变桨距风力发电机组控制系统PPT课件

变桨距风力发电机组控制系统的研究,付冬梅,.,研究的主要内容,1.风力机组的特点及运行过程,.,变桨距风力发电机组的特点,1.机组的特点,.,变桨距风力发电机组的特点,2.运行状态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，最新设计的变桨距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叶片节距的变量。,.,研究的主要内容,1.风力机组的特点及运行过程,.,变桨距控制系统,变桨距系统分为叶尖局部变距和全叶片变距叶尖局部变距：通常只变叶尖部分(约0.25R0.30R)的节距角，其余部分翼展是定桨距的。全叶片变距又分为离心式变距和伺服机构驱动式变距离心式变距：利用叶片本身或附加重锤的质量在旋转时产生的离心力作为动力，使叶片偏转变距。伺服机构驱动式变距：大型风电机组的变距，通常要借助电动或液压的伺服系统使叶片旋转变距。,.,变桨距控制系统,变桨距控制的优点是机组起动性能好，输出功率稳定，停机安全等；其缺点是增加了变桨距装置控制复杂性。,.,变桨距控制系统,风机正常工作时，主要采用功率控制,变桨距系统,在额定风速以下时，叶片攻角处于0附近，此时叶片角度受控制环节精度的影响，变化范围很小等同于定桨距,在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片的节距角，进而改变叶片攻角，保证发电机的输出功率在允许范围内,.,变桨距控制系统,变桨距调节方法可以分为三个阶段开机阶段：当风电机达到运行条件时，计算机命令调节节距角。第一步将节距角调到45，当转速达到一定时，再调节到0，直到风电机达到额定转速并网发电。保持阶段：当输出功率小于额定功率时，节距角保持在0位置不变。调节阶段：当发电机输出功率达到额定后，调节系统即投入运行，当输出功率变化时，及时调节距角的大小，在风速高于额定风速时，使发电机的输出功率基本保持不变。,.,变桨距控制系统,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。死区用来补偿电动变距机构的不灵敏区，变桨限制防止超调。c、电动变桨系统由伺服电动机，伺服驱动器，独立的控制系统，电源，减速箱，齿盘，传感器、主控制器等组成。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,电动变桨系统,活塞位移,桨距角,变桨给定,校正环节,.,变桨距控制系统,1.变桨距控制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,.,变桨距控制系统,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。节距控制将根据风速调整到最佳状态，以优化叶尖速比。与速度控制器A的结构相比，速度控制器B增加了速度非线性化环节，以便控制节距角加速趋近于0。,2.变桨距控制,.,变桨距控制系统,3.变桨距控制,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。,.,研究的主要内容,1.风力机组的特点及运行过程,.,控制系统的执行机构,本系统采用的是电动变桨距机构，电动变桨距机构可采用伺服电机对每个桨叶进行单独调节。伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相啮合，直接对桨叶的节距角进行控制。位移传感器采集桨叶节距角的变化从而构成闭环控制。在系统出现故障或控制电源断电时，电机由蓄电池等储能装置供电将桨叶调为顺桨位置。,.,控制系统的执行机构,电动变桨距机构的整体结构图,.,研究的主要内容,1.风力机组的特点及运行过程,.,变桨距风力发电机组的模型,建模仿真是研究节距角的变化对风力机输出功率的影响。1.风轮的模型其中:J为风轮转动惯量，单位为kgm2；为风轮转动角速度，单位为rad/s；T为风轮所吸收的气动转矩，单位为N.m；Te为发电机的反力矩，单位为N.m；,.,变桨距风力发电机组的模型,风轮获取风能的公式为转矩公式为其中CT为转矩系数2.桨距角的模型其中：T时间常数，单位为秒；参考节距角，单位为度；,.,变桨距风力发电机组的模型,3.系统线性化风力机系统具有很强的非线性，通常在用模糊PID控制器时，需要建立精确的数学模型，因此在建模过程中对系统进行线性化。叶尖速比即为桨叶尖部的线速度与风速之比，由下式表示:其中：n风轮的转速r/s；风轮转动角速度，rad/s;R风轮直径，m。对上式进行求导，对转矩公式进行线性化得简化上式得,.,研究的主要内容,1.风力机组的特点及运行过程,.,技术展望,风能作为清洁的可再生的绿色能源，已经受到世界各国的普遍重视，风力发电技术也开始成为越来越多国家的研究重点。风力机变桨距控制技术及变桨距风力机结构研究取得了很大进步，目前研究人员主要致力于解决通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡等问题。Vestas公司推出OpiTip(最佳桨距角)风力发电机组，不但优化了输出功率而且有效的降低的噪音。2006年B