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1、风力发电机组限制技术风力发电机组限制技术第一章第一章 概述概述其次章其次章 风力机基本理论风力机基本理论第三章第三章 风力发电机组限制风力发电机组限制第四章第四章 典型风力发电机组限制系统典型风力发电机组限制系统 （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 现代限制理论及其在风力发电中的应用现代限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 概述概述按按风轮桨叶分叶分类：定：定桨型、型、变桨型；型；按按风轮转速分速分类：定速型、：定速型、变速型；速型；按按传动机构分机构分类：齿轮箱升速型、直箱升速型、直驱型；型；按按发电机分机分类：
2、异步型、同步型；：异步型、同步型；按并网方式分按并网方式分类：并网型、离网型。：并网型、离网型。二、二、风力力发电发呈呈现状状限制系限制系统是是风力机力机组牢靠运行以及牢靠运行以及实现最最佳运行的牢靠保佳运行的牢靠保证。国内已具。国内已具备桨叶、叶、发电机、机、齿轮箱、箱、变距距轴承、偏航承、偏航轴承和主承和主轴承承等关等关键部件的开部件的开发实力。限制系力。限制系统、变频器器和和变桨系系统还有待完善。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舱低速轴热交换器限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力发电机机组结构构图第一章第
3、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，风力机组限制技术也在不断发展，以满足其自身对风速变更、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：变桨距调整方式快速取代失速调整方式；变速运行方式快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。第一章第一章 概述概述基于双基于双馈异步异步发电机（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 概述概述基于鼠基于鼠笼异步异步发电机（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
4、同步基于永磁同步发电机（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、风力发电发展趋势其次章其次章风力机基本理力机基本理论气流淌能气流淌能为 m 空气空气质量，量，v 气流速度气流速度密度密度为的气流的气流过面面积 S 的气体体的气体体积为 V，M=V=Sv则单位位时间内气流所具有的内气流所具有的动能能为志向志向风轮与与贝兹（Betz）理）理论：前后空气体前后空气体积相等：相等：S1v1=Sv=S2v2依据牛依据牛顿其次定律，其次定律，单位位时间内内风轮上的受力上的受力 F=mv1-mv2=Sv(v1-v2)风轮吸取的
5、功率吸取的功率P=Fv=Sv2(v1-v2)风轮吸取的功率又等于吸取的功率又等于风轮前后前后动能（能（单位位时间）的）的变更：更：令两式相等，得令两式相等，得 经过风轮风速速变更更产生的功率生的功率为其最大功率可令其最大功率可令 得得 ，代入后得到的最大志向功率，代入后得到的最大志向功率为与气流与气流扫掠面掠面积风的能量相比，可得的能量相比，可得风力机的理力机的理论最大效率：最大效率：一、风力机能量转换过程一、风力机能量转换过程S1v1SvS2v2其次章其次章 风力机限制风力机限制 有限叶片数由于较大的涡流影响将造成确定的能量损失，使风力机效率有所下降。实际风力机曲线如下图所示：Betz极限志
6、向的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一、风力机能量转换过程1、风能利用系数能利用系数 ：风力机的力机的实际功率功率其中其中CP为风能利用系数，它小于能利用系数，它小于0.5932、叶尖速比、叶尖速比为了表示了表示风轮在不同在不同风速中的状速中的状态，用叶片，用叶片圆周速度与周速度与风速比来衡量，称叶尖速比速比来衡量，称叶尖速比二、风力机的主要特性系数二、风力机的主要特性系数其次章其次章风力机基本理力机基本理论其次章其次章风力机基本理力机基本理论二、风力机的主要特性系数二、风力机的主要特性系数其次章其次章风力机基本理力机基本理论二、风力机的主要特性系数二、风力机的主
7、要特性系数风力机参数关系曲线图其次章其次章风力机基本理力机基本理论二、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其次章其次章风力机基本理力机基本理论二、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升力系数与阻力系数是随攻角变更的更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，但当增加到某个角叶的升力增加，但当增加到某个角度后升力起先下降；阻力系数起先上度后升力起先下降；阻力系数起先上升。出升。出现最大升力的点叫失速点。最大升力的点叫失速点。截面形截面形态（翼型弯度、
8、翼型厚度、前（翼型弯度、翼型厚度、前缘位置）、表面粗糙度等都会影响升位置）、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。对有限有限长桨叶，叶片两端会叶，叶片两端会产生生涡流，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-30o -20o -10o 0o 10o 20o 30o 40o0.80.60.40.2-0.2其次章其次章风力机基本理力机基本理论 功率调整方式主要有定桨距失速调整、变桨距调整、主动失速调整三种方式。失速失速调整整风力力发电机机风轮气流特性气流特性三、风轮气动功率调整三、风轮气动功率调整其次章其次章风力机基本理力机基本理论气气
9、动功率功率调整原理整原理图 三、风轮气动功率调整三、风轮气动功率调整其次章其次章风力机基本理力机基本理论三、风轮气动功率调整三、风轮气动功率调整其次章其次章风力机基本理力机基本理论 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更，使风速产生周期性的变更，进而使得气动转矩产生周期性的变更；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
10、响，前面的风力机风轮旋转产生的气流变更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、风轮气动功率调整三、风轮气动功率调整其次章其次章风力机基本理力机基本理论一、机组的总体结构一、机组的总体结构第三章第三章风力力发电机机组限制限制控 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定桨：1.5-2.51.5-2.5叶尖叶尖扰流器起脱网停机气流器起脱网停机气动刹刹车，一般接受双速，一般接受双速发电机来提高效率。机来提高效率。变桨：随：随风速速变更攻角，超更攻角，超过额定定风速保持速保持额定功率。定功率。设计风轮转速：速：20-30r/m
11、in20-30r/min，通，通过增速器与增速器与发电机匹配。机匹配。接受晶接受晶闸管管软切入并网，并网切入并网，并网简洁，扰动小。小。含微含微处理器的限制系理器的限制系统。二、典型风电机组的限制要求二、典型风电机组的限制要求定定桨距失速型机距失速型机组监控系控系统任任务：限制：限制风力力发电机并网与脱网；自机并网与脱网；自动相位相位补偿；监视机机组的运行状的运行状态、电网状况与气象状况；异网状况与气象状况；异样工况疼惜停机；工况疼惜停机；产生并生并记录风速、功率、速、功率、发电量等机量等机组运行数据。运行数据。全全桨叶叶变距型机距型机组监控系控系统任任务：限制：限制风力力发电机并网与脱网；机
12、并网与脱网；优化功率曲化功率曲线；监视机机组的运行状的运行状态、电网状况与气象状况；异网状况与气象状况；异样工况疼惜停机；工况疼惜停机；产生并生并记录风速、功率、速、功率、发电量等机量等机组运行数据。运行数据。基于基于变速恒速恒频技技术的的变速型机速型机组监控系控系统任任务除去上述功能外主要包括：除去上述功能外主要包括：基于微基于微处理器及先理器及先进IGBTIGBT电力力电子技子技术的的发电机机转子子变频励磁；脉励磁；脉宽调制技制技术产生正弦生正弦电压限制限制发电机机输出出电压与与频率率质量；低于量；低于额定定风速的速的最大最大风能（功率）限制与高于能（功率）限制与高于额定定风速的恒定速的恒
13、定额定功率限制。定功率限制。第三章第三章风力力发电机机组限制限制三、风力发电机组的限制技术三、风力发电机组的限制技术定定桨距失速型机距失速型机组解决了解决了风力力发电机机组的并网的并网问题和运行平安性与牢靠性和运行平安性与牢靠性问题，接受了，接受了软并网技并网技术、空气、空气动力刹力刹车技技术、偏航与自、偏航与自动解解缆技技术。固定的固定的节距角及距角及电网网频率确定的率确定的转速，速，简化了限制与伺服化了限制与伺服驱动系系统。全全桨叶叶变距型机距型机组启启动时可可进行行转速限制，并网后可速限制，并网后可进行功率限制。行功率限制。电液伺服机构与液伺服机构与闭环变距限制提高了机距限制提高了机组效
14、率。效率。基于基于变速恒速恒频技技术的的变速型机速型机组接受接受变速速风力力发电机。机。依据依据风速信号限制，低于速信号限制，低于额定定风速跟踪最佳功率曲速跟踪最佳功率曲线，高于，高于额定定风速柔速柔性保性保证额定功率定功率输出。改善了高次出。改善了高次谐波波对电网影响，提高了功率因数，网影响，提高了功率因数，高效高高效高质地向地向电网供网供电。第三章第三章风力力发电机机组限制限制四、风力发电机组的限制系统结构四、风力发电机组的限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
15、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力发电机机组限制限制 目目前前绝大大多多数数风力力发电机机组的的限限制制系系统都都接接受受集集散散型型或或称称分分布布式式限限制制系系统（DCSDCS）工）工业限制限制计算机。接受分布式限制最大算机。接受分布式限制最大优点是：点是：很多限制功能模很多限制功能模块可以干脆布置在限制可以干脆布置在限制对象的位置。象的位置。就就地地进行行采采集集、限限制制、处理理，避避开开了了各各类传感感器器、信信号号线与与主主限限制制器器之之间的的连
16、接；接；同同时DCSDCS现场适适应性性强，便便于于限限制制程程序序现场调试及及在在机机组运运行行时可可随随时修修改改限制参数；限制参数；并与其他功能模并与其他功能模块保持通信，保持通信，发出各种限制指令。出各种限制指令。四、风力发电机组的限制系统结构四、风力发电机组的限制系统结构第三章第三章风力力发电机机组限制限制限制系限制系统的的发展：展：（计算机干脆限制）（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）（性能单一不行靠，计算机应用局限于监控模式）四、风力发电机组的限制系统结构四、风力发电机组的限制系统结构第三章第三章风力力发电机机组限制限制风力发电机组限制系统组成：
17、传感器执行机构包括软/硬件处理器系统四、风力发电机组的限制系统结构四、风力发电机组的限制系统结构第三章第三章风力力发电机机组限制限制一、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、风轮结风轮结构构主要特点：主要特点：桨桨叶与叶与轮毂轮毂的的连连接是固定的，接是固定的，桨桨叶的迎叶的迎风风角度不随角度不随风风速速变变更而更而变变更。更。需解决的需解决的问题问题：高于：高于额额定定风风速速时桨时桨叶需自叶需自动动将功率限制在将功率限制在额额定功率旁定功率旁边边（失速特性）。（失速特性）。脱网（突甩脱网（突甩负负荷）荷）时桨时桨叶自身具叶自身具备备制制动实动实力。力。添加了叶尖添加了叶尖
18、扰扰流器，降低机械刹流器，降低机械刹车结车结构构强强度，度，2、桨桨叶的失速叶的失速调调整原理整原理因因桨桨叶的安装角叶的安装角不不变变，风风速增加速增加升力增加升力增加升力升力变缓变缓升力下降升力下降阻力增加阻力增加叶片失速叶片失速叶片攻角由根部向叶尖叶片攻角由根部向叶尖渐渐渐渐增加，根部先增加，根部先进进入失速，随入失速，随风风速增大速增大渐渐渐渐向叶尖向叶尖扩扩展。失速部分展。失速部分功率削减，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在功率削减，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在额额定功率旁定功率旁边边。3、叶尖、叶尖扰扰流器流器叶尖部分可旋叶尖部分可旋转转的空气阻尼板，正常运行的空气阻尼板
19、，正常运行时时，在液，在液压压限制下与叶片成限制下与叶片成为为整体，整体，风风力机脱网力机脱网时时液液压压限制指令将限制指令将扰扰流器流器释释放并旋放并旋转转80o90o，产产生阻力停机，即生阻力停机，即产产生空气生空气动动力刹力刹车车。空气空气动动力刹力刹车车是按失效思想是按失效思想设计设计，即起到液，即起到液压压系系统统故障故障时时的机的机组组停机疼惜。停机疼惜。4、双速、双速发电发电机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第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（定（定桨距机距机组）一、定桨距风力发电机组的特点一、定桨距风力发电
20、机组的特点5、功率、功率输输出出功率的功率的输输出主要确定于出主要确定于风风速，叶片的失速特性功率曲速，叶片的失速特性功率曲线线是在是在标标准空气密度准空气密度=1.225kg/m3测测出的，出的，一般温度一般温度变变更更10oC，空气密度，空气密度变变更更4%。因此气温上升，密度下降，。因此气温上升，密度下降，输输出功率削减。出功率削减。750kW机机组组可能会出可能会出现现3050kW的偏差，的偏差，6、节节距角与距角与额额定定转转速的速的设设定定对对功率功率输输出的影响出的影响由于机由于机组组的的桨桨叶叶节节距角和距角和转转速都是固定不速都是固定不变变的，使机的，使机组组功率曲功率曲线线
21、上只有一点有最大功率系数。上只有一点有最大功率系数。额额定定转转速低的机速低的机组组，低，低风风速下有速下有较较高的功率系数；高的功率系数；额额定定转转速高的机速高的机组组，高，高风风速下有速下有较较高的功率高的功率系数。即系数。即为为双速双速电电机依据。机依据。设计设计的最大功率系数并不出的最大功率系数并不出现现在在额额定功率上，因定功率上，因风风力力发电发电机并不常常工作在机并不常常工作在额额定定风风速点。定速点。定桨桨距距风风力力发电发电机机应应尽量提凹凸尽量提凹凸风风速的功率系数和考速的功率系数和考虑虑高高风风速的失速性能。速的失速性能。0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
22、10008006004002000.10.20.30.40.5功率输出/kW风速/（m/s)功率/kW第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（定（定桨距机距机组）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、待机状、待机状态态风风速速v3m/s但没达到切入但没达到切入转转速或机速或机组组从小功率切出，没有并网的自由从小功率切出，没有并网的自由转动转动状状态态。限制系限制系统统做好切入做好切入电电网的准网的准备备；机械刹机械刹车车已松开；已松开；叶尖阻尼板已收回；叶尖阻尼板已收回；风轮处风轮处于迎于迎风风状状态态；液液压压系系统压统压力保持在力保持在设设
23、定定值值；风风况、况、电电网和机网和机组组的全部状的全部状态态参数参数检测检测正常，一旦正常，一旦风风速增大，速增大，转转速上升，即可并网。速上升，即可并网。2、风风力力发电发电机机组组的自启的自启动动及启及启动动条件条件机机组组在自然在自然风风作用下升速、并网的作用下升速、并网的过过程。需具程。需具备备的条件的条件为为：电电网：网：连续连续10分分钟钟没有出没有出现过电压现过电压、低、低电压电压；0.1秒内秒内电压电压跌落小于跌落小于设设定定值值；电电网网频频率在率在设设定范定范围围内；没有出内；没有出现现三相不平衡等三相不平衡等现现象。象。风风况：况：连续连续10分分钟风钟风速在机速在机组
24、组运行范运行范围围内（内（3.0m/s25m/s)机机组组：发电发电机温度、增速器油温在机温度、增速器油温在设设定定值值范范围围以内；液以内；液压压系系统统各部位各部位压压力在力在设设定定值值以内；液以内；液压压油位和油位和齿轮润齿轮润滑油位正常；制滑油位正常；制动动器摩擦片正常；扭器摩擦片正常；扭缆缆开关复位；限制系开关复位；限制系统统DC24V、AC24V、DC5V、DC15V电电源正常；非正常停机故障源正常；非正常停机故障显显示均已解除；示均已解除；维维护护开关在运行位置。开关在运行位置。第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（定（定桨距机距机组）二、定桨距风力发电机组的基本
25、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偏航角度通过风过风向向测测定定仪测仪测定。定。10分分钟调钟调整一次，整一次，调调整中整中释释放偏航刹放偏航刹车车。4、制、制动动解除解除 启启动动条件条件满满足后，限制叶尖足后，限制叶尖扰扰流器的流器的电电磁磁阀阀打开，打开，压压力油力油进进入入桨桨叶液叶液压压缸，缸，扰扰流流器被收回与器被收回与桨桨叶主体合叶主体合为为一体。限制器收到一体。限制器收到扰扰流器回收信号后，流器回收信号后，压压力油力油进进入机械入机械盘盘式制式制动动器液器液压压缸，松开缸，松开盘盘式制式制动动器。器。5、风风力力发电发电机机组组的并网的并
26、网 当当转转速接近同步速接近同步转转速速时时，三相主，三相主电电路上的晶路上的晶闸闸管被触管被触发发起先起先导导通，通，导导通角随与同通角随与同步步转转速的接近而增大，速的接近而增大，发电发电机机转转速的加速度削减；当速的加速度削减；当发电发电机达到同步机达到同步转转速速时时晶晶闸闸管管完全完全导导通，通，转转速超速超过过同步同步转转速速进进入入发电发电状状态态；1秒后旁路接触器秒后旁路接触器闭闭合，合，电电流被旁路，流被旁路，如一切正常晶如一切正常晶闸闸管停止触管停止触发发。第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（定（定桨距机距机组）三、风力发电机组的基本限制要求三、风力发电机组
27、的基本限制要求1、限制系、限制系统统的基本功能的基本功能依据依据风风速信号自速信号自动进动进行启行启动动、并网或从、并网或从电电网切出。网切出。依据依据风风向信号自向信号自动对风动对风。依据功率因数及依据功率因数及输输出出电电功率大小自功率大小自动进动进行行电电容切容切换补偿换补偿。脱网脱网时时保保证证机机组组平安停机。平安停机。运行中运行中对电对电网、网、风风况和机况和机组组状状态进态进行行监测监测、分析与、分析与记录记录，异，异样样状况推断及状况推断及处处理。理。2、主要、主要监测监测参数及作用参数及作用电电力参数：力参数：电电网三相网三相电压电压、发电发电机机输输出的三相出的三相电电流、
28、流、电电网网频频率、率、发电发电机功率因数等。机功率因数等。推断并网条件、推断并网条件、计计算算电电功率和功率和发电发电量、无功量、无功补偿补偿、电压电压和和电电流故障疼惜。流故障疼惜。发电发电机功机功率与率与风风速有着固定的函数关系，两者不符可作速有着固定的函数关系，两者不符可作为为机机组组故障推断的依据。故障推断的依据。风风力参数：力参数：风风速；每秒采集一次，速；每秒采集一次，10分分钟计钟计算一次平均算一次平均值值。v3m/s时发电时发电机，机，v25m/s停机。停机。风风向；向；测测量量风风向与机向与机舱舱中心中心线线的偏差，一般接受两个的偏差，一般接受两个风风向向标进标进行行补补偿
29、偿。限制偏航系。限制偏航系统统工作，工作，风风速低于速低于3m/s偏航系偏航系统统不会工作。不会工作。机机组组参数：参数：转转速；机速；机组组有有发电发电机机转转速和速和风轮转风轮转速两个速两个测测点。限制点。限制发电发电机并网和脱网、机并网和脱网、超速疼惜。温度；增速器油温、高速超速疼惜。温度；增速器油温、高速轴轴承温度、承温度、发电发电机温度、前后主机温度、前后主轴轴承温度、晶承温度、晶闸闸管温度、管温度、环环境温度。振境温度。振动动；机；机舱舱振振动动探探测测。电缆电缆扭扭转转；安装有从初始位置起先的；安装有从初始位置起先的齿轮记齿轮记数数传传感器，用于停机解感器，用于停机解缆缆操作。位
30、置行程开关停机疼惜。刹操作。位置行程开关停机疼惜。刹车盘车盘磨磨损损；油位；油位；润润滑油和液滑油和液压压系系统统油位。油位。第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（定（定桨距机距机组）三、风力发电机组的基本限制要求三、风力发电机组的基本限制要求各种反各种反馈信号的信号的检测：限制器在：限制器在发出指令后的出指令后的设定定时间内内应收到的反收到的反馈信号包括回信号包括回收叶尖收叶尖扰流器、松开机械刹流器、松开机械刹车、松开偏航制、松开偏航制动器、器、发电机脱网机脱网转速着速着陆。否。否则故障故障停机。停机。增速器油温的限制：增速器箱内由增速器油温的限制：增速器箱内由PT100热电阻
31、温度阻温度传感器感器测温；加温；加热器保器保证润滑滑油温不低于油温不低于10oC；润滑油滑油泵始始终对齿轮和和轴承承强制制喷射射润滑；油温高于滑；油温高于60oC时冷冷却系却系统启启动，低于，低于45oC时停止冷却。停止冷却。发电机温升限制：通机温升限制：通过冷却系冷却系统限制限制发电机温度，如温度限制在机温度，如温度限制在130140oC，到，到150155oC停机。停机。功率功率过高或高或过低的低的处理：理：风速速较低低时发电机如持机如持续出出现逆功率（一般逆功率（一般3060 s），），退出退出电网，网，进入待机状入待机状态。功率。功率过高，可能高，可能为电网网频率波率波动（瞬（瞬间下降
32、），机械下降），机械惯量不能使量不能使转速快速下降，速快速下降，转差差过大造成。也可能是气候大造成。也可能是气候变更，空气密度增加造成。更，空气密度增加造成。当持当持续10min大于大于额定功率定功率15%或或2s大于大于50%应停机。停机。风力力发电机机组退出退出电网：网：风速速过大会使叶片大会使叶片严峻失速造成峻失速造成过早早损坏。坏。风速高于速高于25 m/s持持续10min或高于或高于33m/s持持续2s正常停机，正常停机，风速高于速高于50m/s持持续1s平安停机，平安停机，侧风90oC。第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（定（定桨距机距机组）三、风力发电机组的基本限
33、制要求三、风力发电机组的基本限制要求3、风风力力发电发电机机组组的基本限制策略的基本限制策略风风力力发电发电机机组组的工作状的工作状态态：第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（定（定桨距机距机组）四、定桨距风力发电机组的制动与疼惜系统四、定桨距风力发电机组的制动与疼惜系统1、定、定桨桨距距风风力力发电发电机机组组的制的制动动系系统统叶尖气叶尖气动动刹刹车车：液：液压压系系统统供供应应的的压压力由力由经经旋旋转转接接头进头进入入桨桨叶根部的叶根部的压压力缸，力缸，压缩压缩扰扰流器机构中的流器机构中的弹弹簧，使叶尖簧，使叶尖扰扰流器与流器与桨桨叶主体平滑叶主体平滑连为连为一体。当一体
34、。当风风力机停机力机停机时时，液液压压系系统释统释放放压压力油，叶尖力油，叶尖扰扰流器在离心力作用下，按流器在离心力作用下，按设计轨设计轨迹迹转过转过90o。机械机械盘盘式刹式刹车车：作：作为为帮助刹帮助刹车车装置被安装在高速装置被安装在高速轴轴上，液上，液压驱动压驱动。因。因风风力机力机转转矩矩很大，作很大，作为为主刹主刹车车将会使刹将会使刹车盘车盘直径很大，直径很大，变变更了机更了机组结组结构。大型构。大型风风机一般有两机一般有两部机械刹部机械刹车车。制制动动系系统统按失效疼惜原按失效疼惜原则设计则设计，一旦失，一旦失电电或液或液压压系系统统失效即失效即处处于制于制动动状状态态。正常停机制
35、正常停机制动过动过程：程：电电磁磁阀阀失失电释电释放叶尖放叶尖扰扰流器、流器、发电发电机降至同步机降至同步转转速速时时主接触主接触器器动动作与作与电电网解列、网解列、转转速低于速低于设设定定值时值时第一部刹第一部刹车车投入、如投入、如转转速接着上升其次部速接着上升其次部刹刹车车立刻投入、停机后叶尖立刻投入、停机后叶尖扰扰流器收回。流器收回。平安停机制平安停机制动过动过程：叶尖程：叶尖扰扰流器流器释释放同放同时时投入第一部刹投入第一部刹车车、发电发电机降至同步机降至同步转转速速时时主接触器跳主接触器跳闸闸同同时时其次部刹其次部刹车车立刻投入、叶尖立刻投入、叶尖扰扰流器不收回。流器不收回。紧紧急停
36、机制急停机制动过动过程：全部程：全部继电继电器断器断电电、接触器失、接触器失电电；叶尖；叶尖扰扰流器和两部机械刹流器和两部机械刹车车同同时时起作用；起作用；发电发电机同机同时时与与电电网解列。网解列。第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（定（定桨距机距机组）四、定桨距风力发电机组的制动与疼惜系统四、定桨距风力发电机组的制动与疼惜系统2、超速疼惜、超速疼惜发电发电机或机或风轮转风轮转速超速超过额过额定定转转速速110%时时，限制器，限制器发发出正常停机指令。出正常停机指令。叶尖叶尖扰扰流器制流器制动动液液压压系系统设统设有独立超速疼惜装置，有独立超速疼惜装置，风轮风轮超速超速时时，
37、液，液压压缸缸压压力快速上力快速上升，受升，受压压力限制的力限制的“突开突开阀阀”打开，打开，压压力油被泄掉，叶尖力油被泄掉，叶尖扰扰流器快速打开，使得在限流器快速打开，使得在限制系制系统统失效失效时时停机。停机。3、电电网失网失电电疼惜疼惜电电网一旦失网一旦失电电，限制叶尖，限制叶尖扰扰流器和机械刹流器和机械刹车车的的电电磁磁阀阀立刻打开，立刻打开，实现实现失失压压制制动紧动紧急急停机。停机。电电网网缘缘由引起的停机，限制系由引起的停机，限制系统统在在电电网复原后网复原后10分分钟钟自自动动复原运行。复原运行。4、电电气疼惜气疼惜过电压过电压疼惜：限制器疼惜：限制器对对通通过电缆进过电缆进入
38、限制柜的冲入限制柜的冲击电压击电压具有自我疼惜具有自我疼惜实实力力感感应应瞬瞬态态疼惜：晶疼惜：晶闸闸管、管、计计算机的算机的过电压过电压屏蔽，屏蔽，传传感器、通信感器、通信电缆电缆的隔离。的隔离。雷雷击击疼惜：供疼惜：供应应便捷的接地通道便捷的接地通道释释放雷放雷电电。5、紧紧急平安急平安链链是是计计算机系算机系统统的最的最终终一一级级疼惜措施，原理是将疼惜措施，原理是将对风对风力力发电发电机机组组造成致命造成致命损损害的故障害的故障节节点串点串联联在停机回路中，任何一个故障都可在停机回路中，任何一个故障都可紧紧急停机。急停机。如：如：紧紧急停机按急停机按钮钮、限制器看、限制器看们们狗、叶尖
39、狗、叶尖扰扰流器液流器液压继电压继电器、扭器、扭揽传揽传感器、振感器、振动传动传感器、限制器感器、限制器DC24V电电源失源失电电。紧紧急停机后平安急停机后平安链链只能手只能手动动复位复位第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（定（定桨距机距机组）五、变桨距风电机组限制五、变桨距风电机组限制 高于额定风速变更攻角保持功率恒定；启动时限制驱动转矩限制转速。特点：1、改善机组的受力，优化功率输出（粗调，与发电机转差率调整协作）。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、功率反馈限制使额定功率不受海拔、湿度、温度等空气密度变更影响4、启动时限制气动转矩
40、易于并网；停机气动转矩回零避开突甩负荷。运行状态：启动状态转速反馈限制，速度给定加升速率限制有利于并网。欠功率状态不限制（变速机组可通过追求最佳叶尖速比提高风机效率）。额定功率状态功率限制，为了解决变桨对风速响应慢问题，可通过调整电机转差率调速，用风轮蓄能特性吸取风波动造成的功率波动，维持功率恒定。转速速控制器控制器功率功率控制器控制器变桨执行器行器变距距机构机构风轮系系统发电机机传动系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典型风力力发电机机组限制系限制系统（变桨距机距机组）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更。
41、b、校正环节是一个非线性限制器，具有死区补偿和变桨限制功能。死区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典型风力力发电机机组限制系限制系统（变桨距机距机组）七、变桨距限制（并网前）七、变桨距限制（并网前）1、并网前的速度限制速度限制器限制从启动到并网的转速限制，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
42、使增益随节距角增加而减小，补偿转矩变更。转速速限制器限制器变桨执行器行器变距距机构机构风轮系系统发电机机传动系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典型风力力发电机机组限制系限制系统（变桨距机距机组）七、变桨距限制（并网后）七、变桨距限制（并网后）b、功率限制器A并网后执行变桨到最大攻角，低于额定功率（额定风速）时限制器输出饱和，攻角最大；高于额定风速后进入恒功率限制；引入风速前馈通道，超过额定风速后，当风速变更时起到快速补偿作用。c、功率限制器B低于额定风速调整转差率“实现”最佳叶尖速比调整，即风速增加转
43、差率增大；高于额定风速时协作功率限制器A维持功率恒定。原理是风速出现波动时，由于变桨调整的滞后使驱动功率发生波动，调整转差率（转子电流）使机组转速变更而维持功率恒定，利用风轮储存和释放能量维持输入与输出功率的平衡。功率功率限制器限制器A功率功率限制器限制器B变桨执行器行器变距距机构机构风轮系系统发电机机传动系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子电流流执行器行器SP风速信号滤波器+-+-+-+-第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（变桨距机距机组）八、发电功率限制八、发电功率限制1、发电发电机功率参考曲机功率参考曲线线 功率功率给给定曲定曲线线在点划在点划线线限
44、制的范限制的范围围内内变变更，更，发电发电机的机的转转差率在差率在110%（15151650r/min），外加），外加转转子子平均平均电电阻在阻在0到到100%变变更。更。2、发电发电机机转转矩矩转转速限制特性速限制特性功率功率=转转矩矩转转速，功率与速，功率与转转矩成正比。矩成正比。0 2 4 6 8 1010080604020转差率%参考功率/额定功率%=转矩系数励磁磁通转子电流转子功率因数其中：转子感应电动势l发电功率与转子电流成正比，变更电流大小可以调整电功率。l变更转子回路电阻可以变更转子电流。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 l高于额定风速恒定功率限制：风
45、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典型风力力发电机机组限制系限制系统（变桨距机距机组）八、发电功率限制八、发电功率限制 MSn0ns10电动机发电机R2R1发电机机转矩矩转速特性曲速特性曲线定子同步定子同步转速由速由电网确定：网确定：（定子三相（定子三相电流流产生的旋生的旋转磁磁场转速）速）两种运行状两种运行状态：nns为电动机方式；机方式；nns发电机状机状态。滑差率：滑差率：发电状状态时为负值与功率成正比的与功率成正比的电流可表示流可表示为：转子静止时感应电势接近同步速时S很小分析：高于额定风速时，如发生扰动转速将发生变更，感应电势变更，电流亦将变更，通 过
46、电阻的变更可以维持电流不变，因此维持功率瞬时稳定（克服扰动）。反之，低于额定风速时，通过变更电阻，可以变更S，保证较好的叶尖速比（设定值变更）。第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（变桨距机距机组）八、发电功率限制八、发电功率限制 转子子电流限制原理流限制原理图：（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典型风力力发电机机组限制系限制系统（变桨距机距机组）第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（变桨距机距机组）八、发电功率限制八、发电功率限制优点：点：1.1.风速速变更引起更引起风轮转矩脉矩脉动的低
47、的低频重量由重量由变桨调速机构速机构调整，其高整，其高频重量由重量由RCCRCC调整，可明整，可明显减减轻桨叶叶应力，平滑力，平滑输出出电功率功率;2.2.利用利用风轮作作为惯性性储能元件，吞吐伴随能元件，吞吐伴随转子子转速速变更形更形成的成的动能，提高能，提高风能利用率；能利用率；3.3.电力力电子主回路子主回路结构构简洁，不，不须要大功率要大功率电源。源。缺点：缺点：旋旋转电力力电子开关子开关电路路检修、更修、更换困困难。RCC异步异步风风力力发电发电机系机系统统的特的特点点第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（变桨距机距机组）八、发电功率限制八、发电功率限制九、最大风能追踪
48、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。风力机在不同风速下的转速功率曲线如右图第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（变速机速机组）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 第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（变速机速机组）最大最大风能追踪原理能追踪原理十、双馈型风电机组的限制十、双馈型风电机组的限制
49、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。特点是通过变频器给转子加入沟通励磁。沟通励磁电流的幅值、频率、相位是可调的，他们的作用可简述为：1、励磁电流幅值可以调整发电机无功功率。2、励磁电流频率可以调整发电机转速，实现最大风能捕获。3、励磁电流相位可以变更电机的功率角，可以调整有功功率。第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（变速机速机组）第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（变速机速机组）变桨距距变速速风电机机组典型工况典型工况图十、双馈型风电机组的
50、限制十、双馈型风电机组的限制变速速风力力发电机机组的运行依据不同的的运行依据不同的风况可分三个不同况可分三个不同阶段段:第一第一阶段是启段是启动阶段，段，发电机机转速从静止上升到切入速度；速从静止上升到切入速度；其次其次阶段是段是风力力发电机机组切人切人电网后运行在网后运行在额定定风速以下的区域，速以下的区域，风力力发电机机组起先起先获得能量并得能量并转换成成电能；能；第三运行第三运行阶段，段，该阶段称段称为功率恒定区功率恒定区。第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（变速机速机组）十、双馈型风电机组的限制十、双馈型风电机组的限制第四章第四章典型典型风力力发电机机组限制系限制系统（