风力发电原理(控制)

NorthChinaElectricPowerUniversity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NorthChinaElectricPowerUniversity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NorthChinaElectricPowerUniversity一、机组的总体结构第一章绪论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•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。NorthChinaElectricPowerUniversity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。NorthChinaElectricPowerUniversity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。NorthChinaElectricPowerUniversity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风轮动态特性传动链动态特性发电机动态特性风能风轮转矩×转速发电机转矩×转速电功率功率变送器伺服执行器控制器功率信号变距指令变距位置NorthChinaElectricPowerUniversity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？NorthChinaElectricPowerUniversity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ρ的气流过面积S的气体体积为V，M=ρV=ρSv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=ρSv(v1-v2)风轮吸收的功率P=Fv=ρSv2(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221mvE321SvESv1SvSv2)(212221vvSvE221vvv))((41212221vvvvSP02dvdP1231vv31max278SvP593.02716maxmaxEPNorthChinaElectricPowerUniversity1、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0.5932、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PSSCvP3121一、2、风力机的主要特性系数PCvRn2第二章风力机控制0.200.10.30.40.513°102415°68切出风速12141618切入风速额定风速2°6°10°9°8°7°5°4°3°1°恒定功率CpNorthChinaElectricPowerUniversity1、桨叶的翼型l二、1、桨叶的几何参数与空气动力特性0i功角升力角零升力角风向弦长vivAB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221SvCFr总的气动力，S—桨叶面积，Cr—总气动系数C压力中心221SvCFll221SvCFdd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NorthChinaElectricPowerUniversityilCdC二、2、升力和阻力的变化曲线-30o-20o-10o0o10o20o30o40o0.80.60.40.2Mi-0.2minlC•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NorthChinaElectricPowerUniversityi三、旋转桨叶的气动力（叶素分析）风向v-uw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I倾斜角RnRu2相对速度dF气流W产生的气动力dL气流升力dD气流阻力dSwCdLl221dSwCdDd221I轴向推力dFa=dLcosI+dDsinII旋转力矩dT=r(dLsinI-dDcosI)驱动功率dPw=ωdT风输入的总气动功率P=vΣFa旋转轴得到的功率Pu=Tω风轮效率η=Pu/P第二章风力机控制NorthChinaElectricPowerUniversity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：pCBetz极限理想的Cp曲线实际的Cp曲线失速损失型阻损失0NorthChinaElectricPowerUniversity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β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80o~90o，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750kWP1P2NorthChinaElectricPowerUniversity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ρ=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30~50kW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。02468101214161810008006004002000.10.20.30.40.5功率输出/kWpC风速/（m/s)功率/kWNorthChinaElectricPowerUniversity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；•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/s~25m/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、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。NorthChinaElectricPowerUniversity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。NorthChinaElectricPowerUniversity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