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1、风力发电机组控制技术第一章第一章 概述概述第二章第二章 风力机基本理论风力机基本理论第三章第三章 风力发电机组控制风力发电机组控制第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统 （定桨距机组）（定桨距机组） （变桨距机组）（变桨距机组） （变速机组）（变速机组）第五章第五章 现代控制理论及其在风力发电中的应用现代控制理论及其在风力发电中的应用主要内容主要内容第一章第一章 概述概述按风轮桨叶分类：定桨型、变桨型；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；按传动机构分类：齿轮箱升速型、直驱型
2、；按发电机分类：异步型、同步型；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。按并网方式分类：并网型、离网型。二、风力发电发展现状二、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、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。变频器和变桨系统还有待完善。一、风力发电机组及其分类一、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
3、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风力发电机组结构图第一章第一章 概述概述三、风力发电发展趋势三、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，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、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，环境及稳定运行等各方面的要求，主要发展趋势主要发展趋势包括以下几个方面：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；变桨距调节方式迅速取代失速调节方式；变速运行方式迅速
4、取代恒速运行方式；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；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。直驱永磁、异步双馈两种形式共同发展。第一章第一章 概述概述基于双馈异步发电机（基于双馈异步发电机（DFIG）三、风力发电发展趋势三、风力发电发展趋势第一章第一章 概述概述基于鼠笼异步发电机（基于鼠笼异步发电机（SCIG）三、风力发电发展趋势三、风力发电发展趋势第一章第一章 概述概述基于永磁同步发电机（基于永磁同步发电机（PMSG）三、风力发电发展趋势三、风力发电发展趋势第一章第一章 概述概述第一章第一章 概述概述三、风力发电发展趋势三、风力发电发展趋势第二章第二章
5、 风力机基本理论风力机基本理论气流动能为气流动能为 m 空气质量，空气质量，v 气流速度气流速度密度为密度为的气流过面积的气流过面积 S 的气体体积为的气体体积为 V，M= V= Sv则单位时间内气流所具有的动能为则单位时间内气流所具有的动能为理想风轮与贝兹（理想风轮与贝兹（Betz）理论：）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= Sv(v1-v2)风轮吸收的功率P=Fv= Sv2 (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
6、到的最大理想功率为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：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一、风力机能量转换过程221mvE 321SvES1v1SvS2v2)(212221vvSvE221 vvv)(41212221vvvvSP02dvdP1231vv 31max278SvP593. 02716maxmaxEP第二章第二章 风力机控制风力机控制 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
7、过程一、风力机能量转换过程1、风能利用系数、风能利用系数 ：风力机的实际功率风力机的实际功率其中其中CP为风能利用系数，它小于为风能利用系数，它小于0.5932、叶尖速比、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二、风力机的主要特性系数PCvRn20.200.10.30.40.51310241568切出风速12141618切入风速额定风速26109875431恒定功率Cp第二章第二章 风力机基本理论风力机基本理论第二章第二章 风力机基本理论
8、风力机基本理论二、风力机的主要特性系数二、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 第二章第二章 风力机基本理论风力机基本理论二、风力机的主要特性系数二、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
9、关系曲线图第二章第二章 风力机基本理论风力机基本理论二、风力机的主要特性系数二、风力机的主要特性系数风力机参数关系曲线图第二章第二章 风力机基本理论风力机基本理论二、风力机的主要特性系数二、风力机的主要特性系数4 4、升力系数和阻力系数、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。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
10、、前截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前缘位置）、表面粗糙度等都会影响升缘位置）、表面粗糙度等都会影响升力系数与阻力系数。力系数与阻力系数。对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，造成阻力增加。造成阻力增加。二、风力机的主要特性系数二、风力机的主要特性系数ilCdC-30o -20o -10o 0o 10o 20o 30o 40o0.80.60.40.2Mi-0.2minlC第二章第二章 风力机基本理论风力机基本理论 功率调节方式主要有功率调节方式主要有定桨距失速调节定桨距失速调节、变桨距调节变桨距调节、主动失速调主动失速调节节三种方式三种方式 。失速调节风力发电机风轮
11、气流特性失速调节风力发电机风轮气流特性三、风轮气动功率调节三、风轮气动功率调节第二章第二章 风力机基本理论风力机基本理论气动功率调节原理图气动功率调节原理图 三、风轮气动功率调节三、风轮气动功率调节第二章第二章 风力机基本理论风力机基本理论三、风轮气动功率调节三、风轮气动功率调节第二章第二章 风力机基本理论风力机基本理论 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响：1、风剪切影响风剪切影响：叶片旋转
12、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：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、风轮气动功率调节三、风轮气动功率调节第二章第二章 风力机基本理论风力机基本理论一、机组的总体结构一、机组的总体结构第三章第三章 风力发电机组控制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
13、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：定桨：1.5-2.51.5-2.5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。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。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：设计风轮转速：20-30r/min20-30r/min，通过增速器与发电机匹配。，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。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。含微处理器的控制系统。二、典型风电机组的控制要求二、典型风电机组的控制要求定
14、桨距失速型机组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。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；产生机组的运行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机
15、；产生并记录风速、功率、发电量等机组运行数据。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：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基于微处理器及先进IGBTIGBT电力电子技术的发电机转子变频励磁；脉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。制。第三章第三章 风力发电
16、机组控制风力发电机组控制三、风力发电机组的控制技术三、风力发电机组的控制技术定桨距失速型机组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。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。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
17、组效率。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基于变速恒频技术的变速型机组采用变速风力发电机。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。率因数，高效高质地向电网供电。第三章第三章 风力发电机组控制风力发电机组控制四、风力发电机组的控制系统结构四、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
18、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第三章 风力发电机组控制风力发电机组控制 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（系统（DCSDCS）工业控制计算机。采用分布式控制最大优点是：）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
19、，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四、风力发电机组的控制系统结构第三章第三章 风力发电机组控制风力发电机组控制控制系统的发展：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四、风力发电机组的控制系统结构第三章第三章 风力发
20、电机组控制风力发电机组控制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四、风力发电机组的控制系统结构第三章第三章 风力发电机组控制风力发电机组控制一、定桨距风力发电机组的特点一、定桨距风力发电机组的特点1、风轮结构、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）。
21、 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、桨叶的失速调节原理因桨叶的安装角不变，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80o90o，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、
22、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第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）（定桨距机组）一、定桨距风力发电机组的特点一、定桨距风力发电机组的特点5、功率输出、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=1.225kg/m3测出的，测出的，一般温度变化一般温度变化10oC，空气密度变化空气密度变化4%。因此气温升高，密度下降，输出功率减少。因此气温升高，密度下降，输出功率减少。750kW机组可能会出现机组可
23、能会出现3050kW的偏差，的偏差，6、节距角与额定转速的设定对功率输出的影响、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。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。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。定桨设计的最大功率系数并不出
24、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。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。0 2 4 6 8 10 12 14 16 1810008006004002000.10.20.30.40.5功率输出/kWpC风速/（m/s)功率/kW第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）（定桨距机组）二、定桨距风力发电机组的基本运行过程二、定桨距风力发电机组的基本运行过程1 1、待机状态、待机状态风速风速v v3m/s3m/s但没达到切入转速或机组从小功率切出，没有并网的
25、自由转动状态。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；控制系统做好切入电网的准备；机械刹车已松开；机械刹车已松开；叶尖阻尼板已收回；叶尖阻尼板已收回；风轮处于迎风状态；风轮处于迎风状态；液压系统压力保持在设定值；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。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 2、风力发电机组的自启动及启动条件、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：机组在自然风作用下升速、并网的过程。需具备的
26、条件为：电网：连续电网：连续1010分钟没有出现过电压、低电压；分钟没有出现过电压、低电压；0.10.1秒内电压跌落小于设定值；电网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。频率在设定范围内；没有出现三相不平衡等现象。风况：连续风况：连续1010分钟风速在机组运行范围内（分钟风速在机组运行范围内（3.0m/s25m/s)3.0m/s25m/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；控制系以内；液
27、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；控制系统统DC24VDC24V、AC24VAC24V、DC5VDC5V、DCDC15V15V电源正常；非正常停机故障显示均已排除；维护开电源正常；非正常停机故障显示均已排除；维护开关在运行位置。关在运行位置。第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）（定桨距机组）二、定桨距风力发电机组的基本运行过程二、定桨距风力发电机组的基本运行过程3、风轮对风、风轮对风偏航角度通过偏航角度通过风向测定仪风向测定仪测定。测定。1010分钟分钟调整一次，调整中释放偏航刹车。调整一次，调整中释放偏航刹车。4、制动解除、制动
28、解除 启动条件满足后，控制启动条件满足后，控制叶尖扰流器叶尖扰流器的电磁阀打开，压力油进入桨叶液压缸，扰流的电磁阀打开，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，松开式制动器液压缸，松开盘式制动器盘式制动器。5、风力发电机组的并网、风力发电机组的并网 当转速接近当转速接近同步转速同步转速时，三相主电路上的时，三相主电路上的晶闸管晶闸管被触发开始导通，被触发开始导通，导通角导通角随与同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
29、时晶闸管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；完全导通，转速超过同步转速进入发电状态；1 1秒后秒后旁路接触器闭合，电流被旁路，旁路接触器闭合，电流被旁路，如一切正常晶闸管停止触发。如一切正常晶闸管停止触发。第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）（定桨距机组）三、风力发电机组的基本控制要求三、风力发电机组的基本控制要求1、控制系统的基本功能、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
30、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、主要监测参数及作用电力参数电力参数：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。风力参数风力参数：风速；每秒采集一次，10分钟计算一次平均值。v3m/s时发电机， v25m/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。机组参数机组参数：转速；机组有发电机转速和
31、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。刹车盘磨损；油位；润滑油和液压系统油位。第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）（定桨距机组）三、风力发电机组的基本控制要求三、风力发电机组的基本控制要求各种反馈信号的检测：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。
32、增速器油温的控制增速器油温的控制：增速器箱内由PT100热电阻温度传感器测温；加热器保证润滑油温不低于10oC；润滑油泵始终对齿轮和轴承强制喷射润滑；油温高于60oC时冷却系统启动，低于45oC时停止冷却。发电机温升控制：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130140oC，到150155oC停机。功率过高或过低的处理：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3060 s），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2
33、s大于50%应停机。风力发电机组退出电网：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。风速高于25 m/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90oC。第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）（定桨距机组）三、风力发电机组的基本控制要求三、风力发电机组的基本控制要求3、风力发电机组的基本控制策略、风力发电机组的基本控制策略风力发电机组的工作状态风力发电机组的工作状态：运行状态暂停状态停机状态紧急停机状态机械刹车松开机械刹车松开机械刹车松开机械刹车与气动刹车同时动作机组并网发电风力发电机组空转
34、计算机处于监测状态，输出信号被旁路机组自动调向机组调向保持工作状态调向系统停止工作液压系统保持工作压力液压系统保持工作压力液压系统保持工作压力叶尖阻尼板回收（或变桨处于最佳角度）叶尖阻尼板回收（或变节距角在90o）叶尖阻尼板弹出（或变距系统失去压力）第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）（定桨距机组）四、定桨距风力发电机组的制动与保护系统四、定桨距风力发电机组的制动与保护系统1、定桨距风力发电机组的制动系统、定桨距风力发电机组的制动系统叶尖气动刹车叶尖气动刹车：液压系统提供的压力由经旋转接头进入桨叶根部的压力缸，压缩扰流器机构中的弹簧，使叶尖扰流器与桨叶主
35、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90o。机械盘式刹车机械盘式刹车：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。正常停机制动过程正常停机制动过程：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：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
36、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。第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）（定桨距机组）四、定桨距风力发电机组的制动与保护系统四、定桨距风力发电机组的制动与保护系统2、超速保护、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
37、。3、电网失电保护、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。4、电气保护、电气保护过电压保护：控制器对通过电缆进入控制柜的冲击电压具有自我保护能力感应瞬态保护：晶闸管、计算机的过电压屏蔽，传感器、通信电缆的隔离。雷击保护：提供便捷的接地通道释放雷电。5、紧急安全链、紧急安全链是计算机系统的最后一级保护措施，原理是将对风力发电机组造成致命伤害的故障节点串联在停机回路中，任何一个故障都可紧急停机。如：紧急停机按钮、控制器看们狗、叶尖扰流器液压继电器、扭揽传感器、振动传感器、控制器DC24
38、V电源失电。紧急停机后安全链只能手动复位第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）（定桨距机组）五、变桨距风电机组控制五、变桨距风电机组控制 高于额定风速改变攻角保持功率恒定； 启动时控制驱动转矩控制转速。特点：特点：1、改善机组的受力，优化功率输出（粗调，与发电机转差率调节配合）。2、比定桨距风力机额定风速低、效率高；且不存在高于额定风速的功率下降问题。3、功率反馈控制使额定功率不受海拔、湿度、温度等空气密度变化影响4、启动时控制气动转矩易于并网；停机气动转矩回零避免突甩负荷。运行状态：运行状态：启动状态转速反馈控制，速度给定加升速率限制有利于并网。欠功率状
39、态不控制（变速机组可通过追求最佳叶尖速比提高风机效率）。额定功率状态功率控制，为了解决变桨对风速响应慢问题，可通过调节电机转差率调速，用风轮蓄能特性吸收风波动造成的功率波动，维持功率恒定。转速转速控制器控制器功率功率控制器控制器变桨变桨执行器执行器变距变距机构机构风轮风轮系统系统发电机发电机传动传动系统系统转速桨距角发电功率风速转速给定功率给定第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）（变桨距机组）六、变桨距执行系统六、变桨距执行系统a、变桨距执行系统是一个随动系统，即桨距角位置跟随变桨指令变化。b、校正环节是一个非线性控制器，具有死区补偿和变桨限制功能。死区
40、用来补偿液压及变距机构的不灵敏区，变桨限制防止超调。c、液压系统由液压比例伺服阀、液压回路、液压缸活塞等组成。d、位置传感器给出实际变桨角度。D/A转换器A/D转换器位移传感器变桨距机构液压系统活塞位移桨距角变桨给定校正环节第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）（变桨距机组）七、变桨距控制（并网前）七、变桨距控制（并网前）1、并网前的速度控制速度控制器控制从启动到并网的转速控制，达到同步转速10r/min内1s并网。进入启动状态，前馈通道将桨距角快速提高到45，500r/min减小到5，达到快速启动目的；非线性环节使增益随节距角增加而减小，补偿转矩变化。
41、转速转速控制器控制器变桨变桨执行器执行器变距变距机构机构风轮风轮系统系统发电机发电机传动传动系统系统桨距角风速转速给定A转速速度变化率额定转速PID转速传感器+-+转速节距指令转矩补偿45*5*节距非线性化第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）（变桨距机组）七、变桨距控制（并网后）七、变桨距控制（并网后）b、功率控制器A并网后执行变桨到最大攻角，低于额定功率（额定风速）时控制器输出饱和，攻角最大；高于额定风速后进入恒功率控制；引入风速前馈通道，超过额定风速后，当风速变化时起到快速补偿作用。c、功率控制器B低于额定风速调节转差率“实现”最佳叶尖速比调节，即风
42、速增加转差率增大；高于额定风速时配合功率控制器A维持功率恒定。原理是风速出现波动时，由于变桨调节的滞后使驱动功率发生波动，调节转差率（转子电流）使机组转速变化而维持功率恒定，利用风轮储存和释放能量维持输入与输出功率的平衡。功率功率控制器控制器A功率功率控制器控制器B变桨变桨执行器执行器变距变距机构机构风轮风轮系统系统发电机发电机传动传动系统系统转速桨距角发电功率风速额定功率功率给定同步转速转子电流转子电流执行器执行器SP风速信号滤波器+-+-+-+-第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）（变桨距机组）八、发电功率控制八、发电功率控制1、发电机功率参考曲线、
43、发电机功率参考曲线 功率给定曲线在点划线限制的范围内变化，发电机的转差率在110%（15151650r/min），外加转子平均电阻在0到100%变化。2、发电机转矩、发电机转矩转速控制特性转速控制特性功率=转矩转速，功率与转矩成正比。 0 2 4 6 8 1010080604020转差率%参考功率/额定功率%cosIKM= 转矩系数励磁磁通转子电流转子功率因数其中： 222XREI转子感应电动势202122244. 444. 4SENSfNfEl发电功率与转子电流成正比，改变电流大小可以调节电功率。l改变转子回路电阻可以改变转子电流。l低于额定风速叶尖速比优化：风转速参考功率转子电流输出功率
44、l高于额定风速恒定功率控制：风转速输出功率转子电流输出功率 跟踪参考值稳定功率值第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）（变桨距机组）八、发电功率控制八、发电功率控制 MSn0ns10电动机发电机R2R1发电机转矩发电机转矩转速特性曲线转速特性曲线定子同步转速由电网决定：（定子三相电流产生的旋转磁场转速）两种运行状态：nns为电动机方式；nns发电机状态。滑差率： 发电状态时为负值与功率成正比的电流可表示为： pfns60%100ssnnnS220220222022222RSESfLRSELfRSEXREI转子静止时感应电势接近同步速时S很小分析：高于额定风
45、速时，如发生扰动转速将发生变化，感应电势变化，电流亦将变化，通 过电阻的变化可以维持电流不变，因此维持功率瞬时稳定（克服扰动）。 反之，低于额定风速时，通过改变电阻，可以改变S，保证较好的叶尖速比（设定值改变）。第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）（变桨距机组）八、发电功率控制八、发电功率控制 转子电流控制原理图：转子电流控制原理图： （Rotor Current Control， RCC） 电流控制PWM给定外接电阻定子绕组转子绕组第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）（变桨距机组） 第四章第四章 典型风力发电机组
46、控制系统典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）（变桨距机组）八、发电功率控制八、发电功率控制优点：优点： 1. 1. 风速变化引起风轮转矩脉动的低频分量由变桨调速机构风速变化引起风轮转矩脉动的低频分量由变桨调速机构调节，其高频分量由调节，其高频分量由RCCRCC调节，可明显减轻桨叶应力，平滑调节，可明显减轻桨叶应力，平滑输出电功率输出电功率; ; 2. 2. 利用风轮作为惯性储能元件，吞吐伴随转子转速变化形利用风轮作为惯性储能元件，吞吐伴随转子转速变化形成的动能，提高风能利用率；成的动能，提高风能利用率； 3. 3. 电力电子主回路结构简单，不需要大功率电源。电力电子主回路结构简单，不需要大功
47、率电源。缺点：缺点： 旋转电力电子开关电路检修、更换困难。旋转电力电子开关电路检修、更换困难。RCCRCC异步风力发电机系统的特点异步风力发电机系统的特点第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）（变桨距机组）八、发电功率控制八、发电功率控制九、最大风能追踪九、最大风能追踪 风力机的实际机械输出功率为 ：例：1.5106=(3.14/2) 0.41.27402V3, V约为10(米/秒)叶尖速比 为：如风机转速始终在最佳叶尖速比处，则风力机在最佳功率曲线上将会输出最大功率：在上述公式中，功率与风速的关系换成了功率与风机转速的关系。此时 是指最佳转速。 风力机在
48、不同风速下的转速功率曲线如右图322VRCPpmVRnVRww/2/332maxmax)(2wwoptwpkRRCPw第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（变速机组）（变速机组）定桨距风力机功率特性曲线九、最大风能追踪九、最大风能追踪 第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（变速机组）（变速机组）最大风能追踪原理最大风能追踪原理十、双馈型风电机组的控制十、双馈型风电机组的控制 双馈感应发电机（Doubly-Fed Induction Generator，简称DFIG）是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。特点是通过
49、变频器给转子加入交流励磁。交流励磁电流的幅值、频率、相位是可调的，他们的作用可简述为：1、励磁电流幅值励磁电流幅值可以调节发电机无功功率。2、励磁电流频率励磁电流频率可以调节发电机转速，实现最大风能捕获。3、励磁电流相位励磁电流相位可以改变电机的功率角，可以调节有功功率。 第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（变速机组）（变速机组）第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（变速机组）（变速机组）变桨距变速风电机组典型工况图变桨距变速风电机组典型工况图十、双馈型风电机组的控制十、双馈型风电机组的控制变速风力发电机组的运行根据不同的风况可分三个不同阶
50、段变速风力发电机组的运行根据不同的风况可分三个不同阶段: :第一阶段是启动阶段，发电机转速从静止上升到切入速度；第一阶段是启动阶段，发电机转速从静止上升到切入速度； 第二阶段是风力发电机组切人电网后运行在额定风速以下的区域，第二阶段是风力发电机组切人电网后运行在额定风速以下的区域， 风力发电机组开始获得能量并转换成电能；风力发电机组开始获得能量并转换成电能； 第三运行阶段，该阶段称为功率恒定区第三运行阶段，该阶段称为功率恒定区 。 第四章第四章 典型风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统（变速机组）（变速机组）十、双馈型风电机组的控制十、双馈型风电机组的控制第四章第四章 典型风力发电机组