣動力和。將及分解成沿氣流方向的分力和對（阻力）及垂直氣流方向的分力，和（升力），阻力和形成對風輪的正壓力，而升力和則對風輪中心軸產生轉動力矩，從而使風輪轉動起來。圖2-5風輪靜止時槳葉受力分析二、風輪在轉動情況下葉片的受力分析下面分析風輪起動后以某種速度穩(wěn)定旋轉時葉片的受力情況。若風輪旋轉角速度為，則相對于葉片上距轉軸中心處的一小段葉片元（葉素）的氣流速度將是垂直于風輪旋轉面的來流速度與該葉片元的旋轉線速度的矢量和，如圖2-6所示，這時以角速度旋轉的槳葉，以旋轉中心相距r處的葉片元的攻角已經不是V與翼弦的夾角了。I與與旋轉平面間的夾角，稱為傾斜角，。以相對速度吹向葉片元的氣流，產生氣動力F，F(xiàn)可以分解為垂直于方向的升力，以及與方向一致的阻力，也可以分解為在風輪旋轉面內使槳葉旋轉的力以及對風輪正面的壓力。由于風輪旋轉時葉片位于不同半徑處的線速度是不同圖2-6旋轉槳葉的氣流速度和受力情況的，因而相對于葉片各處的氣流速度V在大小和方向上也是不同的。如果葉片各處的安裝角都一樣，則葉片各處的實際攻角將不同。這樣除了攻角接近最佳值的一小段葉片升力較大外，其他部分所得到的升力則由于攻角偏離最佳值而變得不理想。所以，這樣的葉片不具備良好的氣動特性。為了在沿整個葉片長度方向均能獲得有利的攻角數值，就必須使葉片每一個截面的安裝角隨著半徑的增大而逐漸減小。在此情況下，才有可能使氣流在整個葉片長度均以最有利的攻角吹向每一葉片元，從而具有比較好的氣動性能，而且各處受力比較均勻，也增加了葉片的強度。這種具有變化的安裝角的葉片稱為螺旋槳型葉片，而各處安裝角均相同的葉片稱為平板型葉片。現(xiàn)在一般都采用螺旋槳型葉片。三、槳葉受力計算利用葉素特性，取距離風力機轉軸r處長度為dr的葉片微元進行分析。其中，式中，——作用在葉片微元上的風速，m/s；——翼型的弦長，m；——升力系數；——阻力系數。升力系數和阻力系數的值可按相應的攻角查取所選翼型的氣動特性曲線得到。自然界的風是瞬息萬變的，不僅在時間上不斷變化，在空間上的分布也是不均勻的。影響風速變化的因素很多，除了氣候、地形環(huán)境等因素外，高度的影響也是十分顯著的。式中，——距地面觀測到的風速，m/s；——高度H的風速，m/s；——大約在0.1～0.4的系數，具體數值依據地表粗糙度進行選擇；——近似等于機艙中心高度，m。槳葉在轉動過程中，由于風速的不同，在槳葉上產生的力也不同，使槳葉產生垂直于風輪掃掠面的拍打振蕩，同時使傳動機構和塔架等產生受激振蕩，大大降低風力機的機械壽命，并會產生大量的噪音。特別是對風輪直徑已經上百米的大型風力機而言，這一問題更為突出。第四節(jié)風輪氣動功率調節(jié)氣動功率調節(jié)是風力發(fā)電機組的關鍵技術之一。風力發(fā)電機組在超過額定風速（一般為12～16m/s）以后，由于機械強度和發(fā)電機、變頻器容量等物理性能的限制，必須降低風輪的能量捕獲，使功率輸出保持在額定值附近，同時減小葉片承受載荷和整個風力機受到的沖擊，保證風力機不受損害。功率調節(jié)方式主要有定槳距失速調節(jié)、變槳距調節(jié)、主動失速調節(jié)三種方式，調節(jié)原理如圖2-7和圖2-8所示。圖2-8中，為軸向風速；為槳距角，槳葉回轉平面與槳葉截面弦長之間的夾角；為攻角，相對氣流速度與弦線間的夾角；F為作用在槳葉上的力，可以分解為、兩部分。其中與速度垂直，稱為驅動力，使槳葉旋轉；與速度平行，稱為推力，作用在塔架上。1.定槳距失速調節(jié)定槳距是指風輪的槳葉與輪轂剛性連接。當氣流流經上下翼面形狀不同的葉片時，因凸面的彎曲而使氣流加速，壓力較低，凹面較平緩而使氣流速度減緩，壓力較高，因而產生升力。如圖2-8（a）所示，槳距角不變，隨著風速增加攻角增大，分離區(qū)形成大的渦流，流動失去翼型效應，與未分離時相比，上下翼面壓力差減小，致使阻力增加，升力減小，造成葉片失速，從而限制了功率的增加。因此，定槳距失速控制沒有功率反饋系統(tǒng)和變槳距執(zhí)行機構，因而整機結構簡單，部件少，造價低，并具有較高的安全系數。但失速控制方式依賴于葉片獨特的翼型結構，葉片本身結構較復雜，成型工藝難度也較大，隨著功率增大，葉片加長，所承受的氣動推力大，使得葉片的剛度減弱，失速動態(tài)特性不易控制，所以很少使用在兆瓦級以上的大型風力發(fā)電機組控制上。圖2-7失速調節(jié)風力機風輪氣流特性(a)撕裂氣流(b)緊貼氣流(c)撕裂氣流（失速）圖2-8氣動功率調節(jié)原理圖(a)定槳距失速(b)變槳距(c)主動失速2.變槳距調節(jié)變槳距型風力發(fā)電機組能使風輪葉片的安裝角隨風速而變化，如圖2-8（b）所示，高于額定功率時，槳距角向迎風面積減小的方向轉動一個角度，相當于增大槳距角，減小攻角。變槳距調節(jié)的風力機在陣風時，塔架、葉片、基礎受到的沖擊較之失速調節(jié)型風力發(fā)電機組要小得多，可減小材料使用率，降低整機重量。它的缺點是：需要有一套比較復雜的變槳距調節(jié)機構，要求風力機的變槳距系統(tǒng)對陣風的響應速度足夠快，才能減輕由于風的波動引起的功率脈動。3.主動失速調節(jié)主動失速調節(jié)方式是前兩種功率調節(jié)方式的組合，如圖2-8（c）所示。在低風速時，采用變槳距調節(jié)，可達到更高的氣動效率。風力機達到額定功率后，使槳距角向減小的方向轉過一個角度，相應的攻角增大，使葉片失速效應加深，從而限制風能的捕獲。這種調節(jié)方式不需要很靈敏的調節(jié)速度，執(zhí)行機構的功率相對減小。典型風輪葉片及風力機葉型疊合圖如圖2-9所示。即高速采用定槳距調節(jié)方式，低速采用變槳距調節(jié)方式。（a）(b)圖2-9典型風輪葉片及風力機型疊合圖(a)典型風輪葉片(b)風力機葉型疊合圖第三章風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)是機組正常運行的核心，其控制技術是風力發(fā)電機組的關鍵技術之一，與風力發(fā)電機組的其他部分關系密切，其精確的控制、完善的功能將直接影響機組的安全與效率。我國風力發(fā)電事業(yè)還處于起步階段，控制技術與國外先進技術有很大差距，這也是風電成本比國外高很多的主要原因。因此，有必要對風力發(fā)電機組的控制技術進行深入研究。目前我國已成功開發(fā)并掌握了中小型風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)這一關鍵技術，目前有待解決的是大型兆瓦級風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的國產化。第一節(jié)風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)貫穿到風力機的每個部分，相當于風力發(fā)電系統(tǒng)的神經。因此控制系統(tǒng)的好壞直接關系到風力機的工作狀態(tài)、發(fā)電量的多少以及設備的安全。目前風力發(fā)電有待解決的兩個問題是：發(fā)電效率和發(fā)電質量。這兩個問題都和風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)密切相關。對此，國內外學者進行了大量的探索和研究，現(xiàn)代控制技術和電力電子技術的發(fā)展為風電控制系統(tǒng)的研究提供了技術基礎。對于不同類型的風力機，控制單元有所不同，但主要是因為發(fā)電機的結構或類型不同而使得控制方法不同，從而形成多種結構和控制方案。在大多數情況下，風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行機構和軟/硬件處理器系統(tǒng)組成，其中處理器系統(tǒng)負責處理傳感器輸入信號，并發(fā)出輸出信號控制執(zhí)行機構的動作。例如，傳感器一般包括如下裝置：（1）風速儀；（2）風向標；（3）轉速傳感器；（4）電量采集傳感器；（5）槳距角位置傳感器；（6）各種限位開關；（7）振動傳感器；（8）溫度和油位指示器；（9）液壓系統(tǒng)壓力傳感器；（10）操作開關、按鈕等。執(zhí)行機構一般包括液壓驅動裝置或電動變槳局執(zhí)行機構、發(fā)電機轉矩控制器、發(fā)電機接觸器、剎車裝置和偏航電機等。處理器系統(tǒng)通常由計算機或微型控制器和可靠性高的硬件安全鏈組成，以實現(xiàn)風機運行過程中的各種控制功能，同時必須滿足當嚴重事故發(fā)生時，能夠保障風力發(fā)電機組處于安全的狀態(tài)。風力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標分為三個層次，即保證風力發(fā)電機組安全可靠運行、獲取最大能量和提供高質量的電能?？刂葡到y(tǒng)主要由各種傳感器、變距系統(tǒng)、主控制器、功率輸出單元、無功補償單元、并網控制單元、安全保護單元、通信接口電路、監(jiān)控單元等組成。具體控制內容有信號的數據采集和處置、自動解纜、并網和解列控制、停機制動控制、安全保護系統(tǒng)、就地監(jiān)控、遠程監(jiān)控等。不同類型的風力機控制單元的組成有所不同，但發(fā)電機組多采用的控制系統(tǒng)結構示意圖如圖3-1所示。圖3-1風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)結構示意圖針對上述結構，目前絕大多數風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)都采用集散型或稱分布式控制系統(tǒng)（DCS）工業(yè)控制計算機。采用分布式控制最大優(yōu)點是許多控制功能模塊可以直接布置在控制對象的位置。就地進行采集、控制、處理，避免了各類傳感器、信號線與主控制器之間的連接。同時DCS現(xiàn)場適應性強，便于控制程序現(xiàn)場調試及在機組運行時刻隨時修改控制參數，并與其他功能模塊保持通信，發(fā)出各種控制指令。目前計算機技術突飛猛進，更多新的技術被應用到了DCS之中。PLC是一種針對順序邏輯控制發(fā)展起來的電子設備，由于其功能強大，很多廠家已開始采用PLC構成控制系統(tǒng)。20世紀90年代中期以后現(xiàn)場總線技術（FCS）發(fā)展迅速，可以斷定，基于現(xiàn)場總線的FCS將取代DCS成為控制系統(tǒng)的主角。第二節(jié)風力發(fā)電機組的基本控制要求控制與安全系統(tǒng)是風力發(fā)電機組安全運行的大腦指揮中心，控制系統(tǒng)的安全運行保證了機組安全運行，通常風力發(fā)電機組運行所涉及的內容相當廣泛，就運行工況而言，包括起動、停機、功率調解、變速控制和事故處理等方面的內容。一、風力發(fā)電機組的控制思想我國風電場運行的機組多數以定槳距失速型機組為主，所謂失速型風力發(fā)電機組就是當風速超過風力發(fā)電機組額定風速時，為確保風力發(fā)電機組功率輸出不再增加，導致風力發(fā)電機組過載，通過空氣動力學的失速特性，使葉片發(fā)生失速，從而控制風力發(fā)電機組的功率輸出。定槳距失速型風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)控制思想和控制原則以安全運行控制技術要求為主，功率控制由葉片的失速特性來完成。風力發(fā)電機組的正常運行及安全性取決于先進的控制策略和優(yōu)越的保護功能?？刂葡到y(tǒng)應以主動或被動的方式控制機組的運行，使系統(tǒng)運行在安全允許的規(guī)定范圍內，且各項參數保持在正常工作范圍內，控制系統(tǒng)可以控制的功能和參數包括功率極限、風輪轉速、電氣負載的連接、起動及停機過程、電網或負載丟失時的停機、扭纜扭纜和繞纜應該是一樣的，是機組在運行過程中不斷對風的過程中造成的電纜纏繞，需要在纏繞到一定程度進行解順電纜。限制、機艙時風、運行時電量和溫度參數的限制。如風力發(fā)電機組的工作風速是采用BIN法計算出10min的平均值，從而確定小風脫網風速和大風切出風速，其中每個參數的極限控制均采用回差法，上行點和下行點不同，視實際運行情況而定。對于變槳距風力發(fā)電機組與定槳距恒速型風力發(fā)電機組控制方法略有不同，即功率調節(jié)方式不同，它采用變槳距方式改變風輪能量的捕獲，從而使風力發(fā)電機組的輸出功率發(fā)生變化，最終達到限制功率輸出的目的。扭纜和繞纜應該是一樣的，是機組在運行過程中不斷對風的過程中造成的電纜纏繞，需要在纏繞到一定程度進行解順電纜。保護環(huán)節(jié)應以失效保護為原則進行設計，即當控制失敗，風力發(fā)電機組內部或外部故障引起機組不能正常運行時，系統(tǒng)安全保護裝置動作，保護風力發(fā)電機組處于安全狀態(tài)。引起控制系統(tǒng)自動執(zhí)行保護功能的情況有：超速、發(fā)電機過載和故障、過振動、電網或負載丟失、脫網時的停機失敗等。保護環(huán)節(jié)為多級安全鏈互鎖，在控制過程中具有“邏輯與”的功能，而在達到控制目標方面可實現(xiàn)“邏輯或”的結果。此外，系統(tǒng)還設計了防雷裝置，對主電路和控制電路分別進行防雷保護?？刂凭€路中每一電源盒信號輸入端均設有防高壓元件，主控柜設有良好的接地并提供簡單而有效的疏雷通道。二、風力發(fā)電機組安全運行的基本條件風力發(fā)電機組在起停過程中，機組各部件將受到劇烈的機械應力的變化，而對安全運行起決定因素的是風速變化引起的轉速的變化，所以轉速的控制是機組安全運行的關鍵。風力發(fā)電機組的運行是一項復雜的操作，涉及的問題很多，如風速的變化、轉速的變化、溫度的變化、振動等都是直接威脅風力發(fā)電機組的安全運行。1.控制系統(tǒng)安全運行的必備條件（1）風力發(fā)電機組的開關線側相序必須與并網電網相序一致，電壓標稱值相等，三相電壓平衡。（2）風力發(fā)電機組安全鏈系統(tǒng)硬件運行正常。（3）調向系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，風速儀和風向標處于正常運行的狀態(tài)。（4）制動和控制系統(tǒng)液壓裝置的油壓、油溫和油位在規(guī)定范圍內。（5）齒輪箱油位和油溫在正常范圍內。（6）各項保護裝置均在正常位置，并且保護值均與批準設定的值相符。（7）各控制電源處于接通位置。（8）監(jiān)控系統(tǒng)顯示正常運行狀態(tài)。（9）在寒冷和潮濕地區(qū)，停止運行一個月以上的風力發(fā)電機組投入運行前應檢查絕緣裝置，合格后才允許起動。（10）經維修的風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)在投入起動前，應辦理工作票終結手續(xù)。2.風力發(fā)電機組工作參數的安全運行范圍（1）風速自然界風的變化時隨機的沒有規(guī)律的，當風速在3-25m/s的規(guī)定工作范圍時，只對風力發(fā)電機組的發(fā)電有影響，當風速變化率較大且風速超過25m/s以上時，則會對機組的安全性產生威脅。（2）轉速風力發(fā)電機組的風輪轉速通常低于40r/min，發(fā)電機的最高轉速不超過額定轉速的30%，不同型號的機組數字不同。當風力發(fā)電機組超速時，對機組的安全性將產生嚴重威脅。（3）功率在額定風速以下時，不作功率調節(jié)控制，只有在額定風速以上應作限制最大功率的控制，通常運行安全最大功率不允許超過設計值的20%。（4）溫度運行中風機的各部件運轉將會引起升溫，通常控制器環(huán)境溫度應為0-30度，齒輪箱油溫小于120度，發(fā)電機溫度小于150度，傳動等環(huán)節(jié)溫度小于70度。（5）電壓發(fā)電電壓允許的范圍在設計值的10%，當瞬間值超過額定值的30%時，視為系統(tǒng)故障。（6）頻率風力機組的發(fā)電頻率限制在（50±1）Hz，否則視為系統(tǒng)故障。（7）壓力機組的許多執(zhí)行機構由液壓執(zhí)行機構完成，所以各液壓站系統(tǒng)的壓力必須監(jiān)控，由壓力開關設計額定值來確定，通常低于100Mpa。3.系統(tǒng)的接地保護安全要求（1）配電設備接地，變壓器、開關設備和互感器外殼、配電柜、控制保護盤、金屬構架、防雷設施及電纜頭等設備必須接地。（2）塔筒與地基接地裝置，接地體應水平敷設。塔內和地基的角鋼基礎及支架要用截面25mm×4mm的扁鋼相連作接地干線，塔筒做一組，地基做一組，兩者焊接相連形成接地網。（3）接地網形式以閉合環(huán)型為好，當接地電阻不滿足要求時，克服架外引式接地體。（4）接地體的外緣應閉合，外緣各角要做成圓弧形，其半徑不宜小于均壓帶間距的一半，埋設深度應不小于0.6m，并敷設水平均壓帶。（5）變壓器中性點的工作接地和保護接線，要分別與人工接地網連接。（6）避雷線宜設單獨的接地裝置。（7）整個接地網的接地電阻應小于4Ω。（8）電纜線路的接地電纜絕緣損壞時，在電纜的外皮、鎧甲及接線頭盒均可帶電，要求必須接地。（9）如果電纜在地下鋪設，兩端都應接地。低壓電纜除在潮濕的環(huán)境需接地外，其他正常環(huán)境下不必接地。高壓電纜任何情況都應接地。三、自動運行的控制要求（1）開機并網控制。當風速10min平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內，機械閘松開，葉尖復位，風力作用于風輪旋轉平面上，風力發(fā)電機組慢慢起動，當發(fā)電機轉速大于20%的額定轉速持續(xù)5min，轉速仍達不到額定轉速的60%，發(fā)電機進入電網軟拖動狀態(tài)，軟拖方式視機組型號而定。正常情況下，風力發(fā)電機組轉速連續(xù)增高，不必軟拖增速，當轉速達到軟切轉速時，風力發(fā)電機組進入軟切入狀態(tài)；當轉速升到發(fā)電機同步轉速時，旁路主接觸器動作，機組并入電網運行。對于有大、小發(fā)電機的失速型風力發(fā)電機組，按風速范圍和功率的大小確定大、小電機的投入。大電機和小電機的發(fā)電工作轉速不一致，通常為1500r/min和1000r/min，在小電機脫網、大電機并網的切換過程中，要求嚴格控制，通常必須在幾秒內完成控制。（2）小風和逆功率脫網。小風和逆功率脫網是將風力發(fā)電機組停在待風狀態(tài)，當平均風速小于小風脫網風速達到10min或發(fā)電機輸出功率負到一定值后，風力發(fā)電機組不允許長期在電網運行，必須脫網，處于自由狀態(tài)，風力發(fā)電機組靠自身的摩擦阻力緩慢停機，進入待風狀態(tài)。當風速再次上升，風力發(fā)電機組又可自動旋轉起來，達到并網轉速，風力發(fā)電機組又投入并網運行。（3）普通故障脫網停機。機組運行時發(fā)生參數越限、狀態(tài)異常等普通故障后，風力發(fā)電機組進入氣動剎車，軟脫網，待低速軸轉速低于一定值后，再抱機械閘，如果是由于內部因素產生的可恢復故障，計算機可自行處理，無需維護人員到現(xiàn)場，即可恢復正常開機。（4）緊急故障脫網停機。當系統(tǒng)發(fā)生緊急故障，如風力發(fā)電機組發(fā)生飛車、超速、振動及負載丟失等故障時，風力發(fā)電機組進入緊急停機程序，機組投入氣動剎車的同時執(zhí)行90度偏航控制，機艙旋轉偏離主風向，轉速達到一定限制后脫網，低速軸轉速小于一定之后，抱機械閘。（5）安全鏈動作停機。安全鏈動作停機指電控制系統(tǒng)軟保護控制失敗時，為安全起見所采取的硬性停機，葉尖氣動剎車、機械剎車和脫網同時動作，風力發(fā)電機組在幾秒鐘的時間內停下來。（6）大風脫網控制。當風速平均值大于25m/s達到10min時，風力發(fā)電機組可能出現(xiàn)超速和過載，為了機組的安全，這時風力發(fā)電機組必須進行大風脫網停機。風力發(fā)電機組先投入氣動剎車，同時偏航90度，等功率下降后脫網，20s后或者低速軸轉速小于一定值時，抱機械閘，風力發(fā)電機組完全停止。當風速回到工作風速區(qū)后，風力發(fā)電機組開始恢復自動對風，待轉速上升后，風力發(fā)電機組又重新開始自動并網運行。（7）對風控制。風力發(fā)電機組在工作風速區(qū)時，應根據機艙的控制靈敏度，確定每次偏航的調整角度。用兩種方法判定機艙與風向的偏離角度，根據偏離的程度和風向傳感器的靈敏度，時刻調整機艙偏左和偏右的角度。（8）偏轉90度對風控制。風力發(fā)電機組在大風速或超轉速工作時，為了風力發(fā)電機組的安全停機，必須降低風力發(fā)電機組的功率，釋放風輪的能量。當平均風速大于25m/s達到10min時或風力發(fā)電機組轉速大于轉速超速上限時，風力發(fā)電機組作偏轉90度控制，同時投入氣動剎車，脫網，轉速降下來后，抱機械閘停機。在大風期間實行90度跟風控制，以保證機組大風期間的安全。（9）功率調節(jié)。當風力發(fā)電機組在額定風速以上并網運行時，對于失速型風力發(fā)電機組由于葉片的失速特性，發(fā)電機的功率不會超過額定功率的15%。一旦發(fā)生過載，必須脫網停機。對于變槳距風力發(fā)電機組，必須進行變槳距調節(jié)，以減小風輪的捕風能力，以便達到調節(jié)功率的目的，通常槳距角的調節(jié)范圍為-2度到86度。（10）軟切入控制。風力發(fā)電機組在進入電網運行時，必須進行軟切入控制，當機組脫離電網運行時，也必須進行軟脫網控制。利用軟并網裝置可完成軟切入/軟切出的控制。通常軟并網裝置主要由大功率晶閘管和有關控制驅動電路組成。控制目的就是通過不斷監(jiān)測機組的三相電流和發(fā)電機的運行狀態(tài)，限制軟切入裝置通過控制主回路晶閘管的導通角，以控制發(fā)電機的端電壓，達到限制起動電流的目的。在電機轉速接近同步轉速時，旁路接觸器動作，將主回路晶閘管斷開，軟切入過程結束，軟并網成功。通常限制軟切入電流為額定電流的1.5倍。四、控制保護要求（1）主電路保護在變壓器低壓側三相四線進線處設置低壓配電低壓斷路器，以實現(xiàn)機組電氣元件的維護操作安全和短路過載保護，該低壓配電低壓斷路器還配有分動脫扣和輔助觸點。（2）過電壓、過電流保護主電路計算機電源進線端、控制變壓器進線端和有關伺服電動機進線端，均設置過電壓、過電流保護措施。（3）防雷設施及熔絲主避雷器與熔絲，合理可靠的接地線為系統(tǒng)主避雷保護，同時控制系統(tǒng)由專門設計的防雷保護裝置。（4）熱繼電保護運行的所有輸出運轉機構如發(fā)電機、電動機、各傳動機構的過熱、過載保護控制裝置。（5）接地保護由于設備因絕緣破壞或其他原因可能引起出現(xiàn)危險電壓的金屬部分，均應實現(xiàn)保護接地。第三節(jié)風力發(fā)電機組控制技術發(fā)展趨勢一、風力發(fā)電機組控制技術發(fā)展現(xiàn)狀20世紀80年代中期——定槳距恒速風力發(fā)電機組已解決的問題：軟并網技術、空氣動力剎車技術、偏航與自動解纜技術。存在的問題：低風速運行時風能轉換效率低。為解決該問題，引入雙速風力發(fā)電機組，將發(fā)電機分別設計成4極和6極。20世紀90年代——變槳距變速風力發(fā)電機組特點：低于額定風速時，它能跟蹤最佳功率曲線，使風力發(fā)電機組具有最高的風能轉換效率；高于額定風速時，它增加了傳動系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加穩(wěn)定。特別是解決了高次諧波與功率因素等問題后，使供電效率、質量有所提高。目前的控制方法為：當風速變化時通過調節(jié)發(fā)電機電磁力矩或風力機槳距角使葉尖速比保持最佳值，實現(xiàn)風能的最大捕獲。二、發(fā)展趨勢1.變槳距調節(jié)取代定槳距失速調節(jié)定槳距失速調節(jié)型風機是利用槳葉翼型本身的失速特性，即風速高于額定風速時，氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉表面產生氣流分離，降低效率，從而達到限制功率的目的。優(yōu)點是：調節(jié)可靠，控制簡單；缺點是：槳葉等主要部件受力大，輸出功率隨風速的變化而變化。這種技術主要應用在幾百千瓦的中小型風力發(fā)電機組上。變槳距調節(jié)型風機是通過變槳距調節(jié)，使風輪機葉片的安裝角隨風速的變化而變化，氣流的攻角在風速變化時可保持在一個比較合理的范圍內，從而有可能在很大的風速范圍內保持較好的空氣動力學特性，獲得較高的效率。特別當風速在大于額定風速條件下，變槳距風力機的起動風速較定槳距風力機的起動風速低，停機時傳動機械的沖擊應力相對緩和。優(yōu)點：結構輕巧、變速性好及運輸起吊難度小等，是大容量風力發(fā)電機組的發(fā)展方向。2.變速運行方式將迅速取代恒速運行方式恒速運行方式風力發(fā)電機組采用雙繞組（4/6）極結構的異步發(fā)電機，雙速運行，高速時——4極電機工作（高風速段），低速時——6極電機工作（低風速段）。優(yōu)點：風力機控制簡單，可靠性好；缺點：由于轉速基本恒定，風速經常變化，風能利用系數低，風能不能充分利用。變速運行方式的風力發(fā)電機組一般采用雙饋異步發(fā)電機或多極同步發(fā)電機。雙饋機轉子側通過功率變換器一般為雙PWM交直交變換器連接到電網，能量可以雙向流動。多級同步發(fā)電機的定子側通過功率變換器連接到電網，該功率變換器的容量要不小于電機的容量。變速恒頻運行方式的優(yōu)點是可最大范圍內調節(jié)運行轉速，來適應因風速變化而引起的風力機功率的變化，可以最大限度的吸收風能，效率高，控制靈活，可較好的調節(jié)系統(tǒng)的有功功率、無功功率，但控制系統(tǒng)較為復雜。常用的變速恒頻風力發(fā)電機組主要有：（1）異步感應發(fā)電機圖3-2通過晶閘管控制的軟并網裝置接入電網，并網沖擊電流較大。另外需要電容無功補償裝置、控制電路簡單。各大風力發(fā)電制造商如Vestas、NEG、Micon、Nordex等都生產此類產品。圖3-2異步感應發(fā)電機（2）繞線轉子異步發(fā)電機如圖3-3所示，對于繞線轉子異步發(fā)電機可以采用功率輔助調節(jié)方式，即轉子電流控制（RCC）方式來配合變槳距結構，共同完成發(fā)電機輸出功率的調節(jié)。繞線轉子輸入由電力電子裝置控制的發(fā)電機轉子電流，可以加大異步發(fā)電機轉差率（可達到10%），使得發(fā)電機在較大的轉速范圍內向電網送電，以提高異步發(fā)電機的風能利用率。圖3-3繞線轉子異步發(fā)電機（3）雙饋發(fā)電機圖3-4雙饋感應發(fā)電機雙饋發(fā)電機的結構類似于繞線式感應電機，定子繞組也有具有固定頻率的對稱三根電源激勵，所不同的是轉子繞組具有可調節(jié)頻率的三相電源激勵，一般采用交-交變頻器或交—直—交變頻器供以低頻電流。如圖3-4所示。雙饋電機勵磁可調量有3個：①可以調節(jié)勵磁電流的幅值；②可以改變勵磁電流的頻率；③可以改變勵磁電流的相位。雙饋電機控制系統(tǒng)通過變頻器控制器對逆變電路小功率器件的控制，可以改變雙饋發(fā)電機轉子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，達到調節(jié)其轉速、有功功率和無功功率的目的，既提高了機組的效率又對電網起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的作用。雙饋電機控制簡要框圖如圖3-5所示。圖3-5雙饋電機控制簡圖4.永磁直驅同步發(fā)電機永磁直驅同步發(fā)電機的系統(tǒng)的結構示意圖如圖3-6所示。圖3-6永磁直驅同步風力發(fā)電機組優(yōu)點：發(fā)電機發(fā)出電能的頻率、電壓、電功率都是隨著風速的變化而變化的，這樣有利于最大限度地利用風能資源。缺點：對永磁材料的穩(wěn)定性要求高，電機重量增加，另外，IGBT逆變器容量較大，一般選發(fā)電機額定功率的120%以上。雙饋性風力發(fā)電機組與永磁直驅風力發(fā)電機組的綜合比較見P28的表3-1。第四章典型風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)結構第一節(jié)定槳距風力發(fā)電機組的特點一、定槳距風力機組的結構特點1.風輪結構定槳距風力發(fā)電機組的主要結構特點:槳葉與輪轂的連接是固定的，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。這一特點給定槳距風力發(fā)電機組提出了兩個必須解決的問題：一是當風速高于風輪的設計點風速即額定風速時，槳葉必須能夠自動地將功率限制在額定值附近，因為風力機上所有材料的物理性能是有限度的，槳葉的這一特性稱為自動失速性能；二是運行中的風力發(fā)電機組在突然失去電網（或突甩負載）的情況下，槳葉自身必須具備制動能力，使風力發(fā)電機組能夠在大風情況下安全停機。2.槳葉的失速調節(jié)原理當氣流流經上下翼面形狀不同的葉片時，因凸面的彎曲而使氣流加速，壓力較低，凹面相比較平緩，氣流速度緩慢，壓力較高，因而產生升力。槳葉的失速性能是指它在最大升力系數Cmax附近的性能。當槳葉的安裝角β不變，隨著風速增加攻角i增大，升力系數Cl線性增大；在接近Clmax時，增加變緩，達到Clmax后開始減小。另一方面，阻力系數Cd初期不斷增大；在升力開始減小時，Cd繼續(xù)增大，這是由于氣流在葉片上的分離隨攻角的增大而增大，分離區(qū)形成大的渦流，流動失去翼型效應，與未分離時相比，上下翼面壓力差減小，致使阻力激增，升力減小，造成葉片失速，從而限制了功率的增加。失速調節(jié)葉片的攻角沿軸向由根部向葉尖逐漸減小，因而根部葉面先進入失速，隨風速增大，失速部分向葉尖片擴展，原先已失速的部分，失速程度加深，未失速的部分逐漸進入失速區(qū)。失速部分使功率減小，未失速部分仍有功率增加。從而使輸入功率保持在額定功率附近。3.葉尖擾流器由于風力機風輪巨大的轉動慣量，如果風輪自身不具備有效的制動能力，在高風速下要求脫網停機是不可想象的。早年的風力發(fā)電機組正是不能解決這一問題，使災難性的飛車事故不斷發(fā)生。目前所有的定槳距風力發(fā)電機組均采用了葉尖擾流器的設計。葉尖擾流器的結構如圖4-2所示。當風力機正常運行時，在液壓系統(tǒng)的作用下，葉尖擾流器與槳葉主體部分精密地合為一體，組成完整的槳葉。當風力機需要脫網停機時，液壓系統(tǒng)按控制指令將葉尖擾流器釋放并使之旋轉80度到90度形成阻尼板，由于葉尖部分處于距離軸的最遠點，整個葉片作為一個長的杠桿，使葉尖擾流器產生的氣動阻力相當高，足以使風力機在幾乎沒有任何磨損的情況下進行迅速減速，這一過程即為槳葉空氣動力剎車。葉尖擾流器是風力發(fā)電機組的主要制動器，每次制動時都是它起主要作用。在風輪旋轉時，作用在葉尖擾流器上的離心力和彈簧力會使葉尖擾流器力圖脫離槳葉主體轉動到制動位置；而液壓力的釋放，不論是由于控制系統(tǒng)是正常指令，還是液壓系統(tǒng)的故障引起，都將導致擾流器展開從而使風輪停止運行。因此，空氣動力剎車是一種失效保護裝置，它使整個風力發(fā)電機組的制動系統(tǒng)具有很高的可靠性。4.空氣動力剎車空氣動力剎車系統(tǒng)常用于失速控制型機組安全保護系統(tǒng)，安裝在葉片上，與變距系統(tǒng)不同，它主要是限制風輪的轉速，并不能使風輪完全停止轉動，而是使其轉速限定在允許的范圍內。這種空氣動力剎車系統(tǒng)一般采用失效—安全型設計原則，即在風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)正常工作時，空氣動力剎車系統(tǒng)才可以恢復到機組的正常運行位置，機組可以正常投入運行；一旦風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)或安全系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則空氣動力剎車系統(tǒng)立即起動，使機組安全停機。葉片空氣動力剎車主要通過葉片形狀的改變使氣流受阻礙，如葉片部分旋轉大約90度，主要是葉尖部分旋轉，產生阻力，使風輪轉速下降，如圖4-3、4-4所示，空氣動力剎車系統(tǒng)的正常運行位置和剎車位置。使葉片空氣動力剎車部分維持在正常位置需要克服葉尖部分的離心力，這一部分動力通常由液壓系統(tǒng)提供。葉片空氣動力剎車有的也采用降落傘或在葉片的工作面或非工作面加裝阻流板達到空氣動力剎車的目的。空氣動力剎車系統(tǒng)作為第二個安全系統(tǒng)，常通過超速時的離心力起作用?？諝鈩恿x車可以是主動式或被動式的。主動式空氣動力剎車系統(tǒng)在轉速下降停機后，空氣動力剎車部分借助控制系統(tǒng)能自動復位；而被動式空氣動力剎車系統(tǒng)一般需要人工進行復位。早期風力發(fā)電機組有采用被動式結構的，大型風力發(fā)電機組很少采用。5.雙速發(fā)電機事實上，定槳距風力發(fā)電機組還存在在低風速運行時的效率問題。在整個運行風速范圍內（3m/s<v<25m/s）由于氣流的速度是在不斷變化的，如果風力機的轉速不能隨風速的變化而調整，這就必然要使風輪在低風速時的效率降低（而設計低風速時效率過高，會使槳葉過早進入失速狀態(tài)）。同時發(fā)電機本身也存在低負荷時的效率問題，盡管目前用于風力發(fā)電機組的發(fā)電機已能設計的非常理想，它們在P>30%額定功率范圍內，均有高于90%的效率，但當P<25%額定功率時，效率仍然會急劇下降。為了解決上述問題，定槳距風力發(fā)電機組普遍采用雙速發(fā)電機，分別設計成4極和6極。一般6極發(fā)電機的額定功率設計成4極發(fā)電機的1/50~1/4，例如600kW定槳距風力發(fā)電機組一般設計成6極150kW和4極600kW；750kW風力發(fā)電機組設計成6極200kW和4極750kW。采用雙速發(fā)電機的風力發(fā)電機組輸出功率曲線如圖4-5所示。6.功率輸出根據風能轉換的原理，風力發(fā)電機組的功率輸出主要取決于風速，但除此以外，氣壓、氣溫和氣流擾動等因素也顯著地影響其功率輸出。因為定槳距葉片的功率曲線是在空氣的標準狀態(tài)下測出的，當氣壓與氣溫變化時，密度會跟著變化，一般當溫度變化±10%，相應的空氣密度變化±4%。而槳葉的失速性能只與風速有關，只要達到了葉片氣動外形所決定的失速調節(jié)風速，不論是否滿足輸出功率，槳葉的失速性能都要起到作用，影響功率輸出。因此，當氣溫升高，空氣密度就會降低，相應的功率輸出就會減小，反之，功率輸出就會增大如圖4-6所示。對于一臺750kW容量的定槳距風力發(fā)電機組，最大的功率輸出可能會出現(xiàn)30~50kW的偏差。因此，在冬季與夏季，應對槳葉的安裝角各做一次調整。為解決這一問題，近年來定槳距風力發(fā)電機組制造商又研制了主動失速型定槳距風力發(fā)電機組。采取主動失速的風力機開機時，將槳葉節(jié)距推進到可獲得最大功率位置，當風力發(fā)電機組超過額定功率后，槳葉節(jié)距主動失速方向調節(jié)，將功率調整在額定值上。由于功率曲線在失速范圍內的變化率比失速前要低的多，控制相對容易，輸出功率也更加平穩(wěn)。7.節(jié)距角與額定轉速的設定對功率輸出的影響定槳距風力發(fā)電機組的槳葉節(jié)距角和轉速都是固定不變的，這一限制使得風力發(fā)電機組的功率曲線上只有一點具有最大功率系數，這一點對應于某一個葉尖速比。當風速變化時，功率系數也隨之改變。而要在變化的風速下保持最大功率系數，必須保持轉速與風速之比不變，也就是說，風力發(fā)電機組的轉速要能夠跟隨風速的變化。對同樣直徑的風輪驅動的風力發(fā)電機組，其發(fā)電機額定轉速可以有很大變化，而額定轉速較低的發(fā)電機在低風速具有較高的功率系數；額定轉速較高的發(fā)電機在高風速時具有較高的功率系數，這就是采用雙速發(fā)電機的根據。需要說明的是，額定轉速并不是按在額定風速時具有最大的功率系數設定的。因為風力發(fā)電機組與一般發(fā)電機組不一樣，它并不是經常運行在額定風速點上，并且功率與風速的三次方成正比，只要風速超過額定風速，功率就會顯著上升，這對于定槳距風力發(fā)電機組來說是根本無法控制的。事實上，定槳距風力發(fā)電機組早在風速達到額定值以前就已開始失速了，到額定點時的功率系數已相當小，如圖4-7所示。另一方面，改變槳葉節(jié)距角的設定，也顯著影響額定功率的輸出。根據定槳距風力機的特點，應當盡量提高低風速時的功率系數和考慮高風速時的失速性能。為此需要了解槳葉節(jié)距角對風力機輸出功率的影響。圖4-8是一組200KW風力發(fā)電機組的功率曲線。無論從實際測量還是理論計算所得的功率曲線都可以說明，定槳距風力發(fā)電機組在額定風速以下運行時，在低風速區(qū)，不同的節(jié)距角所對應的功率曲線幾乎是重合的。但在高風速區(qū)，節(jié)距角的變化對其最大輸出功率（額定功率點）的影響是十分明顯的。事實上，調整槳葉的節(jié)距角，只是改變了槳葉對氣流的失速點。根據實驗結果，節(jié)距角越小，氣流對槳葉的失速點越高，其最大輸出功率也越高。這就是定槳距風力機可以在不同的空氣密度下調整槳葉安裝角的根據。二、定槳距風力發(fā)電機組的基本運行過程1.待機狀態(tài)當風速v>3m/s,但不足以將風力發(fā)電機組拖動到切入的速度，或者風力發(fā)電機組從小功率（逆功率）狀態(tài)切出，沒有重新并入電網，這時的風力機處于自由轉動狀態(tài)，稱為待機狀態(tài)。待機狀態(tài)除了發(fā)電機沒有并入電網，機組實際上已處于工作狀態(tài)。這時控制系統(tǒng)已做好切入電網的一切準備；機械剎車已松開；葉尖阻尼板已收回；風輪處于迎風狀態(tài)；液壓系統(tǒng)的壓力保持在設定值上。風況、電網和機組的所有狀態(tài)參數均在控制系統(tǒng)檢測之中，一旦風速增大，轉速升高，發(fā)電機即可并入電網。2.風力發(fā)電機組的自起動風力發(fā)電機組的自起動是指風輪在自然風速的作用下，不依靠其他外力的協(xié)助，將發(fā)電機拖動到額定轉速。早期的定槳距風力發(fā)電機組不具有自起動能力，風輪的起動是在發(fā)電機的協(xié)助下完成的，這時發(fā)電機作電動機運行，通常稱為電動機起動（Motorstart）。直到現(xiàn)在，絕大多數定槳距風力機仍具備Motorstart的功能。由于槳葉氣動性能的不斷改進，目前絕大多數風力發(fā)電機組的風輪具有良好的自起動性能。一般在風速v>4m/s的3.自起動的條件正常起動前10min，風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)對電網、風況和機組的狀態(tài)進行檢測。這些狀態(tài)必需滿足以下條件：（1）電網。1）連續(xù)10min電網沒有出現(xiàn)過電壓、低電壓；2）電網電壓0.1s內跌落值均小于設定值；3）電網頻率在設定范圍之內；4）沒有出現(xiàn)三相不平衡等現(xiàn)象。（2）風況。連續(xù)10min風速在風力發(fā)電機組運行風速的范圍內（3m/s<v<25m/s）。（3）機組。機組本身至少應具備以下條件：1）發(fā)電機溫度、增速器油溫應在設定值范圍以內；2）液壓系統(tǒng)所有部位的壓力都在設定值；3）液壓油位和齒輪潤滑油位正常；4）制動器摩擦片正常；5）扭纜開關復位；6）控制系統(tǒng)DC24V、AC24V、DC5V、DC±15V電源正常；7）非正常停機后顯示的所有故障均已排除；8）維護開關在運行位置。上述條件滿足時，按控制程序機組開始執(zhí)行“風輪對風”與“制動解除”指令。（4）風輪對風。當風速傳感器測得10min平均風速v>3m/s時，控制器允許風輪對風。偏航角度通過風向儀測定。當風力機向左或右偏離確定風向時，需延遲10s后才執(zhí)行向左或向右偏航。以避免在風向擾動情況下的頻繁起動。釋放偏航剎車1s后，偏航電動機根據指令執(zhí)行左右偏航；偏航停止時，偏航剎車投入。（5）制動解除。當自起動的條件滿足時，控制葉尖擾流器的電磁閥打開，壓力油進入槳葉液壓缸，擾流器被收回與槳葉主體合為一體?？刂破魇盏饺~尖擾流器已回收的反饋信號后，壓力油的另一路進入機械盤式制動器液壓缸，松開盤式制動器。第二節(jié)定槳距風力發(fā)電機組的基本控制要求一、控制系統(tǒng)的基本功能并網運行的風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)必須具備以下功能：（1）根據風速信號自動進入起動狀態(tài)或從電網切出。（2）根據功率及風速大小自動進行轉速和功率控制。（3）根據風向信號自動對風。（4）根據功率因素自動投入（或切出）相應的補償電容。（5）當發(fā)電機脫網時，能夠保機組安全停機。（6）在機組運行過程中，能對電網、風況和機組的運行狀況進行檢測和記錄，對出現(xiàn)的異常情況能夠自行判斷并采取相應的保護措施，并能夠根據記錄的數據生成各種圖表，以反映風力發(fā)電機組的各項性能指標。（7）對在風電場中運行的風力發(fā)電機組還應具備遠程通信的功能。二、運行過程中的主要參數檢測（一）電力參數監(jiān)測風力發(fā)電機組需要持續(xù)監(jiān)測的電力參數包括電網三相電壓、發(fā)電機輸出的三相電流、電網頻率、發(fā)電機功率因素等。這些參數無論風力發(fā)電機組是處于并網狀態(tài)還是脫網狀態(tài)都被監(jiān)測，用于判斷風力發(fā)電機組的起動條件、工作狀態(tài)及故障情況，還用于統(tǒng)計風力發(fā)電機組的有功功率、無功功率和總發(fā)電量。此外，還根據電力參數，主要是發(fā)電機有功功率和功率因素來確定補償電容的投入與切出。1.電壓測量（1）電網沖擊相電壓超過450V，0.2s。（2）過電壓相電壓超過433V，50s。（3）低電壓相電壓低于329V,50s。（4）電網電壓跌落相電壓低于260V,0.1s。（5）相序故障。對電壓故障要求反映較快。在主電路中沒有過電壓保護，其動作設定值可參考沖擊電壓整定保護值。發(fā)生電壓故障時風力發(fā)電機組必須退出電網，一般采取正常停機，而后根據情況進行處理。電壓測量值經平均值算法處理后可用于計算機組的功率和發(fā)電量的計算。2.電流測量關于電流的故障有：（1）電流跌落0.1s內一相電流跌落80%。（2）三相不對稱三相中有一相電流與其他兩相相差過大，相電流相差25%，或在平均電流低于50A時，相電流相差50%。（3）晶閘管故障軟啟動期間，某相電流大于額定電流或者觸發(fā)脈沖發(fā)出后電流連續(xù)0.1s為0。對電流故障同樣要求反應迅速。通常控制系統(tǒng)帶有兩個電流保護，即電流短路保護和過電流保護。電流保護采用斷路器，動作電流按照發(fā)電機內部相間短路電流整定，動作時間為0~0.05s。過電流保護由軟件控制，動作電流按照額定電流的2倍整定，動作時間為1~3s。電流測量值經平均值算法處理后與電壓、功率因素合成為有功功率、無功功率及其他電力參數。電流是風力發(fā)電機組并網時要持續(xù)監(jiān)視的參量，如果切入電流不小于允許極限，則晶閘管導通角不再增大，當電流開始下降后，導通角逐漸打開直至完全開啟。并網期間，通過電流測量可檢測發(fā)電機或晶閘管的短路及三相電流不平衡信號。如果三相電流不平衡超出允許范圍，控制系統(tǒng)將發(fā)出故障停機指令，風力發(fā)電機組退出電網。3.頻率電網頻率被持續(xù)測量。測量值經平均值算法處理與電網上、下限頻率進行比較，超出時風力發(fā)電機組退出電網。電網頻率直接影響發(fā)電機的同步轉速，進而影響發(fā)電機的瞬時出力。4.功率因素功率因素通過分別測量電壓相角獲得，經過移相補償算法和平均值算法處理后，用于統(tǒng)計發(fā)電機有功功率和無功功率。由于無功功率導致電網的電流增加，線損增大，且占用系統(tǒng)容量，因而送入電網的功率，感性無功分量越少越好，一般要求功率因素保持在0.95以上。為此，風力發(fā)電機組使用了電容器補償無功功率?？紤]到風力發(fā)電機組的輸出功率常在大范圍內變化，補償電容器一般按不同容量分成若干組，根據發(fā)電機輸出功率的大小來投入與切出。這種方式投入補償電容時，可能造成過補償，此時會向電網輸入容性無功。電容補償并未改變發(fā)電機運行狀況。補償后，發(fā)電機接觸器上電流應大于主接觸器電流。5.功率功率可通過測得電壓、電流、功率因素計算得出，用于統(tǒng)計風力發(fā)電機組的發(fā)電量。風力發(fā)電機組的功率與風速有固定函數關系，如測得功率與風速不符，可以作為風力發(fā)電機組故障判斷的依據。當風力發(fā)電機組功率過高或過低時，可以作為風力發(fā)電機組退出電網的依據。（二）風力參數監(jiān)測1.風速風俗通過機艙外的數字式風速儀測得。計算機每秒采集一次來自于風速儀的風速數據；每10min計算一次平均值，用于判別起動風速（風速v>3m/s時起動小發(fā)電機，v>8m/s時起動大發(fā)電機）和停機風速（v>25m/s）。安裝在機艙頂上的風速儀處于風輪的下風向，本身不精確，一般不用來產生功率曲線。2.風向風向標安裝在機艙頂部兩側，主要測量風向與機艙中心線的偏差角。一般采用兩個風向標，以便互相校驗，排除可能產生的錯誤信號?？刂破鞲鶕L向信號，起動偏航系統(tǒng)。當兩個風向標不一致時，偏航會自動中斷。當風速低于3m/s時，偏航系統(tǒng)不會起動。（三）機組狀態(tài)參數檢測1.轉速風力發(fā)電機組轉速的測量點有兩個：發(fā)電機轉速和風輪轉速。轉速測量信號用于控制風力發(fā)電機組并網和脫網，還可用于起動超速保護系統(tǒng)，當風速轉速超過設定值n1或發(fā)電機轉速超過設定值n2時，超速保護動作，風力發(fā)電機組停機。風輪轉速和發(fā)電機轉速可以相互校驗。如果不符，則提示風力發(fā)電機組故障。2.溫度有8個點的溫度被測量，用于反映風力發(fā)電機組系統(tǒng)的工作狀況。這8個點包括：（1）增速器油溫度；（2）高速軸承溫度；（3）大發(fā)電機溫度；（4）小發(fā)電機溫度；（5）前主軸承溫度；（6）后主軸承溫度；（7）控制盤溫度（主要是晶閘管的溫度）；（8）控制器環(huán)境溫度。由于溫度過高引起風力發(fā)電機組退出運行，在溫度降至允許值時，仍可自動起動風力發(fā)電機組。3.機艙振動為了檢測機組的異常振動，在機艙上應安裝振動傳感器。傳感器由一個與微動開關相連的鋼球及其支撐組成。異常振動時，鋼球從支撐它的圓環(huán)上落下，拉動微動開關，引起安全停機。重新起動時，必須重新安裝好鋼球。機艙后部還設有槳葉振動探測器。過振動時將引起正常停機。4.電纜扭轉由于發(fā)電機電纜及所有電氣、通信電纜均從機艙直接引入塔筒，直到地面控制柜。如果機艙經常向一個方向偏航，會引起電纜嚴重扭轉。因此偏航系統(tǒng)還應具備扭攬保護功能。偏航齒輪上安有一個獨立計數傳感器，以記錄相對初始方位所轉過的齒數。當風力機向一個方向持續(xù)偏航達到設定值時，表示電纜已被扭轉到危險的程度，控制器將發(fā)出停機指令并顯示故障。風力發(fā)電機組停機并執(zhí)行順或逆時針解纜操作。為了提高可靠性，在電纜引入塔筒處（即塔筒頂部），還安裝了行程開關，行程開關觸點與電纜相連，當電纜扭轉到一定程度時可直接拉動行程開關，引起安全停機。為了便于了解偏航系統(tǒng)的當前狀態(tài)，控制器可根據偏航計數傳感器的報告，以記錄相對初始方位所轉過的齒數顯示機艙當前方位與初始方位的偏航角度及正在偏航的方向。5.機械剎車狀況在機械剎車系統(tǒng)中裝有剎車片磨損指示器，如果剎車磨損到一定程度，控制器將顯示故障信號，這時必須更換剎車片后才能起到風力發(fā)電機組。在連續(xù)兩次動作之間，有一個預置的時間間隔，使剎車裝置有足夠的冷卻時間，以免重復使用剎車盤過熱。根據不同型號的風力發(fā)電機組，也可用溫度傳感器來取代設置延時程序。這時剎車盤的溫度必須低于預置的溫度才能起動風力發(fā)電機組。6.油位風力機的油位包括潤滑油位、油壓系統(tǒng)油位。（四）各種反饋信號的檢測控制器在以下指令發(fā)出后的設定時間內應收到動作已執(zhí)行的反饋信號：（1）回收葉尖擾流器；（2）松開機械剎車；（3）松開偏航制動器；（4）發(fā)電機脫網及脫網后的轉速降落信號。否則將出現(xiàn)相應的故障信號，執(zhí)行安全停機。（五）增速器油溫的控制增速器箱體內的一側裝有PT100的溫度傳感器。運行前，保持齒輪油溫高于0°（根據潤滑油的要求設定），否則加熱至10°再運行。正常運行時，潤滑油泵始終工作，對齒輪和軸承進行強制噴射潤滑。當油溫高于60°時，油冷卻系統(tǒng)起動，油被送入增速器外的熱交換器進行自然風冷或強制水冷。油溫低于45°時，冷卻油回路切斷，停止冷卻。目前大型風力發(fā)電機組增速器均帶有強制潤滑冷卻系統(tǒng)和加熱器。但油溫加熱器與箱外冷卻系統(tǒng)并非缺一不可。（六）發(fā)電機溫升控制通常在發(fā)電機的三相繞組及前后軸承里面各裝有一個PT100溫度傳感器，發(fā)電機在額定狀態(tài)下的溫度為130~140°，一般在額定功率狀態(tài)下運行5~6h后達到這一溫度。當溫度高于150°時，風力發(fā)電機組因溫度過高而停機。當溫度降落到100°以下時，風力發(fā)電機組又會重新起動并入電網（如果自起動條件仍然滿足）。發(fā)電機的控制點可根據當地情況進行現(xiàn)場調整。對安裝在濕度和溫差較大地點的風力發(fā)電機組，發(fā)電機內部可安裝電加熱器以防止大溫差引起發(fā)電機繞組表面的冷凝。一般用于風力發(fā)電機組的發(fā)電機均采用強制風冷。但新推出的NM750/48風力發(fā)電機組設置了水冷系統(tǒng)。采用強制水冷，大大提高了發(fā)電機的冷卻效果，提高了發(fā)電機的工作效率，并且由于密封良好，避免了艙內風沙雨水的侵入，給機組創(chuàng)造了有利的工作環(huán)境。（七）功率過高或過低的處理1.功率過低如果發(fā)電機功率持續(xù)出現(xiàn)逆功率，其值小于預置值Ps，風力發(fā)電機組將推出電網，處于待機狀態(tài)。脫網動作過程如下：斷開發(fā)電機接觸器，斷開旁路接觸器，不釋放葉尖擾流器，不投入機械剎車。重新切入可考慮將切入預置點自動提高0.5%，但轉速下降到預置點以下后升起再并網時，預置值自動恢復到初始狀態(tài)值。重新并網動作過程如下：合發(fā)電機接觸器，軟啟動后晶閘管完全導通。當輸出功率超出Ps達3s時，投入旁路接觸器，轉速切入點變?yōu)樵ㄖ?。功率低于Ps時由晶閘管通路向電網供電，這時輸出電流不大，晶閘管可連續(xù)工作。2.功率過高一般說來，功率過高現(xiàn)象由兩種情況引起。一是由于電網頻率波動引起的。電網頻率降低時，同步轉速下降，而發(fā)電機轉速短時間不會降低，轉差較大；各項損耗及風力轉換機械能瞬時不突變，因而功率瞬時會變得很大。而是由于氣候變化，空氣密度的增加而引起的。功率過高并持續(xù)一定時間，控制系統(tǒng)應做出反應。（八）風力發(fā)電機組退出電網由于風速過高引起的風力發(fā)電機組退出電網有以下情況：（1）風速高于25m/s，持續(xù)10min。（2）風速高于33m/s，持續(xù)2s，正常停機。（3）風速高于50m/s，持續(xù)1s，安全停機，側風90°。三、風力發(fā)電機組的基本控制策略（一）風力發(fā)電機組的狀態(tài)1.運行狀態(tài)（1）機械剎車松開。（2）允許機組并網發(fā)電。（3）機組自動調向。（4）液壓系統(tǒng)保持工作壓力。（5）葉尖阻尼板回收或變槳距系統(tǒng)選擇最佳工作狀態(tài)。2.暫停狀態(tài)（1）機械剎車松開。（2）液壓泵保持工作壓力。（3）自動調向保持工作狀態(tài)。（4）葉尖阻尼板回收或變距系統(tǒng)調整槳葉節(jié)距角向90°方向。（5）風力發(fā)電機組空轉。這個工作狀態(tài)在調試風力發(fā)電機組時非常重要，因為調試風力機目的是要求機組的各種功能正常，而不一定要求發(fā)電運行。3.停機狀態(tài)（1）機械剎車松開。（2）液壓系統(tǒng)打開電磁閥使葉尖阻尼板彈出，或變距系統(tǒng)失去壓力而實現(xiàn)機械旁路。（3）液壓系統(tǒng)保持工作壓力。（4）調向系統(tǒng)停止狀態(tài)。4.緊急停機狀態(tài)（1）機械剎車與氣動剎車同時動作。（2）緊急電路（安全鏈）開啟。（3）計算機所有輸出信號無效。（4）計算機仍在運行和測量所有輸入信號。當緊停電路動作時，所有接觸器斷開，計算機輸出信號被旁路，計算機不能激活任何機構。（二）工作狀態(tài)之間轉變當工作狀態(tài)轉換時，系統(tǒng)有以下兩種動作：1.工作狀態(tài)層次上升（1）緊急→停機。如果停機狀態(tài)的條件滿足，則：①關閉緊停電路；②建立液壓工作壓力；③松開機械剎車。（2）停機→暫停。如果暫停的條件滿足，則：①起動偏航系統(tǒng)；②對變槳距風力發(fā)電機組，接通變槳距系統(tǒng)壓力閥。（3）暫?！\行。如果運行的條件滿足，則：①核對風力發(fā)電機組是否處于上風向；②葉尖阻尼板回收或變槳距系統(tǒng)投入工作；③根據所測轉速，發(fā)電機是否可以切入電網。2.工作狀態(tài)層次下降工作狀態(tài)層次下降包括以下情況：（1）緊急停機。緊急停機又包含了3種情況，即：停止→緊停；暫?！o停；運行→緊停。其主要控制指令為：①打開緊停電路；②置所有輸出信號于無效；③機械剎車作用；④邏輯電路復位。（2）停機。停機操作包含了2種情況，即：暫停→停機；運行→停機。1）暫?！C：①停止自動調向；②打開氣動剎車或變槳距機構回油閥（使失壓）。2）運行→停機：①變槳距系統(tǒng)停止自動調節(jié)；②打開氣動剎車或變槳距機構回油閥（使失壓）；③發(fā)電機脫網。（3）暫停。暫停操作包括：①如果發(fā)電機并網，調節(jié)功率降到0后通過晶閘管切出發(fā)電機；②如果發(fā)電機沒有并入電網，則降低風輪轉速至0。（三）故障處理（1）故障信息。針對不同類型的故障處理，故障信息應包含：①故障名稱；②故障被檢測的描述；③當故障存在或沒有恢復時工作狀態(tài)層次；④故障復位情況（能自動或手動復位，在機上或遠程控制復位）。（2）故障檢測?？刂葡到y(tǒng)設在頂部和地面的處理器都能夠掃描傳感器信號以檢測故障，故障由故障處理器分類，每次只能有一個故障通過，只有能夠引起機組從較高工作狀態(tài)轉入較低工作狀態(tài)的故障才能通過。（3）故障記錄。故障處理器將故障存儲在運行記錄表盒報警表中。（4）對故障的反應?？刂葡到y(tǒng)對故障的反應有：①機組降為暫停狀態(tài)；②機組降為停機狀態(tài)；③機組降為緊急停機狀態(tài)。（5）故障處理后的重新起動。在故障已被接受之前，工作狀態(tài)層不可能任意上升。第三節(jié)變槳距風力發(fā)電機組的特點變槳距風力發(fā)電機組又分為主動變槳距控制與被動變槳距控制。主動變槳距控制可以在大于額定風速時限制功率，這種控制的實現(xiàn)是通過將每個也碰到部分或全部相對于葉片軸方向進行旋轉以減小攻角，同時也減小了升力系數。被動變槳距控制是一種令人關注的可替代主動變槳距限制功率方式，其思路是將葉片或葉片的輪轂設計成在葉片載荷的作用下扭轉，以便在高風速下獲得所需的變槳距。但很難實現(xiàn)，故在并網運行的風力發(fā)電機組中尚未應用。變槳距控制主要是通過翼型迎角變化，使翼型升力變化來進行調節(jié)的。變槳距控制多用于大型風力發(fā)電機組。變槳距控制是通過葉片和輪轂之間的軸承機構轉動葉片來減小迎角，由此來減小翼型的升力，以達到減小作用在風輪葉片上的扭矩和功率的目的。變槳調節(jié)時葉片迎角可相對氣流連續(xù)的變化，以便得到風輪功率輸出達到希望的范圍。在90°迎角時是葉片的順槳位置。在風力發(fā)電機組正常運行時，葉片向小迎角方向變化而限制功率。一般變槳范圍90°~100°。從起動角度0°到順槳，葉片就像飛機的垂直尾翼一樣。除此之外，還有一種方式，即主動失速，又稱負變距，就像失速一樣進行調節(jié)。負變距范圍一般在-5°左右；在額定功率點以前，葉片的槳距角是固定不變的，與定槳距風輪一樣，在額定功率以后（即失速點以后），由于葉片失速導致風輪功率下降，風輪輸出功率低于額定功率，為了補償這部分損失，適當調整葉片的槳距角，來提高風輪的功率輸出。一、變槳距風力發(fā)電機組的特點1.輸出功率特性變槳距風力發(fā)電機組與定槳距風力發(fā)電機組相比，具有在額定功率點以上輸出功率平穩(wěn)的特點，如圖4-12和4-13所示。變槳距風力發(fā)電機組的功率調節(jié)不完全依靠葉片的氣動性能。當功率在額定功率以下時，控制器將葉片節(jié)距角置于0°附近，節(jié)距角不變，可認為等于定槳距風力發(fā)電機組，發(fā)電機的功率根據葉片的氣動性能隨風速的變化而變化；當功率超過額定功率時，變槳距機構開始工作，調整葉片節(jié)距角，將發(fā)電機的輸出功率限制在額定值附近。2.額定點具有較高的風能利用系數變槳距風力發(fā)電機組與定槳距風力發(fā)電機組相比，在相同的額定功率點，額定風速比定槳距風