4.风力发电机组控制技术解析

风力发电机组控制技术第一章概述第二章风力机基本理论第三章风力发电机组控制第四章典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）（变桨距机组）（变速机组）第五章现代控制理论及其在风力发电中的应用主要内容第一章概述按风轮桨叶分类：定桨型、变桨型；按风轮转速分类：定速型、变速型；按传动机构分类：齿轮箱升速型、直驱型；按发电机分类：异步型、同步型；按并网方式分类：并网型、离网型。二、风力发电发展现状控制系统是风力机组可靠运行以及实现最佳运行的可靠保证。国内已具备桨叶、发电机、齿轮箱、变距轴承、偏航轴承和主轴承等关键部件的开发能力。控制系统、变频器和变桨系统还有待完善。一、风力发电机组及其分类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第一章概述三、风力发电发展趋势从国内外近几年风电产业发展看，随着风电产业的不断发展，风力机组控制技术也在不断发展，以满足其自身对风速变化、成本、环境及稳定运行等各方面的要求，主要发展趋势包括以下几个方面：变桨距调节方式迅速取代失速调节方式；变速运行方式迅速取代恒速运行方式；机组规模向大型化发展；直驱永磁、异步双馈两种形式共同发展。第一章概述DFIG齿轮箱叶轮PWM变频器AC/DC/AC变压器电网高速轴低速轴基于双馈异步发电机（DFIG）三、风力发电发展趋势第一章概述SCIGPWM变频器AC/DC/AC齿轮箱叶轮电网高速轴低速轴无功补偿电容器组基于鼠笼异步发电机（SCIG）三、风力发电发展趋势第一章概述PMSGPWM变频器AC/DC/AC叶轮电网基于永磁同步发电机（PMSG）三、风力发电发展趋势第一章概述第一章概述三、风力发电发展趋势第二章风力机基本理论气流动能为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、风力机能量转换过程221mvE321SvES1v1SvS2v2)(212221vvSvE221vvv))((41212221vvvvSP02dvdP1231vv31max278SvP593.02716maxmaxEP第二章风力机控制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0一、风力机能量转换过程1、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二、风力机的主要特性系数PCvRn2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Cp第二章风力机基本理论3、转矩系数TC和推力系数FC为了便于把气流作用下风力机所产生的转矩和推力进行比较，引入转矩系数和推力系数。SRvTSRvTCT22221SvFSvFCF22221式中T—风轮气动转矩，N·m；F—推力，N。第二章风力机基本理论二、风力机的主要特性系数a0a1a2a3a4a5a6三阶-0.0180-0.00570.0134-0.0009四阶0.0172-0.07850.0387-0.00380.0001六阶0.000640.01771-0.032780.01586-0.002370.000145-0.000003201()niTiiCaa()()TPCC第二章风力机基本理论二、风力机的主要特性系数0246810121400.010.020.030.040.050.06叶尖速比CT给定CT3阶拟合4阶拟合6阶拟合风力机参数关系曲线图第二章风力机基本理论二、风力机的主要特性系数风力机参数关系曲线图第二章风力机基本理论二、风力机的主要特性系数4、升力系数和阻力系数•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。二、风力机的主要特性系数ilCdC-30o-20o-10o0o10o20o30o40o0.80.60.40.2Mi-0.2minlC第二章风力机基本理论功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节三种方式。失速调节风力发电机风轮气流特性三、风轮气动功率调节第二章风力机基本理论气动功率调节原理图三、风轮气动功率调节第二章风力机基本理论三、风轮气动功率调节第二章风力机基本理论当风穿过风轮扫风面后，由于风轮运动和塔架的存在，使得风速受到影响，进而影响风力机捕获风能的效率。其中主要有以下方面的影响：1、风剪切影响：叶片旋转过程中，单个叶片会因为高度不断变化，使风速产生周期性的变化，进而使得气动转矩产生周期性的变化；2、塔影效应：叶片旋转过程中，会周期性的经过塔架，空气流在叶片与塔架之间产生绕流、紊流等作用，同样会影响气动转矩，对下风向风力机尤其重要。3、尾流效应：相邻的风力机之间也会相互影响，前面的风力机风轮旋转产生的气流变化会对后面的风力机受到的风速特性产生影响，即尾流效应影响。三、风轮气动功率调节第二章风力机基本理论一、机组的总体结构第三章风力发电机组控制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。二、典型风电机组的控制要求•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。第三章风力发电机组控制三、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。第三章风力发电机组控制四、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•自动解除电缆缠绕第三章风力发电机组控制目前绝大多数风力发电机组的控制系统都采用集散型或称分布式控制系统（DCS）工业控制计算机。采用分布式控制最大优点是：许多控制功能模块可以直接布置在控制对象的位置。就地进行采集、控制、处理，避免了各类传感器、信号线与主控制器之间的连接；同时DCS现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数；并与其他功能模块保持通信，发出各种控制指令。四、风力发电机组的控制系统结构第三章风力发电机组控制控制系统的发展：计算机控制系统直接数字控制系统DDC分布式控制系统DCS网络化控制系统NCS（计算机直接控制）（联网计算机共同分担工作负荷）（网络配备传感器和执行器成为独立的结点）（性能单一不可靠，计算机应用局限于监控模式）四、风力发电机组的控制系统结构第三章风力发电机组控制ActuatorPlantSensorsensor-controllerdelaycontroller-actuatordelaysctcatControllerNetwork风力发电机组控制系统组成：传感器执行机构包括软/硬件处理器系统四、风力发电机组的控制系统结构第三章风力发电机组控制一、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750kWP1P2第四章典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）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/kW第四章典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）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