風(fēng)力發(fā)電控制原理高等教育

1/1風(fēng)力發(fā)電控制原理-高等教育

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組掌握原理

第一章緒論旋轉(zhuǎn)罩輪轂機(jī)艙油冷卻器熱交換器齒輪箱旋轉(zhuǎn)接頭掌握箱

低速軸

變槳驅(qū)動支撐軸承

偏航驅(qū)動

發(fā)電機(jī)

通風(fēng)

隔離減震

機(jī)艙座

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

第一章緒論一、機(jī)組的總體結(jié)構(gòu)風(fēng)輪增速器發(fā)電機(jī)

電網(wǎng)主繼電器

風(fēng)

主開關(guān)熔斷器

變壓器

轉(zhuǎn)速晶閘管變槳并網(wǎng)功率風(fēng)風(fēng)速控制系統(tǒng)

無功補(bǔ)償

定槳：1.5-2.5葉尖擾流器起脫網(wǎng)停機(jī)氣動剎車，一般采納雙速發(fā)電機(jī)來提高效率。變槳：隨風(fēng)速轉(zhuǎn)變攻角，超過額定風(fēng)速保持額定功率。設(shè)計風(fēng)輪轉(zhuǎn)速：20-30r/min,通過增速器與發(fā)電機(jī)匹配。采納晶閘管軟切入并網(wǎng)，并網(wǎng)簡單，擾動小。含微處理器的掌握系統(tǒng)。

第一章緒論二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要類型與掌握要求定槳距失速型機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)：掌握風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)與脫網(wǎng)；自動相位補(bǔ)償；監(jiān)視機(jī)組的運行狀態(tài)、電網(wǎng)狀況與氣象狀況；特別工況愛護(hù)停機(jī)；產(chǎn)生并記錄風(fēng)速、功率、發(fā)電量等機(jī)組運行數(shù)據(jù)。全槳葉變距型機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)：掌握風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)與脫網(wǎng)；優(yōu)化功率曲線；監(jiān)視機(jī)組的運行狀態(tài)、電網(wǎng)狀況與氣象狀況；特別工況愛護(hù)停機(jī)；產(chǎn)生并記錄風(fēng)速、功率、發(fā)電量等機(jī)組運行數(shù)據(jù)?；谧兯俸泐l技術(shù)的變速型機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)除去上述功能外主要包括：基于微處理器及先進(jìn)IGBT電力電子技術(shù)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變頻勵磁；脈寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生正弦電壓掌握發(fā)電機(jī)輸出電壓與頻率質(zhì)量；低于額定風(fēng)速的最大風(fēng)能(功率)掌握與高于額定風(fēng)速的恒定額定功率掌握。

第一章緒論三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的掌握技術(shù)定槳距失速型機(jī)組解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)問題和運行平安性與牢靠性問題，采納了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動力剎車技術(shù)、偏航與自動解纜技術(shù)。固定的節(jié)距角及電網(wǎng)頻率打算的轉(zhuǎn)速，簡化了掌握與伺服驅(qū)動系統(tǒng)。全槳葉變距型機(jī)組啟動時可進(jìn)行轉(zhuǎn)速掌握，并網(wǎng)后可進(jìn)行功率掌握。電液伺服機(jī)構(gòu)與閉環(huán)變距掌握提高了機(jī)組效率。基于變速恒頻技術(shù)的變速型機(jī)組采納變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)。依據(jù)風(fēng)速信號掌握，低于額定風(fēng)速跟蹤最佳功率曲線，高于額定風(fēng)速柔性保證額定功率輸出。改善了高次諧波對電網(wǎng)影響，提高了功率因數(shù)，高效高質(zhì)地向電網(wǎng)供電。

習(xí)題：各不同類型機(jī)組的掌握技術(shù)有何功能特點。

第一章緒論四、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的掌握特性

風(fēng)能

風(fēng)輪動態(tài)特性

風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速

傳動鏈動態(tài)特性

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速

發(fā)電機(jī)動態(tài)特性功率變送器

電功率

變距位置伺服執(zhí)行器

變距指令

掌握器

功率信號

圖中看出，系統(tǒng)的特

性除了與機(jī)組特性有關(guān)外，還受掌握器影響。運行中掌握器可轉(zhuǎn)變功率輸出，風(fēng)能看成是擾動。

第一章緒論五、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用戶界面

輸入用戶指令，變更參數(shù)顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)及故障狀況

發(fā)電機(jī)掌握軟并網(wǎng)變頻器勵磁調(diào)整

主掌握器運行監(jiān)控，機(jī)組起/停電網(wǎng)、風(fēng)況監(jiān)測

無功補(bǔ)償依據(jù)無功功率信號分組切入或切出補(bǔ)償電容或變流器進(jìn)行調(diào)整

變槳系統(tǒng)轉(zhuǎn)速掌握功率掌握

液壓系統(tǒng)剎車機(jī)構(gòu)壓力保持變距機(jī)構(gòu)壓力保持

制動系統(tǒng)機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)氣動剎車機(jī)構(gòu)

偏航系統(tǒng)偏航自動解除電纜纏繞

習(xí)題：通過對掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的了解，回答掌握系統(tǒng)主要包括那些功能？

其次章風(fēng)力機(jī)掌握一、1、風(fēng)力機(jī)能量轉(zhuǎn)換過程氣流淌能為

1Emv22

m空氣質(zhì)量，v氣流速度

密度為ρ的氣流過面積S的氣體體積為V,M=ρV=ρSv

則單位時間內(nèi)氣流所具有的動能為E

1Sv32

Sv1

Sv

Sv2

抱負(fù)風(fēng)輪與貝茲(Betz)理論：前后空氣體積相等：S1v1=Sv=S2v2依據(jù)牛頓其次定律，單位時間內(nèi)風(fēng)輪上的受力F=mv1-mv2=ρSv(v1-v2)風(fēng)輪汲取的功率P=Fv=ρSv2(v1-v2)12風(fēng)輪汲取的功率又等于風(fēng)輪前后動能(單位時間)的變化：ESv(v12v2)令兩式相等，得v

v1v2212S(v12v2)(v1v2)4

2

經(jīng)過風(fēng)輪風(fēng)速變化產(chǎn)生的功率為P其最大功率可令

81dPSv130得v2v1,代入后得到的最大抱負(fù)功率為Pmax3dv227Pmax160.593E27

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：max

其次章風(fēng)力機(jī)掌握一、2、風(fēng)力機(jī)的主要特性系數(shù)1、風(fēng)能利用系數(shù)CP:13Pv1SCP風(fēng)力機(jī)的實際功率S2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)速比來衡量，稱葉尖速比

2Rnv

Cp0.50.40.30.20.1

123456789101315

額定風(fēng)速恒定功率

切出風(fēng)速切入風(fēng)速

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

其次章風(fēng)力機(jī)掌握二、1、槳葉的幾何參數(shù)與空氣動力特性1、槳葉的翼型0零升力角升力角風(fēng)向

弦長

攻角：來流方向與弦線的夾角零升力角：弦線與零升力線夾角升力角：來流方向與零升力線夾角

v

i功角

l

2、槳葉上的氣動力

F

1CrSv2總的氣動力，S—槳葉面積，Cr—總氣動系數(shù)2

FlAC壓力中心

1ClSv2升力，與氣流方向垂直，Cl—升力系數(shù)21CdSv2阻力，與氣流方向平行，Cd—阻力系數(shù)2B

Fd

v

i

Cd、Cl是由設(shè)計的葉片打算的固有參數(shù)，也是氣動力計算的原始

依據(jù)。

其次章風(fēng)力機(jī)掌握二、2、升力和阻力的變化曲線升力系數(shù)與阻力系數(shù)是隨攻角變化的0.80.60.40.2

Cl

Cd

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)增加到某個角度后升力開頭下降；阻力系數(shù)開頭上升。消失最大升力的點叫失速點。

-30o

-20o-10o0oClmin-0.2

10o

iM

20o

30o

40o

i

截面外形(翼型彎度、翼型厚度、前緣位置)、表面粗糙度等都會影響升力系數(shù)與阻力系數(shù)。對有限長槳葉，葉片兩端會產(chǎn)生渦流，造成阻力增加，

其次章風(fēng)力機(jī)掌握三、旋轉(zhuǎn)槳葉的氣動力(葉素分析)風(fēng)向

i-uI傾斜角dD氣流阻力安裝角(槳距角、節(jié)距角):回轉(zhuǎn)平面與槳葉截面弦長的夾角

I相對速度

I

運動旋轉(zhuǎn)方向u

R2Rn

w

vdL氣流升力

dF氣流W產(chǎn)生的氣動力1Clw2dS21dDCdw2dS2dL

軸向推力dFa=dLcosI+dDsinI旋轉(zhuǎn)力矩dT=r(dLsinI-dDcosI)驅(qū)動功率dPw=ωdT

風(fēng)輸入的總氣動功率P=vΣFa旋轉(zhuǎn)軸得到的功率Pu=Tω風(fēng)輪效率η=Pu/P

其次章風(fēng)力機(jī)掌握五、渦流理論(葉片數(shù)的影響及實際風(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肯定的能量損失，使風(fēng)力機(jī)效率有所下降。實際風(fēng)力機(jī)曲線如下圖所示：Cp

Betz極限抱負(fù)的Cp曲線型阻損失

失速損失

實際的Cp曲線

0

第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點1、風(fēng)輪結(jié)構(gòu)主要特點：槳葉與輪轂的連接是固定的，槳葉的迎風(fēng)角度不隨風(fēng)速變化而變化。需解決的問題：高于額定風(fēng)速時槳葉需自動將功率限制在額定功率四周(失速特性)。脫網(wǎng)(突甩負(fù)荷)時槳葉自身具備制動力量。添加了葉尖擾流器，降低機(jī)械剎車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，2、槳葉的失速調(diào)整原理因槳葉的安裝角β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漸漸增加，根部先進(jìn)入失速，隨風(fēng)速增大漸漸向葉尖擴(kuò)展。失速部分功率削減，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在額定功率四周。3、葉尖擾流器葉尖部分可旋轉(zhuǎn)的空氣阻尼板，正常運行時，在液壓掌握下與葉片成為整體，風(fēng)力機(jī)脫網(wǎng)時液壓掌握指令將擾流器釋放并旋轉(zhuǎn)80o~90o,產(chǎn)生阻力停機(jī)，即產(chǎn)生空氣動力剎車?？諝鈩恿x車是按失效思想設(shè)計，即起到液壓系統(tǒng)故障時的機(jī)組停機(jī)愛護(hù)。4、雙速發(fā)電機(jī)功率大發(fā)電機(jī)功率曲線如6極200kW和4極750kWP1切換點P2風(fēng)速小發(fā)電機(jī)功率曲線

第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點5、功率輸出功率的輸出主要打算于風(fēng)速，葉片的失速特性功率曲線是在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度ρ=1.225kg/m3測出的，一般溫度

變化10oC,空氣密度變化4%。因此氣溫上升，密度下降，輸出功率削減。750kW機(jī)組可能會消失30~50kW的偏差，6、節(jié)距角與額定轉(zhuǎn)速的設(shè)定對功率輸出的影響由于機(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)速高的機(jī)組，高風(fēng)速下有較高的功率系數(shù)。即為雙速電機(jī)依據(jù)。設(shè)計的最大功率系數(shù)并不消失在額定功率上，因風(fēng)力發(fā)電機(jī)并不常常工作在額定風(fēng)速點。定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)盡量提凹凸風(fēng)速的功率系數(shù)和考慮高風(fēng)速的失速性能。1000功率輸出/kW0.50.40.30.20.124681012141618Cp

800600400200

0

風(fēng)速/(m/s)

功率/kW

第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組二、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本運行過程1、待機(jī)狀態(tài)風(fēng)速v3m/s但沒達(dá)到切入轉(zhuǎn)速或機(jī)組從小功率切出，沒有并網(wǎng)的自由轉(zhuǎn)動狀態(tài)。掌握系統(tǒng)做好切入電網(wǎng)的預(yù)備；機(jī)械剎車已松開；葉尖阻尼板已收回；風(fēng)輪處于迎風(fēng)狀態(tài)；液壓系統(tǒng)壓力保持在設(shè)定值；風(fēng)況、電網(wǎng)和機(jī)組的全部狀態(tài)參數(shù)檢測正常，一旦風(fēng)速增大，轉(zhuǎn)速上升，即可并網(wǎng)。2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自啟動及啟動條件機(jī)組在自然風(fēng)作用下升速、并網(wǎng)的過程。需具備的條件為：電網(wǎng)：連續(xù)10分鐘沒有消失過電壓、低電壓；0.1秒內(nèi)電壓跌落小于設(shè)定值；電網(wǎng)頻率在設(shè)定范圍內(nèi)；沒有消失三相不平衡等現(xiàn)象。風(fēng)況：連續(xù)10分鐘風(fēng)速在機(jī)組運行范圍內(nèi)(3.0m/s~25m/s)機(jī)組：發(fā)電機(jī)溫度、增速器油溫在設(shè)定值范圍以內(nèi)；液壓系統(tǒng)各部位壓力在設(shè)定值以內(nèi)；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(guān)復(fù)位；掌握系統(tǒng)DC24V、AC24V、DC5V、DC15V電源正常；非正常停機(jī)故障顯示均已排解；維護(hù)開關(guān)在運行位置。

第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組二、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本運行過程3、風(fēng)輪對風(fēng)偏航角度通過風(fēng)向測定儀測定。10分鐘調(diào)整一次，調(diào)整中釋放偏航剎車。4、制動解除啟動條件滿意后，掌握葉尖擾流器的電磁閥打開，壓力油進(jìn)入槳葉液壓缸，擾流器被收回與槳葉主體合為一體。掌握器收到擾流器回收信號后，壓力油進(jìn)入機(jī)械盤式制動器液壓缸，松開盤式制動器。5、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，三相主電路上的晶閘管被觸發(fā)開頭導(dǎo)通，導(dǎo)通角隨與同步轉(zhuǎn)速的接近而增大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的加速度削減；當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時晶閘管完全導(dǎo)通，轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速進(jìn)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)。

第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三、風(fēng)力

發(fā)電機(jī)組的基本掌握要求1、掌握系統(tǒng)的基本功能依據(jù)風(fēng)速信號自動進(jìn)行啟動、并網(wǎng)或從電網(wǎng)切出。依據(jù)風(fēng)向信號自動對風(fēng)。依據(jù)功率因數(shù)及輸出電功率大小自動進(jìn)行電容切換補(bǔ)償。脫網(wǎng)時保證機(jī)組平安停機(jī)。運行中對電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、分析與記錄，特別狀況推斷及處理。2、主要監(jiān)測參數(shù)及作用電力參數(shù)：電網(wǎng)三相電壓、發(fā)電機(jī)輸出的三相電流、電網(wǎng)頻率、發(fā)電機(jī)功率因數(shù)等。推斷并網(wǎng)條件、計算電功率和發(fā)電量、無功補(bǔ)償、電壓和電流故障愛護(hù)。發(fā)電機(jī)功率與風(fēng)速有著固定的函數(shù)關(guān)系，兩者不符可作為機(jī)組故障推斷的依據(jù)。風(fēng)力參數(shù)：風(fēng)速；每秒采集一次，10分鐘計算一次平均值。v3m/s時發(fā)電機(jī)，v25m/s停機(jī)。風(fēng)向；測量風(fēng)向與機(jī)艙中心線的偏差，一般采納兩個風(fēng)向標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償。掌握偏航系統(tǒng)工作，風(fēng)速低于3m/s偏航系統(tǒng)不會工作。機(jī)組參數(shù)：轉(zhuǎn)速；機(jī)組有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速兩個測點。掌握發(fā)電機(jī)并網(wǎng)和脫網(wǎng)、超速愛護(hù)。溫度；增速器油溫、高速軸承溫度、發(fā)電機(jī)溫度、前后主軸承溫度、晶閘管溫度、環(huán)境溫度。振動；機(jī)艙振動探測。電纜扭轉(zhuǎn)；安裝有從初始位臵開頭的齒輪記數(shù)傳感器，用于停機(jī)解纜操作。位臵行程開關(guān)停機(jī)愛護(hù)。剎車盤磨損；油位；潤滑油和液壓系統(tǒng)油位。

第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本掌握要求各種反饋信號的檢測：掌握器在發(fā)出指令后的設(shè)定時間內(nèi)應(yīng)收到的反饋信號包括回收葉尖擾流器、松開機(jī)械剎車、松開偏航制動器、發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)轉(zhuǎn)速降落。否則故障停機(jī)。增速器油溫的掌握：增速器箱內(nèi)由PT100熱電阻溫度傳感器測溫；加熱器保證潤滑油溫不低于10oC;潤滑油泵始終對齒輪和軸承強(qiáng)制噴射潤滑；油溫高于60oC時冷卻系統(tǒng)啟動，低于45oC時停止冷卻。發(fā)電機(jī)溫升掌握：通過冷卻系統(tǒng)掌握發(fā)電機(jī)溫度，如溫度掌握在130~140oC,到150~155oC停機(jī)。功率過高或過低的處理：風(fēng)速較低時發(fā)電機(jī)如持續(xù)消失逆功率(一般30~60s),退出電網(wǎng)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。功率過高，可能為電網(wǎng)頻率波動(瞬間下降),機(jī)械慣量不能使轉(zhuǎn)速快速下降，轉(zhuǎn)差過大造成。也可能是氣候變化，空氣密度增加造成。當(dāng)持續(xù)10min大于額定功率15%或2s大于50%應(yīng)停機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出電網(wǎng)：風(fēng)速過大會使葉片嚴(yán)峻失速造成過早損壞。風(fēng)速高于25m/s持續(xù)10min或高于33m/s持續(xù)2s正常停機(jī)，風(fēng)速高于50m/s持續(xù)1s平安停機(jī)，側(cè)風(fēng)90oC。

第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本掌握要求3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本掌握策略風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)：運行狀態(tài)機(jī)

械剎車松開機(jī)組并網(wǎng)