风力发电的变桨距控制方法研究
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❖ 按控制环节来分: 1. 启动控制 2. 并 / 脱网控制 3. 制动控制
很重要的一个环节是机组运行过程中,对发 出电能质量的控制
风机控制系统的重要性
监视 风机控制系统
电网 风况
机组运行参数
风速 风向
控
磁转转 输 端
制
链速矩 出 口
功电
率压
执行机构
主控制器
设定值(额定值)
反馈值
发出指令
现场总线
分控制箱
❖ (小风速段使用最大风能捕捉的方法,最大风能捕获 控制又有若干典型的控制方法,如:最佳叶尖速比法, 最优转矩法,功率信号反馈法,爬山搜索法。这些方 法的控制目标为:风速变化时,通过控制发电机的电 磁转矩使得系统在新的稳态下捕获最大风能。)
当风力发电机组起 动及风速低于额定风速 时,桨距角处于可获取 最大推力的位置,有较 低的切入风速。当风速
❖ 由于控制本身的属性,功率控制法在响应速 度,准确度以及稳定性方面都可以加以改进。 风电机组发出的电能最终都要供给负载,风 力机的运行参数,调整状况和反馈情况也要 受到负载的影响,所以功率控制可以和载荷 变量联合控制,使得控制更加快准稳。
谢谢!
两种风速情况 超过额定风速时,叶片
向小迎风角变化,从而 使获取的风能减少,这 样就保证了叶轮输出功 率不超过发电机的额定 功率,风轮速度降低使 发电机组的输出功率可
以稳定在额定功率上。
风速小于额定风速时
风速大于额定风速时
调整桨距角处于可获取最大推力 的位置,有较低的切入风速
叶片向小迎风角变化,从而使获取 的风能减少,这样就保证了叶轮输 出功率不超过发电机的额定功率
2.1启动控制
❖ 当风速检测系统在一段持续时间内测得风速 平均值达到切入风速,并且系统自检无故障 时,控制系统发出释放制动器命令,机组由 待风状态进入低风速起动。
2.2并 / 脱网控制
❖ 当风力发电机转速达到同步转速时,执行并 网操作。为了减小对电网的冲击,通常采用 晶闸管软切入并网。软切入时,限制发电机 并网电流并监视三相电流的平衡度,如果不 平衡度超出限制则需停机。除此之外,软切 入装置还可以使风力发电机在低风速下起动。 当风速低于切入风速时,应控制已并网的发 电机脱离电网,并在风速低于 4 m /s 时进行 机械制动。
平行轴齿轮驱动和垂直轴伞型齿轮驱动 (也有机械摇杆驱动)
四 风电机组变桨距功率控制法
❖ 什么是功率控制法:传统的恒功率控制模式用于风速 较大的场合。为保证风电系统的安全运行,需要限制 其转速和发电机的输出功率,由于发电机和变频装置 的电气限制,仅仅靠电磁转矩的控制已无法保证系统 的安全,此时需要控制风机的桨距角以降低风机的风 能捕获量,从而限制风机的转速和输出功率。
变桨距风电机组
变桨距执行机构
现场总线
3.1变桨距调节的工作原理
风力机桨叶根部与轮毂之间通过轴承连接,也就是说其连 接是不固定可以自由旋转的,当风速发生变化时,风力机的 桨叶可以绕其轴线转动来调节叶片的桨距角,通过桨距角的 变化来影响风电机组的转速,从而达到控制风力发电机组输 出功率的目的。
变桨过程:根据机舱顶部的气象站和风速仪所测 量数据,控制系统发出指令给变桨电机,变桨电机 为变桨系统提供扭矩,变桨系统把扭矩增加大约100 倍后,通过另外一端的变桨小齿轮(小齿轮上面带 着一个齿形带,齿形带与叶片上面的变桨轴承相 连),把力传递到变桨轴承上面,使变桨轴承旋转, 改变叶片的迎风角度。
2.3制动控制
❖ 当转速超越上限发生飞车时,发电机自动脱 离电网,桨叶打开实行软刹车,液压制动系 统动作,抱闸刹车,使桨叶停止转动,调向 系统将机舱整体偏转90° 侧风,对整个塔架 实施保护。
三 风力发电的变桨距控制系统
变桨距系统
变桨距机构
变桨距控制系统
驱动装置
执行装置
机舱内分控制系统
计算机控制系统
变桨距驱动装置
❖ 按每个叶片是独立调节还是同步调节可以分 为两种 :共同驱动变桨距系统 ,独立驱动变 桨距系统
叶片独立变桨
变 桨 轴 承
编码器
限位开关
变桨控制柜 变桨驱动装置
紧急备用 电池柜
变桨距执行机构
❖ 变桨距执行机构是指直接控制叶片转动部分 的机械装置
❖ 常见的变桨距执行机构有 :平行轴齿轮驱 动,垂直轴伞型齿轮驱动,机械摇杆驱动
4.1变桨距功率控制模型
桨距角 检测
给定桨距角
变桨距
变桨距
控制器
机构
风轮
给定功率值
接电网 发电机
并网开关
功率检测
变桨距调节控制器的组成
设定转速
转速检测 风力发电机
变桨距驱动
高于额定转速
比
较
器
低于额定转速
期望的转速,扭矩
叶片位置检测
变桨距控制器控 制目标:最大功
率输出
Βιβλιοθήκη Baidu
转速桨位需求 扭矩桨位需求
4.2系统的软件设计
风力发电的变桨距控制方法研究
目录
❖ 一 概论 ❖ 二 风力发电的控制系统介绍 ❖ 三 风力发电机的变桨距控制系统 ❖ 四 直驱型风电机组变桨距功率控制法 ❖ 五 功率控制法的改进
一 概论
❖ 大型MW级风电机组在世界主要国家已经投入产业 化生产
❖ 同世界发达国家的水平相比,我国的风机生产水平 有很大差距 ,在变桨距技术方面有诸多体现
❖ 在变桨距控制系统中,高风速段的变 桨距调节功率是非常重要的部分,若 退桨速度过慢则会出现过功率和过电 流现象,甚至会烧毁发电机;若桨距 调节速度过快,不但会出现过调节现 象,使输出功率较大,而且会缩短变 桨距液压缸,变桨距电动机和变桨距 轴承的使用寿命,进而影响发电机的 输出功率,使发电量降低。
❖ 风机的叶片直径在不断的增大,严重影响到风电机 组传动机构等部件的机械应力和疲劳寿命,变桨控 制技术得到世界共识并快速发展
较高的风 能利用系
数
高风速段 的额定功
率
变桨距控 制的优点
提高风力 机组起动 性能与制 动性能
提高风机 的整体柔
性度
减小整机 和桨叶的 受力状况
二 风力发电的控制系统介绍
开始
Y
有停机故障信号
∆P=P-P0
∆P=0
Y -10<∆P<10?
N
按比例增大桨距角, 最大速度不超过4.6⁰ /s
Y
∆P>0?
N
按比例减小桨距角,桨 距角变化速度不超过 1⁰/s,并且桨距角不小于
Y
∆P<0?
3⁰
N
结束
由PLC的输出单元输出一个 数字量信号,使紧急顺桨电
磁阀打开,迅速顺桨
五 功率控制法的改进与应用
很重要的一个环节是机组运行过程中,对发 出电能质量的控制
风机控制系统的重要性
监视 风机控制系统
电网 风况
机组运行参数
风速 风向
控
磁转转 输 端
制
链速矩 出 口
功电
率压
执行机构
主控制器
设定值(额定值)
反馈值
发出指令
现场总线
分控制箱
❖ (小风速段使用最大风能捕捉的方法,最大风能捕获 控制又有若干典型的控制方法,如:最佳叶尖速比法, 最优转矩法,功率信号反馈法,爬山搜索法。这些方 法的控制目标为:风速变化时,通过控制发电机的电 磁转矩使得系统在新的稳态下捕获最大风能。)
当风力发电机组起 动及风速低于额定风速 时,桨距角处于可获取 最大推力的位置,有较 低的切入风速。当风速
❖ 由于控制本身的属性,功率控制法在响应速 度,准确度以及稳定性方面都可以加以改进。 风电机组发出的电能最终都要供给负载,风 力机的运行参数,调整状况和反馈情况也要 受到负载的影响,所以功率控制可以和载荷 变量联合控制,使得控制更加快准稳。
谢谢!
两种风速情况 超过额定风速时,叶片
向小迎风角变化,从而 使获取的风能减少,这 样就保证了叶轮输出功 率不超过发电机的额定 功率,风轮速度降低使 发电机组的输出功率可
以稳定在额定功率上。
风速小于额定风速时
风速大于额定风速时
调整桨距角处于可获取最大推力 的位置,有较低的切入风速
叶片向小迎风角变化,从而使获取 的风能减少,这样就保证了叶轮输 出功率不超过发电机的额定功率
2.1启动控制
❖ 当风速检测系统在一段持续时间内测得风速 平均值达到切入风速,并且系统自检无故障 时,控制系统发出释放制动器命令,机组由 待风状态进入低风速起动。
2.2并 / 脱网控制
❖ 当风力发电机转速达到同步转速时,执行并 网操作。为了减小对电网的冲击,通常采用 晶闸管软切入并网。软切入时,限制发电机 并网电流并监视三相电流的平衡度,如果不 平衡度超出限制则需停机。除此之外,软切 入装置还可以使风力发电机在低风速下起动。 当风速低于切入风速时,应控制已并网的发 电机脱离电网,并在风速低于 4 m /s 时进行 机械制动。
平行轴齿轮驱动和垂直轴伞型齿轮驱动 (也有机械摇杆驱动)
四 风电机组变桨距功率控制法
❖ 什么是功率控制法:传统的恒功率控制模式用于风速 较大的场合。为保证风电系统的安全运行,需要限制 其转速和发电机的输出功率,由于发电机和变频装置 的电气限制,仅仅靠电磁转矩的控制已无法保证系统 的安全,此时需要控制风机的桨距角以降低风机的风 能捕获量,从而限制风机的转速和输出功率。
变桨距风电机组
变桨距执行机构
现场总线
3.1变桨距调节的工作原理
风力机桨叶根部与轮毂之间通过轴承连接,也就是说其连 接是不固定可以自由旋转的,当风速发生变化时,风力机的 桨叶可以绕其轴线转动来调节叶片的桨距角,通过桨距角的 变化来影响风电机组的转速,从而达到控制风力发电机组输 出功率的目的。
变桨过程:根据机舱顶部的气象站和风速仪所测 量数据,控制系统发出指令给变桨电机,变桨电机 为变桨系统提供扭矩,变桨系统把扭矩增加大约100 倍后,通过另外一端的变桨小齿轮(小齿轮上面带 着一个齿形带,齿形带与叶片上面的变桨轴承相 连),把力传递到变桨轴承上面,使变桨轴承旋转, 改变叶片的迎风角度。
2.3制动控制
❖ 当转速超越上限发生飞车时,发电机自动脱 离电网,桨叶打开实行软刹车,液压制动系 统动作,抱闸刹车,使桨叶停止转动,调向 系统将机舱整体偏转90° 侧风,对整个塔架 实施保护。
三 风力发电的变桨距控制系统
变桨距系统
变桨距机构
变桨距控制系统
驱动装置
执行装置
机舱内分控制系统
计算机控制系统
变桨距驱动装置
❖ 按每个叶片是独立调节还是同步调节可以分 为两种 :共同驱动变桨距系统 ,独立驱动变 桨距系统
叶片独立变桨
变 桨 轴 承
编码器
限位开关
变桨控制柜 变桨驱动装置
紧急备用 电池柜
变桨距执行机构
❖ 变桨距执行机构是指直接控制叶片转动部分 的机械装置
❖ 常见的变桨距执行机构有 :平行轴齿轮驱 动,垂直轴伞型齿轮驱动,机械摇杆驱动
4.1变桨距功率控制模型
桨距角 检测
给定桨距角
变桨距
变桨距
控制器
机构
风轮
给定功率值
接电网 发电机
并网开关
功率检测
变桨距调节控制器的组成
设定转速
转速检测 风力发电机
变桨距驱动
高于额定转速
比
较
器
低于额定转速
期望的转速,扭矩
叶片位置检测
变桨距控制器控 制目标:最大功
率输出
Βιβλιοθήκη Baidu
转速桨位需求 扭矩桨位需求
4.2系统的软件设计
风力发电的变桨距控制方法研究
目录
❖ 一 概论 ❖ 二 风力发电的控制系统介绍 ❖ 三 风力发电机的变桨距控制系统 ❖ 四 直驱型风电机组变桨距功率控制法 ❖ 五 功率控制法的改进
一 概论
❖ 大型MW级风电机组在世界主要国家已经投入产业 化生产
❖ 同世界发达国家的水平相比,我国的风机生产水平 有很大差距 ,在变桨距技术方面有诸多体现
❖ 在变桨距控制系统中,高风速段的变 桨距调节功率是非常重要的部分,若 退桨速度过慢则会出现过功率和过电 流现象,甚至会烧毁发电机;若桨距 调节速度过快,不但会出现过调节现 象,使输出功率较大,而且会缩短变 桨距液压缸,变桨距电动机和变桨距 轴承的使用寿命,进而影响发电机的 输出功率,使发电量降低。
❖ 风机的叶片直径在不断的增大,严重影响到风电机 组传动机构等部件的机械应力和疲劳寿命,变桨控 制技术得到世界共识并快速发展
较高的风 能利用系
数
高风速段 的额定功
率
变桨距控 制的优点
提高风力 机组起动 性能与制 动性能
提高风机 的整体柔
性度
减小整机 和桨叶的 受力状况
二 风力发电的控制系统介绍
开始
Y
有停机故障信号
∆P=P-P0
∆P=0
Y -10<∆P<10?
N
按比例增大桨距角, 最大速度不超过4.6⁰ /s
Y
∆P>0?
N
按比例减小桨距角,桨 距角变化速度不超过 1⁰/s,并且桨距角不小于
Y
∆P<0?
3⁰
N
结束
由PLC的输出单元输出一个 数字量信号,使紧急顺桨电
磁阀打开,迅速顺桨
五 功率控制法的改进与应用