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淺談風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì):風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行研究

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(duì)環(huán)境無污染，對(duì)生態(tài)無破壞，環(huán)保效益和生態(tài)效益良好，對(duì)于人類社會(huì)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(diǎn)。國家對(duì)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(jì)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(chǔ)量為2.53億kw,海上可開發(fā)儲(chǔ)量為7.5億kw,總計(jì)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(dòng)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(shí)由于沖擊電流的存在，會(huì)對(duì)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(dòng)。各種形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)對(duì)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)谋戎兀倪\(yùn)行狀況直接關(guān)系到整個(gè)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(shí)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(shí)為實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)速下實(shí)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(huì)發(fā)生嚴(yán)重的無功振蕩和失步，對(duì)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(shí)，常采用自動(dòng)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(duì)簡單，使并網(wǎng)在短時(shí)間內(nèi)完成，但要克服合閘時(shí)有沖擊電流的缺點(diǎn)。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制裝置簡單，而且并網(wǎng)后不會(huì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生發(fā)電機(jī)額定電流5-7倍的沖擊電流，不僅對(duì)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(lì)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(shí)，由于采用頻率變換裝置進(jìn)行輸出控制, 因此并網(wǎng)時(shí)沒有電流沖擊, 對(duì)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(dú)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(shí)，風(fēng)力機(jī)起動(dòng)后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)至接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)電網(wǎng), 并網(wǎng)時(shí)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(shí)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(lì)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(lì)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(duì)無刷雙饋電機(jī)而言，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)交流勵(lì)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(shí)現(xiàn)變速恒頻無沖擊電流的高效并網(wǎng)。其勵(lì)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(huì)獲得廣泛的應(yīng)用，對(duì)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(dòng)作用，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

研究(設(shè)計(jì))內(nèi)容

對(duì)主要風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型進(jìn)行對(duì)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(duì)電力系統(tǒng)的影響不盡相同，有必要進(jìn)行研究。

對(duì)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(duì)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(diǎn)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(diǎn)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(gè)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(diǎn)。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(jì))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(duì)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(shí)對(duì)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(duì)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(diǎn)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?jì)算，難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

時(shí)間安排

第九周

詳細(xì)地了解設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)要求、預(yù)期效果。本周內(nèi)主要完成：①明確設(shè)計(jì)任務(wù)的具體內(nèi)容。② 完成開題報(bào)告。③編制初步設(shè)計(jì)方案

第十周

通過分析設(shè)計(jì)任務(wù)，提出各自的問題。

第十一周、第十二周

① 將設(shè)計(jì)任務(wù)再次細(xì)化，提出更加具體的問題。② 開始設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)設(shè)計(jì)方案各部分進(jìn)行系統(tǒng)的分析計(jì)算，解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的具體問題。

第十六周

總結(jié)前兩個(gè)階段的工作成果，編寫設(shè)計(jì)說明書。

第十七周

① 妥善保存設(shè)計(jì)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(diǎn)為：考慮充分利用電力存儲(chǔ)或者能量存儲(chǔ)技術(shù)，降低風(fēng)能資源的隨機(jī)性對(duì)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。

淺談風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì):大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測及分析

【摘 要】本文對(duì)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(dòng)信號(hào)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(huì)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(shí)，及時(shí)作出診斷，由此看來，對(duì)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(shí)刻對(duì)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(duì)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(píng)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(fèi)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(dòng)量就無法采集到，這就可能會(huì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)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(shí)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(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換，將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成為監(jiān)測系統(tǒng)可以識(shí)別的信號(hào)；i/o輸入輸出模塊的輸出功能就是實(shí)現(xiàn)操作對(duì)象命令的執(zhí)行，輸入功能則是將plc控制組和各個(gè)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(gè)模塊都能正常的工作。只有各個(gè)部分之間相互配合，才能更好地對(duì)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(dòng)信號(hào)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(dòng)。機(jī)械信號(hào)振動(dòng)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)模⑶野惭b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(dòng)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(huì)影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，還可能會(huì)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(duì)于軸承座的振動(dòng)，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(gè)傳感器，用支架固定。在安裝的過程中，如果出現(xiàn)了兩個(gè)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(jí)社 gl 認(rèn)證的在線狀態(tài)檢測標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了幾個(gè)必要的振動(dòng)測試點(diǎn)，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(diǎn)，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(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)，都不是單一的，通常都是兩個(gè)或者更多信號(hào)形成的綜合性信號(hào)，這時(shí)，就需要對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，將信號(hào)的特征擴(kuò)大化，這樣的做法，有利于對(duì)監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行最為準(zhǔn)確的判斷。信號(hào)最基本的處理方法主要有頻域分析、時(shí)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(hào)的頻域機(jī)構(gòu)進(jìn)行確定，簡單來說就是將信號(hào)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(duì)信號(hào)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(shí)域分析：時(shí)域分析就是信號(hào)在時(shí)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(shí)域平均、瞬態(tài)記錄等；③相域分析：相域分析指的是對(duì)相位隨時(shí)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(hào)在幅值上進(jìn)行處理，主要的內(nèi)容包括均值計(jì)算、概率密度和概論分布函數(shù)等。當(dāng)今時(shí)代，微電子計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速，對(duì)振動(dòng)信號(hào)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(jì)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(jì)算所耗費(fèi)的時(shí)間。通過快速傅立葉變換，可以迅速的識(shí)別出旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)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(shí)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(duì)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。

淺談風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì):風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)論文

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。控制系統(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(dòng)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(shí)，本體系統(tǒng)和電控系統(tǒng)之間已經(jīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，比如空氣動(dòng)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(shí)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(duì)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(dòng)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(duì)于沖擊電流有很大的影響。使用恒速恒頻技術(shù)對(duì)晶閘管的開度進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而來對(duì)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(gè)綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)，因此，加強(qiáng)對(duì)控制系統(tǒng)的研究分析，對(duì)于確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本文擬對(duì)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(dòng)偏航以及自動(dòng)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(shí)，那么槳葉本身的自動(dòng)失速就會(huì)失去效能，不能讓輸出的功率更加的平穩(wěn)。

3對(duì)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(diǎn)上有著非常高的風(fēng)能利用系數(shù)，同時(shí)還有非常好啟動(dòng)性能以及非常好的制動(dòng)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(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)子的電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而確保轉(zhuǎn)子電流對(duì)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(hào)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(huì)依據(jù)給定的速度參考值，對(duì)節(jié)距角進(jìn)行調(diào)整，從而讓風(fēng)輪擁有比較大的啟動(dòng)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(shí)，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(shí)際的風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整。在風(fēng)速比額定值高的時(shí)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(duì)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(huì)維持在一個(gè)穩(wěn)定的值上，不會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)。某個(gè)時(shí)段的風(fēng)速不穩(wěn)定，一會(huì)上升一會(huì)下降。上升的時(shí)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(huì)逐漸上升。此時(shí)，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(duì)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(duì)部分能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而增加傳動(dòng)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(gè)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(gè)區(qū)里，轉(zhuǎn)速控制對(duì)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(duì)稱的繞組，同時(shí)，三相對(duì)稱交流電又與這三線繞組接通，從而產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，這個(gè)磁場的轉(zhuǎn)速和交流電的頻率以及電機(jī)的極對(duì)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(gè)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(duì)于轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度，p代表的是極對(duì)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(huì)發(fā)生變化。我們可以假設(shè)n1是電網(wǎng)頻率為50Hz的時(shí)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(dòng)勢的頻率就不會(huì)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(duì)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(duì)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

淺談風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì):風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)論文

1風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)特性研究分析

風(fēng)電機(jī)組中發(fā)生共振的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，為了避免機(jī)組發(fā)生較大振動(dòng)，需對(duì)塔筒以及整個(gè)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(jì)算中，重點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)特性分析較為復(fù)雜。對(duì)于機(jī)組振動(dòng)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(jì)

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(jì)的方向和目標(biāo)大致分為以下幾個(gè)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(jì)

降低重量主要是要通過減小產(chǎn)品的尺寸來實(shí)現(xiàn)。在保證產(chǎn)品的剛強(qiáng)度各項(xiàng)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(jì)

對(duì)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(jì)，對(duì)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(jì)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(jì)

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(jì)算軟件的先進(jìn)優(yōu)化算法，例如遺傳算法等，可以對(duì)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(jì)開發(fā)平臺(tái)，自主編程定制優(yōu)化

設(shè)計(jì)流程，縮短開發(fā)周期為了能夠滿足批量產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，在大量分析計(jì)算經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，對(duì)于某些特定問題，借助軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)全參數(shù)的強(qiáng)度分析設(shè)計(jì)軟件。

3風(fēng)電機(jī)組中幾類特殊難點(diǎn)問題

3.1螺栓連接強(qiáng)度分析計(jì)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(duì)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(duì)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(duì)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(yàn)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(jì)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(jì)算

關(guān)于焊縫疲勞問題，國際焊接協(xié)會(huì)IIW－2003、歐洲標(biāo)準(zhǔn)Eurocode3part1.9、英國標(biāo)準(zhǔn)BS7608、挪威船級(jí)社DNV的相關(guān)規(guī)范，以及美國機(jī)械工程協(xié)會(huì)ASME規(guī)范，均給出了相應(yīng)的計(jì)算方法。東方電機(jī)一般采用國際焊接協(xié)會(huì)中的熱點(diǎn)應(yīng)力法來分析焊縫疲勞。首先，在FEA分析模型中建立熱點(diǎn)應(yīng)力的參考點(diǎn)，單位載荷作用下，得到2個(gè)參考應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力分量，然后通過外推公式，最終得到熱點(diǎn)位置的應(yīng)力分量。通過查找和選取相應(yīng)的疲勞等級(jí)DC，計(jì)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(dòng)鏈疲勞分析難點(diǎn)

傳動(dòng)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(gè)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(diǎn)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(jì)雖然借助于較為完備的標(biāo)準(zhǔn)體系，但對(duì)于工程中出現(xiàn)的復(fù)雜多樣的事故及問題，有時(shí)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(dòng)分析、風(fēng)流場與復(fù)合材料耦合振動(dòng)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(jì)也是一個(gè)多因素集成的工作，往往需將設(shè)計(jì)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(dòng)性能、軟件計(jì)算性能等諸多因素予以綜合考慮，才能創(chuàng)造性價(jià)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