风力发电机组控制技术 课件3-2 定桨恒速机组的控制

风力发电机组控制技术第二节定桨恒速机组的控制并网型风力发电机组从20世纪80年代中期开始逐步实现了商品化、产业化。经过十余年的发展，容量已从数十千瓦级增大到兆瓦级，尽管在兆瓦级风力发电机组的设计中已采用变桨距技术和变速恒频技术，但由此增加了控制系统与伺服系统的复杂性，也对机组的成本和可靠性提出了新的挑战。因此，定桨距风力发电机组结构简单、性能可靠的优点是始终存在的，而且在某些特定的条件下有其应用的优势。第二节定桨恒速机组的控制风轮结构1叶尖扰流器2双速发电机3结构特点叶片的失速调节原理1功率输出2节距角与额定转速的设定对功率输出的影响3运行控制特点一、定桨距机组的特点第二节定桨恒速机组的控制1、结构特点风轮定桨恒速风力发电机组的主要结构特点是叶片与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，叶片的迎风角度不能随之变化。第二节定桨恒速机组的控制叶尖扰流器机组正常运行时，叶尖扰流器与叶片主体部分精密地合为一体，组成完整的叶片。机组需要脱网停机时，扰流器按控制指令释放并旋转80°～90°形成阻尼板，使风力发电机组迅速减速（叶片空气动力制动）。叶尖扰流器是定桨恒速机组的主要制动器，制动时起主要作用。失速机组叶尖制动，进行超速保护。第二节定桨恒速机组的控制制动时叶尖部分绕叶片轴向旋转90度，实现制动功能。通过叶尖扰流器来实现极端情况下的安全停机问题。第二节定桨恒速机组的控制双速发电机风速在3m/s-25m/s（运行风速）时，叶片的攻角不断变化，为了解决低风速时的效率问题，并避免叶片过早进人失速状态，一些定桨恒速机组采用双速发电机，分别设计成4极和6极。第二节定桨恒速机组的控制一般6极发电机的额定功率设计成4极发电机的1/4到1/5例：600KW机组，6极150KW和4极600KW。750KW，6极200KW和4极750KW。1000KW，6极200KW和4极1000KW。大发电机功率曲线风速功率小发电机功率曲线P1切换点P2第二节定桨恒速机组的控制低风速段运行时，叶片具有较高的气动效率，发电机的效率也保持在较高水平，定桨距与变桨距机组在进入额定功率前的功率曲线差异不大。双速发电机功率曲线第二节定桨恒速机组的控制2、运行控制特点面临的问题：叶片的这一特性被称为自动失速性能；运行中机组在电网突然失电或其他紧急情况下，叶片自身须具备制动能力，使机组能够安全停机。第二节定桨恒速机组的控制解决办法：√自动失速——采用失速性能良好的叶片(玻璃钢复合材料)√安全停机——叶尖扰流器第二节定桨恒速机组的控制叶片的失速调节原理当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因凸面的弯曲而使气流加速，压力较低；凹面较平缓而使气流速度缓慢，压力较高，因而产生升力。叶片的失速性能是指它在最大升力系数Clmax附近的性能。叶片的安装角β不变，风速增加攻角i增大，升力系数Cl线性增大；在接近Clmax时，增大变缓；达到Clmax后开始减小。阻力系数Cd初期不断增大；在升力开始减小时，Cd继续增大，造成叶片失速，从而限制了功率的增加。下图。第二节定桨恒速机组的控制第二节定桨恒速机组的控制-30o

-20o

-10o0o0.80.60.40.2-0.2升力系数与阻力系数随攻角变化升力系数随攻角的增加而增加，使得叶片的升力增加，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10o

20o

30o

40o（攻角）l（升力系数C

）（升力系数Cd）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。叶片两端会产生涡流，造成阻力增加。第二节定桨恒速机组的控制失速是翼型运行在非正常状态，是不稳定的状态；失速角不是一成不变的；失速不可能稳定地控制转速，控制的范围也有限。正常工作状态失速状态第二节定桨恒速机组的控制结论：因叶片的安装角β不变，风速增加→升力增加→升力变缓→升力下降→阻力增加→叶片失速叶片根部叶面先进入失速，随风速增大，失速部分向叶尖处扩展，已失速的部分，失速程度加深，未失速的部分逐渐进入失速区。失速部分使功率减少，未失速部分仍有功率增加。从而使输入功率保持在额定功率附近。定桨距失速型机组通过叶片失速来控制大风时的功率输出。功率输出机组的功率输出主要取决于风速。此外，气压、气温、海拔高度和气流扰动等因素也会显著影响的功率输出。第二节定桨恒速机组的控制空气密度变化对功率输出的影响第二节定桨恒速机组的控制同样的风机安装在不同地点，其叶片角度不应该相同。冬季和夏季应对叶片的安装角各作一次调整第二节定桨恒速机组的控制主动失速控制与变速恒频控制中的桨距角变化规律第二节定桨恒速机组的控制节距角与额定转速的设定对功率输出的影响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。设计的最大功率系数并不出现在额定功率上。定桨距机组应尽量提高低风速的功率系数和考虑高风速的失速性能。第二节定桨恒速机组的控制10008006004002000.10.20.30.40.5功率输出/kW0

2

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8 10

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18风速/（m/s)优先考虑提高低风速段的功率系数，合理利用高风速时的失速特性。设定桨距角（安装角）来实现定桨恒速机组功率曲线与功率系数关第二节定桨恒速机组的控制叶片节距角对输出功率的影响第二节定桨恒速机组的控制风力发电机组的工作状态工作状态之间的转换故障处理123运行状态控制12发电过程控制待机状态风力发电机组的自起动及起动条件3

风轮对风4制动解除风力发电机组的并网与脱网条件及实现步骤5二、基本运行过程第二节定桨恒速机组的控制1、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第二节定桨恒速机组的控制运行状态制动装置松开允许机组运行和发电允许机组发电机并网叶尖扰流器收回机组自动偏航冷却系统自动工作操作面板显示“Run”第二节定桨恒速机组的控制暂停状态制动装置松开液压泵保持工作压力自动偏航处于激活状态叶尖扰流器释放叶轮已经停止或空转冷却系统自动冷却操作面板显示“Pause”这个工作状态在调试机组时非常有用第二节定桨恒速机组的控制停机状态制动装置松开叶尖扰流器释放液压泵保持工作压力自动偏航系统不工作自动冷却系统不工作操作面板显示“Stop”第二节定桨恒速机组的控制紧急停机状态当叶轮低于一定转速后，施加制动安全链断开所有的主控制器输出量被禁止计算机依然运行，并测量所有输入量操作面板显示“Emergency

Stop”紧急停机时，所有接触器断开，主控制器输出信号被旁路，使其不去激活任何机构。2、工作状态之间的转换第二节定桨恒速机组的控制工作状态层次上升紧停→停机安全链闭合；建立液压工作压力；松开机械制动停机→暂停开始自动偏航；起动冷却系统暂停→运行核对机组是否处于上风向；叶尖扰流器收回；当风速足够大，叶轮达到并网转速时，发电机切入电网第二节定桨恒速机组的控制第二节定桨恒速机组的控制工作状态层次下降紧急停机停机→紧停，暂停→紧停，运行→紧停断开安全链；置所有输出信号于无效；确保叶尖扰流器释放；机械制动作用。停机暂停→停机，运行→停机暂停→停机：停止自动偏航；确保叶尖扰流器释放；冷却系统停止运行。第二节定桨恒速机组的控制运行→停机：停止自动偏航；确保叶尖扰流器释放；如发电机处于并网发电状态则立即脱网；冷却系统停止运行。第二节定桨恒速机组的控制暂停如果发电机没有并入电网，则释放叶尖扰流器，降低风轮速度；如果发电机并网，则释放叶尖扰流器使功率降低后切出发电机。第二节定桨恒速机组的控制3、故障处理当故障发生时，机组自动从较高的工作状态转换到较低的工作状态。故障处理实际上是针对机组从某一工作状态转换到较低的状态层次可能产生的问题，因此检测的范围是限定的。第二节定桨恒速机组的控制第二节定桨恒速机组的控制故障检测设在机舱和塔基的故障处理器扫描传感器信号以检测故障，进行分类。每次只有能够引起机组从较高工作状态转入较低工作状态的故障才能通过。故障记录故障处理器将故障存储在运行记录表和报警表中。第二节定桨恒速机组的控制对故障的反应降为暂停状态降为停机状态降为紧急停机状态故障处理后的重新起动在故障已被接受之前，工作状态层次不可能任意上升。故障被接受的方式：外部原因(如温度、电压波动)引起的故障可自动复位；一般故障可远程控制复位；致命故障，不允许自动复位或远程控制复位，必须现场检查后，在机组内的控制面板上复位。故障状态被自动复位一段时间(通常为10min)后自动重起，但一天内发生的次数有限定。若控制器出错可通过看门狗(Watch

Dog)来触发停机。第二节定桨恒速机组的控制第二节定桨恒速机组的控制4、运行过程控制待机状态当风速v＞3m/s，机械制动已松开，叶尖扰流器已收回，转速低于切入转速，或者从小功率(逆功率)状态切出，没有重新并入电网时，机组处于自由转动状态，称为待机状态(游离状态)。待机状态除了发电机没有并入电网以外，机组实际上已处于工作状态。此时控制系统已作好切入电网的一切准备。第二节定桨恒速机组的控制控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上；

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。第二节定桨恒速机组的控制自起动及起动条件自起动：叶轮在自然风速的作用下，不依靠其他外力的协助，将发电机拖动到额定转速。早期的定桨距机组不具有自起动能力，电动机起动(Motor-start)。一般在风速v＞3m/s的条件下，即可自起动。第二节定桨恒速机组的控制机组在自然风作用下升速、并网的过程，需具备三方面条件123电网风况机组第二节定桨恒速机组的控制·

电网：连续10分钟没有出现过电压、低电压；0.1秒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。第二节定桨恒速机组的控制·

风况：连续10分钟风速在机组运行范围内(3.0m/s～25m/s)。第二节定桨恒速机组的控制·

机组：发电机温度、增速器油温在设定值范围内；液压系统各部位压力在设定值内；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；控制系统电源正常；非正常停机故障显示均已排除；维护/运行开关在“运行”位置。第二节定桨恒速机组的控制风轮对风10分钟平均风速v＞3m/s时，允许叶轮对风；偏航角度通过风向仪测定；需延迟10s后才能执行向左或向右偏航释放偏航制动1s后，执行左右偏航偏航停止时，偏航制动投入。第二节定桨恒速机组的控制制动解除√ 叶尖扰流器被收回与叶片主体合为一体。√控制器收到叶尖扰流器已收回的反馈信号后，松开盘式制动器。第二节定桨恒速机组的控制风力发电机组的并网与脱网条件及实现步骤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。第二节定桨恒速机组的控制控

制

系

统风轮增速器发电机主继电器熔断器晶闸管电主开关变压器网风变桨风速转速并网功率无功补偿风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。第二节定桨恒速机组的控制大小发电机的软并网程序小发电机向大发电机的切换大发电机向小发电机的切换电动机起动第二节定桨恒速机组的控制大发电机功率曲线小发电机功率曲线P1

切换点

P2风速功率大小发电机的切换第二节定桨恒速机组的控制三、基本控制策略1、控制系统的基本功能★根据风况自行起、停机；★并网和脱网时，将机组对电网的冲击减小到最低；★根据功率及风速大小进行转速切换(双速发电机)；★根据风向信号自动对风，并能自动解缆；★对功率因数自动补偿；第二节定桨恒速机组的控制★

自行判断异常情况，并在必要时切出电网；★

发电机切出电网时，确保安全停机；★

监测和记录电网、风况和机组的运行状况，根据记录数据生成各种图表；★

远程通信的功能。第二节定桨恒速机组的控制2、软切入控制系统必不可少的部分。软切入装置（SOFT

CUT-IN

UNIT）：限制发

电机在并网和大小发电机切换时的瞬变电流，以免对电网造成过大的冲击。电网的容量比发电机的容量大得多时(≧25倍)，方可不考虑冲击电流。第二节定桨恒速机组的控制3、并网方式单机容量增大，并网时的冲击也越大。冲击严重时将引起电力系统电压的大幅度下降，并可能对发电机和机械部件(塔架、叶片、增速器等)造成损坏。并网冲击时间过长，还可能使系统瓦解或威胁具他并网机组的正常运行。第二节定桨恒速机组的控制同步发电机组并网技术异步发电机组并网技术捕捉式准同步快速并网技术双向晶闸管软切入并网技术直接并网方式准同期并网方式降压并网方式第二节定桨恒速机组的控制4、三项不平衡保护目的：防止风轮故障带来的损失在风轮的故障原因中，发电机过电流和三相不平衡危害不可忽视。第二节定桨恒速机组的控制三相不平衡危害性转子损耗及发热，电机整体或局部升温，电机振动定子中形成高次谐波以负序分量为启动元件的多种保护发生误动作，威胁电网运行硅整流设备出现非特征性谐波设备利用率下降或一相过负荷，波形畸变，设备附加损耗增加，绕组绝缘层寿命急剧降低甚至损坏造成绕短路第二节定桨恒速机组的控制四、液压系统1—油箱3—电