风力发电基础第三章.ppt

1、风力发电基础,第3章 水平轴风力发电机,目录 3.1 水平轴风力发电机空气动力学 3.2 水平轴风力发电机工作原理 3.3 水平轴风力发电机结构分析,2,3.1 水平轴风力发电机空气动力学,风力发电是利用风的动力使风力机叶片受力而旋转，旋转的风轮带动发电机而输出电能。来流风速的特征、风力机叶片的结构、以及叶片与来流的相互作用就构成风力机空气动力学的主要问题。 叶片翼型的几何形状 翼型,3,翼型的中弧线 前缘、后缘 弦线、弦长 最大弯度、最大弯度位置 最大厚度、最大厚度位置 前缘半径 后缘角 攻角,4,升力与阻力 风就是流动的空气，一块薄平板放在流动的空气中会受到气流对它的作用力，我们把这个力分

2、解为阻力和升力。图3-2中F是平板受到的作用力，D为阻力，L为升力。阻力与气流方向平行，升力与气流方向垂直。,5,升力系数、阻力系数和力矩系数 升力系数和阻力系数分别定义为： （3-1） （3-2） 式中： 空气密度； 翼型的长度，通常表示为弦长； 无穷远来流速度； 升力； 阻力。,6,几何形状与空气动力特性,7,(a) 翼型受力,(b) 翼型压力分布,风轮叶片理论 动量理论 叶素理论 叶素理论的出发点是将叶片沿展向分成许多微段（这些微段称为叶素）。叶素理论的基本假设为： 不考虑沿叶片展长方向相邻叶素间的干扰； 作用于每个叶素上的力仅由叶素的翼型升阻特性来决定； 作用在每个叶素单元的合成流速与

3、叶片平面的夹角为攻角。,8,3.2 水平轴风力发电机工作原理,风力发电机工作原理简单的说是：风的动能（即空气的动能）转化成发电机转子的动能，转子的动能又转化成电能。 水平轴风力发电机运行方式 独立运行 并网运行,9,定桨距失速调节型风力发电机：根部先进入失速，随风速增大，失速部分向叶尖扩展,变桨距：通过改变节距角获得更小的启动风速，更好的大风制动性能； 更高的风能利用系数，提高和确保高风速段的额定功率；具有功率输出平稳等优点。,10,变桨距风力发电机,定桨距风力发电机组的基本运行过程 待机状态 自由转动状态 ，无负载 控制系统已做好切入电网的一切准备 机械刹车已松开 叶尖阻尼板已收回 风轮处于

4、迎风状态 液压系统的压力保持在设定值上 风况、电网和机组的所有状态参数均在控制系统检测之中，一旦风速增大，转速升高，发电机即可并入电网。,11,12,状态1,状态2,状态3,风速v3m/s,但不足以将风力发电机组拖动到切入的转速,风力发电机组从小功率状态切出，没有重新并入电网,风力机处于自由转动的状态,待机状态,风力发电机组的自起动 风轮在自然风速的作用下，不依靠其他外力的协助，将发电机拖动到额定转速,13,自启动的条件 电网 连续10 min内电网没有出现过电压、低电压； 电网电压0.1s内跌落值均小于设定值； 电网频率在设定范围之内； 没有出现三相不平衡等现象 风况 连续10min风速在风

5、力发电机组运行风速的范围内 0.3m/sv25m/s 机组自身 发电机温度、增速器油温度应在设定值范围以内； 液压系统所有部位的压力都在设定值； 液压油位和齿轮润滑油位正常； 制动器磨擦片正常； 扭缆开关复位； 控制系统DC24V、AC24V、DC5V、DC15V电源正常； 非正常停机后显示的所有故障均已排除； 维护开关在运行位置,14,风轮对风 当风速仪测得10min平均风速v3m/s时，控制器允许风轮对风 偏航角度通过风向仪测定。当风力机向左或右偏离风向确定时需延迟10s后才执行向左或向右偏航。以避免在风向扰动情况下的频繁启动 释放偏航刹车1s后。偏航电动机根据指令执行左右偏航；偏航停止时

6、，偏航刹车投入。,15,制动解除 当自起动的条件满足时控制叶尖扰流器的电磁阀打开，压力油近入桨叶液压缸，扰流器被收回与桨叶主体合为一体。控制器收到叶尖扰流器已回收的反馈信号后压力油的另路进入机械盘式制动器液压缸，松开盘式制动器。,16,叶尖刹车位置,叶片正常位置,17,顺桨（启动前） 变桨到运行位置 有效运行时（变速） 变桨控制(额定风速后）,风力发电机组并网与脱网 通过三相主电路上的三组晶闸管完成 大小发电机切换,18,19,并入电网,风机静止,风力发电机组的并网,20,风力发电机组的并网,21,风力发电机组的并网,整流为 直流电,发电机 发电,把直流电变为工频交流电并网,发电机,整流柜,变

7、流柜,22,交流控制柜,23,网侧断路器1Q1机械锁定钥匙的钥匙把的位置处于水平方向时断路器处于机械锁定状态，在需要进行机械锁定时最好将钥匙拨到水平位置后将钥匙拔离以确保安全。钥匙位于与地面垂直位置时表明断路器处于正常工作状态，此位置无法移除钥匙。,变流器控制柜机柜1,24,变流器控制柜机柜2,变流器控制柜机柜3,25,变流器控制柜机柜,26,变流器系统原理图,软并网的目的：限制发电机在并网和大小发电机切换时的瞬变电流，以免对电网和机组造成过大冲击,27,电动机起动 风力发电机组在静止状态时，把发电机用作电动机将机组起动到额定转速并切入电网。 一般只在调试期间无风时或某些特殊的情况下，比如气温

8、特别低，又未安装齿轮油加热器时使用。 电动机起动总是作用于小发电机。 发电机起动瞬间，存在较大的冲击电流，并持续一段时间，因而发电机起动时需采用软起动技术，根据电流反馈值，控制起动电流，以减小对电网冲击和机组的机械振动。电动机起动时间不应超出60s，起动电流小于小发电机额定电流的3倍。,28,29,控制系统的组成（1）,传感器,30,风速仪 风向仪 转速传感器 电量采集传感器 桨角位置传感器 各种限位开关 振动传感器 温度和油位指示器 液压系统压力传感器 操作开关，按钮等 ,控制系统的组成（2）,31,执行机构,处理器系统：由计算机或微型控制器以及高可靠性的硬 件组成。,液压驱动或电动变桨距执

9、行机构 发电机转矩控制器 发电机接触器 刹车装置 偏航电机 ,控制系统的功能,整机运行状态控制,32,过程控制：由一种运行状态到另一种运行状态的转换过渡,待机 启动 发电运行 停机 故障停机 ,要求：在执行下一个操作步骤前，整机运行状态控制器必须检查并确保每个步骤均已成功完成，如果在规定的时间内存在没有成功完成的步骤，或者检测到任何故障，应将机组切换到停机或故障停机状态,闭环控制 基于软件的系统，可自动调整风力发电机组的运行状态使其工作在某些预先设定的工作曲线或特性上,33,大于额定风速时的变桨距控制 为调整转速而采用的发电机转矩控制 为减小偏航跟踪误差而采用的偏航电机控制,安全链 在风电机组

10、发生严重故障或存在潜在严重故障时将风电机组转换到安全状态。,34,作为主控制系统的补充，独立存在 失效保护 高可靠性,叶轮超速 振动限位开关 操作员按下急停按钮 主控制器无法控制的其他故障,安全链启动,运行过程中的主要参数监测 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 风力参数监测 风速 风向 机组状态参数检测 转速：发电机转速和风轮转速 机舱振动 电缆扭转 机械刹车状况,35,功率过高或过低的处理 功率过低 退出电网，处于待机状态 功率过高 正常停机 安全停机 风力发电机组退出电网 风速高于25m/s，持续10min 风速高于33m/s，持续2s，正常停机 风速

11、高于50m/s，持续1s，安全停机，侧风90,36,远程监控系统的组成,37,变桨距风力发电机组的运行状态,根据变距系统所起的作用分为三种状态：起动状态（转速控制）、欠功率状态（不控制）、额定功率状态（功率控制） 起动状态 静止时，节距角90；风速达到起动风速时，桨叶向0 方向转动。 并网前，转速控制器按一定的速度上升斜率给出速度参考值，变桨距系统根据此值调整节距角，即进行速度控制。,38,欠功率状态 并网后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率以下的低功率状态运行 早期不加以控制，近期，Vestas等采用了所谓Optitip技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速

12、比上，以优化功率输出 额定功率状态 风速达到或超过额定风速后，机组进入额定功率状态,39,变桨距控制系统,传统变桨距控制系统框图,40,新型变桨距控制系统框图,风力发电机安全运行 设备运行安全操作规程 提高使用、维护、管理人员的技术能力 风力发电机对自然灾害的防护 安全保护措施 防雷击保护 超速保护 机组振动保护 发电机过热保护,41,风力发电机的维护 风力发电机日常维护主要检查是各紧固部件是否松动，各转动部件，轴承的润滑，有刷励磁交流发电机的滑环、碳刷的清洗、更换碳刷，各执行机构液压系统的漏油、齿轮箱润滑冷却泊的渗漏、填补，电控系统接触器触点等的维护 保持良好状态才能正常运行，达到2030年

13、的使用寿命,42,风力发电机常见故障 风轮转动时发出异常声响 风速达到额定风速以上，但风轮达不到额定转速，发电机不能输出额定电压 调向不灵或不能调向 风轮时快时慢（风速变化不大） 风轮转动而发电机不发电（无电压） 发电机电压振荡 发电机组正常运转，输出电压低 发电机过热 发电机机舱振动 塔架振动或频繁晃动,43,水平轴风力发电机的功率控制 定桨距 失速型是指利用桨叶翼型本身的失速特性，在高于额定风速下，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生紊流，效率下降，达到限制功率的目的。 变桨距 风速低于额定风速时，保证叶片在最佳攻角状态，以获得最大风能；当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保

14、证输出功率在额定范围内,44,偏航轴承,45,46,主动失速 风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加 对于变桨距和主动失速控制方式，叶片和轮毂都通过变桨轴承连接，即都通过变桨实现控制。,47,定桨距风力发电机组的特点,风轮结构：,48,桨叶与轮毂连接固定,自动失速：风速高于额定风速 制动能力：突甩负载,70年代：失速性能好的桨叶（玻璃钢复合材料） 80年代：叶尖扰流器,功率输出随高度、温度的变化,49,海拔对定桨距风力机功率输出的影响,温度对定桨距风力机功率输出的影响,功率输出

15、与功率系数的关系,50,功率输出随桨叶节距角的变化,51,变桨距调节型风力发电机的功率控制,52,功率,风速,变桨距,定桨距,不同叶片的桨距角对输出功率的影响,53,低于额定功率时的零桨距角的功率曲线,54,变桨距风力发电机组的特点 输出功率特性 在额定点具有较高的风能利用系数 确保高风速段的额定功率 起动性能与制动性能 发电机转子电流控制技术,55,转子电流控制器原理图,56,可变转差率发电机结构示意图,57,恒速变桨距风力发电机组闭环控制器,58,风电机组,风力,电量 传感器,控制器,变桨距执行机构,电量,电量 测量,功率 设定值,桨距角给定,桨距角,恒速变桨距风力发电机组闭环控制器,变桨

16、距风力发电机组的功率控制,功率控制系统,59,转子电流控制系统,60,变桨距风力发电机组在额定风速以上运行时的节距角、转速与功率曲线,61,主动失速调节型风力发电机 将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合 起动阶段 通过调节变桨距系统控制发电机转速 在额定风速以下 主要调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能 在额定风速以上 采用变速与桨叶节距双重调节，通过变桨距系统调节限制风力机获取能量,62,3.3 水平轴风力发电机结构分析,小型风力发电机基本结构 风轮 发电机：交流永磁发电机、感应式发电机、直流发电机 尾舵 限速装置 塔架,63,大中型风力发电机基本结构 叶片 轮毂 主传动系统：主轴、增速齿轮箱、联轴器 偏航系统：偏航轴承、偏航驱动和控制装置、偏航制动器或阻尼器 制动系统：空气制动器和机械制动器 发电机 塔架 控制系统 附属部件,64,