风力发电机组控制技术

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1000 功率输出/kW 0.5 0.4 功率/kW 0.3 0.2
800
600 400 200 0 2 4
Cp
6 8 10 12 14 16 18 风速/(m/s)
0.1
4.1 定桨距风力机的特点
2、额定转速的设定对功率输出的影响 需要说明的是:额定转速并不是在额定风速时具有最大功 率系数而设定的。因为风力发电机组并不是经常运行在额定风 速点上,并且功率与风速的三次方成正比,只要风速超过额定 风速,功率就会显著上升,这对于定桨距风力发电机组来说是 无法控制的。 事实上,定桨距风力发电机组早在风速达到额定值以前就已 经开始失速了。到额定点时功率系数已经很小了。
4.1 定桨距风力机的特点
为了解决上述两个两个问题: 1. 桨叶制造商在20世纪70年代利用玻璃钢复合材料研制成 功了失速性能良好的风力机桨叶,解决了定桨距风力发电机 组在大风时的功率控制问题。
β为桨距角, i为攻角。
叶片上下翼面形状不同。失速 调节的攻角沿轴向由根部向叶 尖渐渐减少,因而根部叶面先 进入失速,随风速增加,失速 部分向叶尖处扩展,原先已失 速的部分,失速程度加深,末 失速的部分渐渐进入失速区。 失速部分使功率减少,末失速 部分仍有功率增加,输入功率 保持在额定值附近。
4.1 定桨距风力机的特点
P
功率恒定区 转速恒定区 B
C
D
恒定区 启动区
A
O
Cp
切入风速点
额定风速点 额定功率点
v
2、额定转速的设定对功率输出的影响 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。
4.1 定桨距风力机的特点
3、节距角对功率输出的影响 在低风速区,不同的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。 事实上,调整桨叶的节距角主要改变了叶片对气流 的失速点,这是随空气密度调整节距角的依据。
3.2 机组的基本运行过程
三、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。
四、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 进入叶片液压缸,扰流器被收回与叶片主体合为一体。 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。
4.1 定桨距风力机的特点
为了解决这个问题,出现了主动失速型定桨距风力发电 机组。当采取主动失速的风力机开机时,将桨叶节距推进 到获得最大功率位置,当风力发电机组超过额定功率后,
桨叶节距主动向失速方向调节,将功率调整在额定值上。
由于功率曲线在失速范围内的变化率比失速前要低得多
,控制相对容易,输出功率也更加平稳。
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。
4.2 机组的基本运行过程
二、风力发电机组的自启动及启动条件
机组在自然风作用下将发电机拖动升速、并网的过程。
早期的定桨距风力发电机组是在发电机的协助下完成起动的, 这时用发电机作电动机运行,直到现在,绝大多数定桨距风力 机仍具备电动机起动功能。由于桨叶气动性能的不断改进,目 前绝大多数风力发电机组的风轮具有良好的自起动性能。
扭角:根弦和尖弦夹角绝对值。
翼型几何弦与风轮扫掠平面的夹角称为桨距角。 改变叶片桨距角称为变桨距,简称变距。
4.1 定桨距风力机的特点
2.在20世纪80年又将叶尖扰流器成功在应用在风力发电机 组上,解决了在突甩负载情况下的安全停机问题。
叶尖扰流器工作原理:扰流器是安装在主翼上的金属板,
具有填料盖和滑板两种类型。
发电机
电网

风速
控 制 系 统
4.2 机组的基本运行过程
五、风力发电机组的并网
1. 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 。
4.2 机组的基本运行过程
五、风力发电机组的并网
2. 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。 小发电机向大发电机的切换
功率
大发电机功率曲线
小发电机功率曲线
P1 切换点 P2 风速
首先断开小发电机接 触器,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,在到达同步 转速1500r/min附近时, 再次执行大发电机的软 并网程序。
油温高于60℃时冷却系统启动,低于45℃时停止冷却。
发电机温升控制 通过冷却系统控制发电机温度,如温度控制在130~140℃, 到150~155℃停机。
4.3 机组的基本控制要求
功率过高或过低的处理
风速较低时发电机如持续出现逆功率(一般30~60 s), 退出电网,进入待机状态。功率过高,可能为电网频率波 动(瞬间下降),机械惯量不能使转速迅速下降,转差过 大造成。也可能是气候变化,空气密度增加造成。当持续 10min大于额定功率15%或2s大于50%应停机。
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第4章 风力发电机组控制技术
4.1 定桨距风力机的特点
一、结构特点:桨叶与轮毂的连接是固定的,桨距角固定不 变,当风速变化时,桨叶的迎风角度不能随之变化。
定桨距风力发电机组要解决两个问题:
1. 当风速高于风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,这一特性称为自动失速。 2.运行中的风力发电机在突然失去电网(突甩负载)的情况 下,桨叶自身必须具备制动能力,使风力发电机组在大风情 况下安全停机。
4.2 机组的基本运行过程
五、风力发电机组的并网
3. 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 迅速投入小发电机 大发电机功率曲线 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 小发电机功率曲线 定转速附近。只要转 P1 速不超过超速保护的 切换点 设定值,就允许执行 P2 风速 小发电机软并网。
当风力机正常运行时,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。 当风力机需要脱网停机时,液压系统按控制指令将扰流器 释放并使之旋转80~900形成阻尼板。
4.1 定桨距风力机的特点
2.在20世纪80年又将叶尖扰流器成功在应用在风力发电机 组上,解决了在突甩负载情况下的安全停机问题。
4.2 机组的基本运行过程
五、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。
风轮 主继电器 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 主开关 变压器 转速进入发电状态 熔断器 转速 功 1秒后旁路接触器闭合,电流被旁路,如一切正常,晶 晶闸管 无功补偿 率 变桨 并 闸管停止触发。 网 增速器
风力 参数
控制偏航系统工作,风速低于3m/s偏航系统不会工作。
4.3 机组的基本控制要求
转速:机组有发电机转速和风轮转速两个测点。 控制发电机并网和脱网、超速保护。 温度:增速器油温、高速轴承温度、发电机温度、前 后主轴承温度、晶闸管温度、环境温度。 振动:机舱振动探测。 电缆扭转:安装有从初始位置开始的齿轮记数传感器。 用于停机解缆操作,位置行程开关停机保护。 刹车盘磨损。
风力发电机组退出电网
风速过大会使叶片严重失速造成过早损坏。
风速高于25 m/s持续10min或高于33m/s持续2s正常停机,风速 高于50m/s持续1s安全停机,侧风90°。
4.3 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。 运行 急停→停机: 停机条件满足,关闭急停电路、建立 液压工作压力。
机组 参数
油位:润滑油和液压系统油位。 各种反馈信号的检测
控制器在发出指令后的设定时间内应收到的反馈信号包括回收叶 尖扰流器、松开机械刹车、松开偏航制动器、发电机脱网转速降 落。否则故障停机。
4.3 机组的基本控制要求
增速器箱内由PT-100热电阻温度传感器测温; 增速器 油温的 控制 加热器保证润滑油温不低于10℃; 润滑油泵始终对齿轮和轴承强制喷射润滑;
功率 大发电机功率曲线
小发电机功率曲线
P1 切换点 P2
双速风力发电机功率曲线
风速
4.1 定桨距风力机的特点
二、影响功率输出的因素
1、 气温对输出功率的影响 风力发电机的功率输出主要取决于风速,除此之外,气压、 气温和气流扰动等因素也显著影响其功率输出。 当气压和气温变化时,ρ会跟着变化,一般当温度变化 ±10%,相应的空气密度变化±4%。 桨叶的失速性能只与风速有关,只要达到了叶片气动外形 所决定的失速调节风速,不论是否满足输出功率,桨叶的失速 性能都要起作用,影响输出功率。 因此当气温升高,空气密度就会下降,相应的输出功率就 会减少。因此在冬季与春季,应对桨叶的安装角各作一次调整。
二、主要监测参数及作用
电力 参数 判断并网条件、计算电功率和发电量、无功补偿、电压 和电流故障保护。 电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率、发 电机功率因数等。
发电机功率与风速有着固定的函数关系,两者不符可作 为机组故障判断的依据。 风速:每秒采集一次,10分钟计算一次平均值。 v>3m/s时发电机, v>25m/s停机。 风向:测量风向与机舱中心线的偏差,一般采用两个 风向标进行补偿。
250
200
节距角
+2° +1° 0° -1° -2°
功率/kW
50
100
150
0
5
10
15
20
25
30
35
风速/(m/s)
4.2 机组的基本运行过程
一、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;
叶尖扰流器工作原理:由于叶尖部分处于距离轴最远点,
整个叶片作为一个长的杠杆,使扰流器产生的气动阻力相当
高,足以使风力机在几乎没有任何摩擦的情况下迅速减速, 这一过程即为桨叶空气动力刹车。
4.1 定桨距风力机的特点
定桨距风轮中通常采用双速发电机(即大/小发电机)。在低 风速段运行时,采用小电机使桨叶具有较高的气动效率,在高 风速段运行时,采用大电机来提高一些发电机的运行效率。
翼型几何定义
翼型也叫叶片剖面,它是指用垂直于叶片长度方向的 平面去截叶片而得到的截面形状。
翼型几何定义
1) 中弧线:翼型表面内切圆圆心光滑连接起来的曲 线。 2) 前缘:翼型中弧线 的最前点,A。 3) 后缘:翼型中弧线的最后点,B。 4) 几何弦:连接前缘与后缘的直线,其长度为几何弦 长(简称弦长),通常用C表示。(根弦、尖弦)
4.3 机组的பைடு நூலகம்本控制要求
一、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。
4.3 机组的基本控制要求
4.1 定桨距风力机的特点
2、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。风速变化时,功率系数随之 变化。对同样直径的风轮驱动的风力发电机组,其发电机额定 转速可以有很大变化。 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。
4.2 机组的基本运行过程
起动需具备的条件为:
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。 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。
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