风光互补发电系统设计

风光互补发电系统设计摘要风光互补发电在缓解电网压力、电力调峰、节约传统能源等方面都能够起到重要作用，式风光互补发电系统的研究具有重要的经济和社会价值。本文针对风光互补发电系统，在理论研究和分析的基础上开发出了一套相应的运行结构，进行了初步的设计。文章首先讨论了风能、太阳能互补特性，详细分析了风光互补发电的系统结构，其中包括风力发电机组、光伏阵列、逆变器和负载等，给出了各部分的运行原理和工作特性；其次，结合实际系统的开发过程，对风光互补发电的整个系统进行了详细的研究、分析与讨论。笔者根据系统各部分的功能将其分为风力发电、太阳能发电和蓄电池储能三个部分，针对每一部分分别从设计原理出发，研究其主要的控制技术、实现方法的设计，最后，对整个系统的实际工程应用进行了介绍，总结了风光互补发电系统的技术问题，并给出了检验系统实际运行效果的测试方法。本文研究开发的风光互补并网发电系统的运行结构能够可靠地保证系统经济、有效的运行；总结分析的逆变器技术为逆变器的研究；同时，基于设计开发的一套实用的通讯协议能够很好的保证系统内各设备进行有效的数据信息和控制信息的交互。关键词风光互补发电；控制系统；蓄电池控制；通讯系统ThedesignofwindsolarhybridpowersystemAbstractThesystemofwind/solarhybridgenerationplaysanimportantroleinrelievingtheloadoflocalpowergrid，shavingthepeakofelectricpowersystemandsavingtraditionalenergy，thereforetheresearchofwind/solarhybridgenerationismuchvaluableforeconomyandsociety，inthispaper,forthesystemofundispatchablewind/solarhybridgeneration,afitrunningstructurewhosehardwareandsoftwarehavebeendesigned,havecarriedonthepreliminarydesign.Firstlycomplementarycharacteristicsbetweenwindenergyandsolarenergyarediscussed，andrunningstructureofundispatchablewind/solarhybridgeneration，whichcontainswindturbinegenerator、photovoltaicarray、inverterandelectro-load，isanalyzeddetailedly，thentherunningprincipiumandtheworkingcharacteristicsofeachcomponentcontainedinthissystemarespecified；Secondlythewholegenerationsystemisresearched，analyzedanddiscusseddetailedlywhilethedevelopingprocessofthepracticalsystemiscombined.Inthissection，thewholesystemisdevidedintowindpowersystem、solarpowersystemandbatteryenergystoragesystembytheirdifferentfunctions.Foreachpart，designelementsarestartedwith，thenmaincontroltechnics、achievingmethodsandhardware/softwaredesignareresearchedandthenarealinstanceisshown；Atlast，apracticalprojectutilizingthissystemisstatedandtheissuesofwind/solarhybridgenerationarelistedup，andtheevaluatingmethodsofthepracticalrunningsystemareputforward.Inthispaper,therunningstructureofthewind/solarhybridgenerationsystemwhichhasbeenreseachedanddevelopedcanguaranteethesystemrunningefficientlyandeconomically;Besides，communicationprotocolwhichhasbeendevelopedreferringcanensurethateachdeviceofthesystemcommunicateswitheachotherefficiently.KeywordsWind/solarhybridgeneration；Controlsystem；batterycontrol；Communicatingsystem目录摘要…… =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 1课题背景 1风光互补发电系统的特点 1风能太阳能发展趋势 2课题主要内容 3第2章风光互补发电系统的构成与运行机理 4风光互补发电系统的构成 4风力发电机 5风力发电机的基本原理 52.2.2风力发电机特点 5风能的基本情况 6风力发电机的结构与组成 6异步发电机基本原理 12太阳能发电 14太阳能电池 14.2光伏阵列的特性 15储能装置 16蓄电池的分类与构成 16铅酸蓄电池的原理 17蓄电池工作状态与控制方法 19逆变器 20第3章风光发电控制系统模型的建立 21风力发电机组的基本控制要求 21风力发电机组运行的控制要求 21控制系统主要参数 223.1.3控制系统工作原理 23风力发电机组的变距控制原理 23风力发电系统的控制策略 24风轮机的气动特性 24变桨距风力发电机的控制策略 26变桨距风力发电机组控制系统模型框图 27变桨距风力发电机组的运行状态 27变桨距控制系统 28功率控制 29变桨距风力发电机组控制系统模型的建立 32控制选择器模型的建立 32风轮机转速控制模型的建立 32风力发电机组的变桨距控制系统模型 33太阳能电池数学模型 37逆变器数学模型 38结论 39致谢 40参考文献 41附录A 42附录B 43绪论课题背景能源是人类社会生存和发展的动力源泉。伴随着世界能源危机警钟的敲响和节能呼声的日益高涨，充分开发利用太阳能、风能、海洋能、生物能、小水电、地热能等清洁的可再生能源来代替传统的煤、石油等化石能源越来越成为一种共识。可再生能源是未来能源系统的希望，具有广阔的发展前景，是人类未来能源的一个领域。从世界各国可再生能源的利用与发展趋势看，风能和太阳能发展速度最快，产业前景也最好。中国所面临的能源危机情况更是不容乐观。“中国巨大的能源需求将不能期望由化石能源来解决，而只能寄希望于可再生能源”[1]。我国政府就环境与发展问题提出了一系列措施，其中明确要求“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等新能源”，并在中国21世纪议程中强调了发展可再生能源对我国经济持续发展和环境保护的重要作用。建立资源节约型社会、大力发展可再生能源已摆上了我国经济发展的战略位置。我国可再生能源分布广泛，因地制宜、就近开发可再生能源，是调整能源结构、保护环境、增强能源安全、实现可持续发展的战略选择[2]。我国的《可再生能源法》己于2006年1月1日生效，其中特别将可再生能源综合利用和互补系统的研究列为研究开发的重点领域。今年年初，国家又将可再生能源利用、节能和环保列入了国家中长期科技发展计划和“十一五”发展规划中，是当前国家重点支持的科技攻关和发展领域。可以看出，到2050年可再生能源的供给量将接近总电力供应的30%，成为仅次于并接近常规能源发电的第二大能源应形式。综上可见，一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足当代人需要，又不危及后代人前途的社会。无论从缓解能源危机、消除环境污染、保护人类生存环境、合理开发利用自然资源，还是从经济和社会的发展要求，开发利用太阳能和风能等可再生能源都有着极其重要的现实意义。而且从长远看，用洁净的可再生能源替代常规能源，不仅是人类的美好愿望，也是能源发展的必然趋势。风光互补发电系统的特点当前可利用的几种可再生能源中，风能和太阳能由于具有分布广泛，取之不尽、用之不竭，就地取材，无污染等优点被广泛利用。但受其能量密度低，能量稳定性差等缺点的影响，二者的利用也受到一定的制约。太阳能和风能都是相对不稳定、不连续的能源，用于无电网地区，需配备大量的储能设备，使得系统的耗费大大增加。而中国属于季风气候区，一般冬季风大，太阳辐射小;夏季风小，太阳辐射大。两种资源正好可以相互补充利用。因此，采用风光互补发电系统可以很好的克服风能和太阳能提供能量的随机性和间歇性的缺点，实现不间断供电。风光互补发电系统与单独的风电系统和光电系统相比有着明显的优势。首先，利用太阳能风能的互补特性，可以产生比较稳定的总输出，增加了系统的稳定性和可靠性。在风、光资源丰富并且互补性较好的地区，合理匹配设计的风光互补发电系统可以满足用户较大的用电需求，并能达到一年四季均衡供电。这是采用单一风力或太阳能发电无法达到的;其次，在保证同样供电的情况下，风光互补发电系统所需的蓄电池容量远远小于单一风力或太阳能发电系统，且通过系统匹配的优化设计，太阳能电池板容量降低，避免了因昂贵太阳能电池带来的系统的高成本。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理;再次，充分利用了自然资源，大大增加了对蓄电池的有效充电时间，改善了蓄电池的工作条件，通过选择合理的蓄电池充放电控制策略，更能延长了蓄电池的使用寿命，减少系统的维护。总之，风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求，即可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。应该说，风光互补发电系统是最合理的独立电源系统。风能太阳能发展趋势常规能源的有限性和环境压力的增加，使世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持，并取得了突破性进展。可再生能源及其综合利用技术，越来越受到包括发达国家在内的世界各国的广泛关注。欧盟等发达国家采取了强有力的促进和激励措施，并给予特别的政策支持，使可再生能源在近几年内得到大规模的快速发展。全球过去几年内风电和光伏发电的年增长率均高达30%以上，欧盟计划到2010年可再生能源发电量占总发电量的22%，到2050年可再生能源在能源供应中占50%以上的目标。这是一个非常宏伟的目标，不仅使常规能源的消耗节省50%而且大大改善了大气环境质量。近几年，国际光伏发电迅猛发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。到目前为止，世界太阳电池年销售量已经超过60兆瓦，电池转换效率提高到了巧%以上，系统造价和发电成本已分别降至4美元/峰瓦和25美分/度电;风力发电在可再生能源行业中是增长最快、商业化程度最高的行业，其年增长速度达到了35%，美国、德国和丹麦等发达国家的年增长更是高达50%以上。德国风电己占总发电量的3%，丹麦风电已超过总发电量的10%。在全球范围内，风力发电已形成年产值超过50亿美元的产业。课题主要内容文章首先讨论了风能、太阳能互补特性，详细分析了风光互补发电的系统结构，其中包括风力发电机组、光伏阵列、逆变器和负载等，给出了各部分的运行原理和工作特性；其次，结合实际系统的开发过程，对风光互补发电的整个系统进行了详细的研究、分析与讨论。笔者根据系统各部分的功能将其分为风力发电、太阳能发电和蓄电池储能三个部分，针对每一部分分别从设计原理出发，研究其主要的控制技术、实现方法的设计，最后，对整个系统的实际工程应用进行了介绍，总结了风光互补发电系统的技术问题，并给出了检验系统实际运行效果的测试方法。本文研究开发的风光互补并网发电系统的运行结构能够可靠地保证系统经济、有效的运行；总结分析的逆变器技术为逆变器的研究；同时，基于设计开发的一套实用的通讯协议能够很好的保证系统内各设备进行有效的数据信息和控制信息的交互。风光互补发电系统的构成与运行机理风光互补发电系统的构成独立运行风光互补发电系统由风力发电机、整流器、光伏阵列、DC/DC功率变换器、蓄电池、逆变器、控制器及交直流多用户负载等组成，如图2-1所示。其运行机理如下:风轮将风能通过空气动力学原理转换成机械能，驱动永磁异步发电机发出与风速成一定关系的交流电，经整流变成直流电，并经DC/DC变换器实现最大功率跟踪;光伏阵列将太阳能通过光生伏打效应转换成直流电，通过DC/DC变换器实现最大功率跟踪。二者皆通过控制器控制而接入直流母线上，给蓄电池供电;蓄电池连接在直流母线上，当风力发电机和光伏阵列输出的电能除供给负载还有剩余时，蓄电池将这些电能储存;当风力发电机和光伏电池输出电能不足以满足负载要求时，则由蓄电池向其供电。控制器实现最大功率跟踪、蓄电池的充放电及保护显示等功能图2-1风光互补发电系统结构示意图风力发电机风力发电机的基本原理风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电的。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风力发电的原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶片和发电机两部分构成如图2-2所示。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动片叶旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连就会带动发电机发出电来。风力发电机特点1、可再生的洁净能源风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资源也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的优点。2、建设周期短一个十兆瓦级的风电场建设周期不到一年3、装机规模灵活可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台。4、可靠性高图2-2风力发电原理图把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电且机组寿命可达20年。5、造价低从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相对比火力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化、产业化，在不久的将来风力发电的造价和电价都将低于火力发电。6、运行维护简单现代中大型风力发电机的自动化水平很高，完全可以在无人职守的情况下正常工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电的大修问题。7、实际占地面积小发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。8、单机容量小由于风能密度低决定了单台风力发电机组容量不可能很大，与现在的火力发电机组和核电机组无法相比。另外风况是不稳定的，有时无风有时又有破坏性的大风，这都是风力发电必须解决的实际问题。风能的基本情况1、风能的特点[3]风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。2、风能资源的估算风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风功率为(2-1)式中为风能(w)；为空气密度(kg/m)；为风速(m/s)。由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一段时间的观测来了解它的平均状况，一个地方风能潜力的多少要视该地常年平均风能密度的大小。因此需要求出在一段时间内的平均风能密度，这个值可以将风能密度公式对时间积分后平均来求得。在风速V的概率分布p(V)知道后，平均风能密度还可根据下式求得(2-2)风力发电机的结构与组成1、风力发电机的分类[4]风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量分可分为：小型（10kw以下）、中型（10—100kw）和大型（100kw以上）风力发电机组。按主轴与地面相对位置又可分为：水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。水平轴风力发电机是目前世界各国风力发电机最为成功的一种形式，主要优点是风轮可以架设到离地面较高的地方，从而减少了由于地面扰动对风轮动态特性的影响。它的主要机械部件都在机舱中，如主轴、齿轮箱、发电机、液压系统及调向装置等。而生产垂直轴风力发电机的国家很少，主要原因是垂直轴风力发电机效率低，需启动设备，同时还有些技术问题尚待解决。在本文中以后不做特殊说明时所指的风力发电机组即为中型的水平轴风力发电机组。2、水平轴风力发电机的结构图2-3风力发电机结构图大中型风力发电机组是由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱机座回转体制动器等）组成的。(1)机舱机舱包含着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机等。

(2)风轮叶片安装在轮毂上称作风轮，它包括叶片、轮毂、主轴等。风轮是风力发电机接受风能的部件。叶片是风力发电机组最关键的部件，现代风力发电机上每个转子叶片的测量长度大约为20米叶片数通常为2枚或3枚，大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料（GRP）制造。叶片可分为变浆距和定浆距两种叶片，其作用都是为了调速，当风力达到风力发电机组设计的额定风速时，在风轮上就要采取措施，以保证风力发电机的输出功率不会超过允许值。轮毂是连接叶片和主轴的零部件。轮毂一般由铸钢或钢板焊接而成，其中不允许有夹渣、砂眼、裂纹等缺陷，并按桨叶可承受的最大离心力载荷来设计。主轴也称低速轴，将转子轴心与齿轮箱连接在一起，由于承受的扭矩较大，其转速一般小于50r/min，一般由高强度合金钢制成。(3)增速器增速器就是齿轮箱，是风力发电机组关键部件之一。由于风轮机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为实现匹配采用增速齿轮箱。使用齿轮箱可以将风电机转子上的较低转速、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。(4)联轴器增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空间，往往联轴器与制动器设计在一起。(5)制动器制动器是使风力发电机停止转动的装置，也称刹车。(6)发电机发电机是风力发电机组中最关键的部件，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。大型风电机（100-150千瓦）通常产生690伏特的三相交流电。然后电流通过风电机旁的变压器（或在塔内），电压被提高至1-3万伏，这取决于当地电网的标准。风力发电机上常用的发电机有以下几种：①直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。②永磁发电机，常用在小型风力发电机上。现在我国已经发明了交流电压440/240V的高效永磁交流发电机，可以做成多对极低转速的，特别适合风力发电机。③同步或异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速比同步转速略低，当并网时转速应提高。

(7)塔架塔架是支撑风力发电机的支架。塔架有型钢架结构的，有圆锥型钢管和钢筋混凝土的等三种形式，风电机塔载有机舱及转子。

(8)调速装置风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。为了使风轮运转所需要额定转速下的装置称为调速装置，调速装置只在额定风速以上时调速。目前世界各国所采用的调速装置主要有以下几种：①可变浆距的调速装置；②定浆距叶尖失速控制的调速装置；③离心飞球调速装置；④空气动力调速装置；⑤扭头、仰头调速装置。(9)调向（偏航）装置调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。借助电动机转动机舱以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。通常在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。(10)风力发电机微机控制系统[5]风力发电机的微机控制属于离散型控制，是将风向标、风速计、风轮转速、发电机电压、频率、电流、发电机温升、增速器温升、机舱振动、塔架振动、电缆过缠绕、电网电压、电流、频率等传感器的信号经A/D转换，输送给单片机再按设计程序给出各种指令实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、运行中机组故障的自动停机、自动电缆解绕、过振动停机、过大风停机等的自动控制。自我故障诊断及微机终端故障输出需维修的故障，由维修人员维修后给微机以指令，微机再执行自动控制程序。风电场的机组群可以实现联网管理、互相通信，出现故障的风机会在微机总站的微机终端和显示器上读出、调出程序和修改程序等，使现代风力发电机真正实现了现场无人职守的自动控制。(11)电缆扭缆计数器电缆是用来将电流从风电机运载到塔下的重要装置。但是当风电机偶然沿一个方向偏转太长时间时，电缆将越来越扭曲，导致电缆扭断或出现其他故障。因此风力发电机配备有电缆扭曲计数器，用于提醒操作员应该将电缆解开了。风力发电机还会配备有拉动开关在电缆扭曲太厉害时被激发，断开装置或刹车停机，然后解缆。3、贝茨(Betz)理论世界上第一个关于风轮机风轮叶片接受风能的比较完整的理论是1919年由A·贝茨(Betz)建立的。贝茨理论的建立依据的假设条件是假定风轮是理想的，能全部接受风能并且没有轮毂，叶片是无限多，对气流没有任何阻力。而空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称为是平行风轮轴线的)，满足以上条件的风轮称为“理想风轮”。如图2-4所示，我们分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶片上所受到的力及移动的空气对风轮叶片所做的功。风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则有，。如果假设空气是不可压缩的，由连续条件可得:图2-4贝茨（Betz图2-4贝茨（Betz）理论计算见图图中V1叶片前的风速；V风经过叶片时的速度；V2风经过叶片后的速度；S1叶片前风速的面积；S风经过叶片时的面积；S2风经过叶片后的面积(2-3)由流体力学可知气流的动能为(2-4)设单位时间内气流流过载面积为s的气体的体积为V，则。如果以表示空气密度，该体积的空气质量，此时气体所具有的动能为(2-5)的单位是kg/m3；V的单位是m3；的单位是m/s；T的单位是W。从风能公式可以看出风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度成正比，其中和随地理位置、海拔、地形等因素而变。风作用在叶片上的力由欧拉定理求得(2-6)式中——空气当时的密度风轮所接受的功率为(2-7)所以经过风轮叶片的风的动能转化(2-8)式中——空气质量(2-9)(2-10)因此，风作用在风轮叶片上的力F和风轮输出的功率P分别为(2-11)(2-12)风速是给定的，的大小取决于，是的函数，对微分求最大值得(2-13)令其等于0，求解方程得(2-14)(2-15)16/27=0．593，称作贝茨功率系数(2-16)而正是风速为的风能，故(2-17)=0.593，说明风吹在叶片上，叶片上所能获得的最大功率为风吹过叶片扫掠面积的风能的59.3％。贝茨理论说明理想的风能对风轮叶片做功的最高效率是59.3％。通常风轮机风轮叶片接受风能的效率达不到59.3％，一般根据叶片的数量、叶片的翼形、功率等情况取0.25-0.45。4、风力发电机特性系数贝茨理论提供了风能的基本理论，但在讨论风轮机的能量转换与控制时有几个特性系数具有特别重要的意义。(1)风能利用系数风轮机从自然风能中吸到能量的大小和程度可以用风能利用率系数表示(2-18)(2)叶尖速比为了表示风轮在不同的风速中的状态用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量称为叶尖速比(2-19)低速风轮取较小值；高速风轮取较大值。(3)转矩系数和推力系数为了便于把气流作用下的风轮机产生的转矩和推力进行比较常以为变量作成转矩和推力的变化曲线，因此转矩和推力也要无因次化。(2-20)(2-21)图2-5风轮的典型Cp-λ特性曲线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。旋转磁场的转速与转子转速之间的差为转差，转差与同步转速的比值称为转差率用表示(2-22)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（）则转差率，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(2-23)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(2-24)式中——发电机的极对数；——同步转速r/min。(11)风力发电机的全效率风力发电机的全效率为风轮叶片接受风能的效率、增速器的效率、发电机的效率、传动系统效率等的积(2-25)太阳能发电太阳能电池1、光伏阵列结构风光互补发电系统中,由光伏阵列负责将太阳光辐射转换成电能。光伏阵列由一系列的太阳电池经过串、并联后组成。太阳电池是光伏发电的最基本单元，其基本种类有单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池，光电转换效率为12%左右。单晶硅太阳电池的转换效率最高，但成本也最高;多晶硅太阳电池价格便宜，光电转换率也较高，是最常用的材料;非晶硅太阳电池光电转换效率比多晶硅差，但制造工艺简单，加工容易。目前，以晶硅材料为基础的高效电池和薄膜电池是基础研究工作的热点课题光伏电池是利用半导体P-N结上接受太阳光照产生光生伏打效应(简称光伏效应)为基础，将太阳能直接转换成电能的器件。所谓光生伏打效应就是半导体吸收光能后在P-N结上产生电动势的现象。当太阳光照射到太阳电池上时，产生光生电子-空穴对。在电池的内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，太阳电池的两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”Vph流过，若在内建电场的两侧引出电极并接上负载R，则在负载中就有“光生电流”Iph流过，从而获得功率输出。这样，太阳光能就直接变成可使用的电能。2、太阳能电池的电气特性太阳能电池的电气特性与参数如图2-6；从图中可得当太阳能电池组件短路时，即负载v=0时，此时的电流为短路电流Isc，当电路开路时，I=0，此时的电压为开路电压Voc。当太阳能电池两端的电压从0上升时，例如逐渐增加负载电阻，在光辐射恒定的条件下，开始太阳能电池的输出电流几乎不变，输出功率不断增加。当电池电压增加到一定值时，输出电流开始变小，输出功率达到一个最大值，即最大功率点，之后随着电池电压的升高，输出电流和功率都不断变小，最后输出电流减为0，输出电压达到最大值开路电压。太阳能电池的伏安特性还与温度有关系，随着温度的上升开路电压减小，在最大功率点的典型温度系数为-0.4%/℃。在衡量太阳能电池组件的性能时需用到峰值功率，其单位是峰瓦(Wp)。在标准条件下（光谱幅照度1000W/mq，大气质量，电池温度25℃），太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率。VmVocVPmVmVocVPmI图2-6太阳能电池的伏安特性图光伏阵列的特性1、光伏阵列的参数由于光伏阵列的输出特性强烈地受到光照及阵列结温的影响，下面来分别分析在这两种条件变化下光伏阵列的I-V特性与P-V特性的变化。首先让我们来了解光伏阵列的几个重要参数短路电流(Isc)：为给定日照强度和温度下的最大输出电流；开路电压(Voc)：在给定日照强度和温度下的最大输出电压；最大功率点电流(Im)：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流；最大功率点电压(Vm)：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电压；最大功率点功率(Pm)：在给定日照强度和温度下阵列可能输出的最大功率，Pm=ImxVm。2、光伏阵列在相同温度不同日照下的I-V与P-V特性图2-7和图2-8分别是太阳能光伏阵列在温度为25℃时，不同日照(S)下表现出的电流一电压(I-V)和功率一电压(P-V)特性。从中可以看出太阳能光伏阵列的输出短路电流(Isc)和最大功率点电流(Im)随日照强度的上升而显著增大而日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，但对为电流与电压相乘的结果一最大输出功率来说，变化显著，如图2-8中虚线与各实线的交S=1000W/M2S=1000W/M2图2-7不同日照条件下光伏阵列的I-V关系图图2-8不同日照条件下光伏阵列的P-V关3、光伏阵列在相同日照不同温度下的I-V与P-V特性图2-9和图2-10分别给出了太阳能光伏阵列在日照射为1000W/m2和在变化温度〔T〕的情况下，表现出典型的I-V和P-V特性。可以看出，温度对太阳能光伏阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大。因而对最大输出功率影响明显，见下图各实线的波峰的幅值变化。S=1000W/m2S=1000W/m2图2-9不同温度下光伏阵列的I-V关系图图2-10不同温度下光伏阵列的P-V关系图储能装置蓄电池的分类与构成1、蓄电池的分类(1)按蓄电池电解液的性质分：铅酸蓄电池，碱性蓄电池；(2)按蓄电池电解液的状态分：液体蓄电池，胶体蓄电池；(3)按蓄电池极板结构分类：有形成式、涂膏式和管式蓄电池；(4)按蓄电池盖和结构分类：有开口式、排气式、防酸隔爆式和密封阀控式蓄电池；(5)按蓄电池维护方式分类：有普通式、少维护式、免维护式蓄电池；用于风力和光伏发电系统中最常见的是铅酸蓄电池。2、铅酸蓄电池的构成铅酸蓄电池主要有以下几部分构成：正、负极板组，隔板，衬板，接线端子，电池盖，电池槽和电解液。(1)极板：铅酸蓄电池的正负基板一般由纯铅制成，上面直接形成有效物质，有些则是用铅合金制成板栅或骨架。如基板用铅镍合金制成栅架，上面涂以有效物质。正极的有效物质为二氧化铅，负极的有效物质是海绵状铅。在同一个电池内，同极性的极板片数超过两片者，用金属条连接起来称为“极板组”或“极板群”。至于极板组内的极板片数的多少，随其容量的大小而异。(2)隔板：在各种类型的铅酸蓄电池中，除少数特殊组合的极板间留有宽大的空隙，在正、负极板均需放置隔板，以防止正负极板相互接触而发生短路。隔板有木质、橡胶、微孔橡胶、烧结式PVC、聚丙烯(PE)以及超细玻璃纤维等材料制成。(3)电池槽：是用来盛装电解液和支撑极群组的，通常有玻璃、衬铅木质、硬橡胶和塑料。(4)电解液：铅酸蓄电池的电解液是用蒸馏水稀释高纯度浓硫酸制成的，它的密度高低视电池类型和所用极板而定，一般在/L(15℃)～1.30kg/L(15℃)之间。蓄电池用的电解液（稀硫酸）必须保持纯净，不能含有重金属等有害于铅酸铅酸蓄电池的原理铅酸蓄电池是用铅和二氧化铅分别作为负极和正极的活性物质（参加化学反应的物质），以浓度为27%～37%的硫酸水溶液作为电解液的电池。铅酸蓄电池由极群组插入稀硫酸溶液中构成。电极在完成充电后，其中极群组的正极板为二氧化铅，负极板为海绵状铅。放电后，在两极板上都产生细小而松软的硫酸铅，充电后又恢复为原来物质。总的化学反应过程可用方程式表示正极电解液负极放电正极电解液负极PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+Pb(2-26)充电PbOPbO24OH,Pb+42ePb+2PbSO42H2SO4与2H2O负极板电解液正极板2ePbPb+2PbSO4初始物质SO4，SO4，4H+其中消耗2H2O2H2O图2-11铅酸蓄电池的放电反应过程图PbSOPbSO4SO4-2，Pb+22ePb+4PbO24H2OH2SO42H2OH2SO4PbSO4Pb+2，so4-2Pb2e负极板电解液正极板2H+，4OH-，2H+图2-12铅酸蓄电池的充电反应过程图从反应方程式(2-26)和放电充电过程图(2-11)、(2-12)可以看出，在放电期间，铅酸蓄电池正极的活性物质二氧化铅(PbO2)和负极的活性物质海绵状铅(Pb)与电解液硫酸(H2S04)进行化学反应生成硫酸铅(PbS04)，引起H2SO4的减少，而且在正极板上不断生成水(H20)，从而引起电解液的比重降低。在充电期间，正极板上的硫酸铅氧化生成了二氧化铅，而此时负极板上的硫酸铅还原成铅(海绵状)，同时生成硫酸，并消耗水，这样电池中的电解液比重就增加。应该指出，上述充电过程是人们所期望的主反应。在传统的非理想的充电方式下，往往伴随着一个很难避免的副反应，即水的电解。在传统充电方式的后期，由于正、负极板上的硫酸铅已大部分转变成二氧化铅和海绵状铅，充电电流如果超过剩余活性物资的需求，则充入的电能将主要消耗于水的电解。结果在电池的负极会有氢气(H2)析出，在正极则会有氧气(O2)析出，造成十分强烈的冒泡现象。其中电解水的反应是:负极:4H﹢4e→2H2↑(2-27)正极:2H2O−4e→4+O2↑(2-28)在电池中的反应为:2H2O→2H2↑+O2↑(2-29)所以在充电末期必须注意充电电流的大小，否则会导致产生气泡过于剧烈，冲刷极板，容易使极板上的活性物质脱落损坏，降低电池的容量和寿命，同时还会导致水的消耗大为增加，浪费电力和蒸馏水，也增加了管理和维护的麻烦。蓄电池工作状态与控制方法蓄电池具有三种主要的工作状态:放电状态、充电状态和浮充状态。处于放电状态时，蓄电池将储蓄的化学能转化为电能供给负载;充电状态是在蓄电池放电之后进行能量储蓄的状态，此种状态下电能转化为化学能存储起来;浮充状态则是蓄电池维持一定化学能存储量所要保持的工作状态，浮充状态下的蓄电池的储能不会因为自放电而损失。放电、充电、浮充电三个状态构成蓄电池的一个完整的工作循环。如图2-13所示，描述了铅酸蓄电池在一个典型的工作循环中，电池的工作电压、工作电流以及电池温度的变化特性。图中开始时满荷电状态的蓄电池以恒定的电流进行放电，开始放电时，电池电压陡降，而后电压回升(这是满荷电蓄电池刚接上负载时的正常响应，主要是内部电化学反应及传质引起的)，到一定电压后，随着继续放电，蓄电池的电压也继续降低。这个过程是一个复杂的过程，它受一系列放电工作条件的影响，其中包括放电率、环境温度和蓄电池初始荷电状态，同时也与蓄电池的类型有关。随着放电的深入，蓄电池电压下降速度会不断增加。当下降到一定值后会急速降低，这表明蓄电池接近终止放电状态。当达到终止电压，蓄电池应终止放电。终止电压视负载需要而定。蓄电池达到终止电压后，负载断开，此时蓄电池电压明显回升。此时若外加一个大于蓄电池开路电压的电压，蓄电池便进入充电状态。图中充电电流表放电充电浮充放电充电浮充图2-13蓄电池工作状态示意图示为负值表示与放电电流相反。充电过程中开始以恒定的电流给蓄电池充电，此时蓄电池电压会逐渐升高，待到电压升到浮充电压，充电电流按照指数规律递减(若不然，则导致电解水反应而产生气体和温升，不能提高蓄电池的充电效率)，直到蓄电池充足，而后保持蓄电池满荷电状态所需的电流。逆变器逆变器是风光互补发电系统中必不可少的关键组成部件，逆变器的转换效率以及对逆变系统的控制效果将直接关系到整个系统的运行经济性、有效性和可靠性。在并网式风光互补发电系统中，虽然整个系统及其生产的并网用电是整合统一的，但是由于系统主要是利用了风光资源在时间上的互补性，而且由于光伏发电和风能发电各自的特点也很不相同，所以光伏发电与风能发电在实际的系统中是相对独立的，而且使用相对独立的逆变器构成各自的逆变系统，最后在当地电网处整合并网。风光发电控制系统模型的建立风力发电机组的基本控制要求风力发电机组运行的控制要求1、控制思想[7](1)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。(2)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。(3)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分平均风速小于脱网风速→脱网→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→(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→(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。控制系统主要参数1、主要技术参数(1)主发电机输出功率（额定）(2)发电机最大输出功率(3)工作风速范围(4)额定风速(5)切入风速（1min平均值）(6)切出风速（1min平均值）(7)风轮转速(8)发电机并网转速(9)发电机输出电压(10)发电机发电频率(11)并网最大冲击电流（有效值）(12)电容补偿后功率因数2、控制指标及效果(1)方式专用微控制器(2)过载开关(3)自动对风偏差范围(4)风力发电机组自动起、停机时间(5)系统测量精度(6)电缆缠绕圈自动解缆(7)自动解缆时间55min(8)手动操作响应时间3、保护功能(1)超电压保护范围连续(2)欠电流保护范围连续(3)风轮转速极限(4)发电机转速极限(5)发电机过功率保护值连续(6)发电机过电流保护值连续(7)大风保护风速连续(8)系统接地电阻(9)防雷感应电压控制系统工作原理主开关合上后，风力发电机组控制器准备自动运作。首先系统初始化检查控制程序、微控制器硬件和外设、传感器来的脉冲及比较所选的操作参数备份系统工作表，接着就正式起运。起动的第一秒内先检查电网、设置各个计算器、输出机构初始工作状态及晶闸管的开通角。所有这些完成后，风力发电机组开始自动运行于风轮的叶尖本来是90°，现在恢复为0°[8]。图3-1不同节距角时的桨叶截面风力发电机组的变距控制原理1、变桨距风力发电机组的控制方式风力发电机组的变距系统主要包括两种控制方式，即并网前的速度控制与并网后的功率控制。由于异步发电机的功率与转速是严格对应的，功率控制最终也是通过速度控制来实现的。变桨距风轮的叶片在静止时节距角为90°，这时气流对叶片不产生力矩，整个叶片实际上是一块阻尼板。当风速达到起动风速时，叶片向0度方向转动，直到气流对叶片产生一定的功角，风轮开始起运。风轮从起运到额定转速，其叶片的节距角随转速的升高是一个连续变化的过程。根据给定的速度参考值调整节距角，进行所谓的速度控制。当转速达到额定转速后电机并入电网。这时，电机转速受到电网频率的牵制变化不大，主要取决于电机的转差，电机的转速控制实际上已转为功率控制。为了优化功率曲线，在进行功率控制的同时通过转子电流控制器对电机转差进行调整，从而调整风轮转速。当风速较低时，风轮转差调到很小(1%)，转速在同步速附近；当风速高于额定风速时，电机转差要调整到很大（10%），使叶尖速比得到优化，使功率曲线达到理想的状态。风力发电系统的控制策略在风力发电控制系统中，风轮机应在转速极限和功率极限内追求在最佳Cp目标曲线附近运行，应当把动能转换作为设计策略的重点加以规划；当达到转速限值和功率标称值时，要及时准确的进行调节，以使输出功率平稳。必须分清异步发电机和功率变换器的绝对极限和常用上限的差别，尽量减小对电网的污染。下面概述的风力发电系统的各种控制策略在国内外大中型并网发电的风力发电机中均有应用。风轮机的气动特性图3-2风轮的典型Cp-TSR特性曲线风轮机通过叶片捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩[9]。风轮机的特性通常用风能转换效率Cp-尖速比λ曲线来表示，图3-2是一条典型的曲线。尖速比可表示为图3-2风轮的典型Cp-TSR特性曲线(3-1)式中为风轮机的机械转速(rad/s)；为叶片半径(m)；为来流的线性风速(m/s)。根据风机叶片的空气动力特性，风能转换效率是尖速比λ和桨矩β的函数，即。典型与和的关系可用图3-3来表示。由图中可见，对于同一个值风轮机可能运行在A和B两个点，它们分别对应于风轮机的高风速运行区和低风速运行区，当风速发生变化时风轮机的运行点将要发生变化。图3-3风机调整目标功率曲线在恒频应用中，发电机转速的变化只比同步转速高百分之几，但风速的变化范围可以很宽。按(3-1)式，尖速比便可以在很宽范围内变化(取决于叶片设计)，风轮机捕获风力可以写成(3-2)式中是气动功率(W)；是空气密度(kg/m3)；是扫掠面积(m2)；是风轮机的功率系数。由(3-2)式可知，风机整体设计和相应的运行控制策略应在追求最大的情况下进行相应的调整，便可增加其输出功率。如图3-4所示是理想风轮机的功率曲线。从理论上讲风轮机组的输出功率是无限大的，它是风速立方的函数。但在图3-4理想风轮机功率特性曲线实际应用中，它却受到了如下的限制：(1)功率限制：由于构成电路的所有电气元件都受到了功率限制；(2)转速限制：由于系统中的齿轮箱、电机都存在转速的上限。因而风轮机的运行存在三个典型区：在低风速段，按恒定途径控制风轮机直到转速达到极限；然后按恒定转速控制风轮机，直到功率最大；功率最大后，风轮机按恒定功率控制。变桨距风力发电机的控制策略P目标功率（KW）为了尽可能提高风轮机风能转换效率和保证风轮机输出功率平稳，风轮机将进行桨距调整。在定桨距风轮机的基础上加装桨距调整环节，称为变桨距风轮机组。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，主要依靠与叶片相匹配的叶片攻角改变来进行调节。在额定风速以下时，叶片攻角处于零度附近，此时叶片角度受控制环节精度的影响，变化范围很小，可等同于定桨距风机。在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片攻角，保证发电机的输出功率在允许范围内。风轮机的桨距控制系统，通常采用典型的PID转速、功率和桨距角三模态控制。速度控制和直接桨距控制常用于风力发电机的起动、停止和紧急事故处理。因而，变桨距风轮机的起动风速较定桨距风轮机低，但对功率的贡献没有意义；停机时对传动机械的冲击应力相对缓和。P目标功率（KW）V1V4V2V3风速：V1>V2>V3>V4V1V4V2V3风速：V1>V2>V3>V4图3-5风轮机调整目标功率曲线风机正常工作时，主要采用功率控制。对于功率调节速度的反映取决于风机桨距调节系统的灵敏度。在实际应用中，由于功率与风速的三次方成正比，风速的较小变化将造成风能较大变化，风机输出功率处于不断变化中。风速变化频繁幅度大的状况出现时将引起风机桨距调节机构频繁动作。风机桨距调节机构对风速的反应有一定的时延，在阵风出现时桨距调节机构来不及动作而造成风机的瞬时过载，不利于风机的运行。针对这一点，提出了混合失速的风机设计概念。即仍然发挥叶片的失速效应，在失速点之前进行桨距调整，即便桨距调节机构来不及动作通过叶片的失速效应发挥作用也不会造成风机的瞬时过载。变桨距风力发电机组控制系统模型框图变桨距风力发电机组的运行状态变桨距风力发电机组根据变距系统所起的作用可分为三种运行状态，即风力发电机组的起动状态（转速控制）、欠功率控制（不控制）和额定功率状态（功率控制）。1、起动状态变桨距风轮的桨叶在静止时，节距角为90°，气流对桨叶不产生转矩，当风速达到起动风速时，桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮起动。在发电机并入电网以前，变距系统的节距给定值由发电机的转速信号控制。转速控制器按一定的速度上升斜率给出速度参考值，变桨距系统根据给定的速度参考值，调整桨叶节距角，进行速度控制。2、欠功率状态欠功率状态是指发电机并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率以下的低功率状态运行。为了改善低风速时的风轮气动特性，采用了Optitip技术，即根据风速的大小，调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。3、额定功率状态当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率状态。在传统的变桨距控制方式中，将转速控制切换为功率控制，变距系统开始根据发电机的功率信号进行控制。功率反馈信号与额定功率进行比较，功率超过额定功率时，桨叶节距向迎风面积减少的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。发电机功率发电机转速节距控制器发电机功率发电机转速节距控制器变距机构风轮增速器发电机功率控制器速度控制器功率给定转速给定图3-6传统的变桨距风力发电机组的控制框图由于变桨距系统的响应速度受到限制,对快速变化的风速,通过改变节距来控制输出功率的效果并不理想。因此，为了优化功率曲线，最新设计的变桨风力发电机组在进行功率控制的过程中，其功率反馈信号不再作为直接控制桨叶节距的变量。变桨距系统由风速低频分量和发电机转速控制，风速的高频分量产生的机械能波动，通过迅速改变发电机的转速来进行平衡，即通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制，当风速高于额定风速时，允许发电机转速升高，将瞬变的风能以风轮动能的形式储存起来；转速降低时，再将动能释放出来，使功率曲线达到理想的状态。变桨距控制系统1、变桨距控制系统[10]在发电机并入电网时前，发电机转速由速度控制器A根据发电机转速反馈信号与给定信号直接控制；发电机并入电网后，速度控制B与功率控制器起作用。功率控制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线，调整发电机转差率，并确定速度控制器B的速度给定。图3-7新型变桨距控制系统分布图节距的给定参考值由控制器根据风力发电机组的运行状态给出。如图3-7图3-7新型变桨距控制系统分布图2、速度控制器A转速控制器A在风力发电机组进入待机状态或从待机状态重新起动时投入工作，如图3-8所示在这些过程中通过对节距角的控制，转速以一定的变化率上升。控制器也用于在同步速（50Hz时1500转/min）时的控制。当发电机转速在同步转速±10内持续1s发电机将切入电网。图3-8图3-8速度控制器A当风力发电机组从待机状态进入运行状态时，变桨距系统先将桨叶节距角图3-8速度控制器A快速地转到45°，风轮在空转状态进入同步转速。当转速从0增加到1500时，节距角给定值从45°线性的减小到5°。这一过程不仅使转子具有高起动力矩，而且在风速快速地增大时能够快速起动。图3-8速度控制器A3、速度控制器B发电机切入电网后，速度控制系统B作用。如图3-9所示，速度控制器B受发电机转速和风速的双重控制。在达到额定值前，速度给定值随功率给定值按比例增加。额定的速度给定值是1569r/min,相应的发电机转差率是4%。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2%，节距控制将根据风速调整到最佳状态，以优化叶尖速比。如果风速高于额定值，发电机转速通过改变节距来跟踪相应的速度给定值。功率输出将稳定地保持在额定值上。从图中可知在风速信号输入端设有低通滤波器，节距控制对瞬变风速并不影响。功率控制为了有效地控制高速变化的风速引起的功率波动，新型的变桨距风力发电机组采用了RCC（RotorCurrentControl）技术，即发电机转子电流控制技术。通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机的转差率，从而改变风轮转速，吸收由于瞬变风速引起的功率波动。图3-9速度控制器B1、功率控制系统功率控制系统如图3-10所示，它由两个控制环节组成。外环通过测量转速产生功率参考曲线。内环是一个功率伺服环，它通过转子电流控制器（RCC）对发电机转差率进行控制，使发电机功率跟踪功率给定值。如果功率低于额定功率值，这一控制环将通过改变转差率，进而改变桨叶节距角，使风轮获得最大功率。图3-10功率控制系统2、转子电流控制器原理[11]转子电流控制器由快速数字式PI控制器和一个等效变阻器构成。它根据给定的电流值，通过改变转子电路和电阻来改变发电机的转差率。在额定功率时，发电机的转差率能够从1%到10%（1515到1650）变化，相应的转子平均电阻从0到100%变化。当功率变化即转子电流变化时，PI调节器迅速调整转子电阻，使转子电流跟踪给定值，如果从主控制器传出的电流给定值是恒定的，它将保持转子电流恒定，从而使功率输出保持不变。从电磁转矩的关系式来说明转子电阻与发电机转差率的关系。发电机的电磁转矩为(3-3)式中:—电机极对数；—电机定子相数；—定子角频率,即电网角频率；—定子额定相电压；—转差率；—定子绕组的电阻；--定子绕组的漏