風力發(fā)電機組控制技術

風力發(fā)電機組控制技術

主講趙麗君電話風力發(fā)電機組控制技術參考書《風力發(fā)電機組的控制技術》（第2版）葉杭冶，機械工業(yè)出版社《風力發(fā)電》尹煉，中國電力出版社《風能與風力發(fā)電技術》劉萬琨，化學工業(yè)出版社《風能技術》武鑫（譯），科學出版社風力發(fā)電機組控制技術2.1定槳距風力機的特點節(jié)距角的改變對功率的影響如下圖，它主要改變了葉片對氣流的失速點，這是隨空氣密度調整節(jié)距角的依據。在低風速區(qū)，不同的節(jié)距角所對應的功率曲線幾乎是重合的；在高風速區(qū)，節(jié)距角的變化，對其最大輸出功率的影響是十分明顯的。風力發(fā)電機組控制技術由于機組的葉片節(jié)距角和轉速都是固定不變的，使機組功率曲線上只有一點有最大功率系數。02468101214161810008006004002000.10.20.30.40.5功率輸出/kW風速/(m/s)功率/kW2.1定槳距風力機的特點六、節(jié)距角與額定轉速的設定對功率輸出的影響設計的最大功率系數并不出現在額定功率上，因風力發(fā)電機并不經常工作在額定風速點。額定轉速低的機組，低風速下有較高的功率系數；額定轉速高的機組，高風速下有較高的功率系數。即為雙速電機依據。定槳距風力發(fā)電機應盡量提高低風速的功率系數和考慮高風速的失速性能。風力發(fā)電機組控制技術2.2機組的基本運行過程葉尖阻尼板已收回；一、待機狀態(tài)風速v＞3m/s但沒達到切入轉速或機組從小功率切出，沒有并網的自由轉動狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)做好切入電網的準備；機械剎車已松開；液壓系統(tǒng)壓力保持在設定值；風輪處于迎風狀態(tài)；風況、電網和機組的所有狀態(tài)參數檢測正常，一旦風速增大，轉速升高，即可并網。風力發(fā)電機組控制技術2.2機組的基本運行過程機組在自然風作用下升速、并網的過程。需具備的條件為：二、風力發(fā)電機組的自啟動及啟動條件電網：連續(xù)10分鐘沒有出現過電壓、低電壓；

0.1秒內電壓跌落小于設定值；電網頻率在設定范圍內；沒有出現三相不平衡等現象。機組：發(fā)電機溫度、增速器油溫在設定值范圍以內；液壓系統(tǒng)各部位壓力在設定值以內；液壓油位和齒輪潤滑油位正常；制動器摩擦片正常；扭纜開關復位；控制系統(tǒng)DC24V、AC24V、DC5V、DC±15V電源正常；非正常停機故障顯示均已排除；維護開關在運行位置。風況：連續(xù)10分鐘風速在機組運行范圍內(3.0m/s~25m/s)。風力發(fā)電機組控制技術2.2機組的基本運行過程三、風輪對風偏航角度通過風向測定儀測定。10分鐘調整一次，調整中釋放偏航剎車。啟動條件滿足后，控制葉尖擾流器的電磁閥打開，壓力油進入葉片液壓缸，擾流器被收回與葉片主體合為一體。四、制動解除控制器收到擾流器回收信號后，壓力油進入機械盤式制動器液壓缸，松開盤式制動器。風力發(fā)電機組控制技術

當轉速接近同步轉速時，三相主電路上的晶閘管被觸發(fā)開始導通，導通角隨與同步轉速的接近而增大，發(fā)電機轉速的加速度減少。2.2機組的基本運行過程五、風力發(fā)電機組的并網控制系統(tǒng)風輪增速器發(fā)電機主繼電器主開關熔斷器變壓器晶閘管電網風變槳風速轉速并網功率無功補償風當發(fā)電機達到同步轉速時晶閘管完全導通，轉速超過同步轉速進入發(fā)電狀態(tài)

1秒后旁路接觸器閉合，電流被旁路，如一切正常，晶閘管停止觸發(fā)。風力發(fā)電機組控制技術2.2機組的基本運行過程五、風力發(fā)電機組的并網1.大小發(fā)電機的軟并網程序

發(fā)電機轉速已達到預置的切入點，該點的設定應低于發(fā)電機同步轉速。連接在發(fā)電機與電網之間的開關元件晶閘管被觸發(fā)導通。當發(fā)電機達到同步轉速時，晶閘管導通角完全打開，轉速超過同步轉速進入發(fā)電狀態(tài)。進入發(fā)電狀態(tài)后，晶閘管導通角繼續(xù)完全導通。風力發(fā)電機組控制技術2.2機組的基本運行過程五、風力發(fā)電機組的并網2.從小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換

小發(fā)電機向大發(fā)電機切換的控制，一般以平均功率或瞬時功率參數為預置切換點。小發(fā)電機功率曲線大發(fā)電機功率曲線切換點P1P2風速功率首先斷開小發(fā)電機接觸器，再斷開旁路接觸器。此時，發(fā)電機脫網，風力將帶動發(fā)電機轉速迅速上升，在到達同步轉速1500r/min附近時，再次執(zhí)行大發(fā)電機的軟并網程序。小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換風力發(fā)電機組控制技術2.2機組的基本運行過程五、風力發(fā)電機組的并網3.大發(fā)電機向小發(fā)電機的切換

小發(fā)電機功率曲線大發(fā)電機功率曲線切換點P1P2風速功率首先斷開大發(fā)電機接觸器，再斷開旁路接觸器。由于發(fā)電機在此之前仍處于出力狀態(tài)，轉速在1500r/min以上，脫網后轉速將進一步上升。迅速投入小發(fā)電機接觸器，執(zhí)行軟并網，由電網負荷將發(fā)電機轉速拖到小發(fā)電機額定轉速附近。只要轉速不超過超速保護的設定值，就允許執(zhí)行小發(fā)電機軟并網。風力發(fā)電機組控制技術2.3機組的基本控制要求一、控制系統(tǒng)的基本功能根據風速信號自動進行啟動、并網或從電網切出。根據風向信號自動對風。根據功率因數及輸出電功率大小自動進行電容切換補償。脫網時保證機組安全停機。運行中對電網、風況和機組狀態(tài)進行監(jiān)測、分析與記錄，異常情況判斷及處理。風力發(fā)電機組控制技術2.3機組的基本控制要求二、主要監(jiān)測參數及作用電力參數電網三相電壓、發(fā)電機輸出的三相電流、電網頻率、發(fā)電機功率因數等。風力參數風速：每秒采集一次，10分鐘計算一次平均值。v＞3m/s時發(fā)電機，v＞25m/s停機。風向：測量風向與機艙中心線的偏差，一般采用兩個風向標進行補償?？刂破较到y(tǒng)工作，風速低于3m/s偏航系統(tǒng)不會工作。判斷并網條件、計算電功率和發(fā)電量、無功補償、電壓和電流故障保護。發(fā)電機功率與風速有著固定的函數關系，兩者不符可作為機組故障判斷的依據。風力發(fā)電機組控制技術2.3機組的基本控制要求機組參數轉速：機組有發(fā)電機轉速和風輪轉速兩個測點?？刂瓢l(fā)電機并網和脫網、超速保護。溫度：增速器油溫、高速軸承溫度、發(fā)電機溫度、前后主軸承溫度、晶閘管溫度、環(huán)境溫度。振動：機艙振動探測。電纜扭轉：安裝有從初始位置開始的齒輪記數傳感器。用于停機解纜操作，位置行程開關停機保護。油位：潤滑油和液壓系統(tǒng)油位。剎車盤磨損。各種反饋信號的檢測控制器在發(fā)出指令后的設定時間內應收到的反饋信號包括回收葉尖擾流器、松開機械剎車、松開偏航制動器、發(fā)電機脫網轉速降落。否則故障停機。風力發(fā)電機組控制技術2.3機組的基本控制要求增速器油溫的控制增速器箱內由PT-100熱電阻溫度傳感器測溫；加熱器保證潤滑油溫不低于10℃；潤滑油泵始終對齒輪和軸承強制噴射潤滑；油溫高于60℃時冷卻系統(tǒng)啟動，低于45℃時停止冷卻。發(fā)電機溫升控制通過冷卻系統(tǒng)控制發(fā)電機溫度，如溫度控制在130~140℃，到150~155℃停機。風力發(fā)電機組控制技術風速高于25m/s持續(xù)10min或高于33m/s持續(xù)2s正常停機，風速高于50m/s持續(xù)1s安全停機，側風90°。2.3機組的基本控制要求功率過高或過低的處理風速較低時發(fā)電機如持續(xù)出現逆功率（一般30~60s），退出電網，進入待機狀態(tài)。功率過高，可能為電網頻率波動（瞬間下降），機械慣量不能使轉速迅速下降，轉差過大造成。也可能是氣候變化，空氣密度增加造成。當持續(xù)10min大于額定功率15%或2s大于50%應停機。風力發(fā)電機組退出電網風速過大會使葉片嚴重失速造成過早損壞。風力發(fā)電機組控制技術運行暫停停機急停2.3機組的基本控制要求工作狀態(tài)之間轉變急?！C：停機條件滿足，關閉急停電路、建立液壓工作壓力。停機→暫停：暫停條件滿足，啟動偏航系統(tǒng)（接通變槳距壓力）暫?！\行：運行條件滿足，核對上風向、葉尖阻尼板收回（或變槳距系統(tǒng)投入）、根據轉速控制并網。急停：主要控制有打開緊急電路、置所有信號無效、機械剎車作用、邏輯電路復位。暫停→停機：停止自動調向、打開氣動剎車（或變距系統(tǒng)失壓）運行→停機：脫網、打開氣動剎車（或變距系統(tǒng)失壓）暫停：功率調節(jié)到0后通過晶閘管切出發(fā)電機、降低風輪轉速到0。風力發(fā)電機組控制技術2.3機組的基本控制要求故障處理：故障發(fā)生時意味著從較高狀態(tài)轉換到較低狀態(tài)。（1）故障檢測：掃描傳感器及信號，判斷可降低狀態(tài)的信號。（2）故障記錄：故障存儲與報警。（3）故障反應：選擇降為三種停機狀態(tài)中的一種。（4）重新啟動：一般故障可能自動復位或操作人員遠程手動復位，重新啟動。致命故障必須由人員到現場檢查處理，就地復位。風力發(fā)電機組控制技術2.3機組的基本控制要求四、控制系統(tǒng)的安全運行

1.控制系統(tǒng)安全運行的必備條件

2）風力發(fā)電機組安全鏈系統(tǒng)硬件運行正常。3）偏航系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，風速儀和風向標處于正常運行的狀態(tài)。4）制動和控制系統(tǒng)液壓裝置的油壓、油溫和油位在規(guī)定范圍內。1）風力發(fā)電機組開關出線側相序必須與并網電網相序一致，電壓標稱值相等，三相電壓平衡。

5）齒輪箱油位和油溫在正常范圍。6）各項保護裝置均在正常位置，且保護值均與批準設定值相符。7）各控制電源處于接通位置。8）監(jiān)控系統(tǒng)顯示正常運行狀態(tài)。9）在寒冷和潮濕地區(qū)，停止運行一個月以上的風力發(fā)電機組再投入運行前應檢查絕緣，合格后才允許起動。風力發(fā)電機組控制技術2.3機組的基本控制要求四、控制系統(tǒng)的安全運行

2.風力發(fā)電機組工作參數的安全運行范圍2）轉速：風輪轉速通常低于40r/min，發(fā)電機的最高轉速不超過額定轉速的30%。3）功率：只在額定風速以上作限制最大功率的控制，通常運行安全最大功率不允許超過設計值的20%。

4）溫度：通?？刂破鳝h(huán)境溫度應為0～30℃，齒輪箱油溫小于120℃，發(fā)電機溫度小于150℃，傳動等環(huán)節(jié)溫度小于70℃。

1）風速：風速在3～25m/s為規(guī)定工作范圍。

5）電壓：發(fā)電電壓允許的范圍在設計值的10%。6）頻率：機組的發(fā)電頻率應限制在50Hz±1Hz。7）壓力：機組的許多執(zhí)行機構由液壓執(zhí)行機構完成，通常低于100Mpa。風力發(fā)電機組控制技術2.4定槳距風力機的制動與保護系統(tǒng)正常停機制動過程：電磁閥失電釋放葉尖擾流器、發(fā)電機降至同步轉速時主接觸器動作與電網解列、轉速低于設定值時第一部剎車投入、如轉速繼續(xù)上升第二部剎車立即投入、停機后葉尖擾流器收回。安全停機制動過程：葉尖擾流器釋放同時投入第一部剎車、發(fā)電機降至同步轉速時主接觸器跳閘同時第二部剎車立即投入、葉尖擾流器不收回。緊急停機制動過程：所有繼電器斷電、接觸器失電；葉尖擾流器和兩部機械剎車同時起作用；發(fā)電機同時與電網解列。一、定槳距風力發(fā)電機組的制動系統(tǒng)葉尖氣動剎車：液壓系統(tǒng)提供的壓力由經旋轉接頭進入葉片根部的壓力缸，壓縮擾流器機構中的彈簧，使葉尖擾流器與葉片主體平滑連為一體。當風力機停機時，液壓系統(tǒng)釋放壓力油，葉尖擾流器在離心力作用下，按設計軌跡轉過80°~90°。機械盤式剎車：作為輔助剎車裝置被安裝在高速軸上，液壓驅動。因風力機轉矩很大，作為主剎車將會使剎車盤直徑很大，改變了機組結構。大型風機一般有兩部機械剎車。制動系統(tǒng)按失效保護原則設計，一旦失電或液壓系統(tǒng)失效即處于制動狀態(tài)。風力發(fā)電機組控制技術2.4定槳距風力機的制動與保護系統(tǒng)所有繼電器斷電、接觸器失電；葉尖擾流器和兩部機械剎車同時起作用；發(fā)電機同時與電網解列。正常停機制動過程：電磁閥失電釋放葉尖擾流器、發(fā)電機降至同步轉速時主接觸器動作與電網解列、轉速低于設定值時第一部剎車投入、如轉速繼續(xù)上升第二部剎車立即投入、停機后葉尖擾流器收回。安全停機制動過程：葉尖擾流器釋放同時投入第一部剎車、發(fā)電機降至同步轉速時主接觸器跳閘同時第二部剎車立即投入、葉尖擾流器不收回。緊急停機制動過程：風力發(fā)電機組控制技術2.4定槳距風力機的制動與保護系統(tǒng)1、安全保護安全保護系統(tǒng)分三層結構：計算機系統(tǒng)(控制器)，獨立于控制器的緊急停機鏈和個體硬件保護措施。二、定槳距風力發(fā)電機組的保護系統(tǒng)微機保護涉及到風力機組整機及零部件的各個方面；緊急停機鏈保護用于整機嚴重故障及人為需要時；個體硬件保護則主要用于發(fā)電機和各電氣負載的保護。風力發(fā)電機組控制技術2.4定槳距風力機的制動與保護系統(tǒng)1）雷擊保護雷擊保護的原理是使機組所有部件保持電位平衡，并提供便捷的接地通道以釋放雷電，避免高能雷電的積累。一般使用避雷器或防雷組件吸收雷電波。

二、定槳距風力發(fā)電機組的保護系統(tǒng)機艙的保護

葉片的保護

鋼結構的機艙底座，為艙內機械提供了基本的接地保護。葉尖上安裝雷電接收器?？刂葡到y(tǒng)的保護

過壓保護器。風力發(fā)電機組控制技術2.4定槳距風力機的制動與保護系統(tǒng)2）運行安全保護

二、定槳距風力發(fā)電機組的保護系統(tǒng)大風安全保護

參數越限保護

風速達到25m/s(10min)即為停機風速，機組必須按照程序安全停機。當數據達到限定值時，控制系統(tǒng)根據設定好的程序進行自動處理。過壓過流保護

采用隔離、限壓、高壓瞬態(tài)吸收元件、過流保護器。震動保護機組應設有三級震動頻率保護。開機關機保護

風力發(fā)電機組控制技術2.4定槳距風力機的制動與保護系統(tǒng)3）緊急停機安全鏈保護

二、定槳距風力發(fā)電機組的保護系統(tǒng)系統(tǒng)的緊急安全鏈是獨立于計算機系統(tǒng)的硬件保護措施，也是計算機系統(tǒng)的最后一級保護措施，即使控制系統(tǒng)發(fā)生異常，也不會影響安全鏈的正常動作。4）微機控制器抗干擾保護

分為交變脈沖干擾和單脈沖干擾兩種，以電或磁的形式干擾控制系統(tǒng)。5）接地保護接地的主要作用一方面是為保證電器設備安全運行，另一方面是防止設備絕緣被破壞時可能帶電，以致危及人身安全。同時能保護裝置迅速切斷故障回路，防止故障擴大。風力發(fā)電機組控制技術2.4定槳距風力機的制動與保護系統(tǒng)二、超速保護發(fā)電機或風輪轉速超過額定轉速110%時，控制器發(fā)出正常停機指令。葉尖擾流器制動液壓系統(tǒng)設有獨立超速保護裝置，風輪超速時，液壓缸壓力迅速上升，受壓力控制的“突開閥”打開，壓力油被泄掉，葉尖擾流器迅速打開，使得在控制系統(tǒng)失效時停機。三、電網失電保護電網一旦失電，控制葉尖擾流器和機械剎車的電磁閥立即打開，實現失壓制動緊急停機。電網原因引起的停機，控制系統(tǒng)在電網恢復后10分鐘自動恢復運行。風力發(fā)電機組控制技術2.5定槳距風力機的液壓與偏航系統(tǒng)定槳距風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)實際上是制動系統(tǒng)的驅動機構，主要用來執(zhí)行風力機的開關機指令。一、定槳距風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)它的主要功能是執(zhí)行葉尖、偏航閘、高速圓盤閘的動作以及通過葉尖壓力監(jiān)控葉輪轉速不超過限定值。通常液壓系統(tǒng)由兩個壓力保持回路組成，一路通過蓄能器供給葉尖擾流器，另一路通過蓄能器供給機械剎車機構。風力發(fā)電機組控制技術2.5定槳距風力機的液壓與偏航系統(tǒng)單向閥

蓄能器

節(jié)流閥

壓力表

電磁閥

超速保護裝置：風輪超速時，液壓缸壓力迅速上升，受壓力控制的“突開閥”打開，壓力油被泄掉，葉尖擾流器迅速打開，使得在控制系統(tǒng)失效時停機。風力發(fā)電機組控制技術2.5定槳距風力機的液壓與偏航系統(tǒng)氣動剎車壓力保持回路

壓力油經油泵和精濾油器進入系統(tǒng)。開機時電磁閥6-1接通，壓力油經單向閥1-2進入蓄能器2-2，并通過單向閥1-3和旋轉接頭進入氣動剎車油缸。

風力發(fā)電機組控制技術2.5定槳距風力機的液壓與偏航系統(tǒng)壓力開關3-2由蓄能器的壓力控制，當蓄能器壓力達到設定值時，開關動作，電磁閥6-1關閉。

運行時，回路壓力