风力发电机组控制技术

LOGO第4章风力发电机组控制技术4.1定桨距风力机的特点一、结构特点：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。定桨距风力发电机组要解决两个问题：1.当风速高于风轮的设计点风速即额定风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，这一特性称为自动失速。2.运行中的风力发电机在突然失去电网（突甩负载）的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组在大风情况下安全停机。4.1定桨距风力机的特点为了解决上述两个两个问题：1.桨叶制造商在20世纪70年代利用玻璃钢复合材料研制成功了失速性能良好的风力机桨叶，解决了定桨距风力发电机组在大风时的功率控制问题。β为桨距角，i为攻角。叶片上下翼面形状不同。失速调节的攻角沿轴向由根部向叶尖渐渐减少，因而根部叶面先进入失速，随风速增加，失速部分向叶尖处扩展，原先已失速的部分，失速程度加深，末失速的部分渐渐进入失速区。失速部分使功率减少，末失速部分仍有功率增加，输入功率保持在额定值附近。翼型也叫叶片剖面，它是指用垂直于叶片长度方向的平面去截叶片而得到的截面形状。翼型几何定义1)中弧线：翼型表面内切圆圆心光滑连接起来的曲线。翼型几何定义2)前缘：翼型中弧线的最前点，A。3)后缘：翼型中弧线的最后点，B。4)几何弦：连接前缘与后缘的直线，其长度为几何弦长（简称弦长），通常用C表示。（根弦、尖弦）扭角：根弦和尖弦夹角绝对值。翼型几何弦与风轮扫掠平面的夹角称为桨距角。改变叶片桨距角称为变桨距，简称变距。4.1定桨距风力机的特点2.在20世纪80年又将叶尖扰流器成功在应用在风力发电机组上，解决了在突甩负载情况下的安全停机问题。叶尖扰流器工作原理：扰流器是安装在主翼上的金属板，具有填料盖和滑板两种类型。当风力机正常运行时，在液压系统的作用下，叶尖扰流器与桨叶主体部分精密地合为一体，组成完整的桨叶。当风力机需要脱网停机时，液压系统按控制指令将扰流器释放并使之旋转80~900形成阻尼板。4.1定桨距风力机的特点2.在20世纪80年又将叶尖扰流器成功在应用在风力发电机组上，解决了在突甩负载情况下的安全停机问题。叶尖扰流器工作原理：由于叶尖部分处于距离轴最远点，整个叶片作为一个长的杠杆，使扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力机在几乎没有任何摩擦的情况下迅速减速，这一过程即为桨叶空气动力刹车。4.1定桨距风力机的特点定桨距风轮中通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行时，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，在高风速段运行时，采用大电机来提高一些发电机的运行效率。小发电机功率曲线大发电机功率曲线切换点P1P2风速功率双速风力发电机功率曲线4.1定桨距风力机的特点1、气温对输出功率的影响风力发电机的功率输出主要取决于风速，除此之外，气压、气温和气流扰动等因素也显著影响其功率输出。当气压和气温变化时，ρ会跟着变化，一般当温度变化±10%，相应的空气密度变化±4%。桨叶的失速性能只与风速有关，只要达到了叶片气动外形所决定的失速调节风速，不论是否满足输出功率，桨叶的失速性能都要起作用，影响输出功率。因此当气温升高，空气密度就会下降，相应的输出功率就会减少。因此在冬季与春季，应对桨叶的安装角各作一次调整。二、影响功率输出的因素4.1定桨距风力机的特点为了解决这个问题，出现了主动失速型定桨距风力发电机组。当采取主动失速的风力机开机时，将桨叶节距推进到获得最大功率位置，当风力发电机组超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值上。由于功率曲线在失速范围内的变化率比失速前要低得多，控制相对容易，输出功率也更加平稳。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。风速变化时，功率系数随之变化。对同样直径的风轮驱动的风力发电机组，其发电机额定转速可以有很大变化。02468101214161810008006004002000.10.20.30.40.5功率输出/kWpC风速/(m/s)功率/kW4.1定桨距风力机的特点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。2、额定转速的设定对功率输出的影响4.1定桨距风力机的特点2、额定转速的设定对功率输出的影响需要说明的是：额定转速并不是在额定风速时具有最大功率系数而设定的。因为风力发电机组并不是经常运行在额定风速点上，并且功率与风速的三次方成正比，只要风速超过额定风速，功率就会显著上升，这对于定桨距风力发电机组来说是无法控制的。事实上，定桨距风力发电机组早在风速达到额定值以前就已经开始失速了。到额定点时功率系数已经很小了。4.1定桨距风力机的特点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。2、额定转速的设定对功率输出的影响PvpCABCD恒定区转速恒定区功率恒定区启动区O切入风速点额定风速点额定功率点4.1定桨距风力机的特点在低风速区，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。事实上，调整桨叶的节距角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。50100150200250风速/(m/s)功率/kW0节距角+2°+1°0°-1°-2°51015202530353、节距角对功率输出的影响4.2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。4.2机组的基本运行过程机组在自然风作用下将发电机拖动升速、并网的过程。二、风力发电机组的自启动及启动条件早期的定桨距风力发电机组是在发电机的协助下完成起动的，这时用发电机作电动机运行，直到现在，绝大多数定桨距风力机仍具备电动机起动功能。由于桨叶气动性能的不断改进，目前绝大多数风力发电机组的风轮具有良好的自起动性能。4.2机组的基本运行过程起动需具备的条件为：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。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)。3.2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。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。4.2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。4.2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。4.2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。4.2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4.3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。4.3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。4.3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。4.3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。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°。4.3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。运行暂停停机急停4.3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。4.3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