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5.4 仿真结果分析 37
5.5 本章小结 38
结论 39
致谢 40
参考文献 41
附录A 外部控制器程序代码 42
附录B 平均风能捕获效率计算程序 57
1 绪论
1.1 研究背景
由于传统能源存在着消耗量大、成本高等问题，且对自然环境造成了不良影响，风力发电作为最有应用前景的可再生能源之一，在过去的十多年中日益受到关注。风能取之不尽，用之不竭，同时不会对环境造成污染，因此有望在未来取代传统的化石能源占据主导地位。
由于风电机组所处的环境相对于水电机组和火电机组而言较为恶劣，在运行过程中若载荷过大将对机组的机械结构造成严重影响，进而缩短各零部件的疲劳寿命甚至威胁机组的安全稳定运行。因此，如何在保证风能利用效率的同时避免机组承受较大的载荷已经成为风力发电领域的一个新的研究热点。
1.2 风电机组及其载荷控制综述
1.2.1 风力发电机组控制方式分类
风电机组按功率控制方式可分为定桨距失速型、变桨距失速型和变速变桨距型三类。对于不同类型的风电机组，其控制方式各有特点[1]。
a）定桨距失速型风电机组
定桨距失速型风电机组风轮的桨叶与轮毂刚性连接,桨距角在机组运行过程中保持不变。当来流风速发生变化时，依靠叶片自身的失速特性进行机组的功率调节：在高风速的情况下，叶片表面形成涡流，致使阻力增大，升力减小，造成叶片失速。这样，叶片捕获的风能将会减少，进而限制了输出功率。
定桨距失速型风电机组的控制不包含功率反馈系统和变桨执行机构，仅仅通过叶片自身的失速特性调节风机功率输出响应风速的变化，故整体结构简单，零部件少，造价较低，安全系数较高。利用叶片失速进行功率调节在很大程度上依赖于叶片的翼型结构，而叶片制造工艺难度较大。随着机组功率的增大，风机叶片必然加长，由于叶片承受的气动推力很大，这就使得叶片的柔度增大，其失速动态特性难以控制，且定桨距失速型风电机组在低风速下风能转换效率较低。因此，兆瓦级以上的大型风电机组一般不采用定桨距失速控制进行功率调节。
b）变桨距失速型风电机组
变桨距失速型风电机组在低风速下通过调节风机叶片桨距角以提高风能利用率；当风速增大，风机输出功率达到额定值时，则通过变桨距控制改变叶片攻角，主动使叶片失速从而将输出功率文持在额定值。
与定桨距失速型风电机组相比，变桨距失速型风电机组在运行过程中，风机叶片、塔架和基座承受的载荷相对较小，故机组制造成本较低，整机重量也得到减轻。但由于变桨距调节机构及其控制较为复杂，机组的文护需求和文护成本也相应增加。此外，若风机的变桨距控制系统在出现阵风时不能足够快响应风速的波动，将引起机组输出功率的波动，继而对电网产生影响。
c）变速变桨距型风电机组
变速变桨距型风电机组在低风速下控制发电机转矩使风轮转速与风速保持最优叶尖速比以最大限度地捕获风能，这样就使得机组能够在很大的风速范围内高效运行。当运行在高风速下时，发电机转矩保持不变，通过变桨距控制调节风轮转速，使机组输出功率平稳地文持在额定值，避免了输出功率持续增加对机组造成的不良影响。
变速变桨距型风电机组有着优越的性能，因此在实际投入使用的风电机组中该机型占据了很大比例。由于单机容量的不断增加以及电网对风电机组的电能质量要求,变速变桨距机组的控制也面临很多新的问题。若控制方法不当将有可能引起风机载荷过大或输出功率波动频繁，使风机关键部位疲劳载荷变大，从而影响风机的使用寿命与运行的可靠性。所以机组的控制策略在实现最大风能捕获这一目标的同时，还应考虑减小控制过程中作用于机组的载荷，抑制传动系统和塔架的振动。