风力发电控制原理

风力发电机组控制原理

第一章 绪 论旋转罩 轮毂 机舱 油冷却器 热交换器 齿轮箱 旋转接头 控制箱

低速轴

变桨驱动 支撑轴承

偏航驱动

发电机

通风

隔离减震

机舱座

风力发电机组结构图

第一章 绪 论一、机组的总体结构风轮 增速器 发电机

电网主继电器

风

主开关熔断器

变压器

转速晶闸管 变桨 并网 功率 风 风速 控 制 系 统

无功补偿

定桨：1.5-2.5叶尖扰流器起脱网停机气动刹车，一般采用双速发电机来提高效率。 变桨：随风速改变攻角，超过额定风速保持额定功率。 设计风轮转速：20-30r/min,通过增速器与发电机匹配。 采用晶闸管软切入并网，并网容易，扰动小。 含微处理器的控制系统。

第一章 绪 论二、风力发电机组的主要类型与控制要求 定桨距失速型机组 监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；自动相位补偿；监视机组的运 行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、 发电量等机组运行数据。 全桨叶变距型机组 监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；优化功率曲线；监视机组的运 行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、 发电量等机组运行数据。 基于变速恒频技术的变速型机组 监控系统任务除去上述功能外主要包括： 基于微处理器及先进IGBT电力电子技术的发电机转子变频励磁；脉宽调制技 术产生正弦电压控制发电机输出电压与频率质量；低于额定风速的最大风能 (功率)控制与高于额定风速的恒定额定功率控制。

第一章 绪 论三、风力发电机组的控制技术 定桨距失速型机组 解决了风力发电机组的并网问题和运行安全性与可靠性问题，采用了软并网 技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术。 固定的节距角及电网频率决定的转速，简化了控制与伺服驱动系统 。 全桨叶变距型机组 启动时可进行转速控制，并网后可进行功率控制。 电液伺服机构与闭环变距控制提高了机组效率。 基于变速恒频技术的变速型机组 采用变速风力发电机。 根据风速信号控制，低于额定风速跟踪最佳功率曲线，高于额定风速柔性保 证额定功率输出。改善了高次谐波对电网影响，提高了功率因数，高效高质 地向电网供电。

习题：各不同类型机组的控制技术有何功能特点。

第一章 绪 论四、风力发电机组的控制特性

风能

风轮 动态特性

风轮转矩×转速

传动链 动态特性

发电机转矩×转速

发电机 动态特性 功率 变送器

电功率

变距位置 伺服 执行器

变距指令

控制器

功率信号

图中看出，系统的特

性除了与机组特性有关外，还受控制器影响。 运行中控制器可改变功率输出，风能看成是扰动。

第一章 绪 论五、风力发电机组的控制系统结构用户界面

输入用户指令，变更参数 显示系统运行状态、数据及 故障状况

发电机控制 软并网 变频器励磁调节

主控制器 运行监控，机组起/停 电网、风况监测

无功补偿 根据无功功率信号分组切 入或切出补偿电容或变流 器进行调节

变桨系统 转速控制 功率控制

液压系统 刹车机构压力保持 变距机构压力保持

制动系统 机械刹车机构 气动刹车机构

偏航系统 偏航 自动解除电缆缠绕

习题：通过对控制系统结构的了解，回答控制系统主要包括那些功能？

第二章 风力机控制 一、1、风力机能量转换过程气流动能为

1 E mv 2 2

m 空气质量，v 气流速度

密度为ρ的气流过面积 S 的气体体积为 V,M= ρ V= ρSv

则单位时间内气流所具有的动能为 E

1 Sv3 2

Sv1

Sv

Sv2

理想风轮与贝兹(Betz)理论： 前后空气体积相等：S1v1=Sv=S2v2 根据牛顿第二定律，单位时间内风轮上的受力 F= mv1-mv2= ρSv(v1-v2) 风轮吸收的功率P=Fv= ρSv2 (v1-v2) 1 2 风轮吸收的功率又等于风轮前后动能(单位时间)的变化： E Sv(v12 v2 ) 令两式相等，得 v

v1 v 2 21 2 S (v12 v2 )(v1 v2 ) 4

2

经过风轮风速变化产生的功率为 P 其最大功率可令

8 1 dP Sv13 0 得 v2 v1 ,代入后得到的最大理想功率为 Pmax 3 dv2 27Pmax 16 0.593 E 27

与气流扫掠面积风的能量相比，可得风力机的理论最大效率： max

第二章 风力机控制 一、2、风力机的主要特性系数1、风能利用系数 C P : 1 3 P v1 SCP 风力机的实际功率 S 2 其中CP为风能利用系数，它小于0.593 2、叶尖速比 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量，称叶尖速比

2 Rn v

Cp0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8° 9° 10° 13° 15°

额定风速 恒定功率

切出风速 切入风速

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

第二章 风力机控制 二、1、桨叶的几何参数与空气动力特性1、桨叶的翼型 0 零升力角升力角 风向

弦长

攻角：来流方向与弦线的夹角 零升力角：弦线与零升力线夹角 升力角：来流方向与零升力线夹角

v

i 功角

l

2、桨叶上的气动力

F

1 Cr Sv2 总的气动力，S — 桨叶面积，Cr — 总气动系数 2

Fl A C 压力中心

1 Cl Sv2 升力，与气流方向垂直，Cl — 升力系数 21 Cd Sv2 阻力，与气流方向平行，Cd — 阻力系数 2B

Fd

v

i

Cd、Cl 是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始

依据。

第二章 风力机控制 二、2、升力和阻力的变化曲线 升力系数与阻力系数是随攻角变化的0.8 0.6 0.4 0.2

Cl

Cd

升力系数随攻角的增加而增加，使得桨叶 的升力增加，但当增加到某个角度后升力 开始下降；阻力系数开始上升。出现最大 升力的点叫失速点。

-30o

-20o -10o 0o Cl min -0.2

10o

iM

20o

30o

40o

i

截面形状(翼型弯度、翼型厚度、前缘位 置)、表面粗糙度等都会影响升力系数与 阻力系数。 对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，造 成阻力增加，

第二章 风力机控制 三、旋转桨叶的气动力(叶素分析)风向

i -uI 倾斜角 dD气流阻力 安装角(桨距角、节距角): 回转平面与桨叶截面弦长的夹角

I相对 速度

I

运动旋转方向 u

R 2 Rn

w

vdL气流升力

dF气流W产生的气动力1 Cl w2 dS 2 1 dD Cd w2 dS 2 dL

轴向推力dFa=dLcosI+dDsinI 旋转力矩dT=r(dLsinI-dDcosI) 驱动功率dPw=ωdT

风输入的总气动功率P=vΣFa旋转轴得到的功率Pu=Tω 风轮效率η=Pu/P

第二章 风力机控制 五、涡流理论(叶片数的影响及实际风力机Cp曲线)有限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使风力机效率有所下降。 实际风力机曲线如下图所示：Cp

Betz极限 理想的Cp曲线 型阻损失

失速损失

实际的Cp曲线

0

第三章 定桨距风力发电机组 一、定桨距风力发电机组的特点1、风轮结构 主要特点：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨叶的迎风角度不随风速变化而变化。 需解决的问题：高于额定风速时桨叶需自动将功率限制在额定功率附近(失速特性)。 脱网(突甩负荷)时桨叶自身具备制动能力。 添加了叶尖扰流器，降低机械刹车结构强度， 2、桨叶的失速调节原理 因桨叶的安装角β不变，风速增加→升力增加→升力变缓→升力下降→阻力增加→叶片失速 叶片攻角由根部向叶尖逐渐增加，根部先进入失速，随风速增大逐渐向叶尖扩展。失速部分 功率减少，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在额定功率附近。 3、叶尖扰流器 叶尖部分可旋转的空气阻尼板，正常运行时，在液压控制下与叶片成为整体，风力机脱网时 液压控制指令将扰流器释放并旋转80o~90o,产生阻力停机，即产生空气动力刹车。 空气动力刹车是按失效思想设计，即起到液压系统故障时的机组停机保护。 4、双速发电机功率 大发电机功率曲线 如6极200kW 和4极750kW P1 切换点 P2 风速 小发电机功率曲线

第三章 定桨距风力发电机组 一、定桨距风力发电机组的特点5、功率输出 功率的输出主要决定于风速，叶片的失速特性功率曲线是在标准空气密度 ρ=1.225kg/m3测出 的，一般温度

变化±10oC,空气密度变化±4%。因此气温升高，密度下降，输出功率减少。 750kW机组可能会出现30~50kW的偏差， 6、节距角与额定转速的设定对功率输出的影响 由于机组的桨叶节距角和转速都是固定不变的，使机组功率曲线上只有一点有最大功率系数。 额定转速低的机组，低风速下有较高的功率系数；额定转速高的机组，高风速下有较高的功率 系数。即为双速电机依据。 设计的最大功率系数并不出现在额定功率上，因风力发电机并不经常工作在额定风速点。定桨 距风力发电机应尽量提高低风速的功率系数和考虑高风速的失速性能。1000 功率输出/kW 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 2 4 6 8 10 12 14 16 18Cp

800 600400 200

0

风速/(m/s)

功率/kW

第三章 定桨距风力发电机组 二、定桨距风力发电机组的基本运行过程1、待机状态 风速v>3m/s但没达到切入转速或机组从小功率切出，没有并网的自由转动状态。 控制系统做好切入电网的准备； 机械刹车已松开； 叶尖阻尼板已收回； 风轮处于迎风状态； 液压系统压力保持在设定值； 风况、电网和机组的所有状态参数检测正常，一旦风速增大，转速升高，即可并网。 2、风力发电机组的自启动及启动条件 机组在自然风作用下升速、并网的过程。需具备的条件为： 电网：连续10分钟没有出现过电压、低电压；0.1秒内电压跌落小于设定值；电网 频率在设定范围内；没有出现三相不平衡等现象。 风况：连续10分钟风速在机组运行范围内(3.0m/s~25m/s) 机组：发电机温度、增速器油温在设定值范围以内；液压系统各部位压力在设定值 以内；液压油位和齿轮润滑油位正常；制动器摩擦片正常；扭缆开关复位；控制系 统DC24V、AC24V、DC5V、DC±15V电源正常；非正常停机故障显示均已排除；维护 开关在运行位置。

第三章 定桨距风力发电机组 二、定桨距风力发电机组的基本运行过程3、风轮对风 偏航角度通过风向测定仪测定。10分钟调整一次，调整中释放偏航刹车。 4、制动解除 启动条件满足后，控制叶尖扰流器的电磁阀打开，压力油进入桨叶液压缸，扰流 器被收回与桨叶主体合为一体。控制器收到扰流器回收信号后，压力油进入机械盘 式制动器液压缸，松开盘式制动器。 5、风力发电机组的并网 当转速接近同步转速时，三相主电路上的晶闸管被触发开始导通，导通角随与同 步转速的接近而增大，发电机转速的加速度减少；当发电机达到同步转速时晶闸管 完全导通，转速超过同步转速进入发电状态；1秒后旁路接触器闭合，电流被旁路， 如一切正常晶闸管停止触发。

第三章 定桨距风力发电机组 三、风力

发电机组的基本控制要求1、控制系统的基本功能 根据风速信号自动进行启动、并网或从电网切出。 根据风向信号自动对风。 根据功率因数及输出电功率大小自动进行电容切换补偿。 脱网时保证机组安全停机。 运行中对电网、风况和机组状态进行监测、分析与记录，异常情况判断及处理。 2、主要监测参数及作用 电力参数：电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率、发电机功率因数 等。判断并网条件、计算电功率和发电量、无功补偿、电压和电流故障保护。发 电机功率与风速有着固定的函数关系，两者不符可作为机组故障判断的依据。 风力参数：风速；每秒采集一次，10分钟计算一次平均值。v>3m/s时发电机， v >25m/s停机。风向；测量风向与机舱中心线的偏差，一般采用两个风向标进行补 偿。控制偏航系统工作，风速低于3m/s偏航系统不会工作。 机组参数：转速；机组有发电机转速和风轮转速两个测点。控制发电机并网和脱 网、超速保护。温度；增速器油温、高速轴承温度、发电机温度、前后主轴承温 度、晶闸管温度、环境温度。振动；机舱振动探测。电缆扭转；安装有从初始位 臵开始的齿轮记数传感器，用于停机解缆操作。位臵行程开关停机保护。刹车盘 磨损；油位；润滑油和液压系统油位。

第三章 定桨距风力发电机组 三、风力发电机组的基本控制要求 各种反馈信号的检测：控制器在发出指令后的设定时间内应收到的反馈信号包括回 收叶尖扰流器、松开机械刹车、松开偏航制动器、发电机脱网转速降落。否则故障 停机。 增速器油温的控制：增速器箱内由PT100热电阻温度传感器测温；加热器保证润滑 油温不低于10oC;润滑油泵始终对齿轮和轴承强制喷射润滑；油温高于60oC时冷却 系统启动，低于45oC时停止冷却。 发电机温升控制：通过冷却系统控制发电机温度，如温度控制在130~140oC,到 150~155oC停机。 功率过高或过低的处理：风速较低时发电机如持续出现逆功率(一般30~60 s), 退出电网，进入待机状态。功率过高，可能为电网频率波动(瞬间下降),机械惯 量不能使转速迅速下降，转差过大造成。也可能是气候变化，空气密度增加造成。 当持续10min大于额定功率15%或2s大于50%应停机。 风力发电机组退出电网：风速过大会使叶片严重失速造成过早损坏。风速高于25 m/s持续10min或高于33m/s持续2s正常停机，风速高于50m/s持续1s安全停机，侧 风90oC。

第三章 定桨距风力发电机组三、风力发电机组的基本控制要求3、风力发电机组的基本控制策略 风力发电机组的工作状态：运行状态 机

械刹车松开 机组并网发电 机组自动调向 液压系统保持工作压力 叶尖阻尼板回收(或变 桨处于最佳角度) 暂停状态 机械刹车松开 风力发电机组空转 机组调向保持工作状态 液压系统保持工作压力 叶尖阻尼板回收(或变 节距角在90o) 调向系统停止工作 液压系统保持工作压力 叶尖阻尼板弹出(或变 距系统失去压力) 停机状态 机械刹车松开 紧急停机状态 机械刹车与气动刹车 同时动作 计算机处于监测状态， 输出信号被旁路

第三章 定桨距风力发电机组 四、定桨距风力发电机组的制动与保护系统1、定桨距风力发电机组的制动系统 叶尖气动刹车：液压系统提供的压力由经旋转接头进入桨叶根部的压力缸，压缩 扰流器机构中的弹簧，使叶尖扰流器与桨叶主体平滑连为一体。当风力机停机时， 液压系统释放压力油，叶尖扰流器在离心力作用下，按设计轨迹转过90o。 机械盘式刹车：作为辅助刹车装臵被安装在高速轴上，液压驱动。因风力机转矩 很大，作为主刹车将会使刹车盘直径很大，改变了机组结构。大型风机一般有两 部机械刹车。 制动系统按失效保护原则设计，一旦失电或液压系统失效即处于制动状态。 正常停机制动过程：电磁阀失电释放叶尖扰流器、发电机降至同步转速时主接触 器动作与电网解列、转速低于设定值时第一部刹车投入、如转速继续上升第二部 刹车立即投入、停机后叶尖扰流器收回。 安全停机制动过程：叶尖扰流器释放同时投入第一部刹车、发电机降至同步转速 时主接触器跳闸同时第二部刹车立即投入、叶尖扰流器不收回。 紧急停机制动过程：所有继电器断电、接触器失电；叶尖扰流器和两部机械刹车 同时起作用；发电机同时与电网解列。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dpmj.html