7.第六章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制

1、第六章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行與控制第一節(jié) 控制系統(tǒng)的功能和內(nèi)容一、控制系統(tǒng)的目標(biāo)1、保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全、穩(wěn)定和可靠2、最大風(fēng)功率利用；3、保證電能質(zhì)量；4、延長(zhǎng)機(jī)組壽命。二、控制系統(tǒng)的功能1、在運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)，能跟蹤風(fēng)向和最佳葉尖速比，獲得最大風(fēng)能；2、在風(fēng)速低于運(yùn)行最低要求是，能可靠將風(fēng)力發(fā)電機(jī)切出；3、在高風(fēng)速時(shí)，能限制風(fēng)能的捕獲，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率不超過發(fā)電機(jī)的額定功率；4、在陣風(fēng)時(shí)，能減少風(fēng)輪的機(jī)械應(yīng)力和輸出功率的波動(dòng)，避免共振；5、減小功率傳動(dòng)鏈的暫態(tài)響應(yīng)；6、調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償和轉(zhuǎn)速，保證機(jī)組輸出的電壓和頻率穩(wěn)定。三、控制的具體內(nèi)容1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)控制穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)就是功率平衡的穩(wěn)定運(yùn)

2、行點(diǎn)。當(dāng)外部條件和自身的參數(shù)變化時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)過動(dòng)態(tài)調(diào)整后將工作在一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。工作點(diǎn)的位置與風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)的功率（或轉(zhuǎn)矩）轉(zhuǎn)速特性有關(guān)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)是風(fēng)力機(jī)的功率（或轉(zhuǎn)矩）轉(zhuǎn)速特性曲線與發(fā)電機(jī)的功率（或轉(zhuǎn)矩）轉(zhuǎn)速特性曲線的交點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)就是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工作點(diǎn)盡可能靠近風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳風(fēng)能利用系數(shù)曲線，使獲得盡可能多的發(fā)電量。2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)及轉(zhuǎn)換控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)的特征：（1）運(yùn)行狀態(tài)：機(jī)械制動(dòng)松開；允許機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電；機(jī)組自動(dòng)偏航；液壓系統(tǒng)保持工作壓力；葉尖繞流器收回或由變槳距系統(tǒng)選擇在最佳工作位置；冷卻系統(tǒng)自動(dòng)狀態(tài)。（2）暫停狀態(tài)：機(jī)械制動(dòng)松開

3、；機(jī)組與電網(wǎng)解裂；機(jī)組自動(dòng)偏航；液壓系統(tǒng)保持工作壓力；葉尖繞流器收回或由變槳距順槳；冷卻系統(tǒng)自動(dòng)狀態(tài)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)或停止。（3）停機(jī)狀態(tài)：機(jī)械制動(dòng)松開；機(jī)組與電網(wǎng)解裂；偏航系統(tǒng)停止工作；液壓系統(tǒng)保持工作壓力；葉尖繞流器彈出收回或由變槳距順槳；冷卻系統(tǒng)非自動(dòng)狀態(tài)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)或停止。（4）緊急停機(jī)狀態(tài)：機(jī)械制動(dòng)和空氣制動(dòng)同時(shí)動(dòng)作，緊急電路開啟；控制器所用輸出信號(hào)無效；控制器仍在運(yùn)行和測(cè)量所用輸入信號(hào)。工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換：工作狀態(tài)只能逐層上升。（1）工作狀態(tài)層次上升1）從緊急停機(jī)到停機(jī)關(guān)閉緊急電路；建立液壓工作壓力；松開機(jī)械制動(dòng)。2）從停機(jī)到暫停啟動(dòng)偏航系統(tǒng)；變槳距系統(tǒng)激活；自動(dòng)冷卻系統(tǒng)開啟。3）

4、從暫停到運(yùn)行核對(duì)是否處于上風(fēng)向；葉尖擾流器收回或變槳距系統(tǒng)投入工作；根據(jù)風(fēng)速判斷發(fā)電機(jī)是否可以切入電網(wǎng)。（2）工作狀態(tài)層次下降，工作狀態(tài)可越層下降1）緊急停機(jī)：打開緊急停機(jī)電路；置控制器所用信號(hào)為無效；機(jī)械制動(dòng)作用。2）停機(jī)：停止自動(dòng)偏航；實(shí)行空氣動(dòng)力制動(dòng)；自動(dòng)冷卻停止；發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)。3）暫停：發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)；調(diào)節(jié)功率降到零；降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速到零。3、偏航控制偏航是根據(jù)運(yùn)行工況和要求改變機(jī)艙軸線與來風(fēng)方向的角度。偏航控制重要有自動(dòng)偏航、手動(dòng)偏航、90度側(cè)風(fēng)、自動(dòng)解纜等方式。1）自動(dòng)偏航：當(dāng)偏航系統(tǒng)收到中心控制器需要偏航的信號(hào)后，檢測(cè)連續(xù)3分鐘風(fēng)向情況，若風(fēng)向確定，同時(shí)機(jī)艙不處于對(duì)風(fēng)的位置，松開偏航制動(dòng)，

5、啟動(dòng)偏航電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，開始偏航對(duì)風(fēng)程序，使風(fēng)輪軸線與風(fēng)向基本一致。2）手動(dòng)偏航：操作人員通過頂部機(jī)艙控制機(jī)構(gòu)、控制面板、遠(yuǎn)程控制界面實(shí)現(xiàn)偏航。3）90度側(cè)風(fēng)：在風(fēng)輪過速或遭遇切出風(fēng)速以上的大風(fēng)時(shí)，為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全，對(duì)機(jī)艙進(jìn)行90度側(cè)風(fēng)處理。4）自動(dòng)解纜：偏航系統(tǒng)自動(dòng)累計(jì)偏航的角度，當(dāng)累計(jì)偏航角度造成扭纜時(shí)自動(dòng)解纜，或發(fā)出要求解纜的信號(hào)。第二節(jié) 定槳距風(fēng)電機(jī)組的控制一、機(jī)組的特性1、失速和制動(dòng)定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)必需要解決的兩個(gè)問題：1）在大風(fēng)時(shí)風(fēng)力機(jī)能自動(dòng)限制從風(fēng)中捕獲的功率，使發(fā)電機(jī)電功率不超過額定值。2）在風(fēng)電機(jī)組突然失去電網(wǎng)時(shí)，能自動(dòng)制動(dòng)，使風(fēng)電機(jī)組能安全停機(jī)。解決第一個(gè)問題采用自動(dòng)失

6、速調(diào)節(jié)葉片，解決第二個(gè)問題采用葉尖擾流器。自動(dòng)失速原理：當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，合成氣流的方向會(huì)發(fā)生變化，使翼型的攻角增大，超過臨界較后，升力下降，阻力增加，是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)力矩下降。失速調(diào)節(jié)葉片的攻角沿軸向由根部向葉尖部逐漸減少，因而根部首先進(jìn)入失速，隨著風(fēng)速增大，失速部分向葉尖擴(kuò)展，原來失速的部分程度加深。失速的部分功率減少，未失速部分功率仍有增加，最終達(dá)到一個(gè)平衡，使機(jī)組輸出功率維持在額定值附近。2、安裝角調(diào)整以上知道葉片失速主要地與風(fēng)速有關(guān)。但風(fēng)力發(fā)電機(jī)從風(fēng)中獲得的功率不僅與風(fēng)速有關(guān)，還與風(fēng)的密度有關(guān)。如果風(fēng)輪安裝角保持不變，就有可能在風(fēng)密度減小時(shí)，出現(xiàn)過早失速的現(xiàn)象。空氣密度與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度變化1

7、0度時(shí)，空氣密度變化4%。有必要根據(jù)空氣密度的變化調(diào)整葉片安裝角。3、雙速發(fā)電機(jī)風(fēng)力機(jī)有一個(gè)參數(shù)叫做葉尖速比：尖速比=葉尖速度/風(fēng)速。每個(gè)風(fēng)力機(jī)有一個(gè)最佳葉尖速比，在最佳葉尖速比下運(yùn)行時(shí)，能獲得最大風(fēng)功率。為了使風(fēng)力機(jī)能從風(fēng)中獲得最大功率，需要根據(jù)風(fēng)速調(diào)整風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，以一保持葉尖速比不變。發(fā)電機(jī)的效率也與轉(zhuǎn)速有關(guān)，額定轉(zhuǎn)速高的發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速較高時(shí)效率也高，額定轉(zhuǎn)速低的發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速低時(shí)效率較高。為了能最大限度地提高風(fēng)能利用系數(shù)，用一臺(tái)種額定轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)配套是不合適的。但超過兩臺(tái)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)普遍采用雙速發(fā)電機(jī)，風(fēng)別設(shè)計(jì)成4極和6極。一般6極機(jī)的額定容量為4極機(jī)的

8、1/41/5。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)6極機(jī)投入運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)由6極機(jī)切換為4極機(jī)。二、啟動(dòng)并網(wǎng)過程1、待機(jī)狀態(tài)風(fēng)速3m/s，但風(fēng)力發(fā)電機(jī)還未拖動(dòng)到切入轉(zhuǎn)速；或發(fā)電機(jī)從小功率狀態(tài)下切出，還未重新并網(wǎng)的狀態(tài)為待機(jī)狀態(tài)。待機(jī)狀態(tài)下，機(jī)組實(shí)際上一處于工作狀態(tài)，控制系統(tǒng)應(yīng)做好一切并網(wǎng)準(zhǔn)備。2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自啟動(dòng)自啟動(dòng)是指不依靠任何外力，風(fēng)輪在自然風(fēng)速的作用下將發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速。早期的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能自啟動(dòng)，需要發(fā)電機(jī)做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行拖動(dòng)，稱為“電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)”。由于葉片啟動(dòng)特性的不斷改進(jìn)，目前大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有良好的自啟動(dòng)性能，能在風(fēng)速4m/s的條件下自啟動(dòng)到需要的轉(zhuǎn)速。自啟動(dòng)的條件1）電網(wǎng)：連續(xù)10min

9、鐘中內(nèi)電網(wǎng)沒出現(xiàn)過過電壓、低電壓；0.1s內(nèi)電壓跌落不超過設(shè)定值；電網(wǎng)頻率正常；電網(wǎng)三相平衡。2）風(fēng)況：連續(xù)10min鐘內(nèi)風(fēng)速在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)（大于3m/s，小于25m/s）。3）機(jī)組：機(jī)組溫度，壓力，油位等在設(shè)定范圍內(nèi)；控制系統(tǒng)電源正常；制動(dòng)器正常；扭纜開關(guān)復(fù)位；維護(hù)開關(guān)在運(yùn)行位置。3、風(fēng)輪對(duì)風(fēng)（偏航）啟動(dòng)條件滿足后，控制器發(fā)出對(duì)風(fēng)信號(hào)。通過傳感器測(cè)定風(fēng)輪偏角。當(dāng)偏角確定后，需延遲10s后才執(zhí)行偏航。避免頻繁執(zhí)行偏航操作。執(zhí)行時(shí)，偏航制動(dòng)松開1 s后，偏航電機(jī)根據(jù)指令執(zhí)行左右偏航，偏航完成后偏航制動(dòng)卡緊。4、制動(dòng)解除啟動(dòng)條件滿足后，收回葉尖擾流器，松開盤式制動(dòng)器。5、風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)

10、當(dāng)風(fēng)速4m/s，小于7m/s時(shí)，小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)；當(dāng)風(fēng)速升高到78m/s時(shí)，由小發(fā)電機(jī)切換到大發(fā)電機(jī)；如風(fēng)速處于820m/s時(shí)，直接大發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。并網(wǎng)采用軟并網(wǎng)方式。（1）發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)過程1）發(fā)電機(jī)處于加速狀態(tài)，轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定的切入點(diǎn)，該點(diǎn)小于發(fā)電機(jī)同步速度。2）旁路開關(guān)處于斷開位置，合入并網(wǎng)開關(guān)，并網(wǎng)晶閘管導(dǎo)通角隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加逐漸增大，隨著導(dǎo)通角的增加，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的加速度減小。3）當(dāng)?shù)桨l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)同步速度時(shí)晶閘管完全導(dǎo)通。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過同步速度進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。4）進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后，晶閘管維持完全導(dǎo)通，1s后閉合旁路開關(guān)。收到旁路開關(guān)閉合的信號(hào)后關(guān)斷晶閘管。（2）從小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)切換從小發(fā)電

11、機(jī)向大發(fā)電機(jī)切換一般以一段時(shí)間內(nèi)平均功率或瞬時(shí)功率大于某設(shè)定值為依據(jù)。1）斷開小發(fā)電機(jī)的出口開關(guān)。發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)，轉(zhuǎn)速上升。2）大發(fā)電機(jī)執(zhí)行上述并網(wǎng)過程。（3）從大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)切換從大小發(fā)電機(jī)向小大發(fā)電機(jī)切換一般以一段時(shí)間內(nèi)平均功率或瞬時(shí)功率小大于某設(shè)定值為依據(jù)。1）斷開大發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)開關(guān)和旁路開關(guān)；2）迅速投入小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開關(guān)，執(zhí)行軟并網(wǎng)。為了避免在并網(wǎng)切換過程中由于巨大的能量釋放造成過度過程延長(zhǎng)，出現(xiàn)超速現(xiàn)象，可以在大發(fā)電機(jī)退出的同時(shí)釋放葉尖擾流器，使轉(zhuǎn)速下降到預(yù)置點(diǎn)后，收回葉尖擾流器。待轉(zhuǎn)速上升后，執(zhí)行小發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)。三、運(yùn)行監(jiān)測(cè)和處理1.電力參數(shù)監(jiān)測(cè)和處理（1）電壓（額定電壓690V

12、，相電壓398.8V）主要檢測(cè)以下故障：電網(wǎng)沖擊：相電壓超過450V，0.2s；過電壓：相電壓超過433V，50s；低電壓：相電壓低于329V，50s；電壓跌落：相電壓低于260V，0.1s；相序故障：相序反向。主電路中設(shè)有電壓保護(hù)，發(fā)生電壓故障時(shí)，發(fā)電機(jī)必須退出電網(wǎng)，一般執(zhí)行正常停機(jī)程序。（2）電流主要檢測(cè)如下故障：電流跌落：相電流跌落80%，0.1s；三相不對(duì)稱：相電流相差超過25%，或平均電流低于50A時(shí)，相電流相差50%；晶閘管故障：軟啟動(dòng)期間相電流大于額定值，或觸發(fā)后連續(xù)0.1 s電流為0；。短路故障：相電流超過較大的設(shè)定值；過電流：相電流超過大于額定電流（如2倍）的設(shè)置值。短路故障

13、保護(hù)動(dòng)作時(shí)間00.05s，過電流動(dòng)作時(shí)間為13s，保護(hù)動(dòng)作將發(fā)電機(jī)切出電網(wǎng)。電流測(cè)量值還作為在軟并網(wǎng)過程中增加晶閘管導(dǎo)通角的依據(jù)。當(dāng)電流開始下降后，導(dǎo)通角逐漸打開。（3）頻率測(cè)量平均頻率，當(dāng)超過上、下限時(shí)退出發(fā)電機(jī)。（4）功率因數(shù)用于無功補(bǔ)償，控制投入運(yùn)行的電容的容量。要求功率因數(shù)不低于0.95。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的有功功率經(jīng)常變化，要求補(bǔ)償電容的投入兩也要隨著變化。（5）功率功率由電流、電壓的測(cè)量值計(jì)算得出。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率與風(fēng)速有固定的關(guān)系，如功率與風(fēng)速不相符，可作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障的判斷依據(jù)。當(dāng)功率過高或過低時(shí)，應(yīng)將發(fā)電機(jī)切出電網(wǎng)。1）功率過低：功率持連續(xù)（3060s）出現(xiàn)逆功率，或低于某設(shè)定

14、值，將發(fā)電機(jī)切出電網(wǎng)。如果判明不是由于故障造成的低功率，切出時(shí)不釋放葉尖擾流器，不進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)，待轉(zhuǎn)速升高后可再次軟并網(wǎng)。2)功率過高：功率過高可能由兩種情況引起：一是電網(wǎng)頻率下降，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差增大，造成短時(shí)功率增高；二是氣候變化，風(fēng)速或風(fēng)密度增加。發(fā)電機(jī)功率持續(xù)10min大于額定功率1.15倍，執(zhí)行正常停機(jī)；持續(xù)2s大于額定功率1.5倍，執(zhí)行緊急停機(jī)。2.風(fēng)力參數(shù)監(jiān)測(cè)(1)風(fēng)速由安裝在機(jī)艙外下風(fēng)向的數(shù)字式風(fēng)速儀來測(cè)量。每秒測(cè)量一次，每10min鐘計(jì)算一次平均值，作為啟動(dòng)或停機(jī)的依據(jù)風(fēng)速3m/s，啟動(dòng)小發(fā)電機(jī)；風(fēng)速8m/s，啟動(dòng)大發(fā)電機(jī)；風(fēng)速25m/s，停機(jī)。1）風(fēng)速25m/s時(shí)，由于葉片失速的限制，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速不會(huì)上升。但這時(shí)由于大量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于滿功率狀態(tài)，電網(wǎng)的頻率可能上升，風(fēng)力機(jī)要輸出的功率基本不變，其轉(zhuǎn)速必定要上升。如果轉(zhuǎn)速?zèng)]超過預(yù)設(shè)值，則可繼續(xù)運(yùn)行；否則出現(xiàn)過轉(zhuǎn)速，應(yīng)將發(fā)電機(jī)切出，釋放葉尖擾流器并使風(fēng)力機(jī)側(cè)風(fēng)90度，使轉(zhuǎn)速迅速降下來。2）風(fēng)速33m/s，持續(xù)2s，執(zhí)行正常停機(jī)；3）風(fēng)速50m/s，持續(xù)2s，執(zhí)行緊急