第二章 定桨恒速风力发电机组的控制

1.转速 风力发电机组转速的测量点主要有两个：发电机转速和叶轮转 速。对于变速恒频风力发电机组，则还需要测量变桨转速。 转速测量用于进行风力发电机组的并网和脱网，还可用于判别 超速条件，当叶轮转速超过设定限值n1或发电机转速超过设定 限值n2时，应停机。
叶轮转速和发电机转速可以相互校验。如果不符，风力发电机 组应退出运行。
2.电流 机组也监测电流的幅值和相位，并由此判断过电流和三相不平 衡故障，这些监测参数一般为短时判据，一旦出现，机组就必 须停机。产生这些故障的原因通常在于机组自身。 在定桨恒速风力发电机组并网过程中，由于三相晶闸管导通角 之间存在差异，因而可能出现短时电流不平衡，因为持续时间 短，并不影响对机组电能质量的整体评价。
风力发动机组监测与控制
第二章 定桨恒速风力发电机组的控制
第二章 定桨恒速风力发电机组的控制 第一节 定桨恒速风力发电机组的工作原理
第二节 定桨恒速风力发电机组的监测与运行控制
第三节 定桨恒速风力发电机组的发电过程控制 第四节 定桨恒速风力发电机组的制动与保护系统
第一节 定桨恒速风力发电机组的工作原理 一、叶轮结构
3.有功功率和无功功率 通过分别测量电压相角和电流相角，经过移相补偿算法、平均 值算法处理后，用于计算机组的有功功率和无功功率。一些性 能较好的机组也可采用测量瞬时有功、瞬时无功的方法来积分 计算机组的有功功率和无功功率。
(二)风力参数监测 1.风速
2.风向
1.风速 风速通过机舱外的风速仪测得。通常风力发电机组中央控制器 每秒采集一次来自于风速仪的风速数据，每10min计算一次平 均值，用于判别起动风速(v＞3m/s)和停机风速(v＞25m/s)。安 装在机舱顶上的风速仪处于叶轮的下风向，因此在运行时受叶 轮干扰，不能准确地测量风速，一般不用来产生功率曲线。
图2-7
桨叶节距角对输出功率的影响
第二节 定桨恒速风力发电机组的监测与运行控制 一、控制系统的基本功能
二、监测与控制的主要内容
三、风力发电机组的运行状态控制
一、控制系统的基本功能 并网运行的定桨恒速风力发电机组的控制系统必须具备以下功能： (1)机组能根据风况自行起动和停机。 (2)并网和脱网时，能将机组对电网的冲击影响减小到最低限度。 (3)能根据功率及风速大小进行转速切换(双速发电机)。 (4)根据风向信号自动对风，并能自动解除电缆过度扭转。 (5)能对功率因数进行自动补偿。
5.机械制动状况 在机械制动系统中必须装有制动片磨损指示器，如果制动片磨 损到一定程度，控制器将显示故障信号，这时只有更换制动片 后才能起动风力发电机组。 在连续两次制动动作之间，有一个预置的时间间隔，使制动装 置有足够的冷却时间，以免重复使用使制动盘过热。也有的风 力发电机组用温度传感器来取代延时程序，这时制动盘的温度 必须低于预置的温度才能起动风力发电机组。
对于我国南方，如广东省的沿海地区，气温很少低于0℃，可
不用考虑油温加热器；对于一些气温不高的地区，也可不用设 置箱外冷却系统。
(六)发电机温升控制
图2-8
发电机齿轮箱循环冷却系统
(七)功率过高或过低的处理 1.功率过低
2.功率过高
1.功率过低 如果发电机功率持续(一般设置30～60s)出现逆功率，其值小于 设置值Ps，风力发电机组将退出电网，进入待机状态。脱网动 作过程如下：气动制动(甩出叶尖扰流器或桨距角向90°方向调 整)，在功率下降到一定程度后停止变流器工作(变速恒频风力 发电机组)，分断接触器或断路器。
3.机舱振动 为了检测机组的异常振动，在机舱上应安装振动保护开关。传 统的振动保护开关由一个与微动开关相连的钢球及其支撑组成。 过振动时，钢球从支撑它的圆环上落下，拉动微动开关，引起 安全停机。重新起动时，必须重新安装好钢球。现代的变速恒 频风力发电机组大多采用连续的振动频率、振动幅度监测，传 感器将测量值实时传输给主控系统并根据叶轮转速和塔筒的固 有频率进行保护。 在大型的变速恒频风力发电机组中，不仅需要测试机舱的前后 和左右振动，还需要对传动系统的扭转振动进行监测。
6.油脂 机组用的油料包括润滑油和液压油，润滑油脂如缺失则会导致 机械损伤，液压油位如偏低则说明存在泄漏的可能，并有执行 失效的风险。 润滑对象主要有主轴承、齿轮箱及其轴承、发电机轴承、变桨 齿轮及其轴承、偏航齿轮及其轴承。在润滑油脂缺乏或润滑油 路堵塞时，自动润滑系统应向主控系统报警。
(四)各种反馈信号的检测 (1)叶尖扰流器控制或变桨控制。
失去翼型效应，与未分离时相比，上下翼面压力差减小，致使
阻力激增，升力减小，造成叶片失速，从而限制了功率的增加， 如图2-1所示。
二、桨叶的失速调节原理
图2-1
桨叶的失速原理
三、叶尖扰流器 叶尖扰流器的结构如图2-2所示。当 风力发电机组正常运行时，在液压系 统的作用下，叶尖扰流器与桨叶主体 部分精密地合为一体，组成完整的桨 叶。当风力发电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，由于叶尖部分处于 距离旋转中心的最远点，整个叶片作 为一个长的杠杆，使叶尖扰流器产生 的气动阻力相当高，足以使风力发电 机组迅速减速，这一过程即为桨叶空 气动力制动。叶尖扰流器是定桨恒速 风力发电机组的主要制动器，每次制 动时都是它起主要作用。
(2)机械制动控制。
(3)偏航控制。 (4)发电机脱网及脱网后的转速降落信号。 (5)齿轮箱润滑油泵控制。
(五)齿轮箱油温的控制 齿轮箱箱体内安装有PT100温度传感器。运行前，应保证齿轮
油温高于10℃(根据润滑油的要求设定)，否则加热至10℃再运
行。正常运行时，润滑油泵始终工作，对齿轮和轴承进行强制 喷射润滑油。当油温高于60℃时，油冷却系统起动，油被送入 齿轮箱外的热交换器进行自然风冷或强制风冷。当油温低于45 ℃时，冷却油回路切断，停止冷却。 目前，大型风力发电机组齿轮箱都带有强制润滑冷却系统和油 温加热器，但油温加热器与箱外冷却系统并非缺一不可。例如，
2.温度 温度的测量点非常多，用于反映风力发电机组系统的工作状况， 主要有以下方面： 1)齿轮油温及高速轴承温度。 2)发电机绕组及其轴承温度。 3)主轴承温度。 4)发电机驱动器(变流器、软并网装置、变桨驱动器等)温度。 5)控制器环境温度。 由于温度引起的风力发电机组退出运行，在温度降至允许值时， 仍可自动起动风力发电机组运行。
对于变速恒频风力发电机组，还应具备以下功能：
(1)并网时不对电网产生冲击影响。 (2)通过对机组实施变桨距和变速控制，使机组运行在预先设定 的最佳功率曲线上。 (3)能通过变桨和变速调节改善机组的动态载荷。 (4)能够接受远程调度，对机组输出的无功功率和有功功率进行 控制。
(5)能够实现短时电网故障穿越。
二、监测与控制的主要内容 (一)电力参数监测
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(二)风力参数监测
(三)机组状态参数检测 (四)各种反馈信号的检测 (五)齿轮箱油温的控制 (六)发电机温升控制 (七)功率过高或过低的处理 (八)风力发电机组退出电网
(一)电力参数监测 1.电压
2.电流
3.有功功率和无功功率
1.电压 机组监测电压的幅值和相位，并由此判断过电压、欠电压、过 频、欠频、三相不平衡、相位突变等故障。在上述参数中，除 相位突变外，其他参数都可以分为短时判据和长时判据来监控， 这些监测参数一旦超出允许值，有可能是机组本身的原因，但 更可能是电网的原因。
二、桨叶的失速调节原理
三、叶尖扰流器 四、双速发电机 五、功率输出 六、桨距角与额定转速的设定对功率输出的影响
一、叶轮结构 定桨恒速风力发电机组的主要结构特点是桨叶与轮毂的连接是
固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。这
一特点给定桨恒速风力发电机组提出了几个必须解决的问题。 一是当风速高于叶轮的设计点风速即额定风速时，桨叶必须能 够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力发电机组上所有 材料的物理性能是有限度的，桨叶的这一特性被称为自动失速 性能；二是运行中的风力发电机组在电网突然失电或其他紧急 情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在
大风情况下安全停机。
二、桨叶的失速调节原理 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。桨叶的失速性能是指它在最大升力系数Clmax 附近的性能。一方面，当桨叶的安装角β不变，随着风速增加 攻角i增大时，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。另一方面，阻力系数Cd初期不断 增大；在升力开始减小时，Cd继续增大，这是由于气流在叶片 上的分离区随攻角的增大而增大，分离区形成大的涡流，流动
2.风向 风向标安装在机舱顶部两侧，主要用于测量风向与机舱中心线 的偏差角。一般采用两个风向标，以便互相校验，以排除可能 产生的错误信号。控制器根据风向信号，起动偏航系统。当两 个风向标不一致时，偏航会自动中断。当风速低于3m/s时，偏 航系统不会起动。
(三)机组状态参数检测 1.转速
2.温度
3.机舱振动 4.电缆扭转 5.机械制动状况 6.油脂
(八)风力发电机组退出电网 (1)风速高于25m/s，持续10min。
(2)风速高于33m/s，持续2s，正常停机。
(3)风速高于50m/s，持续1s，安全停机。
三、风力发电机组的运行状态控制 (一) 风力发电机组的工作状态
(二)工作状态之间的转换
(三)故障处理
(一) 风力发电机组的工作状态 风力发电机组总是工作在以下状态之一：
2.功率过高 一般说来，功率过高现象由两种情况引起：一是由于电网频率 波动引起的，电网频率降低时，同步转速下降，而发电机转速 短时间不会降低，转差较大，各项损耗及叶轮动能瞬时不会发 生突变，因而电功率瞬时会变得很大；二是由于气候变化，空 气密度的增加引起的。功率过高如持续一定时间，控制系统应 做出反应。对于定桨恒速风力发电机组，可设置为当机组输出 功率持续10min大于额定功率的15％时，正常停机；当功率持 续2s大于额定功率的50％时，安全停机。对于变速恒频风力发 电机组，因机组对有功功率优良的控制能力，上述情况不会引 起长时间过功率可降低短时和长时过功率的超限值。
4.电缆扭转 由于发电机电缆及所有电气、通信电缆均从机舱直接引入塔筒， 直到地面控制柜。如果机舱经常向一个方向偏航，会引起电缆 严重扭曲。因此，偏航系统还应具备扭缆保护的功能。偏航齿 轮上安装有一个独立的计数传感器，以记录相对初始方位所转 过的齿数。当风力发电机组向一个方向持续偏航达到设定值时， 表示电缆已被扭曲到危险的程度，控制器将发出停机指令并显 示故障，以使风力发电机组停机并执行顺或逆时针解缆操作。 为了提高可靠性，有的机组在电缆引入塔筒处(即塔筒顶部)， 还安装了机械式的行程开关，行程开关触点与电缆相连，当电 缆扭转到一定程度时可直接拉动行程开关，引起安全停机。 为便于了解偏航系统的当前状态，控制器可根据偏航计数传感 器的报告，显示机舱当前方位与初始方位的偏转角度及正在偏 航的方向。
图2-2
叶尖扰流器结构
四、双速发电机
图2-3 双速发电机功率曲线
五、功率输出
图2-4 空气密度变化对功率输出的影响
五、功率输出
图2-5
主动失速控制与变速恒频控制中的桨距角变化规律
六、桨距角与额定转速的设定对功率输出的影响
图2-6
定桨恒速风力发电机组
六、桨距角与额定转速的设定对功率输出的影响
(1)运行状态。
(2)暂停状态。 (3)停机状态。 (4)紧急停机状态。
(一) 风力发电机组的工作状态 1.运行状态 2.暂停状态 3.停机状态 4.紧急停机状态
1.运行状态
(1)制动装置松开。
(6)对出现的异常情况能够自行判断，并在必要时切出电网。
(7)当发电机切出电网时，能确保机组安全停机。 (8)在机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行监
测和记录，能够根据记录的数据，生成各种图表，以反映风力发
电机组的各项性能指标。
一、控制系统的基本功能 (9)在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信的功能。