风力发电控制原理

风力发电控制原理风力发电机组控制原理

第一章绪论旋转罩轮毂机舱油冷却器热交换器齿轮箱旋转接头控制箱

低速轴

变桨驱动支撑轴承

偏航驱动

发电机

通风

隔离减震

机舱座

风力发电机组结构图

第一章绪论一、机组的总体结构风轮增速器发电机

电网主继电器

风

主开关熔断器

变压器

转速晶闸管变桨并网功率风风速控制系统

无功补偿

定桨：1.5-2.5叶尖扰流器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；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。

第一章绪论四、风力发电机组的控制特性

风能

风轮动态特性

风轮转矩转速

传动链动态特性

发电机转矩转速

发电机动态特性功率变送器

电功率

变距位置伺服执行器

变距指令

控制器

功率信号

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。

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或变流器进行调节

变桨系统转速控制功率控制

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

偏航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？

第二章风力机控制一、1、风力机能量转换过程气流动能为

1Emv22

m空气质量，v气流速度

密度为ρ的气流过面积S的气体体积为V,M=ρV=ρSv

则单位时间内气流所具有的动能为E

1Sv32

Sv1

Sv

Sv2

理想风轮与贝兹(Betz)理论：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=ρSv(v1-v2)风轮吸收的功率P=Fv=ρSv2(v1-v2)12风轮吸收的功率又等于风轮前后动能(单位时间)的变化：ESv(v12v2)令两式相等，得v

v1v2212S(v12v2)(v1v2)4

2

经过风轮风速变化产生的功率为P其最大功率可令

81dPSv130得v2v1,代入后得到的最大理想功率为Pmax3dv227Pmax160.593E27

与气流扫掠面积风的能量相比，可得风力机的理论最大效率：max

第二章风力机控制一、2、风力机的主要特性系数1、风能利用系数CP:13Pv1SCP风力机的实际功率S2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

2Rnv

Cp0.50.40.30.20.1

123456789101315

额定风速恒定功率

切出风速切入风速

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

第二章风力机控制二、1、桨叶的几何参数与空气动力特性1、桨叶的翼型0零升力角升力角风向

弦长

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

v

i功角

l

2、桨叶上的气动力

F

1CrSv2总的气动力，S—桨叶面积，Cr—总气动系数2

FlAC压力中心

1ClSv2升力，与气流方向垂直，Cl—升力系数21CdSv2阻力，与气流方向平行，Cd—阻力系数2B

Fd

v

i

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。

第二章风力机控制二、2、升力和阻力的变化曲线升力系数与阻力系数是随攻角变化的0.80.60.40.2

Cl

Cd

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。