風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

第四章風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)組成及工作原理第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電場簡介第三節(jié)控制理論基礎(chǔ)第五章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方案第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)第三節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制要求、功能和設(shè)計(jì)第六章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制技術(shù)第一節(jié)矢速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行控制第二節(jié)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速控制第三節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距功率控制第四節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行控制4.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理器和運(yùn)算器)兩大部分。反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成形式框圖如圖1.1所示。由于各種被控對象的動(dòng)態(tài)特被調(diào)量被調(diào)量被控對象廣義對象執(zhí)行機(jī)構(gòu)變送器發(fā)電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)功率輸出輸入開關(guān)狀態(tài)偏航冷卻等伺服電機(jī)液壓伺服機(jī)構(gòu)輸出裝置發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)行控制動(dòng)構(gòu)圖3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)主要包括五大部分：機(jī)組各子系統(tǒng)傳感器、發(fā)電運(yùn)行核心控制器、功率圖4、雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制原理框圖偏航控制YN置升力最大置升力最大NYNYNNYNYN按V-β變距調(diào)節(jié)NN業(yè)享功率因數(shù)給饋功率因數(shù)給限速運(yùn)行反變槳距控制饋4.2風(fēng)力發(fā)電場簡介隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)和環(huán)境的日益惡化，被稱為綠色清潔能源的風(fēng)能越來越受到世界各國的廣泛重視。風(fēng)是山于太陽照射到地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差引起大氣運(yùn)動(dòng)形成的。風(fēng)能就是空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能。能夠?qū)⒎Q為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。由在風(fēng)力富足的場地安裝多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，經(jīng)電力輸送設(shè)備將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)的電力送進(jìn)電網(wǎng)的工廠稱為風(fēng)力發(fā)電場。圍繞風(fēng)力發(fā)電廠的電力生產(chǎn)、輸送我國風(fēng)電建設(shè)始于20世紀(jì)80年代中期。經(jīng)過了近20年的發(fā)展，到2005年底，全國共建設(shè)了40多個(gè)風(fēng)電場，并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量為105萬KW,年發(fā)電量約21億KW/h。此外，我國還約有20萬臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)(總?cè)萘考s為3.5萬KW,用于邊遠(yuǎn)地區(qū)居民用電。我國風(fēng)電設(shè)備制造技術(shù)和水平也有了很大的進(jìn)步，己經(jīng)基本掌握了單機(jī)容量1000KW以下大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的制造能力。經(jīng)過多年的努力，己掌握了一定的風(fēng)電場運(yùn)行管理的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，并造就了一批風(fēng)電設(shè)計(jì)、施上的技術(shù)人員，為風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)和利用奠定了良好的基礎(chǔ)。與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國的風(fēng)電建設(shè)雖然起步較早，但總體發(fā)展速度較慢，總體規(guī)模在亞洲也落后于印度和日本，距離大規(guī)模的開發(fā)利用仍有一定的差距。首先我國缺乏詳實(shí)的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，以現(xiàn)有有限的地面氣象站的資料，無法滿模風(fēng)場建設(shè)的要求。目前風(fēng)力發(fā)電的成本價(jià)和常規(guī)火力發(fā)電相比，仍有很大差距。風(fēng)電的大量風(fēng)電機(jī)組并列運(yùn)行是風(fēng)電場的一個(gè)重要特點(diǎn)。另外，風(fēng)電機(jī)組是高度自動(dòng)化的發(fā)電風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)停機(jī)。風(fēng)電場的隨機(jī)功率注入可能影響電力系統(tǒng)對這些運(yùn)行參數(shù)又有嚴(yán)格的要求。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行控制是風(fēng)電場大規(guī)模發(fā)展4.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)基礎(chǔ)理系統(tǒng)，卻可能具有完全相同的數(shù)學(xué)模型，因此.數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)這些系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的共同特性。這樣只要我們深入研究一種數(shù)學(xué)模型.也就了解了具有這種數(shù)學(xué)模型的各類系統(tǒng)的特性。由此可見，控制進(jìn)行分折，根據(jù)它們所依據(jù)的物理、化學(xué)及各種科學(xué)規(guī)律，列寫相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程.例如，力學(xué)中的牛頓結(jié)構(gòu)圖(方框圖);頻域中有頻率特性等。本章只研究微分方程以及由此派生出的傳遞函數(shù)和方框圖或簡一、列寫微分方程的一舶方法例1R—L—C電路如圖2.1所示，ur為輸入電壓，uc為輸出電壓，試列出ur和uc之間的微分方程，解設(shè)回路電流為i,根據(jù)基爾霍夫定律?？傻孟ブ虚gC)、用拉氏變換求解微分方程例2.11設(shè)有微分方程y+5y+6y=6初始條件為y(0)=y(0)=2解首先對上述方程兩邊求拉氏變換，得該解由兩部分組成：穩(wěn)態(tài)分量即為終值y()為1,瞬態(tài)分量為(-4e3+5e2t當(dāng)系統(tǒng)的輸入為x(t),輸出y(t).則數(shù)學(xué)模型描述為線性定常微分方程的形式any"(t)+a?-1y"-1(t)+…+b、傳遞函數(shù)(數(shù)學(xué)模型的最主要形式)入的拉氏變換之比，即為傳遞函數(shù)，用符號G(S)描述。傳遞函數(shù)是由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)、參數(shù)確定的，c、頻率特性設(shè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(S)的自變量S=jw。得GGjw),稱GG@)為系統(tǒng)的頻率特性。頻率域內(nèi)研究如液壓系統(tǒng)的電磁閥,幅頻響應(yīng)特性曲線如圖00可求得傳遞函數(shù)996.2/[s^2+44.04s+962](1)自控系統(tǒng)傳遞函數(shù)出給定信號及干擾信號單獨(dú)作用下的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。當(dāng)兩者同時(shí)作用時(shí)，可對于圖1.6所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)。等于前向令N(s)=o,則圖1.6可以簡化為圖1.7,由圖直接求取給定信號作用r的閉環(huán)傳遞函數(shù)，即輸出信號C(s)與給定信號R(s)之間的傳遞函數(shù)。在給定信號r(t)單獨(dú)作用下，系統(tǒng)的輸出信號c(t)[此1(2)干擾作用下的傳遞函數(shù)令R(S)=0,則圖1.6可以改畫為因1.8,由圖直接求取干擾信號作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)，即輸出信號C(s)與干擾信號N(S)之間的傳遞函數(shù)。N(S)在干擾信號n(t)單獨(dú)作用下，系統(tǒng)的輸出信號c(s)(此處記作Cn(s))可以用下式(3)干擾信號作用下的閉環(huán)誤差傳遞函數(shù)為圖1.9*,求得N(S)十Io0??=δTaero-oTtaf,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，代替了整個(gè)的渦流轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。傳動(dòng)裝置對于剛性主動(dòng)軸及增速齒輪的傳動(dòng)系統(tǒng)，所有柔性均集中在次傳動(dòng)軸上。以ξ代表增速齒輪箱次傳動(dòng)Tha=K?(q?-q??)+C?(4?-4??)發(fā)電機(jī)模型變槳距模型控制系統(tǒng)建模3.2控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與典型輸入信號在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)時(shí).我們惑興趣的是在某種典型輸入信號的作用下，輸出量(被控量)變化的全1.穩(wěn)定性來的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的：反之，如果系統(tǒng)的輸出響應(yīng)逐漸增大趨于無窮.或出現(xiàn)發(fā)散振蕩的情況.則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。線性自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參2.快速性3.準(zhǔn)確性穩(wěn)態(tài)誤差越小，說明控制系統(tǒng)的控制精度越高。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)性能好壞的另一項(xiàng)重要指標(biāo)，準(zhǔn)的要求是相互制約的。例如.提高系統(tǒng)的快速性，往往會(huì)誘發(fā)系統(tǒng)強(qiáng)烈的振蕩；若改善平穩(wěn)性，控制過程又可能延緩，甚至?xí)绊懛€(wěn)態(tài)精度。分析與解決這些矛盾，也是控制理論研究在工程實(shí)踐中，作用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的信號是多種多樣的，既躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、拋物線函數(shù)、脈沖函數(shù)、正弦函數(shù)，此外還有階躍函數(shù)圖形如1.2所示他的表達(dá)式為幅值為1的階躍函數(shù)，稱為單位階躍函數(shù)。它的表達(dá)式為階躍函數(shù)的圖形如圖2.1所示，它的表達(dá)式為式(1.2)常記為1(t),幅值為A的階躍函數(shù)可表示為f(t)=A.1(t)在任意時(shí)刻可表示為可表示為f(t-to)=A.1(t-to)。b)斜波函數(shù)斜坡函數(shù)的圖形如圖2.2所示、它的表達(dá)式為而它的導(dǎo)數(shù)就是階躍函數(shù)。當(dāng)A=1時(shí).稱為單位斜坡函數(shù)。圖2.2斜坡函數(shù)c.拋物線函數(shù)拋物線函數(shù)的圖形如圖2.3所示，它的表達(dá)式為,而它對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)就是斜坡函數(shù)。當(dāng)A=1/2時(shí)，稱為單位加速度函數(shù)。圖2.2拋物線函數(shù)td.脈沖函數(shù)脈沖函數(shù)的圖形如圖1.12所示，它的表達(dá)式為當(dāng)A=1時(shí)，計(jì)為δε見圖2.4a);若令ε—o,則稱為單位脈沖函數(shù)δ(5),見圖2.4b)。且式δ(t)表明，理想單位脈沖函數(shù)是一個(gè)寬度為零、幅值為無度通常用其面積表示，強(qiáng)度為A的脈沖函數(shù)可表示為f(t)=A·8(t)。在時(shí)刻to出現(xiàn)的單位脈沖函數(shù)可脈沖函數(shù)之和.這樣，通過研究系統(tǒng)在脈沖函數(shù)作用下的響應(yīng)特性，便可了解系統(tǒng)在任意形式函數(shù)作用式中：A為振幅@=2π為角頻率φ為初始相角。正弦函數(shù)是控制系統(tǒng)常用的一種典型外作用信號，許多隨動(dòng)系統(tǒng)就是在這種函數(shù)作用下工作3.2.2系統(tǒng)的性能指標(biāo)已知反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成形式的原則性框圖如圖2.5所示，在系統(tǒng)處在動(dòng)態(tài)平衡的前提條件下，要獲控制作用，才能觀測出系統(tǒng)的控制水平。首先，系統(tǒng)必須具備能夠抗拒擾動(dòng)重新回到平衡a.激勵(lì)信號的選擇依據(jù)曲線如圖2.6所示。從系統(tǒng)三項(xiàng)性能指標(biāo)的綜合性考慮，一般情況下，響應(yīng)曲線為衰減振蕩過程的形式ComnComnPIDClosing-pitohCom22圖2.6a為采用系統(tǒng)階躍干擾輸入時(shí)，常規(guī)PID1%控制器的控制輸出結(jié)果(2)超調(diào)量σ%=(Cmax—1)X100%:在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，測量值超過給定位的最大幅e.衡量系統(tǒng)測量值抗拒干擾信號能力的技術(shù)指標(biāo)(3)系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)方向記下4:1的比例帶o,并在記錄曲線上求得4:1衰減時(shí)的調(diào)節(jié)周期Tp,然后計(jì)算o,T?,Ta各值臨界(2)經(jīng)驗(yàn)法(3)參數(shù)自整定(4)用實(shí)測法估計(jì)系統(tǒng)滯后時(shí)間這一段計(jì)時(shí)時(shí)間稱為滯后時(shí)間，通常用符號T表示。這是一個(gè)開環(huán)辨識滯后時(shí)間的運(yùn)動(dòng)，即存在死區(qū)。死區(qū)特性表現(xiàn)為靜態(tài)特性，滯后時(shí)間T則表現(xiàn)響應(yīng)的時(shí)間6不等于滯后時(shí)間t。滯后時(shí)間T等于不響應(yīng)時(shí)間s減去死區(qū)對應(yīng)的時(shí)間t。滯后時(shí)間辨識的一個(gè)困難問題是被控象經(jīng)常承受隨機(jī)性的擾動(dòng)，其輸出信號本身就處于變動(dòng)的狀的測試方法，能夠比較準(zhǔn)確地獲得滯后時(shí)間。是由對象與自動(dòng)化裝置方面組成，因此必須了解對象的特性和自動(dòng)化裝置第5章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)溫度等)(1).運(yùn)行狀態(tài)(2).暫停狀態(tài)(3).停機(jī)狀態(tài)(4).緊急停機(jī)狀態(tài)→液壓系統(tǒng)保持工作壓力→緊急電路(安全鏈)開啟■緊急電路(安全鏈)關(guān)閉在頂部機(jī)艙有兩種啟動(dòng)方式，即手動(dòng)啟動(dòng)和電動(dòng)啟動(dòng)功能。頂部機(jī)艙啟動(dòng)具有最高優(yōu)先權(quán)。在進(jìn)行機(jī)艙頂部起動(dòng)時(shí)，應(yīng)屏蔽面板啟動(dòng)和遠(yuǎn)程啟動(dòng)功能。面板啟動(dòng)與頂部機(jī)艙啟動(dòng)方式相同，也包括手動(dòng)啟動(dòng)、電動(dòng)啟動(dòng)兩種方式。這兩種啟動(dòng)方式與頂部機(jī)艙的啟動(dòng)方式執(zhí)行的功能及動(dòng)作過程相同，但當(dāng)頂部機(jī)艙的維護(hù)按鈕處在維護(hù)位置狀態(tài)，則不能響應(yīng)該啟動(dòng)命令。N90度側(cè)風(fēng)?NNY當(dāng)偏航系統(tǒng)收到中心控制器發(fā)出的需要自動(dòng)偏航的信號后，連續(xù)3min時(shí)間內(nèi)檢測風(fēng)向情況，若風(fēng)向確定同時(shí)機(jī)艙不處于對風(fēng)位置，松開偏航剎車，啟動(dòng)偏航電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，開始偏航對風(fēng)程序，同時(shí)偏航計(jì)時(shí)器開始工作，根據(jù)機(jī)艙所要偏轉(zhuǎn)的角度，使葉輪法線方向與風(fēng)向基本一致。護(hù)極限3~4圈時(shí)，偏航控制器請求中心控制器正常停機(jī)，此時(shí)中心控制器●90°側(cè)風(fēng)功能描述第6章風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)電狀態(tài)節(jié)距角0°停止?fàn)顟B(tài)節(jié)距角90°圖9-4:變距調(diào)節(jié)示意圖的節(jié)距角隨速達(dá)到額定實(shí)際上已轉(zhuǎn)葉尖速比得定功率輸出最佳葉尖速數(shù)，如圖9-5所示。圖9-5:風(fēng)力機(jī)性能曲線0圖9-6:風(fēng)能利用系數(shù)曲線到最大化能量捕獲效率的目的。風(fēng)速(m/s)FD62-1000風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行曲線6.4恒速變距機(jī)組閉環(huán)控制技術(shù)感應(yīng)發(fā)電機(jī)直接與電網(wǎng)連接，以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，葉片采用變距方法，在額定風(fēng)速之上，降低氣動(dòng)控制目標(biāo)為動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)葉片槳距角，最小化功率偏差?？刂苹芈啡鐖D9-11所示，控制器常用的算法為PI或PID算法?？刂破骺刂破髯兙鄨?zhí)行機(jī)構(gòu)功率傳感器變距風(fēng)機(jī)風(fēng)圖9-11:恒速變距機(jī)組閉環(huán)控制回路6.5變速變距機(jī)組控制技術(shù)6.5.1變速變距控制策略變速機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是額定風(fēng)速下，可以調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到優(yōu)化葉尖速比，使風(fēng)能捕獲效率Cp最大，氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與風(fēng)速U、葉尖速比入和葉輪轉(zhuǎn)速Ω的關(guān)系如下：系數(shù)，即葉輪的風(fēng)能利用系數(shù)。風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速、葉尖速比之間的關(guān)系：U=OR/λ,可得：Q,氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平衡方程為：6.5.2轉(zhuǎn)矩控制和變距控制之間的轉(zhuǎn)換變速機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩之上時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不會(huì)再增加，風(fēng)機(jī)將開始加速，變距控制就用來調(diào)節(jié)葉變速變距機(jī)組的控制中，額定轉(zhuǎn)速之下，主要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)、葉輪轉(zhuǎn)速，保持最佳一個(gè)轉(zhuǎn)速固定轉(zhuǎn)矩上升區(qū)，如圖9-12中的CD線段；額定轉(zhuǎn)速之上，采用變距控制限制功率輸出，維制器的啟動(dòng)點(diǎn)略高一些，如圖9-12中的E點(diǎn)，如果設(shè)置在D點(diǎn)，會(huì)引起額定轉(zhuǎn)速之上機(jī)組功率輸出下降，速度迅速下降到D以下，就會(huì)出現(xiàn)變距控制器和轉(zhuǎn)矩控制器瞬時(shí)重疊控制區(qū)。于-x,作用阻尼會(huì)明顯增加，測量加速度比測量速度容易實(shí)現(xiàn)，塔架加速度積分可得到x,根據(jù)變距有時(shí)在反饋回路加上帶拒