b第二章定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制解析課件

1、風(fēng) 電 機(jī) 組 檢 測(cè) 與 控 制張?zhí)m紅鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院第1頁(yè)，共26頁(yè)。第二章定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制第一節(jié)定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理第二節(jié)定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)與運(yùn)行控制第三節(jié)定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電過(guò)程控制第四節(jié)定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制動(dòng)與保護(hù)系統(tǒng)第2頁(yè)，共26頁(yè)。第一節(jié) 定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理一、葉輪結(jié)構(gòu)二、槳葉的失速調(diào)節(jié)原理三、葉尖擾流器四、雙速發(fā)電機(jī)五、功率輸出六、槳距角與額定轉(zhuǎn)速的設(shè)定對(duì)功率輸出的影響第3頁(yè)，共26頁(yè)。一、葉輪結(jié)構(gòu) 定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：槳葉與輪轂的連接是固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。 這一特點(diǎn)給定槳

2、恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提出了幾個(gè)必須解決的問(wèn)題: 一是當(dāng)風(fēng)速高于葉輪的設(shè)計(jì)點(diǎn)風(fēng)速即額定風(fēng)速時(shí)，槳葉必須能夠自動(dòng)地將功率限制在額定值附近，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組上所有材料的物理性能是有限度的，槳葉的這一特性被稱(chēng)為自動(dòng)失速性能； 二是運(yùn)行中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)突然失電或其他緊急情況下，槳葉自身必須具備制動(dòng)能力，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在大風(fēng)情況下安全停機(jī)。第4頁(yè)，共26頁(yè)。一、葉輪結(jié)構(gòu) 早期定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉輪并不具備制動(dòng)能力，脫網(wǎng)時(shí)完全依靠安裝在低速軸或高速軸上的機(jī)械制動(dòng)裝置通過(guò)摩擦制動(dòng)，即通過(guò)摩擦力做功耗盡風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。 這對(duì)于數(shù)十千瓦的機(jī)組來(lái)說(shuō)問(wèn)題不大，但對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組如果只采

3、用摩擦制動(dòng)，就會(huì)短時(shí)間在局部位置上產(chǎn)生巨大的熱量，對(duì)機(jī)組的安全性和傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。 1956年，丹麥工程師Johannes Juul針對(duì)定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)明了緊急葉尖氣動(dòng)剎車(chē)。當(dāng)風(fēng)力機(jī)超速時(shí)，通過(guò)離心力的作用將葉尖氣動(dòng)阻尼板釋放。為控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速提供了新的技術(shù)方案。 20世紀(jì)80年代，槳葉開(kāi)發(fā)商以此為基礎(chǔ)完成了葉尖擾流器的設(shè)計(jì)，并成功地應(yīng)用在失速性槳葉上，解決了在高風(fēng)速情況下的安全停機(jī)問(wèn)題，使定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)占據(jù)了主導(dǎo)地位，直到推出兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。第5頁(yè)，共26頁(yè)。 當(dāng)氣流流經(jīng)上下翼面形狀不同的葉片時(shí)，因凸面的彎曲而使氣流加速，壓力較低； 凹

4、面較平緩而使氣流速度緩慢，壓力較高，因而產(chǎn)生升力。二、槳葉的失速調(diào)節(jié)原理第6頁(yè)，共26頁(yè)。 槳葉的失速性能是指它在最大升力系數(shù)Clmax附近的性能。 一方面，當(dāng)槳葉的安裝角不變，隨著風(fēng)速增加攻角i增大時(shí)，升力系數(shù)Cl線性增大；在接近Clmax時(shí)，增大變緩；達(dá)到Clmax后開(kāi)始減小。 另一方面，阻力系數(shù)Cd初期不斷增大；在升力開(kāi)始減小時(shí)，Cd繼續(xù)增大，這是由于氣流在葉片上的分離區(qū)隨攻角的增大而增大，分離區(qū)形成大的渦流，流動(dòng)失去翼型效應(yīng)，與未分離時(shí)相比，上下翼面壓力差減小，致使阻力激增，升力減小，造成葉片失速，從而限制了功率的增加，如圖2-1所示。二、槳葉的失速調(diào)節(jié)原理圖2-1槳葉的失速原理第7頁(yè)

5、，共26頁(yè)。氣流動(dòng)能為 m 空氣質(zhì)量，v 氣流速度密度為的氣流過(guò)面積 S 的氣體體積為 V，M= V= Sv則單位時(shí)間內(nèi)氣流所具有的動(dòng)能為理想風(fēng)輪與貝茲（Betz）理論：前后空氣體積相等：S1v1=Sv=S2v2根據(jù)牛頓第二定律，單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪上的受力 F= mv1-mv2= Sv(v1-v2)風(fēng)輪吸收的功率P=Fv= Sv2 (v1-v2)風(fēng)輪吸收的功率又等于風(fēng)輪前后動(dòng)能（單位時(shí)間）的變化：令兩式相等，得 經(jīng)過(guò)風(fēng)輪風(fēng)速變化產(chǎn)生的功率為其最大功率可令 得 ，代入后得到的最大理想功率為與氣流掃掠面積風(fēng)的能量相比，可得風(fēng)力機(jī)的理論最大效率：1. 風(fēng)力機(jī)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程Sv1SvSv2第8頁(yè)，共26頁(yè)。

6、1、風(fēng)能利用系數(shù) ：風(fēng)力機(jī)的實(shí)際功率其中CP為風(fēng)能利用系數(shù)，它小于0.5932、葉尖速比為了表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)，用葉片圓周速度與風(fēng)速比來(lái)衡量，稱(chēng)葉尖速比2、風(fēng)力機(jī)的主要特性系數(shù)第9頁(yè)，共26頁(yè)。1、槳葉的翼型3、槳葉的幾何參數(shù)與空氣動(dòng)力特性功角升力角零升力角風(fēng)向弦長(zhǎng)攻角：來(lái)流方向與弦線的夾角i零升力角：弦線與零升力線夾角 升力角：來(lái)流方向與零升力線夾角0第10頁(yè)，共26頁(yè)。3、槳葉的幾何參數(shù)與空氣動(dòng)力特性AB2、槳葉上的氣動(dòng)力總的氣動(dòng)力，S 槳葉面積，Cr 總氣動(dòng)系數(shù)C壓力中心升力，與氣流方向垂直，Cl 升力系數(shù)阻力，與氣流方向平行，Cd 阻力系數(shù)Cd、Cl 是由設(shè)計(jì)的葉片決定的固有參

7、數(shù)，也是氣動(dòng)力計(jì)算的原始依據(jù)。第11頁(yè)，共26頁(yè)。4、升力和阻力的變化曲線-30o -20o -10o 0o 10o 20o 30o 40o0.80.60.40.2-0.2升力系數(shù)與阻力系數(shù)是隨攻角變化的升力系數(shù)隨攻角的增加而增加，使得槳葉的升力增加，但當(dāng)增加到某個(gè)角度后升力開(kāi)始下降；阻力系數(shù)開(kāi)始上升。出現(xiàn)最大升力的點(diǎn)叫失速點(diǎn)。截面形狀（翼型彎度、翼型厚度、前緣位置）、表面粗糙度等都會(huì)影響升力系數(shù)與阻力系數(shù)。對(duì)有限長(zhǎng)槳葉，葉片兩端會(huì)產(chǎn)生渦流，造成阻力增加，第12頁(yè)，共26頁(yè)。5、旋轉(zhuǎn)槳葉的氣動(dòng)力風(fēng)向v- uw運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向安裝角（槳距角、節(jié)距角）：回轉(zhuǎn)平面與槳葉截面弦長(zhǎng)的夾角傾斜角相對(duì)速度dF氣

8、流W產(chǎn)生的氣動(dòng)力dL氣流升力dD氣流阻力I軸向推力dFa=dLcosI+dDsinII旋轉(zhuǎn)力矩dT=r(dLsinI-dDcosI)驅(qū)動(dòng)功率dPw=dT風(fēng)輸入的總氣動(dòng)功率P=vFa旋轉(zhuǎn)軸得到的功率Pu=T風(fēng)輪效率=Pu/P第13頁(yè)，共26頁(yè)。6、渦流理論（葉片數(shù)的影響及實(shí)際風(fēng)力機(jī)Cp曲線）有限葉片數(shù)由于較大的渦流影響將造成一定的能量損失，使風(fēng)力機(jī)效率有所下降。實(shí)際風(fēng)力機(jī)曲線如下圖所示：Betz極限理想的Cp曲線實(shí)際的Cp曲線失速損失型阻損失0第14頁(yè)，共26頁(yè)。 因槳葉的安裝角不變，風(fēng)速增加升力增加升力變緩升力下降阻力增加葉片失速 葉片攻角由根部向葉尖逐漸增加，根部先進(jìn)入失速，隨風(fēng)速增大逐漸向

9、葉尖擴(kuò)展。失速部分功率減少，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在額定功率附近。二、槳葉的失速調(diào)節(jié)原理第15頁(yè)，共26頁(yè)。三、葉尖擾流器圖2-2葉尖擾流器結(jié)構(gòu) 葉尖擾流器的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，在液壓系統(tǒng)的作用下，葉尖擾流器與槳葉主體部分精密地合為一體，組成完整的槳葉。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要脫網(wǎng)停機(jī)時(shí)，擾流器按控制指令釋放并旋轉(zhuǎn)8090形成阻尼板，由于葉尖部分處于距離旋轉(zhuǎn)中心的最遠(yuǎn)點(diǎn)，整個(gè)葉片作為一個(gè)長(zhǎng)的杠桿，使葉尖擾流器產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力相當(dāng)高，足以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組迅速減速，這一過(guò)程即為槳葉空氣動(dòng)力制動(dòng)。葉尖擾流器是定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要制動(dòng)器，每次制動(dòng)時(shí)都是它起主要作用。第

10、16頁(yè)，共26頁(yè)。葉尖擾流器對(duì)于失速機(jī)組，葉片端部（葉尖）采用制動(dòng)，超速保護(hù)。 制動(dòng)時(shí)葉尖部分繞葉片軸向旋轉(zhuǎn)90度，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。 第17頁(yè)，共26頁(yè)。四、雙速發(fā)電機(jī) 在整個(gè)運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)(3m/s-25m/s)由于氣流對(duì)槳葉的攻角是在不斷變化的，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速不能隨風(fēng)速的變化而調(diào)整，這就必然要使葉輪在低風(fēng)速時(shí)的效率降低(但如果將最高效率點(diǎn)設(shè)置在低風(fēng)速區(qū)，則會(huì)使槳葉過(guò)早進(jìn)人失速狀態(tài))。同時(shí)發(fā)電機(jī)本身也存在低負(fù)荷時(shí)的效率問(wèn)題。盡管目前用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)已能設(shè)計(jì)得非常理想，它們?cè)赑25%額定功率范圍內(nèi)，均有高于90%的效率，但當(dāng)P25%額定功率時(shí)，效率會(huì)急劇下降。為了解決低風(fēng)速時(shí)的效

11、率問(wèn)題，有一些定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用雙速發(fā)電機(jī)，分別設(shè)計(jì)成4極和6極。 一般6極風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率設(shè)計(jì)成4極發(fā)電機(jī)的1/4一1/5。例如600kW一般設(shè)計(jì)成6極150kW和4極600kW，750kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)成6極200kW和4極750kW。 這樣當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速段運(yùn)行時(shí)，不僅槳葉具有較高的氣動(dòng)效率，發(fā)電機(jī)的效率也能保持在較高水平。 第18頁(yè)，共26頁(yè)。四、雙速發(fā)電機(jī)第19頁(yè)，共26頁(yè)。五、功率輸出 根據(jù)風(fēng)能轉(zhuǎn)換的原理，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出主要取決于風(fēng)速。但除此以外，氣壓、氣溫、海拔高度和氣流擾動(dòng)等因素也會(huì)顯著影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出，如圖2-4所示。 因?yàn)槎嗳~片的標(biāo)準(zhǔn)

12、功率曲線是在空氣的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下計(jì)算出來(lái)的，這時(shí)空氣密度=1.225kg/m3。當(dāng)氣壓與氣溫變化時(shí)，會(huì)跟著變化，一般當(dāng)溫度變化土10時(shí)，相應(yīng)的空氣密度變化可達(dá)土4%。而槳葉的失速性能只與風(fēng)速有關(guān)，只要達(dá)到了葉片氣動(dòng)外形所決定的失速調(diào)節(jié)風(fēng)速，不論是否滿(mǎn)足輸出功率，槳葉的失速性能都要起作用，影響功率輸出。因此當(dāng)氣溫升高時(shí)，空氣密度就會(huì)降低，相應(yīng)的功率輸出就會(huì)減少；反之，功率輸出就會(huì)增大，對(duì)于一臺(tái)750kW的定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在冬季和夏季可能會(huì)出現(xiàn)3050kW，甚至更大的功率偏差。 第20頁(yè)，共26頁(yè)。五、功率輸出圖2-4空氣密度變化對(duì)功率輸出的影響第21頁(yè)，共26頁(yè)。 對(duì)于全槳變距控制(包括主動(dòng)失速控制)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，這個(gè)問(wèn)題可以得到圓滿(mǎn)解決，這類(lèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在達(dá)到額定功率以前，槳距角都基本固定在最佳角度上，當(dāng)達(dá)到額定功率后，主動(dòng)失速控制機(jī)組的槳距角向負(fù)角度方向調(diào)整，而全槳變距有限變速和變速恒頻及組的槳距角則向正角度方向調(diào)整，如圖2-5所示。由于全槳變距控制只取決于功率信號(hào)，因此不受空氣密度變化的影響。 第22頁(yè)，共26頁(yè)。圖2-5主動(dòng)失速控制與變速恒頻控制中的槳距角變化規(guī)律第23頁(yè)，共26頁(yè)。由于機(jī)組的槳葉節(jié)距角和轉(zhuǎn)速都是固定不變的，使機(jī)組功率曲線上只有一點(diǎn)有最大功率系數(shù)。額定轉(zhuǎn)速低的機(jī)組，低風(fēng)速下有較高的功率系數(shù)；額定轉(zhuǎn)