風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù) 課件3-2 定槳恒速機(jī)組的控制

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從20世紀(jì)80年代中期開始逐步實(shí)現(xiàn)了商品化、產(chǎn)業(yè)化。經(jīng)過十余年的發(fā)展，容量已從數(shù)十千瓦級(jí)增大到兆瓦級(jí)，盡管在兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)中已采用變槳距技術(shù)和變速恒頻技術(shù)，但由此增加了控制系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的復(fù)雜性，也對機(jī)組的成本和可靠性提出了新的挑戰(zhàn)。因此，定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)是始終存在的，而且在某些特定的條件下有其應(yīng)用的優(yōu)勢。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制風(fēng)輪結(jié)構(gòu)1葉尖擾流器2雙速發(fā)電機(jī)3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)葉片的失速調(diào)節(jié)原理1功率輸出2節(jié)距角與額定轉(zhuǎn)速的設(shè)定對功率輸出的影響3運(yùn)行控制特點(diǎn)一、定槳距機(jī)組的特點(diǎn)第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)風(fēng)輪定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是葉片與輪轂的連接是固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，葉片的迎風(fēng)角度不能隨之變化。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制葉尖擾流器機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，葉尖擾流器與葉片主體部分精密地合為一體，組成完整的葉片。機(jī)組需要脫網(wǎng)停機(jī)時(shí)，擾流器按控制指令釋放并旋轉(zhuǎn)80°～90°形成阻尼板，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組迅速減速（葉片空氣動(dòng)力制動(dòng)）。葉尖擾流器是定槳恒速機(jī)組的主要制動(dòng)器，制動(dòng)時(shí)起主要作用。失速機(jī)組葉尖制動(dòng)，進(jìn)行超速保護(hù)。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制制動(dòng)時(shí)葉尖部分繞葉片軸向旋轉(zhuǎn)90度，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。通過葉尖擾流器來實(shí)現(xiàn)極端情況下的安全停機(jī)問題。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制雙速發(fā)電機(jī)風(fēng)速在3m/s-25m/s（運(yùn)行風(fēng)速）時(shí)，葉片的攻角不斷變化，為了解決低風(fēng)速時(shí)的效率問題，并避免葉片過早進(jìn)人失速狀態(tài)，一些定槳恒速機(jī)組采用雙速發(fā)電機(jī)，分別設(shè)計(jì)成4極和6極。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制一般6極發(fā)電機(jī)的額定功率設(shè)計(jì)成4極發(fā)電機(jī)的1/4到1/5例：600KW機(jī)組，6極150KW和4極600KW。750KW，6極200KW和4極750KW。1000KW，6極200KW和4極1000KW。大發(fā)電機(jī)功率曲線風(fēng)速功率小發(fā)電機(jī)功率曲線P1切換點(diǎn)P2第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制低風(fēng)速段運(yùn)行時(shí)，葉片具有較高的氣動(dòng)效率，發(fā)電機(jī)的效率也保持在較高水平，定槳距與變槳距機(jī)組在進(jìn)入額定功率前的功率曲線差異不大。雙速發(fā)電機(jī)功率曲線第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制2、運(yùn)行控制特點(diǎn)面臨的問題：葉片的這一特性被稱為自動(dòng)失速性能；運(yùn)行中機(jī)組在電網(wǎng)突然失電或其他緊急情況下，葉片自身須具備制動(dòng)能力，使機(jī)組能夠安全停機(jī)。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制解決辦法：√自動(dòng)失速——采用失速性能良好的葉片(玻璃鋼復(fù)合材料)√安全停機(jī)——葉尖擾流器第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制葉片的失速調(diào)節(jié)原理當(dāng)氣流流經(jīng)上下翼面形狀不同的葉片時(shí)，因凸面的彎曲而使氣流加速，壓力較低；凹面較平緩而使氣流速度緩慢，壓力較高，因而產(chǎn)生升力。葉片的失速性能是指它在最大升力系數(shù)Clmax附近的性能。葉片的安裝角β不變，風(fēng)速增加攻角i增大，升力系數(shù)Cl線性增大；在接近Clmax時(shí)，增大變緩；達(dá)到Clmax后開始減小。阻力系數(shù)Cd初期不斷增大；在升力開始減小時(shí)，Cd繼續(xù)增大，造成葉片失速，從而限制了功率的增加。下圖。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制-30o

-20o

-10o0o0.80.60.40.2-0.2升力系數(shù)與阻力系數(shù)隨攻角變化升力系數(shù)隨攻角的增加而增加，使得葉片的升力增加，但當(dāng)增加到某個(gè)角度后升力開始下降；阻力系數(shù)開始上升。出現(xiàn)最大升力的點(diǎn)叫失速點(diǎn)10o

20o

30o

40o（攻角）l（升力系數(shù)C

）（升力系數(shù)Cd）截面形狀（翼型彎度、翼型厚度、前緣位置）、表面粗糙度等都會(huì)影響升力系數(shù)與阻力系數(shù)。葉片兩端會(huì)產(chǎn)生渦流，造成阻力增加。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制失速是翼型運(yùn)行在非正常狀態(tài)，是不穩(wěn)定的狀態(tài)；失速角不是一成不變的；失速不可能穩(wěn)定地控制轉(zhuǎn)速，控制的范圍也有限。正常工作狀態(tài)失速狀態(tài)第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制結(jié)論：因葉片的安裝角β不變，風(fēng)速增加→升力增加→升力變緩→升力下降→阻力增加→葉片失速葉片根部葉面先進(jìn)入失速，隨風(fēng)速增大，失速部分向葉尖處擴(kuò)展，已失速的部分，失速程度加深，未失速的部分逐漸進(jìn)入失速區(qū)。失速部分使功率減少，未失速部分仍有功率增加。從而使輸入功率保持在額定功率附近。定槳距失速型機(jī)組通過葉片失速來控制大風(fēng)時(shí)的功率輸出。功率輸出機(jī)組的功率輸出主要取決于風(fēng)速。此外，氣壓、氣溫、海拔高度和氣流擾動(dòng)等因素也會(huì)顯著影響的功率輸出。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制空氣密度變化對功率輸出的影響第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制同樣的風(fēng)機(jī)安裝在不同地點(diǎn)，其葉片角度不應(yīng)該相同。冬季和夏季應(yīng)對葉片的安裝角各作一次調(diào)整第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制主動(dòng)失速控制與變速恒頻控制中的槳距角變化規(guī)律第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制節(jié)距角與額定轉(zhuǎn)速的設(shè)定對功率輸出的影響機(jī)組功率曲線上只有一點(diǎn)有最大功率系數(shù)。額定轉(zhuǎn)速低的機(jī)組，低風(fēng)速下有較高的功率系數(shù)；額定轉(zhuǎn)速高的機(jī)組，高風(fēng)速下有較高的功率系數(shù)。設(shè)計(jì)的最大功率系數(shù)并不出現(xiàn)在額定功率上。定槳距機(jī)組應(yīng)盡量提高低風(fēng)速的功率系數(shù)和考慮高風(fēng)速的失速性能。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制10008006004002000.10.20.30.40.5功率輸出/kW0

2

4

6

8 10

12

14

16

18風(fēng)速/（m/s)優(yōu)先考慮提高低風(fēng)速段的功率系數(shù)，合理利用高風(fēng)速時(shí)的失速特性。設(shè)定槳距角（安裝角）來實(shí)現(xiàn)定槳恒速機(jī)組功率曲線與功率系數(shù)關(guān)第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制葉片節(jié)距角對輸出功率的影響第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換故障處理123運(yùn)行狀態(tài)控制12發(fā)電過程控制待機(jī)狀態(tài)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自起動(dòng)及起動(dòng)條件3

風(fēng)輪對風(fēng)4制動(dòng)解除風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)與脫網(wǎng)條件及實(shí)現(xiàn)步驟5二、基本運(yùn)行過程第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制1、機(jī)組的工作狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)暫停狀態(tài)停機(jī)狀態(tài)緊急停機(jī)狀態(tài)第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制運(yùn)行狀態(tài)制動(dòng)裝置松開允許機(jī)組運(yùn)行和發(fā)電允許機(jī)組發(fā)電機(jī)并網(wǎng)葉尖擾流器收回機(jī)組自動(dòng)偏航冷卻系統(tǒng)自動(dòng)工作操作面板顯示“Run”第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制暫停狀態(tài)制動(dòng)裝置松開液壓泵保持工作壓力自動(dòng)偏航處于激活狀態(tài)葉尖擾流器釋放葉輪已經(jīng)停止或空轉(zhuǎn)冷卻系統(tǒng)自動(dòng)冷卻操作面板顯示“Pause”這個(gè)工作狀態(tài)在調(diào)試機(jī)組時(shí)非常有用第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制停機(jī)狀態(tài)制動(dòng)裝置松開葉尖擾流器釋放液壓泵保持工作壓力自動(dòng)偏航系統(tǒng)不工作自動(dòng)冷卻系統(tǒng)不工作操作面板顯示“Stop”第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制緊急停機(jī)狀態(tài)當(dāng)葉輪低于一定轉(zhuǎn)速后，施加制動(dòng)安全鏈斷開所有的主控制器輸出量被禁止計(jì)算機(jī)依然運(yùn)行，并測量所有輸入量操作面板顯示“Emergency

Stop”緊急停機(jī)時(shí)，所有接觸器斷開，主控制器輸出信號(hào)被旁路，使其不去激活任何機(jī)構(gòu)。2、工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制工作狀態(tài)層次上升緊停→停機(jī)安全鏈閉合；建立液壓工作壓力；松開機(jī)械制動(dòng)停機(jī)→暫停開始自動(dòng)偏航；起動(dòng)冷卻系統(tǒng)暫?！\(yùn)行核對機(jī)組是否處于上風(fēng)向；葉尖擾流器收回；當(dāng)風(fēng)速足夠大，葉輪達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)切入電網(wǎng)第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制工作狀態(tài)層次下降緊急停機(jī)停機(jī)→緊停，暫停→緊停，運(yùn)行→緊停斷開安全鏈；置所有輸出信號(hào)于無效；確保葉尖擾流器釋放；機(jī)械制動(dòng)作用。停機(jī)暫?！C(jī)，運(yùn)行→停機(jī)暫?！C(jī)：停止自動(dòng)偏航；確保葉尖擾流器釋放；冷卻系統(tǒng)停止運(yùn)行。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制運(yùn)行→停機(jī)：停止自動(dòng)偏航；確保葉尖擾流器釋放；如發(fā)電機(jī)處于并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)則立即脫網(wǎng)；冷卻系統(tǒng)停止運(yùn)行。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制暫停如果發(fā)電機(jī)沒有并入電網(wǎng)，則釋放葉尖擾流器，降低風(fēng)輪速度；如果發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，則釋放葉尖擾流器使功率降低后切出發(fā)電機(jī)。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制3、故障處理當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，機(jī)組自動(dòng)從較高的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到較低的工作狀態(tài)。故障處理實(shí)際上是針對機(jī)組從某一工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到較低的狀態(tài)層次可能產(chǎn)生的問題，因此檢測的范圍是限定的。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制故障檢測設(shè)在機(jī)艙和塔基的故障處理器掃描傳感器信號(hào)以檢測故障，進(jìn)行分類。每次只有能夠引起機(jī)組從較高工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入較低工作狀態(tài)的故障才能通過。故障記錄故障處理器將故障存儲(chǔ)在運(yùn)行記錄表和報(bào)警表中。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制對故障的反應(yīng)降為暫停狀態(tài)降為停機(jī)狀態(tài)降為緊急停機(jī)狀態(tài)故障處理后的重新起動(dòng)在故障已被接受之前，工作狀態(tài)層次不可能任意上升。故障被接受的方式：外部原因(如溫度、電壓波動(dòng))引起的故障可自動(dòng)復(fù)位；一般故障可遠(yuǎn)程控制復(fù)位；致命故障，不允許自動(dòng)復(fù)位或遠(yuǎn)程控制復(fù)位，必須現(xiàn)場檢查后，在機(jī)組內(nèi)的控制面板上復(fù)位。故障狀態(tài)被自動(dòng)復(fù)位一段時(shí)間(通常為10min)后自動(dòng)重起，但一天內(nèi)發(fā)生的次數(shù)有限定。若控制器出錯(cuò)可通過看門狗(Watch

Dog)來觸發(fā)停機(jī)。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制4、運(yùn)行過程控制待機(jī)狀態(tài)當(dāng)風(fēng)速v＞3m/s，機(jī)械制動(dòng)已松開，葉尖擾流器已收回，轉(zhuǎn)速低于切入轉(zhuǎn)速，或者從小功率(逆功率)狀態(tài)切出，沒有重新并入電網(wǎng)時(shí)，機(jī)組處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，稱為待機(jī)狀態(tài)(游離狀態(tài))。待機(jī)狀態(tài)除了發(fā)電機(jī)沒有并入電網(wǎng)以外，機(jī)組實(shí)際上已處于工作狀態(tài)。此時(shí)控制系統(tǒng)已作好切入電網(wǎng)的一切準(zhǔn)備。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制控制系統(tǒng)做好切入電網(wǎng)的準(zhǔn)備；機(jī)械剎車已松開；葉尖阻尼板已收回；風(fēng)輪處于迎風(fēng)狀態(tài)；液壓系統(tǒng)壓力保持在設(shè)定值上；

風(fēng)況、電網(wǎng)和機(jī)組的所有狀態(tài)參數(shù)檢測正常，一旦風(fēng)速增大，轉(zhuǎn)速升高，即可并網(wǎng)。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制自起動(dòng)及起動(dòng)條件自起動(dòng)：葉輪在自然風(fēng)速的作用下，不依靠其他外力的協(xié)助，將發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。早期的定槳距機(jī)組不具有自起動(dòng)能力，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)(Motor-start)。一般在風(fēng)速v＞3m/s的條件下，即可自起動(dòng)。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制機(jī)組在自然風(fēng)作用下升速、并網(wǎng)的過程，需具備三方面條件123電網(wǎng)風(fēng)況機(jī)組第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制·

電網(wǎng)：連續(xù)10分鐘沒有出現(xiàn)過電壓、低電壓；0.1秒內(nèi)電壓跌落小于設(shè)定值；電網(wǎng)頻率在設(shè)定范圍內(nèi)；沒有出現(xiàn)三相不平衡等現(xiàn)象。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制·

風(fēng)況：連續(xù)10分鐘風(fēng)速在機(jī)組運(yùn)行范圍內(nèi)(3.0m/s～25m/s)。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制·

機(jī)組：發(fā)電機(jī)溫度、增速器油溫在設(shè)定值范圍內(nèi)；液壓系統(tǒng)各部位壓力在設(shè)定值內(nèi)；液壓油位和齒輪潤滑油位正常；制動(dòng)器摩擦片正常；扭纜開關(guān)復(fù)位；控制系統(tǒng)電源正常；非正常停機(jī)故障顯示均已排除；維護(hù)/運(yùn)行開關(guān)在“運(yùn)行”位置。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制風(fēng)輪對風(fēng)10分鐘平均風(fēng)速v＞3m/s時(shí)，允許葉輪對風(fēng)；偏航角度通過風(fēng)向儀測定；需延遲10s后才能執(zhí)行向左或向右偏航釋放偏航制動(dòng)1s后，執(zhí)行左右偏航偏航停止時(shí)，偏航制動(dòng)投入。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制制動(dòng)解除√ 葉尖擾流器被收回與葉片主體合為一體。√控制器收到葉尖擾流器已收回的反饋信號(hào)后，松開盤式制動(dòng)器。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)與脫網(wǎng)條件及實(shí)現(xiàn)步驟當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，三相主電路上的晶閘管被觸發(fā)開始導(dǎo)通，導(dǎo)通角隨與同步轉(zhuǎn)速的接近而增大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的加速度減少。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制控

制

系

統(tǒng)風(fēng)輪增速器發(fā)電機(jī)主繼電器熔斷器晶閘管電主開關(guān)變壓器網(wǎng)風(fēng)變槳風(fēng)速轉(zhuǎn)速并網(wǎng)功率無功補(bǔ)償風(fēng)當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)晶閘管完全導(dǎo)通，轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。1秒后旁路接觸器閉合，電流被旁路，如一切正常，晶閘管停止觸發(fā)。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制大小發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)程序小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)的切換電動(dòng)機(jī)起動(dòng)第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制大發(fā)電機(jī)功率曲線小發(fā)電機(jī)功率曲線P1

切換點(diǎn)

P2風(fēng)速功率大小發(fā)電機(jī)的切換第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制三、基本控制策略1、控制系統(tǒng)的基本功能★根據(jù)風(fēng)況自行起、停機(jī)；★并網(wǎng)和脫網(wǎng)時(shí)，將機(jī)組對電網(wǎng)的沖擊減小到最低；★根據(jù)功率及風(fēng)速大小進(jìn)行轉(zhuǎn)速切換(雙速發(fā)電機(jī))；★根據(jù)風(fēng)向信號(hào)自動(dòng)對風(fēng)，并能自動(dòng)解纜；★對功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償；第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制★

自行判斷異常情況，并在必要時(shí)切出電網(wǎng)；★

發(fā)電機(jī)切出電網(wǎng)時(shí)，確保安全停機(jī)；★

監(jiān)測和記錄電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組的運(yùn)行狀況，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)生成各種圖表；★

遠(yuǎn)程通信的功能。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制2、軟切入控制系統(tǒng)必不可少的部分。軟切入裝置（SOFT

CUT-IN

UNIT）：限制發(fā)

電機(jī)在并網(wǎng)和大小發(fā)電機(jī)切換時(shí)的瞬變電流，以免對電網(wǎng)造成過大的沖擊。電網(wǎng)的容量比發(fā)電機(jī)的容量大得多時(shí)(≧25倍)，方可不考慮沖擊電流。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制3、并網(wǎng)方式單機(jī)容量增大，并網(wǎng)時(shí)的沖擊也越大。沖擊嚴(yán)重時(shí)將引起電力系統(tǒng)電壓的大幅度下降，并可能對發(fā)電機(jī)和機(jī)械部件(塔架、葉片、增速器等)造成損壞。并網(wǎng)沖擊時(shí)間過長，還可能使系統(tǒng)瓦解或威脅具他并網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制同步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)異步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)捕捉式準(zhǔn)同步快速并網(wǎng)技術(shù)雙向晶閘管軟切入并網(wǎng)技術(shù)直接并網(wǎng)方式準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式降壓并網(wǎng)方式第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制4、三項(xiàng)不平衡保護(hù)目的：防止風(fēng)輪故障帶來的損失在風(fēng)輪的故障原因中，發(fā)電機(jī)過電流和三相不平衡危害不可忽視。第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制三相不平衡危害性轉(zhuǎn)子損耗及發(fā)熱，電機(jī)整體或局部升溫，電機(jī)振動(dòng)定子中形成高次諧波以負(fù)序分量為啟動(dòng)元件的多種保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作，威脅電網(wǎng)運(yùn)行硅整流設(shè)備出現(xiàn)非特征性諧波設(shè)備利用率下降或一相過負(fù)荷，波形畸變，設(shè)備附加損耗增加，繞組絕緣層壽命急劇降低甚至損壞造成繞短路第二節(jié)定槳恒速機(jī)組的控制四、液壓系統(tǒng)1—油箱3—電