风力发电原理控制课件.ppt

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1、风力发电机组检测与控制 华 北 电 力 大 学 控 制 科 学 与 工 程 学 院吕 跃 刚 第 一 章 绪 论轮 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 控 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 发 电 机 组 结 构 图 一、机组的总体结构第 一 章 绪 论 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 桨 ： 1.5-2.5叶 尖 扰 流 器

2、起 脱 网 停 机 气 动 刹 车 ， 一 般 采 用 双 速 发 电 机 来 提 高 效 率 。变 桨 ： 随 风 速 改 变 攻 角 ， 超 过 额 定 风 速 保 持 额 定 功 率 。设 计 风 轮 转 速 ： 20-30r/min， 通 过 增 速 器 与 发 电 机 匹 配 。采 用 晶 闸 管 软 切 入 并 网 ， 并 网 容 易 ， 扰 动 小 。含 微 处 理 器 的 控 制 系 统 。 第 一 章 绪 论二、风力发电机组的主要类型与控制要求定 桨 距 失 速 型 机 组监 控 系 统 任 务 ： 控 制 风 力 发 电 机 并 网 与 脱 网 ； 自 动 相 位 补 偿

3、； 监 视 机 组 的 运行 状 态 、 电 网 状 况 与 气 象 情 况 ； 异 常 工 况 保 护 停 机 ； 产 生 并 记 录 风 速 、 功 率 、发 电 量 等 机 组 运 行 数 据 。全 桨 叶 变 距 型 机 组监 控 系 统 任 务 ： 控 制 风 力 发 电 机 并 网 与 脱 网 ； 优 化 功 率 曲 线 ； 监 视 机 组 的 运行 状 态 、 电 网 状 况 与 气 象 情 况 ； 异 常 工 况 保 护 停 机 ； 产 生 并 记 录 风 速 、 功 率 、发 电 量 等 机 组 运 行 数 据 。 基 于 变 速 恒 频 技 术 的 变 速 型 机 组监 控

4、 系 统 任 务 除 去 上 述 功 能 外 主 要 包 括 ：基 于 微 处 理 器 及 先 进 IGBT电 力 电 子 技 术 的 发 电 机 转 子 变 频 励 磁 ； 脉 宽 调 制 技术 产 生 正 弦 电 压 控 制 发 电 机 输 出 电 压 与 频 率 质 量 ； 低 于 额 定 风 速 的 最 大 风 能（ 功 率 ） 控 制 与 高 于 额 定 风 速 的 恒 定 额 定 功 率 控 制 。 第 一 章 绪 论三、风力发电机组的控制技术定 桨 距 失 速 型 机 组解 决 了 风 力 发 电 机 组 的 并 网 问 题 和 运 行 安 全 性 与 可 靠 性 问 题 ， 采

5、 用 了 软 并 网技 术 、 空 气 动 力 刹 车 技 术 、 偏 航 与 自 动 解 缆 技 术 。固 定 的 节 距 角 及 电 网 频 率 决 定 的 转 速 ， 简 化 了 控 制 与 伺 服 驱 动 系 统。全 桨 叶 变 距 型 机 组启 动 时 可 进 行 转 速 控 制 ， 并 网 后 可 进 行 功 率 控 制 。电 液 伺 服 机 构 与 闭 环 变 距 控 制 提 高 了 机 组 效 率 。基 于 变 速 恒 频 技 术 的 变 速 型 机 组 采 用 变 速 风 力 发 电 机 。根 据 风 速 信 号 控 制 ， 低 于 额 定 风 速 跟 踪 最 佳 功 率 曲

6、 线 ， 高 于 额 定 风 速 柔 性 保证 额 定 功 率 输 出 。 改 善 了 高 次 谐 波 对 电 网 影 响 ， 提 高 了 功 率 因 数 ， 高 效 高 质地 向 电 网 供 电 。习 题 ： 各 不 同 类 型 机 组 的 控 制 技 术 有 何 功 能 特 点 。 第 一 章 绪 论 图 中 看 出 ， 系 统 的 特 性 除 了 与 机 组 特 性 有 关 外 ， 还 受 控 制 器 影 响 。 运 行 中 控 制 器 可 改 变 功 率 输 出 ， 风 能 看 成 是 扰 动 。四、风力发电机组的控制特性风 轮动 态 特 性 传 动 链动 态 特 性 发 电 机动 态

7、 特 性风 能 风 轮 转 矩 转 速 发 电 机 转 矩 转 速 电 功 率功 率变 送 器伺 服执 行 器 控 制 器 功 率 信 号变 距 指 令变 距 位 置 第 一 章 绪 论五、风力发电机组的控制系统结构用 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 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

8、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 绕习 题 ： 通 过 对 控 制 系 统 结 构 的 了 解 ， 回 答 控 制 系 统 主 要 包 括 那 些 功 能 ？ 第 二 章 风 力 机 控 制气 流 动 能 为 m 空 气 质 量 ， v 气 流 速 度密 度 为 的 气 流 过 面 积 S 的 气 体 体 积 为 V， M= V= Sv则 单 位 时 间 内 气 流 所 具 有 的 动 能 为理 想 风 轮 与 贝 兹 （ Betz） 理 论 ：

9、前 后 空 气 体 积 相 等 ： S1v1=Sv=S2v2根 据 牛 顿 第 二 定 律 ， 单 位 时 间 内 风 轮 上 的 受 力 F= mv1-mv2= Sv(v1-v2) 风 轮 吸 收 的 功 率 P=Fv= Sv2 (v1-v2)风 轮 吸 收 的 功 率 又 等 于 风 轮 前 后 动 能 （ 单 位 时 间 ） 的 变 化 ：令 两 式 相 等 ， 得 经 过 风 轮 风 速 变 化 产 生 的 功 率 为其 最 大 功 率 可 令 得 ， 代 入 后 得 到 的 最 大 理 想 功 率 为与 气 流 扫 掠 面 积 风 的 能 量 相 比 ， 可 得 风 力 机 的 理

10、论 最 大 效 率 ：一、1、风力机能量转换过程221 mvE 321 SvE Sv1 Sv Sv2)(21 2221 vvSvE 2 21 vvv )(41 212221 vvvvSP 02 dvdP 12 31vv 31max 278 SvP 593.02716maxmax EP 1、 风 能 利 用 系 数 ：风 力 机 的 实 际 功 率其 中 CP为 风 能 利 用 系 数 ， 它 小 于 0.5932、 叶 尖 速 比为 了 表 示 风 轮 在 不 同 风 速 中 的 状 态 ， 用 叶 片 圆 周 速 度 与 风 速 比 来 衡 量 ， 称 叶 尖 速 比PS SCvP 3121

11、 一、2、风力机的主要特性系数PCvRn 2 第 二 章 风 力 机 控 制0.200.10.30.40.5 13 102 415 6 8切 出 风 速 12 14 16 18 切 入 风 速额 定 风 速26109875431 恒 定 功 率Cp 1、 桨 叶 的 翼 型 l二、1、桨叶的几何参数与空气动力特性 0i 功 角升 力 角 零 升 力 角风 向 弦 长v iv A B 攻 角 ： 来 流 方 向 与 弦 线 的 夹 角零 升 力 角 ： 弦 线 与 零 升 力 线 夹 角升 力 角 ： 来 流 方 向 与 零 升 力 线 夹 角2、 桨 叶 上 的 气 动 力 221 SvCF

12、r 总 的 气 动 力 ， S 桨 叶 面 积 ， Cr 总 气 动 系 数C压 力 中 心 221 SvCF ll 221 SvCF dd 升 力 ， 与 气 流 方 向 垂 直 ， Cl 升 力 系 数阻 力 ， 与 气 流 方 向 平 行 ， Cd 阻 力 系 数Cd、 Cl 是 由 设 计 的 叶 片 决 定 的 固 有 参 数 ， 也 是 气 动 力 计 算 的 原 始 依 据 。 第 二 章 风 力 机 控 制 ilCdC二、2、升力和阻力的变化曲线-30o -20o -10o 0o 10o 20o 30o 40o0.80.60.40.2 Mi-0.2minlC 升 力 系 数 与

13、 阻 力 系 数 是 随 攻 角 变 化 的升 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 度 后 升 力开 始 下 降 ； 阻 力 系 数 开 始 上 升 。 出 现 最 大升 力 的 点 叫 失 速 点 。截 面 形 状 （ 翼 型 弯 度 、 翼 型 厚 度 、 前 缘 位置 ） 、 表 面 粗 糙 度 等 都 会 影 响 升 力 系 数 与阻 力 系 数 。对 有 限 长 桨 叶 ， 叶 片 两 端 会 产 生 涡 流 ， 造成 阻 力 增 加 ，第 二 章 风 力 机 控 制 i 三、旋转桨叶的气动力（叶素

14、分析）风 向v- uw 运 动 旋 转 方 向 安 装 角 （ 桨 距 角 、 节 距 角 ） ：回 转 平 面 与 桨 叶 截 面 弦 长 的 夹 角I 倾 斜 角 RnRu 2相 对速 度 dF气 流 W产 生 的 气 动 力dL气 流 升 力dD气 流 阻 力dSwCdL l 221 dSwCdD d 221 I轴 向 推 力 dFa=dLcosI+dDsinII旋 转 力 矩 dT=r(dLsinI-dDcosI)驱 动 功 率 dPw= dT 风 输 入 的 总 气 动 功 率 P=v Fa旋 转 轴 得 到 的 功 率 Pu=T风 轮 效 率 =Pu/P 第 二 章 风 力 机 控

15、 制 第 二 章 风 力 机 控 制五、涡流理论（叶片数的影响及实际风力机Cp曲线）有 限 叶 片 数 由 于 较 大 的 涡 流 影 响 将 造 成 一 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 ： pC Betz极 限 理 想 的 Cp曲 线 实 际 的 Cp曲 线失 速 损 失 型 阻 损 失0 第 三 章 定 桨 距 风 力 发 电 机 组一、定桨距风力发电机组的特点1、 风 轮 结 构主 要 特 点 ： 桨 叶 与 轮 毂 的 连 接 是 固 定 的 ， 桨 叶 的 迎 风 角 度 不 随 风 速 变 化 而

16、 变 化 。需 解 决 的 问 题 ： 高 于 额 定 风 速 时 桨 叶 需 自 动 将 功 率 限 制 在 额 定 功 率 附 近 （ 失 速 特 性 ） 。 脱 网 （ 突 甩 负 荷 ） 时 桨 叶 自 身 具 备 制 动 能 力 。 添 加 了 叶 尖 扰 流 器 ， 降 低 机 械 刹 车 结 构 强 度 ，2、 桨 叶 的 失 速 调 节 原 理因 桨 叶 的 安 装 角 不 变 ， 风 速 增 加 升 力 增 加 升 力 变 缓 升 力 下 降 阻 力 增 加 叶 片 失 速叶 片 攻 角 由 根 部 向 叶 尖 逐 渐 增 加 ， 根 部 先 进 入 失 速 ， 随 风 速

17、增 大 逐 渐 向 叶 尖 扩 展 。 失 速 部 分功 率 减 少 ， 未 失 速 部 分 功 率 仍 在 增 加 ， 使 功 率 保 持 在 额 定 功 率 附 近 。3、 叶 尖 扰 流 器叶 尖 部 分 可 旋 转 的 空 气 阻 尼 板 ， 正 常 运 行 时 ， 在 液 压 控 制 下 与 叶 片 成 为 整 体 ， 风 力 机 脱 网 时 液 压 控 制 指 令 将 扰 流 器 释 放 并 旋 转 80o90o， 产 生 阻 力 停 机 ， 即 产 生 空 气 动 力 刹 车 。空 气 动 力 刹 车 是 按 失 效 思 想 设 计 ， 即 起 到 液 压 系 统 故 障 时 的

18、 机 组 停 机 保 护 。4、 双 速 发 电 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 三 章 定 桨 距 风 力 发 电 机 组一、定桨距风力发电机组的特点5、 功 率 输 出功 率 的 输 出 主 要 决 定 于 风 速 ， 叶 片 的 失 速 特 性 功 率 曲 线 是 在 标 准 空 气 密 度 =1.225kg/m3测 出 的 ，一 般 温 度 变 化 10oC， 空 气 密 度 变 化 4%。 因 此 气 温 升 高 ， 密 度 下 降 ， 输 出 功 率 减 少 。750kW

19、机 组 可 能 会 出 现 3050kW的 偏 差 ，6、 节 距 角 与 额 定 转 速 的 设 定 对 功 率 输 出 的 影 响由 于 机 组 的 桨 叶 节 距 角 和 转 速 都 是 固 定 不 变 的 ， 使 机 组 功 率 曲 线 上 只 有 一 点 有 最 大 功 率 系 数 。额 定 转 速 低 的 机 组 ， 低 风 速 下 有 较 高 的 功 率 系 数 ； 额 定 转 速 高 的 机 组 ， 高 风 速 下 有 较 高 的 功 率系 数 。 即 为 双 速 电 机 依 据 。设 计 的 最 大 功 率 系 数 并 不 出 现 在 额 定 功 率 上 ， 因 风 力 发

20、电 机 并 不 经 常 工 作 在 额 定 风 速 点 。 定 桨距 风 力 发 电 机 应 尽 量 提 高 低 风 速 的 功 率 系 数 和 考 虑 高 风 速 的 失 速 性 能 。 0 2 4 6 8 10 12 14 16 181000800600400200 0.10.20.30.40.5功率输出/kW pC风 速 /（ m/s) 功率/kW 第 三 章 定 桨 距 风 力 发 电 机 组二、定桨距风力发电机组的基本运行过程1、 待 机 状 态风 速 v 3m/s但 没 达 到 切 入 转 速 或 机 组 从 小 功 率 切 出 ， 没 有 并 网 的 自 由 转 动 状 态 。控

21、 制 系 统 做 好 切 入 电 网 的 准 备 ；机 械 刹 车 已 松 开 ；叶 尖 阻 尼 板 已 收 回 ；风 轮 处 于 迎 风 状 态 ；液 压 系 统 压 力 保 持 在 设 定 值 ；风 况 、 电 网 和 机 组 的 所 有 状 态 参 数 检 测 正 常 ， 一 旦 风 速 增 大 ， 转 速 升 高 ， 即 可 并 网 。2、 风 力 发 电 机 组 的 自 启 动 及 启 动 条 件机 组 在 自 然 风 作 用 下 升 速 、 并 网 的 过 程 。 需 具 备 的 条 件 为 ：电 网 ： 连 续 10分 钟 没 有 出 现 过 电 压 、 低 电 压 ； 0.1秒

22、 内 电 压 跌 落 小 于 设 定 值 ； 电 网频 率 在 设 定 范 围 内 ； 没 有 出 现 三 相 不 平 衡 等 现 象 。 风 况 ： 连 续 10分 钟 风 速 在 机 组 运 行 范 围 内 （ 3.0m/s25m/s)机 组 ： 发 电 机 温 度 、 增 速 器 油 温 在 设 定 值 范 围 以 内 ； 液 压 系 统 各 部 位 压 力 在 设 定 值以 内 ； 液 压 油 位 和 齿 轮 润 滑 油 位 正 常 ； 制 动 器 摩 擦 片 正 常 ； 扭 缆 开 关 复 位 ； 控 制 系统 DC24V、 AC24V、 DC5V、 DC 15V电 源 正 常 ；

23、非 正 常 停 机 故 障 显 示 均 已 排 除 ； 维 护 开关 在 运 行 位 置 。 第 三 章 定 桨 距 风 力 发 电 机 组二、定桨距风力发电机组的基本运行过程3、 风 轮 对 风偏 航 角 度 通 过 风 向 测 定 仪 测 定 。 10分 钟 调 整 一 次 ， 调 整 中 释 放 偏 航 刹 车 。4、 制 动 解 除 启 动 条 件 满 足 后 ， 控 制 叶 尖 扰 流 器 的 电 磁 阀 打 开 ， 压 力 油 进 入 桨 叶 液 压 缸 ， 扰 流器 被 收 回 与 桨 叶 主 体 合 为 一 体 。 控 制 器 收 到 扰 流 器 回 收 信 号 后 ， 压 力

24、 油 进 入 机 械 盘式 制 动 器 液 压 缸 ， 松 开 盘 式 制 动 器 。5、 风 力 发 电 机 组 的 并 网 当 转 速 接 近 同 步 转 速 时 ， 三 相 主 电 路 上 的 晶 闸 管 被 触 发 开 始 导 通 ， 导 通 角 随 与 同步 转 速 的 接 近 而 增 大 ， 发 电 机 转 速 的 加 速 度 减 少 ； 当 发 电 机 达 到 同 步 转 速 时 晶 闸 管 完 全 导 通 ， 转 速 超 过 同 步 转 速 进 入 发 电 状 态 ； 1秒 后 旁 路 接 触 器 闭 合 ， 电 流 被 旁 路 ，如 一 切 正 常 晶 闸 管 停 止 触 发

25、 。 第 三 章 定 桨 距 风 力 发 电 机 组三、风力发电机组的基本控制要求1、 控 制 系 统 的 基 本 功 能根 据 风 速 信 号 自 动 进 行 启 动 、 并 网 或 从 电 网 切 出 。根 据 风 向 信 号 自 动 对 风 。根 据 功 率 因 数 及 输 出 电 功 率 大 小 自 动 进 行 电 容 切 换 补 偿 。脱 网 时 保 证 机 组 安 全 停 机 。运 行 中 对 电 网 、 风 况 和 机 组 状 态 进 行 监 测 、 分 析 与 记 录 ， 异 常 情 况 判 断 及 处 理 。2、 主 要 监 测 参 数 及 作 用电 力 参 数 ： 电 网

26、三 相 电 压 、 发 电 机 输 出 的 三 相 电 流 、 电 网 频 率 、 发 电 机 功 率 因 数等 。 判 断 并 网 条 件 、 计 算 电 功 率 和 发 电 量 、 无 功 补 偿 、 电 压 和 电 流 故 障 保 护 。 发电 机 功 率 与 风 速 有 着 固 定 的 函 数 关 系 ， 两 者 不 符 可 作 为 机 组 故 障 判 断 的 依 据 。风 力 参 数 ： 风 速 ； 每 秒 采 集 一 次 ， 10分 钟 计 算 一 次 平 均 值 。 v 3m/s时 发 电 机 ， v 25m/s停 机 。 风 向 ； 测 量 风 向 与 机 舱 中 心 线 的

27、偏 差 ， 一 般 采 用 两 个 风 向 标 进 行 补 偿 。 控 制 偏 航 系 统 工 作 ， 风 速 低 于 3m/s偏 航 系 统 不 会 工 作 。机 组 参 数 ： 转 速 ； 机 组 有 发 电 机 转 速 和 风 轮 转 速 两 个 测 点 。 控 制 发 电 机 并 网 和 脱网 、 超 速 保 护 。 温 度 ； 增 速 器 油 温 、 高 速 轴 承 温 度 、 发 电 机 温 度 、 前 后 主 轴 承 温度 、 晶 闸 管 温 度 、 环 境 温 度 。 振 动 ； 机 舱 振 动 探 测 。 电 缆 扭 转 ； 安 装 有 从 初 始 位置 开 始 的 齿 轮

28、记 数 传 感 器 ， 用 于 停 机 解 缆 操 作 。 位 置 行 程 开 关 停 机 保 护 。 刹 车 盘磨 损 ； 油 位 ； 润 滑 油 和 液 压 系 统 油 位 。 第 三 章 定 桨 距 风 力 发 电 机 组三、风力发电机组的基本控制要求各 种 反 馈 信 号 的 检 测 ： 控 制 器 在 发 出 指 令 后 的 设 定 时 间 内 应 收 到 的 反 馈 信 号 包 括 回收 叶 尖 扰 流 器 、 松 开 机 械 刹 车 、 松 开 偏 航 制 动 器 、 发 电 机 脱 网 转 速 降 落 。 否 则 故 障停 机 。增 速 器 油 温 的 控 制 ： 增 速 器

29、箱 内 由 PT100热 电 阻 温 度 传 感 器 测 温 ； 加 热 器 保 证 润 滑油 温 不 低 于 10oC； 润 滑 油 泵 始 终 对 齿 轮 和 轴 承 强 制 喷 射 润 滑 ； 油 温 高 于 60oC时 冷 却系 统 启 动 ， 低 于 45oC时 停 止 冷 却 。发 电 机 温 升 控 制 ： 通 过 冷 却 系 统 控 制 发 电 机 温 度 ， 如 温 度 控 制 在 130140 oC， 到150155oC停 机 。功 率 过 高 或 过 低 的 处 理 ： 风 速 较 低 时 发 电 机 如 持 续 出 现 逆 功 率 （ 一 般 3060 s） ，退 出

30、电 网 ， 进 入 待 机 状 态 。 功 率 过 高 ， 可 能 为 电 网 频 率 波 动 （ 瞬 间 下 降 ） ， 机 械 惯量 不 能 使 转 速 迅 速 下 降 ， 转 差 过 大 造 成 。 也 可 能 是 气 候 变 化 ， 空 气 密 度 增 加 造 成 。当 持 续 10min大 于 额 定 功 率 15%或 2s大 于 50%应 停 机 。风 力 发 电 机 组 退 出 电 网 ： 风 速 过 大 会 使 叶 片 严 重 失 速 造 成 过 早 损 坏 。 风 速 高 于 25 m/s持 续 10min或 高 于 33m/s持 续 2s正 常 停 机 ， 风 速 高 于

31、50m/s持 续 1s安 全 停 机 ， 侧风 90oC。 第 三 章 定 桨 距 风 力 发 电 机 组三、风力发电机组的基本控制要求3、 风 力 发 电 机 组 的 基 本 控 制 策 略风 力 发 电 机 组 的 工 作 状 态 ：运 行 状 态 暂 停 状 态 停 机 状 态 紧 急 停 机 状 态机 械 刹 车 松 开 机 械 刹 车 松 开 机 械 刹 车 松 开 机 械 刹 车 与 气 动 刹 车同 时 动 作机 组 并 网 发 电 风 力 发 电 机 组 空 转 计 算 机 处 于 监 测 状 态 ，输 出 信 号 被 旁 路 机 组 自 动 调 向 机 组 调 向 保 持 工

32、 作 状 态 调 向 系 统 停 止 工 作液 压 系 统 保 持 工 作 压 力 液 压 系 统 保 持 工 作 压 力 液 压 系 统 保 持 工 作 压 力叶 尖 阻 尼 板 回 收 （ 或 变桨 处 于 最 佳 角 度 ） 叶 尖 阻 尼 板 回 收 （ 或 变节 距 角 在 90o） 叶 尖 阻 尼 板 弹 出 （ 或 变距 系 统 失 去 压 力 ） 第 三 章 定 桨 距 风 力 发 电 机 组四、定桨距风力发电机组的制动与保护系统1、 定 桨 距 风 力 发 电 机 组 的 制 动 系 统叶 尖 气 动 刹 车 ： 液 压 系 统 提 供 的 压 力 由 经 旋 转 接 头 进

33、 入 桨 叶 根 部 的 压 力 缸 ， 压 缩扰 流 器 机 构 中 的 弹 簧 ， 使 叶 尖 扰 流 器 与 桨 叶 主 体 平 滑 连 为 一 体 。 当 风 力 机 停 机 时 ，液 压 系 统 释 放 压 力 油 ， 叶 尖 扰 流 器 在 离 心 力 作 用 下 ， 按 设 计 轨 迹 转 过 90o。机 械 盘 式 刹 车 ： 作 为 辅 助 刹 车 装 置 被 安 装 在 高 速 轴 上 ， 液 压 驱 动 。 因 风 力 机 转 矩很 大 ， 作 为 主 刹 车 将 会 使 刹 车 盘 直 径 很 大 ， 改 变 了 机 组 结 构 。 大 型 风 机 一 般 有 两部 机

34、 械 刹 车 。制 动 系 统 按 失 效 保 护 原 则 设 计 ， 一 旦 失 电 或 液 压 系 统 失 效 即 处 于 制 动 状 态 。正 常 停 机 制 动 过 程 ： 电 磁 阀 失 电 释 放 叶 尖 扰 流 器 、 发 电 机 降 至 同 步 转 速 时 主 接 触器 动 作 与 电 网 解 列 、 转 速 低 于 设 定 值 时 第 一 部 刹 车 投 入 、 如 转 速 继 续 上 升 第 二 部刹 车 立 即 投 入 、 停 机 后 叶 尖 扰 流 器 收 回 。 安 全 停 机 制 动 过 程 ： 叶 尖 扰 流 器 释 放 同 时 投 入 第 一 部 刹 车 、 发

35、 电 机 降 至 同 步 转 速时 主 接 触 器 跳 闸 同 时 第 二 部 刹 车 立 即 投 入 、 叶 尖 扰 流 器 不 收 回 。紧 急 停 机 制 动 过 程 ： 所 有 继 电 器 断 电 、 接 触 器 失 电 ； 叶 尖 扰 流 器 和 两 部 机 械 刹 车同 时 起 作 用 ； 发 电 机 同 时 与 电 网 解 列 。 第 三 章 定 桨 距 风 力 发 电 机 组四、定桨距风力发电机组的制动与保护系统2、 超 速 保 护发 电 机 或 风 轮 转 速 超 过 额 定 转 速 110%时 ， 控 制 器 发 出 正 常 停 机 指 令 。叶 尖 扰 流 器 制 动 液

36、 压 系 统 设 有 独 立 超 速 保 护 装 置 ， 风 轮 超 速 时 ， 液 压 缸 压 力 迅 速 上升 ， 受 压 力 控 制 的 “ 突 开 阀 ” 打 开 ， 压 力 油 被 泄 掉 ， 叶 尖 扰 流 器 迅 速 打 开 ， 使 得 在控 制 系 统 失 效 时 停 机 。3、 电 网 失 电 保 护电 网 一 旦 失 电 ， 控 制 叶 尖 扰 流 器 和 机 械 刹 车 的 电 磁 阀 立 即 打 开 ， 实 现 失 压 制 动 紧 急停 机 。 电 网 原 因 引 起 的 停 机 ， 控 制 系 统 在 电 网 恢 复 后 10分 钟 自 动 恢 复 运 行 。4、 电

37、 气 保 护过 电 压 保 护 ： 控 制 器 对 通 过 电 缆 进 入 控 制 柜 的 冲 击 电 压 具 有 自 我 保 护 能 力感 应 瞬 态 保 护 ： 晶 闸 管 、 计 算 机 的 过 电 压 屏 蔽 ， 传 感 器 、 通 信 电 缆 的 隔 离 。雷 击 保 护 ： 提 供 便 捷 的 接 地 通 道 释 放 雷 电 。 5、 紧 急 安 全 链是 计 算 机 系 统 的 最 后 一 级 保 护 措 施 ， 原 理 是 将 对 风 力 发 电 机 组 造 成 致 命 伤 害 的 故 障节 点 串 联 在 停 机 回 路 中 ， 任 何 一 个 故 障 都 可 紧 急 停 机

38、 。如 ： 紧 急 停 机 按 钮 、 控 制 器 看 们 狗 、 叶 尖 扰 流 器 液 压 继 电 器 、 扭 揽 传 感 器 、 振 动 传感 器 、 控 制 器 DC24V电 源 失 电 。 紧 急 停 机 后 安 全 链 只 能 手 动 复 位 第 四 章 变 桨 距 风 力 发 电 机 组 控 制一、概述 高 于 额 定 风 速 改 变 攻 角 保 持 功 率 恒 定 ； 启 动 时 控 制 驱 动 转 矩 控 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 节 配 合 ） 。2、 比 定 桨 距

39、 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 控 制 使 额 定 功 率 不 受 海 拔 、 湿 度 、 温 度 等 空 气 密 度 变 化 影 响4、 启 动 时 控 制 气 动 转 矩 易 于 并 网 ； 停 机 气 动 转 矩 回 零 避 免 突 甩 负 荷 。运 行 状 态 ：启 动 状 态 转 速 反 馈 控 制 ， 速 度 给 定 加 升 速 率 限 制 有 利 于 并 网 。欠 功 率 状 态 不 控 制 （ 变 速 机 组 可 通 过 追 求 最 佳 叶 尖 速 比 提 高 风

40、机 效 率 ） 。额 定 功 率 状 态 功 率 控 制 ， 为 了 解 决 变 桨 对 风 速 响 应 慢 问 题 ， 可 通 过 调 节 电 机 转差 率 调 速 ， 用 风 轮 蓄 能 特 性 吸 收 风 波 动 造 成 的 功 率 波 动 ， 维 持 功 率 恒 定 。 转 速控 制 器功 率控 制 器 变 桨执 行 器 变 距机 构 风 轮系 统 发 电 机传 动系 统转 速桨 距 角发 电 功 率 风 速转 速 给 定功 率 给 定 第 四 章 变 桨 距 风 力 发 电 机 组 控 制二、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

41、角 位 置 跟 随 变 桨 指 令 变 化 。b、 校 正 环 节 是 一 个 非 线 性 控 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

42、变 桨 距 风 力 发 电 机 组 控 制三、变桨距控制（并网前）1、 并 网 前 的 速 度 控 制速 度 控 制 器 控 制 从 启 动 到 并 网 的 转 速 控 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 使 增 益 随 节 距 角 增 加 而 减 小 ， 补 偿 转 矩 变 化 。 转 速控 制 器 变 桨执 行 器 变 距机 构 风 轮系 统 发 电 机传 动系 统桨 距 角 风 速转 速

43、 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 变 桨 距 风 力 发 电 机 组 控 制三、变桨距控制（并网后）b、 功 率 控 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 控 制 器 输 出 饱 和 ， 攻 角 最 大 ； 高 于 额 定 风 速 后 进 入 恒 功 率 控 制 ； 引 入 风 速 前 馈 通 道 ， 超 过额 定 风 速 后 ， 当 风 速 变 化 时 起 到 快 速 补 偿 作

44、用 。c、 功 率 控 制 器 B低 于 额 定 风 速 调 节 转 差 率 “ 实 现 ” 最 佳 叶 尖 速 比 调 节 ， 即 风 速 增 加转 差 率 增 大 ； 高 于 额 定 风 速 时 配 合 功 率 控 制 器 A维 持 功 率 恒 定 。 原 理 是 风 速 出 现 波 动时 ， 由 于 变 桨 调 节 的 滞 后 使 驱 动 功 率 发 生 波 动 ， 调 节 转 差 率 （ 转 子 电 流 ） 使 机 组 转速 变 化 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 率控 制 器 A 功 率控

45、 制 器 B变 桨执 行 器 变 距机 构 风 轮系 统 发 电 机传 动系 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 电 流执 行 器SP 风 速 信 号滤 波 器+ -+ - + - +- 第 四 章 变 桨 距 风 力 发 电 机 组 控 制四、发电功率控制1、 发 电 机 功 率 参 考 曲 线 功 率 给 定 曲 线 在 点 划 线 限 制 的 范 围 内 变 化 ，发 电 机 的 转 差 率 在 110%（ 15151650r/min） ，外 加 转 子 平 均 电 阻 在 0到 100%变 化 。2、 发 电 机 转 矩 转 速

46、 控 制 特 性功 率 =转 矩 转 速 ， 功 率 与 转 矩 成 正 比 。 0 2 4 6 8 1010080604020 转 差 率 %参考功率/额定功率%cosIKM = 转 矩 系 数 励 磁 磁 通 转 子 电 流 转 子 功 率 因 数其 中 ： 22 2 XR EI 转 子 感 应 电 动 势 2021222 44.444.4 SENSfNfE l发 电 功 率 与 转 子 电 流 成 正 比 ， 改 变 电 流 大 小 可 以 调 节 电 功 率 。l改 变 转 子 回 路 电 阻 可 以 改 变 转 子 电 流 。l低 于 额 定 风 速 叶 尖 速 比 优 化 ： 风

47、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 控 制 ： 风 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 变 桨 距 风 力 发 电 机 组 控 制四、发电功率控制 M Sn0n s10 电 动 机 发 电 机R2R1发 电 机 转 矩 转 速 特 性 曲 线定 子 同 步 转 速 由 电 网 决 定 ：（ 定 子 三 相 电 流 产 生 的 旋 转 磁 场 转 速 ）两 种 运 行 状 态 ：n ns为 电 动 机 方 式 ； n ns发 电 机 状 态 。滑 差 率 ： 发 电

48、 状 态 时 为 负 值与 功 率 成 正 比 的 电 流 可 表 示 为 ： pfns 60%100 ssn nnS 2202 2022 2022 2 22 RSESfLR SELfR SEXREI 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 化 ， 感 应 电 势 变 化 ， 电 流 亦 将 变 化 ， 通 过 电 阻 的 变 化 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

49、过 改 变 电 阻 ， 可 以 改 变 S， 保 证 较 好 的 叶 尖 速 比 （ 设 定 值改 变 ） 。 第 四 章 变 桨 距 风 力 发 电 机 组 控 制四、发电功率控制 转 子 电 流 控 制 原 理 图 ： 电 流 控 制PWM给 定 外 接 电 阻定 子 绕 组转 子 绕 组 第 四 章 变 桨 距 风 力 发 电 机 组 控 制五、液压变距系统 M 油 泵 油 箱滤 油 器 溢 流 阀压 力 传 感 器 节 流 阀比 例 阀蓄 能 器 可 调节 流 阀 A BP T电 磁 阀 先 导 止 回 阀单 向 阀 压 力 开 关减 压 阀 刹 车 钳90 0 VESTAS V39型

50、 单 向 阀 油 位 开 关 压 力 传 感 器 控 制 油 泵 启 停 ， 设 定 范 围 ： 130bar145bar高 压 滤 清 器 装 有 旁 通 阀 和 污 染 指 示 器 ， 单 向 阀 防 止 高 压 油 回 流 。溢 流 阀 防 止 油 压 过 高 ， 设 定 值 145bar系 统 维 修 时 ， 可 调 节 流 阀 阀 用 来 释 放 来 自 蓄 能 器 的 压 力 油油 位 开 关 用 来 防 止 油 溢 出 或 泵 在 无 油 情 况 下 运 转 。油 箱 内 设 有 PT100温 度 检 测 与 报 警 ， 液 压 泵 站 第 四 章 变 桨 距 风 力 发 电 机

51、 组 控 制五、液压变距系统 M 油 泵 油 箱滤 油 器 溢 流 阀压 力 传 感 器 节 流 阀比 例 阀蓄 能 器 可 调节 流 阀 A BP T紧 急 顺 桨 阀 先 导 止 回 阀单 向 阀 压 力 开 关减 压 阀 刹 车 钳90 0 变 桨 距 控 制控 制 器 输 出 -10V+10V， 控 制 比 例 阀 输 出 方 向 及 大 小 ， 使 叶 片 在 -588之 间 变 化 。 工 作 时 紧 急 順 桨 阀 通 电 ， 电 磁 阀 1通 电 使 先 导 止 回 阀 双 向 流 动 。比 例 阀 “ 直 通 ” 时 ， 活 塞 向 右 运 动 ， 桨 叶 节 距 向 -5方

52、 向 调 节 。比 例 阀 “ 跨 接 ” 时 ， 节 距 角 向 88方 向 调 节 ， 液 压 缸 左 侧 压 力 油 回 压 力 管 路 （ 活 塞 右 侧 面 积 大 于 左 侧 ） 。紧 急 顺 桨 阀 电 磁 阀 1 电 磁 阀 2 第 四 章 变 桨 距 风 力 发 电 机 组 控 制五、液压变距系统 M 油 泵 油 箱滤 油 器 溢 流 阀压 力 传 感 器 节 流 阀 1比 例 阀蓄 能 器 可 调节 流 阀 A BP T紧 急 顺 桨 阀 先 导 止 回 阀单 向 阀 压 力 开 关减 压 阀 刹 车 钳90 0 液 压 系 统 停 机 状 态紧 急 顺 桨 阀 断 电 ，

53、 压 力 油 通 过 节 流 阀 2进 入 液 压 缸 右 端 。 左 端 压 力 油 经 节 流 阀 1回 油 箱 ， 順 桨 88。 电 磁 阀 1断 电 ， 先 导 止 回 阀 变 为 单 向 阀 ， 防 止 风 作 用 力 矩 使 液 压 缸 活 塞 向 右 运 动 。急 停 状 态 防 止 蓄 能 器 油 量 不 够 活 塞 行 程 ， 风 的 自 变 力 矩 将 帮 助 紧 急 顺 桨 ， 补 充 油 来 自 活 塞 左 部 及油 箱 吸 油 管 。节 流 阀 用 来 限 制 变 桨 速 度 在 9左 右 。节 流 阀 2紧 急 顺 桨 阀 电 磁 阀 1 第 四 章 变 桨 距

54、风 力 发 电 机 组 控 制五、液压变距系统 M 油 泵 油 箱滤 油 器 溢 流 阀压 力 传 感 器 节 流 阀比 例 阀 蓄 能 器可 调节 流 阀 A BP T 电 磁 阀先 导 止 回 阀单 向 阀 压 力 开 关减 压 阀 刹 车 钳90 0 制 动 机 构开 机 指 令 发 出 后 ， 电 磁 阀 通 电 ， 制 动 卡 钳 排 油 到 油 箱 ， 刹 车 被 释 放 。停 机 指 令 发 出 后 ， 电 磁 阀 失 电 ， 蓄 能 器 压 力 油 进 入 制 动 液 压 缸 ， 实 现 停 机 操 作 。 制 动 器 一 侧 装 有 螺 杆 活 塞 泵 ， 用 来 当 液 压

55、 系 统 不 能 加 压 时 制 动 风 力 机 。压 力 开 关 用 来 检 测 制 动 压 力 ， 因 压 力 过 高 （ 大 于 23bar） 会 造 成 传 动 系 统 的 严 重 损 坏 。 螺 杆 活 塞 泵 第 四 章 定 桨 距 风 力 发 电 机 组 并 网 技 术六、变速风力发电机组的控制 1、 风 力 机 在 不 同 风 速 下 的 转 速 功 率 曲 线 ：2、 追 踪 最 大 风 能 的 过 程 ： 假 设 在 风 速 V3下 原 风 力 机 稳 定 运 行 在 曲 线上 的 A点 ， 转 速 为 1。 如 果 某 时 刻 风 速 升 高至 V 2， 因 为 风 力

56、机 的 转 速 不 能 突 变 ， 所 以 其运 行 点 就 会 由 A点 跳 变 至 B点 ， 风 力 机 输 出 功率 由 PA突 增 至 PB。 由 于 风 力 机 功 率 突 然 增 大 ，将 导 致 发 电 机 的 转 矩 失 衡 ， 于 是 发 电 机 机 械转 速 开 始 上 升 ， 风 力 机 将 沿 着 BC曲 线 增 速 。当 到 达 风 力 机 功 率 曲 线 与 其 最 佳 功 率 曲 线 相交 的 C点 时 ， 功 率 再 一 次 平 衡 ， 转 速 稳 定 为2， 就 是 对 应 于 风 速 的 最 佳 转 速 。 上 述 过 程 实 现 条 件 是 机 组 转 速

57、 可 调 ， 定 速（ 同 步 发 电 机 ） 机 组 的 转 速 由 电 网 决 定 ； 异步 发 电 机 （ 转 子 电 流 可 调 ） 的 转 速 调 节 范 围很 小 ， 难 于 实 现 大 范 围 ； 双 馈 型 机 组 的 转 差率 约 为 30%， 因 此 ， 效 率 较 高 。 第 四 章 变 桨 距 风 力 发 电 机 组 控 制六、双馈型风电机组的控制 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

58、 称 双 馈 电 机 。特 点 是 通 过 变 频 器 给 转 子 加 入 交 流 励 磁 。 交 流 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 节 发 电 功 率 （ 与 风 力 机 功 率 相 匹 配 ） 。2、 励 磁 电 流 频 率可 以 调 节 发 电 机 转 速 。3、 励 磁 电 流 相 位 可 以 改 变 电 机 的 功 率 角 ， 不 仅 可 以 调 节 无 功 功 率 ， 也 可 以 调节 有 功 功 率 。 第 四 章 变 桨 距 风 力 发 电 机 组 控 制六、双馈型风电机组的控制 双 馈 发 电 机 交 流 励 磁 调 节 系 统 原 理 图 ： 第 四 章 变 桨 距 风 力 发 电 机 组 控 制六、双馈型风电机组的控制 1、 空 载 并 网 方 式 ： ru 第 四 章 定 桨 距 风 力 发 电 机 组 并 网 技 术四、双馈发电机并网方式 1、 空 载 并 网 方 式 ： 第 四 章 定 桨 距 风 力 发 电 机 组 并 网 技 术四、双馈发电机并网方式 1、 空 载 并 网 方 式 ： 第 四 章 定 桨 距 风 力 发 电 机 组 并 网 技 术四、双馈发电机并网方式 1、 空 载 并 网 方 式 ：