风力发电原理(控制).ppt

风力发电机组检测与控制, 华北电力大学控制科学与工程学院,吕 跃 刚,第一章 绪 论,轮毂,齿轮箱,油冷却器,发电机,变桨驱动,旋转罩,机舱,低速轴,热交换器,控制箱,旋转接头,支撑轴承,偏航驱动,机舱座,通风,隔离减震,风力发电机组结构图,一、机组的总体结构,第一章 绪 论,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,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。,四、风力发电机组的控制特性,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,变距系统,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,调向系统,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,气流动能为 m 空气质量，v 气流速度 密度为的气流过面积 S 的气体体积为 V，M= V= Sv 则单位时间内气流所具有的动能为 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= Sv(v1-v2) 风轮吸收的功率P=Fv= Sv2 (v1-v2) 风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化： 令两式相等，得 经过风轮风速变化产生的功率为 其最大功率可令 得 ，代入后得到的最大理想功率为 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：,一、1、风力机能量转换过程,1、风能利用系数 ： 风力机的实际功率 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,一、2、风力机的主要特性系数,第二章 风力机控制,1、桨叶的翼型,二、1、桨叶的几何参数与空气动力特性,功角,升力角,零升力角,风向,弦长,A,B,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,2、桨叶上的气动力,总的气动力，S 桨叶面积，Cr 总气动系数,C,压力中心,升力，与气流方向垂直，Cl 升力系数,阻力，与气流方向平行，Cd 阻力系数,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,-30o -20o -10o 0o 10o 20o 30o 40o,0.8 0.6 0.4 0.2,-0.2,升力系数与阻力系数是随攻角变化的 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。 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,v,- u,w,运动旋转方向,安装角（桨距角、节距角）： 回转平面与桨叶截面弦长的夹角,倾斜角,相对 速度,驱动功率dPw=dT,风输入的总气动功率P=vFa 旋转轴得到的功率Pu=T 风轮效率=Pu/P,第二章 风力机控制,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：,Betz极限,理想的Cp曲线,实际的Cp曲线,失速损失,型阻损失,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80o90o，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,小发电机功率曲线,大发电机功率曲线,切换点,风速,功率,如6极200kW和4极750kW,P1,P2,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=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3050kW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。,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v3m/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/s25m/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、DC15V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。v3m/s时发电机， v25m/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；安装有从初始位置开始的齿轮记数传感器，用于停机解缆操作。位置行程开关停机保护。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130140oC，到150155oC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3060 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：,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：作为辅助刹车装置被安装在高速轴上，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。,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,2、超速保护 发电机或风轮转速超过额定转速110%时，控制器发出正常停机指令。 叶尖扰流器制动液压系统设有独立超速保护装置，风轮超速时，液压缸压力迅速上升，受压力控制的“突开阀”打开，压力油被泄掉，叶尖扰流器迅速打开，使得在控制系统失效时停机。 3、电网失电保护 电网一旦失电，控制叶尖扰流器和机械刹车的电磁阀立即打开，实现失压制动紧急停机。电网原因引起的停机，控制系统在电网恢复后10分钟自动恢复运行。 4、电气保护 过电压保护：控制器对通过电缆进入控制柜的冲击电压具有自我保护能力 感应瞬态保护：晶闸管、计算机的过电压屏蔽，传感器、通信电缆的隔离。 雷击保护：提供便捷的接地通道释放雷电。 5、紧急安全链 是计算机系统的最后一级保护措施，原理是将对风力发电机组造成致命伤害的故障节点串联在停机回路中，任何一个故障都可紧急停机。 如：紧急停机按钮、控制器看们狗、叶尖扰流器液压继电器、扭揽传感器、振动传感器、控制器DC24V电源失电。紧急停机后安全链只能手动复位,第四章 变桨距风力发电机组控制,一、概述,高于额定风速改变攻角保持功率恒定； 启动时控制驱动转矩控制转速。 特点： 1、改善机组的受力，优化功率输出（粗调，与发电机转差率调节配合）。 2、比定桨距风力机额定风速低、效率高；且不存在高于额定风速的功率下降问题。 3、功率反馈控制使额定功率不受海拔、湿度、温度等空气密度变化影响 4、启动时控制气动转矩易于并网；停机气动转矩回零避免突甩负荷。 运行状态： 启动状态转速反馈控制，速度给定加升速率限制有利于并网。 欠功率状态不控制（变速机组可通过追求最佳叶尖速比提高风机效率）。 额定功率状态功率控制，为了解决变桨对风速响应慢问题，可通过调节电机转差率调速，用风轮蓄能特性吸收风波动造成的功率波动，维持功率恒定。,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、变桨距执行系统,a、变桨距执行系统是一个随动系统，即桨距角位置跟随变桨指令变化。 b、校正环节是一个非线性控制器，具有死区补偿和变桨限制功能。死区用来补偿液压及变距机构的不灵敏区，变桨限制防止超调。 c、液压系统由液压比例伺服阀、液压回路、液压缸活塞等组成。 d、位置传感器给出实际变桨角度。,D/A 转换器,A/D 转换器,位移 传感器,变桨距 机构,液压系统,活塞位移,桨距角,变桨给定,校正环节,第四章 变桨距风力发电机组控制,三、变桨距控制（并网前）,1、并网前的速度控制 速度控制器控制从启动到并网的转速控制，达到同步转速10r/min内1s并网。进入启动状态，前馈通道将桨距角快速提高到45，500r/min减小到5，达到快速启动目的；非线性环节使增益随节距角增加而减小，补偿转矩变化。,转速 控制器,变桨 执行器,变距 机构,风轮 系统,发电机,传动 系统,桨距角,风速,转速给定A,转速,第四章 变桨距风力发电机组控制,三、变桨距控制（并网后）,b、功率控制器A并网后执行变桨到最大攻角，低于额定功率（额定风速）时控制器输出饱和，攻角最大；高于额定风速后进入恒功率控制；引入风速前馈通道，超过额定风速后，当风速变化时起到快速补偿作用。 c、功率控制器B低于额定风速调节转差率“实现”最佳叶尖速比调节，即风速增加转差率增大；高于额定风速时配合功率控制器A维持功率恒定。原理是风速出现波动时，由于变桨调节的滞后使驱动功率发生波动，调节转差率（转子电流）使机组转速变化而维持功率恒定，利用风轮储存和释放能量维持输入与 输出功率的平衡。,功率 控制器A,功率 控制器B,变桨 执行器,变距 机构,风轮 系统,发电机,传动 系统,转速,桨距角,发电功率,风速,额定功率,功率给定,同步转速,转子电流 执行器,S,P,风速信号,滤波器,+,-,+,-,+,-,+,-,第四章 变桨距风力发电机组控制,四、发电功率控制,1、发电机功率参考曲线 功率给定曲线在点划线限制的范围内变化，发电机的转差率在110%（15151650r/min），外加转子平均电阻在0到100%变化。 2、发电机转矩转速控制特性 功率=转矩转速，功率与转矩成正比。,= 转矩系数励磁磁通转子电流转子功率因数,其中：,转子感应电动势,发电功率与转子电流成正比，改变电流大小可以调节电功率。 改变转子回路电阻可以改变转子电流。 低于额定风速叶尖速比优化：风转速参考功率转子电流输出功率 高于额定风速恒定功率控制：风转速输出功率转子电流输出功率 ,跟踪参考值,稳定功率值,第四章 变桨距风力发电机组控制,四、发电功率控制,M,S n,0,ns,1 0,电动机,发电机,R2,R1,发电机转矩转速特性曲线 定子同步转速由电网决定： （定子三相电流产生的旋转磁场转速） 两种运行状态： nns为电动机方式；nns发电机状态。 滑差率： 发电状态时为负值 与功率成正比的电流可表示为：,转子静止时感应电势,接近同步速时S很小,分析：高于额定风速时，如发生扰动转速将发生变化，感应电势变化，电流亦将变化，通 过电阻的变化可以维持电流不变，因此维持功率瞬时稳定（克服扰动）。 反之，低于额定风速时，通过改变电阻，可以改变S，保证较好的叶尖速比（设定值改变）。,第四章 变桨距风力发电机组控制,四、发电功率控制,转子电流控制原理图：,第四章 变桨距风力发电机组控制,五、液压变距系统,油泵,油箱,滤油器,溢流阀,压力传感器,节流阀,比例阀,蓄能器,可调 节流阀,A,B,P,T,电磁阀,先导止回阀,单向阀,压力开关,减压阀,刹车钳,90,0,VESTAS V39型,单向阀,油位开关,压力传感器控制油泵启停，设定范围：130bar145bar 高压滤清器装有旁通阀和污染指示器，单向阀防止高压油回流。 溢流阀防止油压过高，设定值145bar 系统维修时，可调节流阀阀用来释放来自蓄能器的压力油 油位开关用来防止油溢出或泵在无油情况下运转。 油箱内设有PT100温度检测与报警，,液压泵站,第四章 变桨距风力发电机组控制,五、液压变距系统,油泵,油箱,滤油器,溢流阀,压力传感器,节流阀,比例阀,蓄能器,可调 节流阀,A,B,P,T,紧急顺桨阀,先导止回阀,单向阀,压力开关,减压阀,刹车钳,90,0,变桨距控制,控制器输出-10V+10V，控制比例阀输出方向及大小，使叶片在-588之间变化。 工作时紧急順桨阀通电，电磁阀1通电使先导止回阀双向流动。 比例阀“直通”时，活塞向右运动，桨叶节距向-5方向调节。 比例阀“跨接”时，节距角向88方向调节，液压缸左侧压力油回压力管路（活塞右侧面积大于左侧）。,紧急顺桨阀,电磁阀1,电磁阀2,第四章 变桨距风力发电机组控制,五、液压变距系统,油泵,油箱,滤油器,溢流阀,压力传感器,节流阀1,比例阀,蓄能器,可调 节流阀,A,B,P,T,紧急顺桨阀,先导止回阀,单向阀,压力开关,减压阀,刹车钳,90,0,液压系统停机状态,紧急顺桨阀断电，压力油通过节流阀2进入液压缸右端。左端压力油经节流阀1回油箱，順桨88。 电磁阀1断电，先导止回阀变为单向阀，防止风作用力矩使液压缸活塞向右运动。 急停状态防止蓄能器油量不够活塞行程，风的自变力矩将帮助紧急顺桨，补充油来自活塞左部及油箱吸油管。 节流阀用来限制变桨速度在9左右。,节流阀2,紧急顺桨阀,电磁阀1,第四章 变桨距风力发电机组控制,五、液压变距系统,油泵,油箱,滤油器,溢流阀,压力传感器,节流阀,比例阀,蓄能器,可调 节流阀,A,B,P,T,电磁阀,先导止回阀,单向阀,压力开关,减压阀,刹车钳,90,0,制动机构,开机指令发出后