风力发电机组及其控制系统

风力发电机组及其控制系统,内容提要,风力发电基本原理 发电系统基础理论 控制系统设计 防雷接地系统,风力发电基本原理,风的产生 风的特性 风的表示法： 风向、风速、风级 风的特性： 1）风的随机性 2）风随高度变化而变化 风能：风能密度、风能,风的特性,以风轮轴安装形式分 水平轴风机：风轮的旋转轴与风向平行 - 升力型风机：旋转速度较快 - 阻力型风机：旋转速度较慢 - 上风向：风轮在塔架前面 - 下风向：风轮在塔架后面 垂直轴风机：风轮的旋转轴与地面或气流方向垂直,风机的分类,（1）,（2）,（3）,按运行方式分 独立运行风力发电机组 并网运行风力发电机组 按功率分：微型（501000W） 小型（110KW） 中型（10100KW) 大型（100KW),风机的分类,风力发电机的结构,独立运行的风力发电机组 水平轴独立运行的风力发电机组由 风轮、尾舵、发电机、支架、电缆、充电器、逆变器、蓄电池组成,风力发电机的结构,并网运行的风力发电机组 并网运行的发电机组由风轮、增速箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成,风力发电机组的工作原理,在并网运行风力发电机组中，当风以一定的速度吹向风力机时，在风轮的叶片上产生的力驱动风轮叶片低速转动，将风能转换成机械能，通过传动系统由增速箱增速，将动力传递给发电机，发电机将机械能转变为电能。 由于风向经常变化，为了有效的利用风能，在风机上装有迎风装置。 迎风装置根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮相啮合的小齿轮转动，使机舱始终对准风向方向。,风力机的气动原理,风车简化为一维流管： 一维动量方程，风轮轴向推力： 一维不可压缩流的连续方程： 伯努力方程：,风力机的气动原理,在风机上游： 在风机下游： 风机上获得的推力： 风轮盘面气流速度：,风力机的气动原理,风机损失的能量： 轴向诱导因子 风轮处速度 风轮尾流速度 可以看出，一半的轴向气流损失发生在流经制动桨盘时，另一半在下风向。 风轮上获得的功率 风能利用系数,风力机的气动原理（叶素理论）,叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，如图所述，多个圆环，半径，径向宽。在每个叶素上作用的气流相互之间没有干扰，作用在叶片上的力可分解为升力和阻力二维模型，作用在每个叶素单元的合力流速与叶片平面的夹角为攻角。翼型特征系数和随攻角的改变而改变。,风力机的气动原理（叶素理论）,作用在叶素上的合力流速为： 其中 是合力流与旋转平面的夹角，可以称之为入流角。,风力机的气动原理（叶素理论）,攻角 可表示为： 作用在单位圆环径向宽上的升力分量 ，与合力流方向垂直，表达式为： 阻力分量与合力流 方向平行，表达式为：,发电系统基础理论,独立运行风力发电机组中的发电机,直流发电机 永磁式直流发电机： 定子采用永磁体 电磁式直流发电机： 定子采用励磁绕组，通以直流电 永磁式交流同步发电机：转子采用永磁体，有凸极式和爪极式两种，定子与普通交流电机相同 硅整流自励式交流同步发电机：定子由铁心和三相定子绕组组成，定子绕组为星型联接，转子由转子铁心、转子绕组、集电环和转子轴组成，励磁绕组通过集电环和电刷与整流器的直流输出端相连，以后的直流电流励磁 电容自励式异步发电机： 在异步发电机定子绕组输出端接电容，以产生超前于电压的容性电流产生磁场，从而建立电压,并网运行风力发电机组中的发电机,异步发电机 结构：定子为三相绕组，采用星形或角形链接，转子为笼型或绕线形，定子绕组并连电容器来提供无功电流建立磁场，一般为4极或6极。 原理： 同步转速： 转差率： 当 时，电机工作在电动状态 当 时，电机运行在发电状态（一般 ） 并网运行时，只要接近同步转速就可并网，无需同步设备和整步操作，输出功率与转速近似成线性关系，可通过 调节负载,并网运行风力发电机组中的发电机,异步发电机,并网运行风力发电机组中的发电机,同步发电机 结构：定子由定子铁心和三相定子绕组组成，转子由转子铁心、转子绕组、集电环和转子轴组成，转子上的励磁绕组经集电环、电刷与直流电源相连，通以直流励磁电流来建立磁场，转子分凸极式和隐极式 原理：同步发电机在风力机的拖动下，转子以转速 旋转，旋转的转子磁场切割定子上的三相对称绕组，在定子绕组中产生频率为 的三相对称的感应电动势和电流输出。 为了保证输出频率与电网频率一致，发电机转速必须恒定，因此对调速机构有很高的要求。为了改善这一点，出现了低速永磁同步发电机，并通过全功率变流器与电网联接。,并网运行风力发电机组中的发电机,同步发电机,并网运行风力发电机组中的发电机,双馈异步发电机 结构： 由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成 原理：定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机的转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为： 当发电机的转速 变化时，可通过调节 来维持 不变，以保证与电网频率相同，实现变速恒频控制。,并网运行风力发电机组中的发电机,三种运行状态 亚同步 超同步 同步 功率分析 不计损耗时：,发电机,双馈异步发电机,控制目标： 保证系统的可靠运行 能量利用率最大 电能质量高 机组寿命长 常规控制功能： 在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行 低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大能量 高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组输出的功率为额定值 减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械应力和输出的功率波动，避免共振 减小功率传动链的暂态响应 控制器简单，控制代价小 调节机组功率，确保机组输出成电压和频率稳定,风力发电机组的控制策略,风力机的功率调节 风力机的调节是气动功率调节技术，其方式有定桨失速调节、变桨调节、主动失速调节。 定桨距失速风力发电机组的调节与控制 定桨距失速调节 结构：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。在风速超过额定风速后利用桨叶翼型本身的失速特性，维持发电机的输出功率在额定值附件。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高一些发电机的运行效率。 优点：失速调节简单可靠，没有变距机构。 缺点：叶片形成工艺复杂，机组整体效率低。,并网型风力发电机组功率调节控制,并网型风力发电机组功率调节控制,定桨距风力发电机组的控制。 高风速用4极大发电机,低风速用6极小发电机。依据平均或瞬时功率做切换条件。,定桨距风力发电机组的控制系统结构,变桨距风力发电机组的调节与控制 通过变桨距机构改变叶片桨距角的大小，改善气动性能和功率特性。 变桨距调节的3个过程：启动时的转速控制、额定转速以下的控制、额定转速以上的控制。 启动时的转速控制 在发电机并入电网前，变桨距系统的桨距角给定值由发电机的转速信号控制，转速调节器按一定的速度上升斜率给出速度参考值。变桨系统根据给定的速度参考值与反馈信号比较来调整桨距角，进行速度闭环控制。 额定转速以下的控制 在发电机并王后，当风速低于额定风速时，发电机在欠功率状态下运行，通过调节功率给定值来调整风机转速。 额定转速以上的恒功率控制 当风速过高时，通过调节桨叶角，改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使功率输出保持在额定值附近。,并网型风力发电机组功率调节控制,并网型风力发电机组功率调节控制,传统变桨距风力发电机组的控制系统,并网型风力发电机组功率调节控制,转差可调异步风力发电机组的控制系统,变速恒频风力发电机组的控制策略,间接速度控制 其中,变速恒频风力发电机组的控制策略,直接速度控制,控制系统设计,控制系统设计原则,安全、可靠 最大功率追踪 控制器易于扩展 便于维护,控制系统,塔底柜 机舱柜 变距系统 变流器 滑环 水冷系统,塔底柜,主电源接入、分配 UPS电源 电网测量 主控制器 人机界面 塔底数据采集 风场通讯,机舱柜,传感器接入 执行部件控制 数字电源 数字、模拟IO 安全继电器 变距系统通讯 人机界面,变距系统,变流器,滑环,信号列表：变距系统电源、通讯、控制信号 耐压、电流冲击电气性能等； 防护等级：IP54 设计寿命：7000万转,主控系统,监控系统,液压系统,功能： 控制偏航刹车和机械转子主动刹车。 组成： 油箱：液位指示 油泵：柱塞泵、电机 滤油单元 转子刹车阀组 偏航刹车阀组 ,外围传感器,速度传感器,低速轴传感器,传感器类型：电感式接近开关 功能：低速轴转速测量 数量：1 接收信号位置：塔顶控制柜 电气参数说明：感应距离=8mm 开关频率：400Hz 圆柱型 导线引出 屏蔽 供电电源：24V 输出信号：PNP,传感器类型：电感式接近开关 功能：高速轴转速测量 数量：1 安装位置：刹车盘 接收信号位置：塔顶控制柜 电气参数说明：感应距离=8mm 开关频率：400Hz 圆柱型 导线引出 屏蔽 供电电源：24V 输出信号：PNP,速度传感器,高速轴传感器,功能：偏航左右极限保护 数量：1 安装位置：偏航啮合处 接收信号位置：塔顶控制柜 电气参数说明：圈数：1：100 解缆圈数：4 圈 供电电源：24V 输出信号：PNP,解缆传感器,偏航方向传感器,传感器类型：接近开关 功能：偏航左右转动位置 数量：2 接收信号位置：塔顶控制柜 电气参数说明：开关频率：250Hz 供电电源：24V 输出信号：PNP,杯式风速传感器,功能：风速测量 数量：2 安装位置：机舱外部 接收信号位置：塔顶控制柜 电气参数说明： 加热最大值20 W; 测量范围 0.5 50 m/s 分辨率小于0.1 m/s 输出脉冲 2Hz573 Hz 供电电源：24V,标示风向传感器,功能：风向测量 数量：2 安装位置：机舱外上部 接收信号位置：塔顶控制柜 电气参数说明：0 360 精确度： -/+ 5 加热DC, max. 20 W 电源信号：24V 输出信号：0-20mA,超速开关,功能：风轮和发电机超速保护 数量：2 接收信号位置：塔顶控制柜 电气参数说明：频率范围：0.199.9Hz,振动开关,功能：振动极限开关 数量：1 接收信号位置：塔顶控制柜 电气参数说明：电压：24VDC 保护等级：IP66 重量：300g,加速度传感器,功能：振动信号采集 数量：2 接收信号位置：塔顶控制柜 电气参数说明：振动方向：X、Y 轴， 供电电源：24V 输出信号：继电器输出 安装尺寸：163mm X 52mm ( 长X 高),机组安全,机组安全设计是风力发电机组设计重要组成部分。,软件故障处理机制 安全链 防雷接地,安全系统,安全链保护：独立于控制系统之外的由硬件实现的安全保护系统。 一级安全链： 紧急停机、切断辅助电源 二级安全链： 紧急停机,软件故障处理机制 故障处理方式：限功率、待机、停机、紧急停机 故障解除方式：自复位、远程复位、本地手动复位,锁定装置：风轮锁，偏航保护，机械刹车 备用电源,安全链设计的关键点,保护点的设定：超速，振动，扭缆，变距系统故障、控制器故障、变流器故障、紧急停机按钮、电网故障等； 保护措施：紧急停机 故障解除方式:本地（手动）复位，防止自启动,防雷接地系统,防雷设计,设计依据标准 防雷总体概述 直击雷防护 机组等电位连接 系统屏蔽 机舱防雷 电源防雷 信号线防雷 基础防雷,设计依据及标准,风力发电系统综合防雷系统设计方案依据标准,IEC62305-1-4-2006 雷电防护 IEC61400-24:2002 风力发电机组第24部分 雷电防护 GB50052-95 供配电系统设计规范 GB50057-94 建筑物防雷设计法规 GB50343-2004 建筑物电子信息系统防雷技术规范,防雷总体设计,雷电对风力发电机组的危害不可忽视。直击雷和感应雷及雷电电磁脉冲的侵入是主要造成电气设备、控制系统和通讯系统损坏的原因，因此合理的防雷设计是风力发电机组设计必不可少的环节之一。 根据风力发电机组 防雷保护规定，将防雷区分为LPZ0、LPZ1、LPZ2等： LPZ0：区内的物体可能遭到直击雷击，传导全部雷电流或区内的物 体不会遭到直接雷击，但该区的电磁场没有衰减。（叶片） LPZ1：区内的物体不会遭到直击雷击，该区内所有导电体的电流比 LPZ0区进一步减小，电磁场可能衰减（机舱、塔架、箱变内 LPZ2：包括的所有设备，为了进一步减小干扰效应，还必须采取 附加屏蔽措施（齿轮箱、发电机、控制柜）。,直接雷防护,叶尖接闪器、避雷针、机舱外壳,引导体,直击雷地网,直击雷放电通道,机组等电位连接,等电位连接措施,机舱内可导电部分进行等电位连接。 叶片、主轴承、发电机、齿轮箱、液压系统等做等电位连接接地 塔筒底部与接地网可靠连接（不少于4点连接），机舱等电位接地端子排与塔筒可靠连接。 塔底配电、控制设备外壳做等电位连接,机舱防雷,机舱内电气感应雷防护：,对发电机、控制器、继电保护和通讯系统安装相应的过电压保护装置。 AC/DC电源线路、控制线路、传感器线路等应用屏蔽线，屏蔽线两端做等 电位连接。,机舱内电气感应雷产生：,机组受雷击，机舱内部件易受到雷电感应高电压而损坏 机舱塔筒间电源线及信号线受雷电感应高电压损坏设备,电源防雷,第一级使用雷击电涌保护器 第二级使用电涌保护器 第三级使用终端设备保护器,三级防雷保护措施,电源防雷,发电机输出端（690V）到塔底并网柜安装电源浪涌保护器SPD 塔底配电柜(690V)到变压器电源线路安装电源