7.第六章 风力发电机控制

7.第六章风力发电机控制
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第六章风力发电机的运行与控制
第一节控制系统的功能和内容
一、控制系统的目标
1、保证系统运行的安全、稳定和可靠
2、最大风功率利用;
3、保证电能质量；
4、延长机组寿命。

二、控制系统的功能
1、在运行风速范围内,能跟踪风向和最佳叶尖速比，获得最大风能；
2、在风速低于运行最低要求是，能可靠将风力发电机切出；
3、在高风速时，能限制风能的捕获,使风力发电机输出功率不超过发电机的额定功率；
4、在阵风时，能减少风轮的机械应力和输出功率的波动,避免共振；
5、减小功率传动链的暂态响应；
6、调节无功补偿和转速,保证机组输出的电压和频率稳定。

三、控制的具体内容
1、风力发电机稳态工作点控制
稳态工作点就是功率平衡的稳定运行点.
当外部条件和自身的参数变化时，风力发电机经过动态调整后将工作在一个新的稳态工作点。

工作点的位置与风力机、发电机的功
率（或转矩）——转速特性有关.
风力发电机的稳态工作点是风力机的功率（或转矩）-—转速特性曲线与发电机的功率（或转矩）—-转速特性曲线的交点。

控制系统的任务就是使风力发电机的稳态运行工作点尽可能靠近风力发电机的最佳风能利用系数曲线，使获得尽可能多的发电量。

2、风力发电机工作状态及转换控制
风力发电机的工作状态的特征：
（1）运行状态:机械制动松开;允许机组并网发电;机组自动偏航;液压系统保持工作压力；叶尖绕流器收回或由变桨距系统选择在最佳工作位置；冷却系统自动状态.
（2）暂停状态：机械制动松开；机组与电网解裂；机组自动偏航；液压系统保持工作压力；叶尖绕流器收回或由变桨距顺桨；冷却系统自动状态;风力发电机空转或停止。

(3）停机状态:机械制动松开；机组与电网解裂；偏航系统停止工作；液压系统保持工作压力；叶尖绕流器弹出收回或由变桨距顺桨;冷却系统非自动状态；风力发电机空转或停止.
(4）紧急停机状态：机械制动和空气制动同时动作,紧急电路开启;控制器所用输出信号无效；控制器仍在运行和测量所用输入信号.
工作状态的转换：工作状态只能逐层上升.
（1）工作状态层次上升
1）从紧急停机到停机
关闭紧急电路；建立液压工作压力；松开机械制动。

2）从停机到暂停
启动偏航系统；变桨距系统激活；自动冷却系统开启。

3）从暂停到运行
核对是否处于上风向；叶尖扰流器收回或变桨距系统投入工作；根据风速判断发电机是否可以切入电网.
（2）工作状态层次下降，工作状态可越层下降
1）紧急停机：打开紧急停机电路；置控制器所用信号为无效；机械制动作用。

2)停机：停止自动偏航；实行空气动力制动；自动冷却停止；
发电机脱网。

3）暂停:发电机脱网；调节功率降到零;降低风轮转速到零。

3、偏航控制
偏航是根据运行工况和要求改变机舱轴线与来风方向的角度。

偏航控制重要有自动偏航、手动偏航、90度侧风、自动解缆等方式.
1）自动偏航：当偏航系统收到中心控制器需要偏航的信号后,检测连续3分钟风向情况，若风向确定，同时机舱不处于对风的位置，松开偏航制动,启动偏航电动机运转，开始偏航对风程序，使风轮轴线与风向基本一致。

2）手动偏航：操作人员通过顶部机舱控制机构、控制面板、远程控制界面实现偏航。

3）90度侧风：在风轮过速或遭遇切出风速以上的大风时，为保证风力发电机组的安全，对机舱进行90度侧风处理。

4）自动解缆：偏航系统自动累计偏航的角度，当累计偏航角度造成扭缆时自动解缆，或发出要求解缆的信号。

第二节定桨距风电机组的控制
一、机组的特性
1、失速和制动
定桨距风力发电机必需要解决的两个问题：
1）在大风时风力机能自动限制从风中捕获的功率，使发电机电功率不超过额定值。

2）在风电机组突然失去电网时，能自动制动，使风电机组能安全停机.
解决第一个问题采用自动失速调节叶片，解决第二个问题采用叶尖扰流器。

自动失速原理：当风速增加时，合成气流的方向会发生变化,使翼型的攻角增大，超过临界较后，升力下降,阻力增加，是风轮旋转力矩下降.失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖部逐渐减少，因而根部首先进入失速,随着风速增大，失速部分向叶尖扩展,原来失速的部分程度加深。

失速的部分功率减少，未失速部分功率仍有增加，最终达到一个平衡，使机组输出功率维持在额定值附近.
2、安装角调整
以上知道叶片失速主要地与风速有关。

但风力发电机从风中获得的功率不仅与风速有关,还与风的密度有关。

如果风轮安装角保持不变，就有可能在风密度减小时，出现过早失速的现象。

空气密度与温度有关，当温度变化±10度时，空气密度变化±4%。

有必要根据空气密度的变化调整叶片安装角。

3、双速发电机
风力机有一个参数叫做叶尖速比:尖速比=叶尖速度/风速。

每个风力机有一个最佳叶尖速比，在最佳叶尖速比下运行时，能获得最大风功率。

为了使风力机能从风中获得最大功率，需要根据风速调整风轮的转速，以一保持叶尖速比不变。

发电机的效率也与转速有关,额定转速高的发电机在转速较高时效率也高，额定转速低的发电机在转速低时效率较高。

为了能最大限度地提高风能利用系数，用一台种额定转速的发电机与风力机配套是不合适的。

但超过两台使风力发电机的结构复杂化。

定桨距风力发电机普遍采用双速发电机,风别设计成4极和6极。

一般6极机的额定容量为4极机的1/4~1/5.当风速较低时6极机投入运行，当风速较高时由6极机切换为4极机。

二、启动并网过程
1、待机状态
风速〉3m/s，但风力发电机还未拖动到切入转速；或发电机从小功率状态下切出，还未重新并网的状态为待机状态。

待机状态下,机组实际上一处于工作状态,控制系统应做好一切并网准备.
2、风力发电机的自启动
自启动是指不依靠任何外力，风轮在自然风速的作用下将发电机拖动到并网转速。

早期的定桨距风力发电机不能自启动，需要发电机做电动机运行拖动,称为“电动机启动”.
由于叶片启动特性的不断改进,目前大多数风力发电机具有良好的自启动性能，能在风速>4m/s的条件下自启动到需要的转速。

自启动的条件
1）电网：连续10min钟中内电网没出现过过电压、低电压;0.1s 内电压跌落不超过设定值；电网频率正常；电网三相平衡。

2）风况:连续10min钟内风速在风力发电机运行风速范围内（大于3m/s,小于25m/s）。

3）机组:机组温度，压力,油位等在设定范围内；控制系统电源正常；制动器正常；扭缆开关复位；维护开关在运行位置.
3、风轮对风（偏航)
启动条件满足后，控制器发出对风信号.通过传感器测定风轮偏
角。

当偏角确定后，需延迟10s后才执行偏航.避免频繁执行偏航操作.执行时，偏航制动松开1 s后，偏航电机根据指令执行左右偏航,偏航完成后偏航制动卡紧。

4、制动解除
启动条件满足后,收回叶尖扰流器，松开盘式制动器。

5、风力发电机并网
当风速>4m/s，小于7m/s时，小发电机并网；
当风速升高到7~8m/s时，由小发电机切换到大发电机;
如风速处于8～20m/s时，直接大发电机并网。

并网采用软并网方式.
（1）发电机的软并网过程
1）发电机处于加速状态，转速达到预定的切入点，该点小于发电机同步速度。

2）旁路开关处于断开位置，合入并网开关,并网晶闸管导通角随发电机转速的增加逐渐增大,随着导通角的增加，发电机转速的加速度减小.
3）当到发电机转速达同步速度时晶闸管完全导通.发电机的转速超过同步速度进入发电状态。

4）进入发电状态后，晶闸管维持完全导通，1s后闭合旁路开关。

收到旁路开关闭合的信号后关断晶闸管。

（2）从小发电机向大发电机切换
从小发电机向大发电机切换一般以一段时间内平均功率或瞬
时功率大于某设定值为依据.
1）断开小发电机的出口开关。

发电机脱网，转速上升。

2）大发电机执行上述并网过程。

（3）从大发电机向小发电机切换
从大小发电机向小大发电机切换一般以一段时间内平均功率或瞬时功率小大于某设定值为依据。

1）断开大发电机的并网开关和旁路开关；
2)迅速投入小发电机并网开关，执行软并网.
为了避免在并网切换过程中由于巨大的能量释放造成过度过程延长,出现超速现象,可以在大发电机退出的同时释放叶尖扰流器，使转速下降到预置点后,收回叶尖扰流器.待转速上升后，执行小发电机的软并网。

三、运行监测和处理
1。

电力参数监测和处理
（1）电压（额定电压690V，相电压398.8V)
主要检测以下故障：
电网冲击：相电压超过450V,0.2s；
过电压:相电压超过433V，50s；
低电压：相电压低于329V,50s；
电压跌落:相电压低于260V,0.1s；
相序故障：相序反向。

主电路中设有电压保护,发生电压故障时，发电机必须退出电
网，一般执行正常停机程序。

（2）电流
主要检测如下故障：
电流跌落：相电流跌落80％，0.1s；
三相不对称：相电流相差超过25％，或平均电流低于50A时，相电流相差50%；
晶闸管故障:软启动期间相电流大于额定值,或触发后连续0。

1 s 电流为0；。

短路故障：相电流超过较大的设定值;
过电流:相电流超过大于额定电流（如2倍）的设置值.
短路故障保护动作时间0～0.05s，过电流动作时间为1～3s，保护动作将发电机切出电网.
电流测量值还作为在软并网过程中增加晶闸管导通角的依据。

当电流开始下降后，导通角逐渐打开。

（3）频率
测量平均频率,当超过上、下限时退出发电机。

（4）功率因数
用于无功补偿，控制投入运行的电容的容量。

要求功率因数不低于0.95。

风力发电机输出的有功功率经常变化,要求补偿电容的投入两也要随着变化。

（5）功率
功率由电流、电压的测量值计算得出。

风力发电机的功率与风速有固定的关系，如功率与风速不相符，可作为风力发电机故障的判断依据。

当功率过高或过低时，应将发电机切出电网。

1）功率过低:功率持连续(30~60s）出现逆功率，或低于某设定值，将发电机切出电网。

如果判明不是由于故障造成的低功率，切出时不释放叶尖扰流器，不进行机械制动，待转速升高后可再次软并网。

2)功率过高:功率过高可能由两种情况引起:
一是电网频率下降，发电机转差增大，造成短时功率增高；
二是气候变化,风速或风密度增加。

发电机功率持续10min大于额定功率1.15倍，执行正常停机；持续2s大于额定功率1.5倍，执行紧急停机。

2。

风力参数监测
（1）风速
由安装在机舱外下风向的数字式风速仪来测量。

每秒测量一次，每10min钟计算一次平均值，作为启动或停机的依据风速〉3m/s，启动小发电机；
风速〉8m/s，启动大发电机;
风速〉25m/s，停机。

1）风速〉25m/s时，由于叶片失速的限制，风力机的转速不会上升.但这时由于大量的风力发电机处于满功率状态,电网的频率可能上升，风力机要输出的功率基本不变，其转速必定要上升。

如果转速没超过预设值，则可继续运行；否则出现过转速，应将发电机切出，
释放叶尖扰流器并使风力机侧风90度,使转速迅速降下来。

2）风速>33m/s，持续2s，执行正常停机；
3）风速〉50m/s,持续2s，执行紧急停机，侧风90度。

(2）风向
风向标安装在机舱外顶部两侧,两个互相校核，排除误信号。

其作用是启动偏航系统。

当两个风向标不一致或风速<3m/s时,偏航不启动。

3.机组状态参数监测
（1）转速
检测风轮转速和发电机转速，用于超速保护。

当两个转速不一致时提示发电机故障.
(2）温度
测量增速油箱油温、高速轴承温度、大发电机温度、小发电机温度、前主轴承温度、后主轴承温度、晶闸管温度、环境温度等.
（3)机舱振动
（4)电缆扭转
（5)机械制动状况
（6）油位检测
（7）各种反馈信号。