风力发电机组控制技术

风力发电机组控制技术参考书《风力发电机组的控制技术》（第2版）叶杭冶，机械工业出版社《风力发电》尹炼，中国电力出版社《风能与风力发电技术》刘万琨，化学工业出版社《风能技术》武鑫（译），科学出版社第2页,共32页，2024年2月25日，星期天2.1定桨距风力机的特点节距角的改变对功率的影响如下图，它主要改变了叶片对气流的失速点，这是随空气密度调整节距角的依据。在低风速区，不同的节距角所对应的功率曲线几乎是重合的；在高风速区，节距角的变化，对其最大输出功率的影响是十分明显的。第3页,共32页，2024年2月25日，星期天由于机组的叶片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。02468101214161810008006004002000.10.20.30.40.5功率输出/kW风速/(m/s)功率/kW2.1定桨距风力机的特点六、节距角与额定转速的设定对功率输出的影响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。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。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。第4页,共32页，2024年2月25日，星期天2.2机组的基本运行过程叶尖阻尼板已收回；一、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；液压系统压力保持在设定值；风轮处于迎风状态；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。第5页,共32页，2024年2月25日，星期天2.2机组的基本运行过程机组在自然风作用下升速、并网的过程。需具备的条件为：二、风力发电机组的自启动及启动条件电网：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。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。风况：连续10分钟风速在机组运行范围内(3.0m/s~25m/s)。第6页,共32页，2024年2月25日，星期天2.2机组的基本运行过程三、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。启动条件满足后，控制叶尖扰流器的电磁阀打开，压力油进入叶片液压缸，扰流器被收回与叶片主体合为一体。四、制动解除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。第7页,共32页，2024年2月25日，星期天

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。2.2机组的基本运行过程五、风力发电机组的并网控制系统风轮增速器发电机主继电器主开关熔断器变压器晶闸管电网风变桨风速转速并网功率无功补偿风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8页,共32页，2024年2月25日，星期天2.2机组的基本运行过程五、风力发电机组的并网1.大小发电机的软并网程序

发电机转速已达到预置的切入点，该点的设定应低于发电机同步转速。连接在发电机与电网之间的开关元件晶闸管被触发导通。当发电机达到同步转速时，晶闸管导通角完全打开，转速超过同步转速进入发电状态。进入发电状态后，晶闸管导通角继续完全导通。第9页,共32页，2024年2月25日，星期天2.2机组的基本运行过程五、风力发电机组的并网2.从小发电机向大发电机的切换

小发电机向大发电机切换的控制，一般以平均功率或瞬时功率参数为预置切换点。小发电机功率曲线大发电机功率曲线切换点P1P2风速功率首先断开小发电机接触器，再断开旁路接触器。此时，发电机脱网，风力将带动发电机转速迅速上升，在到达同步转速1500r/min附近时，再次执行大发电机的软并网程序。小发电机向大发电机的切换第10页,共32页，2024年2月25日，星期天2.2机组的基本运行过程五、风力发电机组的并网3.大发电机向小发电机的切换

小发电机功率曲线大发电机功率曲线切换点P1P2风速功率首先断开大发电机接触器，再断开旁路接触器。由于发电机在此之前仍处于出力状态，转速在1500r/min以上，脱网后转速将进一步上升。迅速投入小发电机接触器，执行软并网，由电网负荷将发电机转速拖到小发电机额定转速附近。只要转速不超过超速保护的设定值，就允许执行小发电机软并网。第11页,共32页，2024年2月25日，星期天2.3机组的基本控制要求一、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。第12页,共32页，2024年2月25日，星期天2.3机组的基本控制要求二、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。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。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。第13页,共32页，2024年2月25日，星期天2.3机组的基本控制要求机组参数转速：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。油位：润滑油和液压系统油位。刹车盘磨损。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。第14页,共32页，2024年2月25日，星期天2.3机组的基本控制要求增速器油温的控制增速器箱内由PT-100热电阻温度传感器测温；加热器保证润滑油温不低于10℃；润滑油泵始终对齿轮和轴承强制喷射润滑；油温高于60℃时冷却系统启动，低于45℃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130~140℃，到150~155℃停机。第15页,共32页，2024年2月25日，星期天风速高于25m/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90°。2.3机组的基本控制要求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30~60s），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。第16页,共32页，2024年2月25日，星期天运行暂停停机急停2.3机组的基本控制要求工作状态之间转变急停→停机：停机条件满足，关闭急停电路、建立液压工作压力。停机→暂停：暂停条件满足，启动偏航系统（接通变桨距压力）暂停→运行：运行条件满足，核对上风向、叶尖阻尼板收回（或变桨距系统投入）、根据转速控制并网。急停：主要控制有打开紧急电路、置所有信号无效、机械刹车作用、逻辑电路复位。暂停→停机：停止自动调向、打开气动刹车（或变距系统失压）运行→停机：脱网、打开气动刹车（或变距系统失压）暂停：功率调节到0后通过晶闸管切出发电机、降低风轮转速到0。第17页,共32页，2024年2月25日，星期天2.3机组的基本控制要求故障处理：故障发生时意味着从较高状态转换到较低状态。（1）故障检测：扫描传感器及信号，判断可降低状态的信号。（2）故障记录：故障存储与报警。（3）故障反应：选择降为三种停机状态中的一种。（4）重新启动：一般故障可能自动复位或操作人员远程手动复位，重新启动。致命故障必须由人员到现场检查处理，就地复位。第18页,共32页，2024年2月25日，星期天2.3机组的基本控制要求四、控制系统的安全运行

1.控制系统安全运行的必备条件

2）风力发电机组安全链系统硬件运行正常。3）偏航系统处于正常状态，风速仪和风向标处于正常运行的状态。4）制动和控制系统液压装置的油压、油温和油位在规定范围内。1）风力发电机组开关出线侧相序必须与并网电网相序一致，电压标称值相等，三相电压平衡。

5）齿轮箱油位和油温在正常范围。6）各项保护装置均在正常位置，且保护值均与批准设定值相符。7）各控制电源处于接通位置。8）监控系统显示正常运行状态。9）在寒冷和潮湿地区，停止运行一个月以上的风力发电机组再投入运行前应检查绝缘，合格后才允许起动。第19页,共32页，2024年2月25日，星期天2.3机组的基本控制要求四、控制系统的安全运行

2.风力发电机组工作参数的安全运行范围2）转速：风轮转速通常低于40r/min，发电机的最高转速不超过额定转速的30%。3）功率：只在额定风速以上作限制最大功率的控制，通常运行安全最大功率不允许超过设计值的20%。

4）温度：通常控制器环境温度应为0～30℃，齿轮箱油温小于120℃，发电机温度小于150℃，传动等环节温度小于70℃。

1）风速：风速在3～25m/s为规定工作范围。

5）电压：发电电压允许的范围在设计值的10%。6）频率：机组的发电频率应限制在50Hz±1Hz。7）压力：机组的许多执行机构由液压执行机构完成，通常低于100Mpa。第20页,共32页，2024年2月25日，星期天2.4定桨距风力机的制动与保护系统正常停机制动过程：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。一、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叶片根部的压力缸，压缩扰流器机构中的弹簧，使叶尖扰流器与叶片主体平滑连为一体。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80°~90°。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。第21页,共32页，2024年2月25日，星期天2.4定桨距风力机的制动与保护系统所有继电器断电、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。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：第22页,共32页，2024年2月25日，星期天2.4定桨距风力机的制动与保护系统1、安全保护安全保护系统分三层结构：计算机系统(控制器)，独立于控制器的紧急停机链和个体硬件保护措施。二、定桨距风力发电机组的保护系统微机保护涉及到风力机组整机及零部件的各个方面；紧急停机链保护用于整机严重故障及人为需要时；个体硬件保护则主要用于发电机和各电气负载的保护。第23页,共32页，2024年2月25日，星期天2.4定桨距风力机的制动与保护系统1）雷击保护雷击保护的原理是使机组所有部件保持电位平衡，并提供便捷的接地通道以释放雷电，避免高能雷电的积累。一般使用避雷器或防雷组件吸收雷电波。

二、定桨距风力发电机组的保护系统机舱的保护

叶片的保护

钢结构的机舱底座，为舱内机械提供了基本的接地保护。叶尖上安装雷电接收器。控制系统的保护

过压保护器。第24页,共32页，2024年2月25日，星期天2.4定桨距风力机的制动与保护系统2）运行安全保护

二、定桨距风力发电机组的保护系统大风安全保护

参数越限保护

风速达到25m/s(10min)即为停机风速，机组必须按照程序安全停机。当数据达到限定值时，控制系统根据设定好的程序进行自动处理。过压过流保护

采用隔离、限压、高压瞬态吸收元件、过流保护器。震动保护机组应设有三级震动频率保护。开机关机保护

第25页,共32页，2024年2月25日，星期天2.4定桨距风力机的制动与保护系统3）紧急停机安全链保护

二、定桨距风力发电机组的保护系统系统的紧急安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施，也是计算机系统的最后一级保护措施，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。4）微机控制器抗干扰保护

分为交变脉冲干扰和单脉冲干扰两种，以电或磁的形式干扰控制系统。5）接地保护接地的主要作用一方面是为保证电器设备安全运行，另一方面是防止设备绝缘被破坏时可能带电，以致危及人身安全。同时能保护装置迅速切断故障回路，防止故障扩大。第26页,共32页，2024年2月25日，星期天2.4定桨距风力机的制动与保护系统二、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。三、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。第27页,共32页，2024年2月25日，星期天2.5定桨距风力机的液压与偏航系统定桨距风力发电机组的液压系统