第六章 风力发电机组的运行调节

从小发电机向大发电机的切换
❖小发电机向大发电机切换的控制，一般以平均功率或瞬时 功率参数为预置切换点。
功率
P1 切换点 P2
❖首先断开小发电机接触器， 大发电机功率曲线 再断开旁路接触器。此时，
发电机脱网，风力将带动发 电机转速迅速上升，在到达 小发电机功率曲线 同步转速1500r/min附近时， 再次执行大发电机的软并网
在低风速区，不同的桨叶节距角所对应的功率曲线几乎是重合的；在高 风速区，节距角的变化，对其最大输出功率的影响是十分明显的。
定桨距风力发电机组的功率控制
二、定桨距风力发电机组的功率控制方法
5、节距角与额定转速的设定对功率输出的影响
➢由于机组的叶片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。
四、风力发电机组的基本控制要求 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 机械刹车松开
机组并网发电 机组自动调向
暂停状态 机械刹车松开
停机状态 机械刹车松开
风力发电机组空转
机组调向保持工作状态 调向系统停止工作
紧急停机状态
机械刹车与气动刹车 同时动作
计算机处于监测状态， 输出信号被旁路
程序。
风速
机组的基本运行过程
5、风力发电机组的并网
大发电机向小发电机的切换
❖首先断开大发电机接触器，再断开旁路接触器。由于发电机在此之前 仍处于出力状态，转速在1500r/min以上，脱网后转速将进一步上升。
功率
P1 切换点 P2
大发电机功率曲线 小发电机功率曲线
风速
❖迅速投入小发电机接触 器，执行软并网，由电网 负荷将发电机转速拖到小 发电机额定转速附近。只 要转速不超过超速保护的 设定值，就允许执行小发 电机软并网。
P2
风速
如6极200kW和4极750kW
定桨距风力发电机组的功率控制
二、定桨距风力发电机组的功率控制方法
• 4、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ρ=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机组可能会出现30~50kW 的偏差。
2、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80o~90o，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机组停机保护
3、双速发电机
功率
大发电机功率曲线
P1 小发电机功率曲线 切换点
转速给定 功率给定
转速 控制器
功率 控制器
转速
变桨 执行器
变距 机构
桨距角 发电功率
风速
风轮 系统
传动 系统
发电机
变桨距风力发电机组的功率控制
二、变桨距执行系统
变桨给定 校正环节
D/A 转换器
A/D 转换器
活塞位移 液压系统
变桨距 机构
桨距角
位移 传感器
a、变桨距执行系统是一个随动系统，即桨距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
•风况：连续10分钟风速在机组运行范围内（3.0m/s~25m/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；非正 常停机故障显示均已排除；维护开关在运行位置。
机组的基本控制要求
控制系统的安全运行—必备条件
1）风力发电机组开关出线侧相序必须与并网电网相序一致，电压标称值相等， 三相电压平衡。
2）风力发电机组安全链系统硬件运行正常。 3）偏航系统处于正常状态，风速仪和风向标处于正常运行的状态。 4）制动和控制系统液压装置的油压、油温和油位在规定范围内。 5）齿轮箱油位和油温在正常范围。 6）各项保护装置均在正常位置，且保护值均与批准设定值相符。 7）各控制电源处于接通位置。 8）监控系统显示正常运行状态。 9）在寒冷和潮湿地区，停止运行一个月以上的风力发电机组再投入运行前应 检查绝缘，合格后才允许起动。
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 叶尖阻尼板回收（或变 叶尖阻尼板弹出（或变
桨处于最佳角度）
节距角在90o）
距系统失去压力）
机组的基本控制要求
工作状态之间转变
急停： 主要控制有打开紧急电路、置所有信号无效、机械刹车作用、逻辑
电路复位。
急停→停机：停机条件满足，关闭急停电路、建立液压工
大小发电机的软并网程序 ❖发电机转速已达到预置的切入点，该点的设定应低于发电 机同步转速。
❖连接在发电机与电网之间的开关元件晶闸管被触发导通。
❖当发电机达到同步转速时，晶闸管导通角完全打开，转速 超过同步转速进入发电状态。
❖进入发电状态后，晶闸管导通角继续完全导通 。
机组的基本运行过程
5、风力发电机组的并网
➢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。
➢额定转速并不是按在额定风速时具有 最大的功率系数设定的，故设计的最大 功率系数并不出现在额定功率上。
➢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。
功率输出/kW
1000
运行
作压力。
停机→暂停：暂停条件满足，启动偏航系统（接
暂停
通变桨距压力）
暂停：功率调节到0后通过晶闸管切出发电机、降低风轮
停机
转速到0。
暂停→运行：运行条件满足，核对上风向、叶尖阻尼板
收回（或变桨距系统投入）、根据转速控
急停
制并网。
暂停→停机：停止自动调向、打开气动刹车（或变距系统失压）
运行→停机：脱网、打开气动刹车（或变距系统失压）
五、定桨距风力发电机组的制动与保护系统
定桨距风力发电机组的制动系统
• 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。
风力发电机组的运行调节
定桨距风力发电机组的功率控制
一、定桨距风力发电机组的特点
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 化而变化。 需解决的问题：1）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）。
2）脱网（突甩负荷）时桨叶自身具备制动能力。
二、定桨距风力发电机组的功率控制方法
变桨距风力发电机组的功率控制
一、概述
运行状态： •启动状态——转速反馈控制，速度给定+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。
• 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。
变桨距风力发电机组的功率控制
一、概述
• 主要特点： • 桨叶与轮毂采用可承受径向和轴向载荷的轴承连接，桨叶
的节距角可由变桨机构调整。
• 功率调节原理：
1）低于额定功率，叶尖节距角置于0度，等同与定桨距 风力发电机组； 2）高于额定功率——调整桨叶的节距角——改变攻角— —保持功率恒定； 3）并网型机组容量大，操作困难——启动发电机转子电 流——转速响应风速变化。
❖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。
定桨距风力发电机组的功率控制
三、定桨距风力发电机组的基本运行过程
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。
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。
• 1、桨叶的失速调节原理 因桨叶的安装角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。 叶片攻角由根部向叶尖逐渐增加，根部先进入失速，随后失速增
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。
定桨距风力发电机组的功率控制
二、定桨距风力发电机组的功率控制方法
变桨距风力发电机组的功率控制
一、概述 • 功率控制特点：
• 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
6）频率：机组的发电频率应限制在50Hz±1Hz。 7）压力：机组的许多执行机构由液压执行机构完成，通常低于100Mpa。
定桨距风力发电机组
五、定桨距风力发电机组的制动与保护系统
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。
机组的基本控制要求
故障处理： 故障发生时意味着从较高状态转换到较低状态。 （1）故障检测：扫描传感器及信号，判断可降低状态的信号。 （2）故障记录：故障存储与报警。 （3）故障反应：选择降为三种停机状态中的一种。
（4）重新启动：一般故障可能自动复位或操作人员远程手动 复位，重新启动。
致命故障必须由人员到现场检查处理，就地复位。
0.5
800
0.4
功率/kW
600
0.3
400
0.2
200
0.1
Cp
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 风速/(m/s)
定桨距风力发电机组的功率控制
三、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；
机组的基本控制要求
四、机组的基本控制要求 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。
机组的基本控制要求
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。
机组的基本运行过程
5、风力发电机组的并网
机组的基本控制要求
控制系统的安全运行---风力发电机组工作参数的安全运行范围
1）风速：风速在3～25m/s为规定工作范围。 2）转速：风轮转速通常低于40r/min，发电机的最高转速不超过额定 转速的30%。 3）功率：只在额定风速以上作限制最大功率的控制，通常运行安全最 大功率不允许超过设计值的20%。 4）温度：通常控制器环境温度应为0～30℃，齿轮箱油温小于120℃， 发电机温度小于150℃，传动等环节温度小于70℃。 5）电压：发电电压允许的范围在设计值的10%。
定桨距风力发电机组的功率控制
三、ຫໍສະໝຸດ Baidu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
油进入机械盘式制动器液压缸，松开盘式制动器。