風(fēng)力發(fā)電原理控制

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組檢測與控制——華北電力大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院呂躍剛1第一頁，共四十二頁。第一章緒論輪轂齒輪箱油冷卻器發(fā)電機(jī)變槳驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)罩機(jī)艙低速軸熱交換器控制箱旋轉(zhuǎn)接頭支撐軸承偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)艙座通風(fēng)隔離減震風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖2第二頁，共四十二頁。PPT內(nèi)容概述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組檢測與控制?；谧兯俸泐l技術(shù)的變速型機(jī)組。脈寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生正弦電壓控制發(fā)電機(jī)輸出電壓與頻率質(zhì)量。習(xí)題：通過對控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的了解，回答控制系統(tǒng)主要包括那些功能。前后空氣體積相等：S1v1=Sv=S2v2。升力系數(shù)與阻力系數(shù)是隨攻角變化的。出現(xiàn)最大升力的點(diǎn)叫失速點(diǎn)。需解決的問題：高于額定風(fēng)速時(shí)槳葉需自動(dòng)將功率限制在額定功率附近（失速特性）。風(fēng)速/（m/s)。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)。每秒采集一次，10分鐘計(jì)算一次平均值。增速器油溫的控制：增速器箱內(nèi)由PT100熱電阻溫度傳感器測溫。當(dāng)持續(xù)10min大于額定功率15%或2s大于50%應(yīng)停機(jī)。電網(wǎng)原因引起的停機(jī)，控制系統(tǒng)在電網(wǎng)恢復(fù)后10分鐘自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。過電壓保護(hù)：控制器對通過電纜進(jìn)入控制柜的沖擊電壓具有自我保護(hù)能力。啟動(dòng)狀態(tài)——轉(zhuǎn)速反饋控制，速度給定加升速率限制有利于并網(wǎng)。=轉(zhuǎn)矩系數(shù)×勵(lì)磁磁通×轉(zhuǎn)子電流×轉(zhuǎn)子功率因數(shù)。41第三頁，共四十二頁。一、機(jī)組的總體結(jié)構(gòu)第一章緒論控制系統(tǒng)風(fēng)輪增速器發(fā)電機(jī)主繼電器主開關(guān)熔斷器變壓器晶閘管電網(wǎng)風(fēng)變槳風(fēng)速轉(zhuǎn)速并網(wǎng)功率無功補(bǔ)償風(fēng)定槳：1.5-2.5葉尖擾流器起脫網(wǎng)停機(jī)氣動(dòng)剎車，一般采用雙速發(fā)電機(jī)來提高效率。變槳：隨風(fēng)速改變攻角，超過額定風(fēng)速保持額定功率。設(shè)計(jì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速：20-30r/min，通過增速器與發(fā)電機(jī)匹配。采用晶閘管軟切入并網(wǎng)，并網(wǎng)容易，擾動(dòng)小。含微處理器的控制系統(tǒng)。4第四頁，共四十二頁。第一章緒論二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要類型與控制要求定槳距失速型機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)：控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)與脫網(wǎng)；自動(dòng)相位補(bǔ)償；監(jiān)視機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、電網(wǎng)狀況與氣象情況；異常工況保護(hù)停機(jī)；產(chǎn)生并記錄風(fēng)速、功率、發(fā)電量等機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)。全槳葉變距型機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)：控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)與脫網(wǎng)；優(yōu)化功率曲線；監(jiān)視機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、電網(wǎng)狀況與氣象情況；異常工況保護(hù)停機(jī)；產(chǎn)生并記錄風(fēng)速、功率、發(fā)電量等機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)?；谧兯俸泐l技術(shù)的變速型機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)除去上述功能外主要包括：基于微處理器及先進(jìn)IGBT電力電子技術(shù)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變頻勵(lì)磁；脈寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生正弦電壓控制發(fā)電機(jī)輸出電壓與頻率質(zhì)量；低于額定風(fēng)速的最大風(fēng)能（功率）控制與高于額定風(fēng)速的恒定額定功率控制。5第五頁，共四十二頁。第一章緒論三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)定槳距失速型機(jī)組解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)問題和運(yùn)行安全性與可靠性問題，采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動(dòng)力剎車技術(shù)、偏航與自動(dòng)解纜技術(shù)。固定的節(jié)距角及電網(wǎng)頻率決定的轉(zhuǎn)速，簡化了控制與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。全槳葉變距型機(jī)組啟動(dòng)時(shí)可進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，并網(wǎng)后可進(jìn)行功率控制。電液伺服機(jī)構(gòu)與閉環(huán)變距控制提高了機(jī)組效率?；谧兯俸泐l技術(shù)的變速型機(jī)組采用變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)。根據(jù)風(fēng)速信號控制，低于額定風(fēng)速跟蹤最佳功率曲線，高于額定風(fēng)速柔性保證額定功率輸出。改善了高次諧波對電網(wǎng)影響，提高了功率因數(shù)，高效高質(zhì)地向電網(wǎng)供電。習(xí)題：各不同類型機(jī)組的控制技術(shù)有何功能特點(diǎn)。6第六頁，共四十二頁。第一章緒論圖中看出，系統(tǒng)的特性除了與機(jī)組特性有關(guān)外，還受控制器影響。運(yùn)行中控制器可改變功率輸出，風(fēng)能看成是擾動(dòng)。四、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制特性風(fēng)輪動(dòng)態(tài)特性傳動(dòng)鏈動(dòng)態(tài)特性發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性風(fēng)能風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩×轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩×轉(zhuǎn)速電功率功率變送器伺服執(zhí)行器控制器功率信號變距指令變距位置7第七頁，共四十二頁。第一章緒論五、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用戶界面輸入用戶指令，變更參數(shù)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)及故障狀況發(fā)電機(jī)控制軟并網(wǎng)變頻器勵(lì)磁調(diào)節(jié)主控制器運(yùn)行監(jiān)控，機(jī)組起/停電網(wǎng)、風(fēng)況監(jiān)測無功補(bǔ)償根據(jù)無功功率信號分組切入或切出補(bǔ)償電容變距系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制功率控制液壓系統(tǒng)剎車機(jī)構(gòu)壓力保持變距機(jī)構(gòu)壓力保持制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)氣動(dòng)剎車機(jī)構(gòu)調(diào)向系統(tǒng)偏航自動(dòng)解除電纜纏繞習(xí)題：通過對控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的了解，回答控制系統(tǒng)主要包括那些功能？8第八頁，共四十二頁。第二章風(fēng)力機(jī)控制氣流動(dòng)能為m空氣質(zhì)量，v氣流速度 密度為ρ的氣流過面積S的氣體體積為V，M=ρV=ρSv則單位時(shí)間內(nèi)氣流所具有的動(dòng)能為理想風(fēng)輪與貝茲（Betz）理論：前后空氣體積相等：S1v1=Sv=S2v2根據(jù)牛頓第二定律，單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪上的受力F=mv1-mv2=ρSv(v1-v2)風(fēng)輪吸收的功率P=Fv=ρSv2(v1-v2)風(fēng)輪吸收的功率又等于風(fēng)輪前后動(dòng)能（單位時(shí)間）的變化：令兩式相等，得

經(jīng)過風(fēng)輪風(fēng)速變化產(chǎn)生的功率為其最大功率可令得，代入后得到的最大理想功率為與氣流掃掠面積風(fēng)的能量相比，可得風(fēng)力機(jī)的理論最大效率：一、1、風(fēng)力機(jī)能量轉(zhuǎn)換過程Sv1SvSv29第九頁，共四十二頁。1、風(fēng)能利用系數(shù)： 風(fēng)力機(jī)的實(shí)際功率 其中CP為風(fēng)能利用系數(shù)，它小于0.5932、葉尖速比為了表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)，用葉片圓周速度與風(fēng)速比來衡量，稱葉尖速比一、2、風(fēng)力機(jī)的主要特性系數(shù)第二章風(fēng)力機(jī)控制10第十頁，共四十二頁。1、槳葉的翼型二、1、槳葉的幾何參數(shù)與空氣動(dòng)力特性功角升力角零升力角風(fēng)向弦長AB攻角：來流方向與弦線的夾角零升力角：弦線與零升力線夾角升力角：來流方向與零升力線夾角2、槳葉上的氣動(dòng)力總的氣動(dòng)力，S—槳葉面積，Cr—總氣動(dòng)系數(shù)C壓力中心升力，與氣流方向垂直，Cl—升力系數(shù)阻力，與氣流方向平行，Cd—阻力系數(shù)Cd、Cl是由設(shè)計(jì)的葉片決定的固有參數(shù)，也是氣動(dòng)力計(jì)算的原始依據(jù)。第二章風(fēng)力機(jī)控制11第十一頁，共四十二頁。二、2、升力和阻力的變化曲線-30o-20o-10o0o10o20o30o40o0.80.60.40.2-0.2升力系數(shù)與阻力系數(shù)是隨攻角變化的升力系數(shù)隨攻角的增加而增加，使得槳葉的升力增加，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)。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)。對有限長槳葉，葉片兩端會(huì)產(chǎn)生渦流，造成阻力增加，第二章風(fēng)力機(jī)控制12第十二頁，共四十二頁。三、旋轉(zhuǎn)槳葉的氣動(dòng)力（葉素分析）風(fēng)向v-uw運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向安裝角（槳距角、節(jié)距角）：回轉(zhuǎn)平面與槳葉截面弦長的夾角傾斜角相對速度dF氣流W產(chǎn)生的氣動(dòng)力dL氣流升力dD氣流阻力I軸向推力dFa=dLcosI+dDsinII旋轉(zhuǎn)力矩dT=r(dLsinI-dDcosI)驅(qū)動(dòng)功率dPw=ωdT風(fēng)輸入的總氣動(dòng)功率P=vΣFa旋轉(zhuǎn)軸得到的功率Pu=Tω風(fēng)輪效率η=Pu/P第二章風(fēng)力機(jī)控制13第十三頁，共四十二頁。第二章風(fēng)力機(jī)控制五、渦流理論（葉片數(shù)的影響及實(shí)際風(fēng)力機(jī)Cp曲線）有限葉片數(shù)由于較大的渦流影響將造成一定的能量損失，使風(fēng)力機(jī)效率有所下降。實(shí)際風(fēng)力機(jī)曲線如下圖所示：Betz極限理想的Cp曲線實(shí)際的Cp曲線失速損失型阻損失014第十四頁，共四十二頁。第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)1、風(fēng)輪結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)：槳葉與輪轂的連接是固定的，槳葉的迎風(fēng)角度不隨風(fēng)速變化而變化。需解決的問題：高于額定風(fēng)速時(shí)槳葉需自動(dòng)將功率限制在額定功率附近（失速特性）。 脫網(wǎng)（突甩負(fù)荷）時(shí)槳葉自身具備制動(dòng)能力。 添加了葉尖擾流器，降低機(jī)械剎車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，2、槳葉的失速調(diào)節(jié)原理因槳葉的安裝角β不變，風(fēng)速增加→升力增加→升力變緩→升力下降→阻力增加→葉片失速葉片攻角由根部向葉尖逐漸增加，根部先進(jìn)入失速，隨風(fēng)速增大逐漸向葉尖擴(kuò)展。失速部分功率減少，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在額定功率附近。3、葉尖擾流器葉尖部分可旋轉(zhuǎn)的空氣阻尼板，正常運(yùn)行時(shí)，在液壓控制下與葉片成為整體，風(fēng)力機(jī)脫網(wǎng)時(shí)液壓控制指令將擾流器釋放并旋轉(zhuǎn)80o~90o，產(chǎn)生阻力停機(jī)，即產(chǎn)生空氣動(dòng)力剎車?？諝鈩?dòng)力剎車是按失效思想設(shè)計(jì)，即起到液壓系統(tǒng)故障時(shí)的機(jī)組停機(jī)保護(hù)。4、雙速發(fā)電機(jī)小發(fā)電機(jī)功率曲線大發(fā)電機(jī)功率曲線切換點(diǎn)風(fēng)速功率如6極200kW和4極750kWP1P215第十五頁，共四十二頁。第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)5、功率輸出功率的輸出主要決定于風(fēng)速，葉片的失速特性功率曲線是在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度ρ=1.225kg/m3測出的，一般溫度變化±10oC，空氣密度變化±4%。因此氣溫升高，密度下降，輸出功率減少。750kW機(jī)組可能會(huì)出現(xiàn)30~50kW的偏差，6、節(jié)距角與額定轉(zhuǎn)速的設(shè)定對功率輸出的影響由于機(jī)組的槳葉節(jié)距角和轉(zhuǎn)速都是固定不變的，使機(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)。即為雙速電機(jī)依據(jù)。設(shè)計(jì)的最大功率系數(shù)并不出現(xiàn)在額定功率上，因風(fēng)力發(fā)電機(jī)并不經(jīng)常工作在額定風(fēng)速點(diǎn)。定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)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。02468101214161810008006004002000.10.20.30.40.5功率輸出/kW風(fēng)速/（m/s)功率/kW16第十六頁，共四十二頁。第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組二、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本運(yùn)行過程1、待機(jī)狀態(tài)風(fēng)速v＞3m/s但沒達(dá)到切入轉(zhuǎn)速或機(jī)組從小功率切出，沒有并網(wǎng)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)?？刂葡到y(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；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)。2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自啟動(dòng)及啟動(dòng)條件機(jī)組在自然風(fēng)作用下升速、并網(wǎng)的過程。需具備的條件為：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。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)機(jī)組：發(fā)電機(jī)溫度、增速器油溫在設(shè)定值范圍以內(nèi)；液壓系統(tǒng)各部位壓力在設(shè)定值以內(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)DC24V、AC24V、DC5V、DC±15V電源正常；非正常停機(jī)故障顯示均已排除；維護(hù)開關(guān)在運(yùn)行位置。17第十七頁，共四十二頁。第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組二、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本運(yùn)行過程3、風(fēng)輪對風(fēng)偏航角度通過風(fēng)向測定儀測定。10分鐘調(diào)整一次，調(diào)整中釋放偏航剎車。4、制動(dòng)解除

啟動(dòng)條件滿足后，控制葉尖擾流器的電磁閥打開，壓力油進(jìn)入槳葉液壓缸，擾流器被收回與槳葉主體合為一體?？刂破魇盏綌_流器回收信號后，壓力油進(jìn)入機(jī)械盤式制動(dòng)器液壓缸，松開盤式制動(dòng)器。5、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)

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；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)。18第十八頁，共四十二頁。第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求1、控制系統(tǒng)的基本功能根據(jù)風(fēng)速信號自動(dòng)進(jìn)行啟動(dòng)、并網(wǎng)或從電網(wǎng)切出。根據(jù)風(fēng)向信號自動(dòng)對風(fēng)。根據(jù)功率因數(shù)及輸出電功率大小自動(dòng)進(jìn)行電容切換補(bǔ)償。脫網(wǎng)時(shí)保證機(jī)組安全停機(jī)。運(yùn)行中對電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、分析與記錄，異常情況判斷及處理。2、主要監(jiān)測參數(shù)及作用電力參數(shù)：電網(wǎng)三相電壓、發(fā)電機(jī)輸出的三相電流、電網(wǎng)頻率、發(fā)電機(jī)功率因數(shù)等。判斷并網(wǎng)條件、計(jì)算電功率和發(fā)電量、無功補(bǔ)償、電壓和電流故障保護(hù)。發(fā)電機(jī)功率與風(fēng)速有著固定的函數(shù)關(guān)系，兩者不符可作為機(jī)組故障判斷的依據(jù)。風(fēng)力參數(shù)：風(fēng)速；每秒采集一次，10分鐘計(jì)算一次平均值。v＞3m/s時(shí)發(fā)電機(jī)，v＞25m/s停機(jī)。風(fēng)向；測量風(fēng)向與機(jī)艙中心線的偏差，一般采用兩個(gè)風(fēng)向標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償?？刂破较到y(tǒng)工作，風(fēng)速低于3m/s偏航系統(tǒng)不會(huì)工作。機(jī)組參數(shù)：轉(zhuǎn)速；機(jī)組有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速兩個(gè)測點(diǎn)。控制發(fā)電機(jī)并網(wǎng)和脫網(wǎng)、超速保護(hù)。溫度；增速器油溫、高速軸承溫度、發(fā)電機(jī)溫度、前后主軸承溫度、晶閘管溫度、環(huán)境溫度。振動(dòng)；機(jī)艙振動(dòng)探測。電纜扭轉(zhuǎn)；安裝有從初始位置開始的齒輪記數(shù)傳感器，用于停機(jī)解纜操作。位置行程開關(guān)停機(jī)保護(hù)。剎車盤磨損；油位；潤滑油和液壓系統(tǒng)油位。19第十九頁，共四十二頁。第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求各種反饋信號的檢測：控制器在發(fā)出指令后的設(shè)定時(shí)間內(nèi)應(yīng)收到的反饋信號包括回收葉尖擾流器、松開機(jī)械剎車、松開偏航制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)轉(zhuǎn)速降落。否則故障停機(jī)。增速器油溫的控制：增速器箱內(nèi)由PT100熱電阻溫度傳感器測溫；加熱器保證潤滑油溫不低于10oC；潤滑油泵始終對齒輪和軸承強(qiáng)制噴射潤滑；油溫高于60oC時(shí)冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)，低于45oC時(shí)停止冷卻。發(fā)電機(jī)溫升控制：通過冷卻系統(tǒng)控制發(fā)電機(jī)溫度，如溫度控制在130~140oC，到150~155oC停機(jī)。功率過高或過低的處理：風(fēng)速較低時(shí)發(fā)電機(jī)如持續(xù)出現(xiàn)逆功率（一般30~60s），退出電網(wǎng)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。功率過高，可能為電網(wǎng)頻率波動(dòng)（瞬間下降），機(jī)械慣量不能使轉(zhuǎn)速迅速下降，轉(zhuǎn)差過大造成。也可能是氣候變化，空氣密度增加造成。當(dāng)持續(xù)10min大于額定功率15%或2s大于50%應(yīng)停機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出電網(wǎng)：風(fēng)速過大會(huì)使葉片嚴(yán)重失速造成過早損壞。風(fēng)速高于25m/s持續(xù)10min或高于33m/s持續(xù)2s正常停機(jī)，風(fēng)速高于50m/s持續(xù)1s安全停機(jī)，側(cè)風(fēng)90oC。20第二十頁，共四十二頁。第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制策略風(fēng)力發(fā)電機(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)機(jī)械剎車松開機(jī)械剎車松開機(jī)械剎車松開機(jī)械剎車與氣動(dòng)剎車同時(shí)動(dòng)作機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機(jī)組空轉(zhuǎn)計(jì)算機(jī)處于監(jiān)測狀態(tài)，輸出信號被旁路機(jī)組自動(dòng)調(diào)向機(jī)組調(diào)向保持工作狀態(tài)調(diào)向系統(tǒng)停止工作液壓系統(tǒng)保持工作壓力液壓系統(tǒng)保持工作壓力液壓系統(tǒng)保持工作壓力葉尖阻尼板回收（或變槳處于最佳角度）葉尖阻尼板回收（或變節(jié)距角在90o）葉尖阻尼板彈出（或變距系統(tǒng)失去壓力）21第二十一頁，共四十二頁。第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組四、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制動(dòng)與保護(hù)系統(tǒng)1、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制動(dòng)系統(tǒng)葉尖氣動(dòng)剎車：液壓系統(tǒng)提供的壓力由經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入槳葉根部的壓力缸，壓縮擾流器機(jī)構(gòu)中的彈簧，使葉尖擾流器與槳葉主體平滑連為一體。當(dāng)風(fēng)力機(jī)停機(jī)時(shí)，液壓系統(tǒng)釋放壓力油，葉尖擾流器在離心力作用下，按設(shè)計(jì)軌跡轉(zhuǎn)過90o。機(jī)械盤式剎車：作為輔助剎車裝置被安裝在高速軸上，液壓驅(qū)動(dòng)。因風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩很大，作為主剎車將會(huì)使剎車盤直徑很大，改變了機(jī)組結(jié)構(gòu)。大型風(fēng)機(jī)一般有兩部機(jī)械剎車。制動(dòng)系統(tǒng)按失效保護(hù)原則設(shè)計(jì)，一旦失電或液壓系統(tǒng)失效即處于制動(dòng)狀態(tài)。正常停機(jī)制動(dòng)過程：電磁閥失電釋放葉尖擾流器、發(fā)電機(jī)降至同步轉(zhuǎn)速時(shí)主接觸器動(dòng)作與電網(wǎng)解列、轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值時(shí)第一部剎車投入、如轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升第二部剎車立即投入、停機(jī)后葉尖擾流器收回。安全停機(jī)制動(dòng)過程：葉尖擾流器釋放同時(shí)投入第一部剎車、發(fā)電機(jī)降至同步轉(zhuǎn)速時(shí)主接觸器跳閘同時(shí)第二部剎車立即投入、葉尖擾流器不收回。緊急停機(jī)制動(dòng)過程：所有繼電器斷電、接觸器失電；葉尖擾流器和兩部機(jī)械剎車同時(shí)起作用；發(fā)電機(jī)同時(shí)與電網(wǎng)解列。22第二十二頁，共四十二頁。第三章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組四、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制動(dòng)與保護(hù)系統(tǒng)2、超速保護(hù)發(fā)電機(jī)或風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速110%時(shí)，控制器發(fā)出正常停機(jī)指令。葉尖擾流器制動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)有獨(dú)立超速保護(hù)裝置，風(fēng)輪超速時(shí)，液壓缸壓力迅速上升，受壓力控制的“突開閥”打開，壓力油被泄掉，葉尖擾流器迅速打開，使得在控制系統(tǒng)失效時(shí)停機(jī)。3、電網(wǎng)失電保護(hù)電網(wǎng)一旦失電，控制葉尖擾流器和機(jī)械剎車的電磁閥立即打開，實(shí)現(xiàn)失壓制動(dòng)緊急停機(jī)。電網(wǎng)原因引起的停機(jī)，控制系統(tǒng)在電網(wǎng)恢復(fù)后10分鐘自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。4、電氣保護(hù)過電壓保護(hù)：控制器對通過電纜進(jìn)入控制柜的沖擊電壓具有自我保護(hù)能力感應(yīng)瞬態(tài)保護(hù)：晶閘管、計(jì)算機(jī)的過電壓屏蔽，傳感器、通信電纜的隔離。雷擊保護(hù)：提供便捷的接地通道釋放雷電。5、緊急安全鏈?zhǔn)怯?jì)算機(jī)系統(tǒng)的最后一級保護(hù)措施，原理是將對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組造成致命傷害的故障節(jié)點(diǎn)串聯(lián)在停機(jī)回路中，任何一個(gè)故障都可緊急停機(jī)。如：緊急停機(jī)按鈕、控制器看們狗、葉尖擾流器液壓繼電器、扭攬傳感器、振動(dòng)傳感器、控制器DC24V電源失電。緊急停機(jī)后安全鏈只能手動(dòng)復(fù)位23第二十三頁，共四十二頁。第四章變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制一、概述

高于額定風(fēng)速——改變攻角——保持功率恒定；啟動(dòng)時(shí)控制驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩——控制轉(zhuǎn)速。特點(diǎn)：1、改善機(jī)組的受力，優(yōu)化功率輸出（粗調(diào)，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)配合）。2、比定槳距風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速低、效率高；且不存在高于額定風(fēng)速的功率下降問題。3、功率反饋控制使額定功率不受海拔、濕度、溫度等空氣密度變化影響4、啟動(dòng)時(shí)控制氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩易于并網(wǎng)；停機(jī)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩回零避免突甩負(fù)荷。運(yùn)行狀態(tài)：啟動(dòng)狀態(tài)——轉(zhuǎn)速反饋控制，速度給定加升速率限制有利于并網(wǎng)。欠功率狀態(tài)——不控制（變速機(jī)組可通過追求最佳葉尖速比提高風(fēng)機(jī)效率）。額定功率狀態(tài)——功率控制，為了解決變槳對風(fēng)速響應(yīng)慢問題，可通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)差率調(diào)速，用風(fēng)輪蓄能特性吸收風(fēng)波動(dòng)造成的功率波動(dòng)，維持功率恒定。轉(zhuǎn)速控制器功率控制器變槳執(zhí)行器變距機(jī)構(gòu)風(fēng)輪系統(tǒng)發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速槳距角發(fā)電功率風(fēng)速轉(zhuǎn)速給定功率給定24第二十四頁，共四十二頁。第四章變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制二、變槳距執(zhí)行系統(tǒng)a、變槳距執(zhí)行系統(tǒng)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，即槳距角位置跟隨變槳指令變化。b、校正環(huán)節(jié)是一個(gè)非線性控制器，具有死區(qū)補(bǔ)償和變槳限制功能。死區(qū)用來補(bǔ)償液壓及變距機(jī)構(gòu)的不靈敏區(qū)，變槳限制防止超調(diào)。c、液壓系統(tǒng)由液壓比例伺服閥、液壓回路、液壓缸活塞等組成。d、位置傳感器給出實(shí)際變槳角度。D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器位移傳感器變槳距機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)活塞位移槳距角變槳給定校正環(huán)節(jié)25第二十五頁，共四十二頁。第四章變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制三、變槳距控制（并網(wǎng)前）1、并網(wǎng)前的速度控制速度控制器控制從啟動(dòng)到并網(wǎng)的轉(zhuǎn)速控制，達(dá)到同步轉(zhuǎn)速10r/min內(nèi)1s并網(wǎng)。進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)，前饋通道將槳距角快速提高到45o，500r/min減小到5o，達(dá)到快速啟動(dòng)目的；非線性環(huán)節(jié)使增益隨節(jié)距角增加而減小，補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩變化。轉(zhuǎn)速控制器變槳執(zhí)行器變距機(jī)構(gòu)風(fēng)輪系統(tǒng)發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)槳距角風(fēng)速轉(zhuǎn)速給定A轉(zhuǎn)速速度變化率額定轉(zhuǎn)速PID轉(zhuǎn)速傳感器+-++轉(zhuǎn)速節(jié)距指令轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償45*5*節(jié)距非線性化26第二十六頁，共四十二頁。第四章變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制三、變槳距控制（并網(wǎng)后）b、功率控制器A并網(wǎng)后執(zhí)行變槳到最大攻角，低于額定功率（額定風(fēng)速）時(shí)控制器輸出飽和，攻角最大；高于額定風(fēng)速后進(jìn)入恒功率控制；引入風(fēng)速前饋通道，超過額定風(fēng)速后，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)起到快速補(bǔ)償作用。c、功率控制器B低于額定風(fēng)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率“實(shí)現(xiàn)”最佳葉尖速比調(diào)節(jié)，即風(fēng)速增加轉(zhuǎn)差率增大；高于額定風(fēng)速時(shí)配合功率控制器A維持功率恒定。原理是風(fēng)速出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，由于變槳調(diào)節(jié)的滯后使驅(qū)動(dòng)功率發(fā)生波動(dòng)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率（轉(zhuǎn)子電流）使機(jī)組轉(zhuǎn)速變化而維持功率恒定，利用風(fēng)輪儲存和釋放能量維持輸入與輸出功率的平衡。功率控制器A功率控制器B變槳執(zhí)行器變距機(jī)構(gòu)風(fēng)輪系統(tǒng)發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速槳距角發(fā)電功率風(fēng)速額定功率功率給定同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子電流執(zhí)行器SP風(fēng)速信號濾波器+-+-+-+-27第二十七頁，共四十二頁。第四章變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制四、發(fā)電功率控制1、發(fā)電機(jī)功率參考曲線功率給定曲線在點(diǎn)劃線限制的范圍內(nèi)變化，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率在1~10%（1515~1650r/min），外加轉(zhuǎn)子平均電阻在0到100%變化。2、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)速控制特性功率=轉(zhuǎn)矩×轉(zhuǎn)速，功率與轉(zhuǎn)矩成正比。

024681010080604020轉(zhuǎn)差率%參考功率/額定功率%=轉(zhuǎn)矩系數(shù)×勵(lì)磁磁通×轉(zhuǎn)子電流×轉(zhuǎn)子功率因數(shù)其中：轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢發(fā)電功率與轉(zhuǎn)子電流成正比，改變電流大小可以調(diào)節(jié)電功率。改變轉(zhuǎn)子回路電阻可以改變轉(zhuǎn)子電流。低于額定風(fēng)速葉尖速比優(yōu)化：風(fēng)↑→轉(zhuǎn)速↑→參考功率↑→轉(zhuǎn)子電流↑→輸出功率↑高于額定風(fēng)速恒定功率控制：風(fēng)↑→轉(zhuǎn)速↑→輸出功率↑→轉(zhuǎn)子電流↓→輸出功率↓跟蹤參考值穩(wěn)定功率值28第二十八頁，共四十二頁。第四章變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制四、發(fā)電功率控制

MSn0ns10電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)R2R1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)速特性曲線定子同步轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)決定：（定子三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速）兩種運(yùn)行狀態(tài)：n＜ns為電動(dòng)機(jī)方式；n＞ns發(fā)電機(jī)狀態(tài)。滑差率：發(fā)電狀態(tài)時(shí)為負(fù)值與功率成正比的電流可表示為：

轉(zhuǎn)子靜止時(shí)感應(yīng)電勢接近同步速時(shí)S很小分析：高于額定風(fēng)速時(shí)，如發(fā)生擾動(dòng)轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化，感應(yīng)電勢變化，電流亦將變化，通過電阻的變化可以維持電流不變，因此維持功率瞬時(shí)穩(wěn)定（克服擾動(dòng)）。反之，低于額定風(fēng)速時(shí)，通過改變電阻，可以改變S，保證較好的葉尖速比（設(shè)定值改變）。29第二十九頁，共四十二頁。第四章變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制四、發(fā)電功率控制

轉(zhuǎn)子電流控制原理圖：

電流控制PWM給定外接電阻定子繞組轉(zhuǎn)子繞組30第三十頁，共四十二頁。第四章變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制五、液壓變距系統(tǒng)

M油泵油箱濾油器溢流閥壓力傳感器節(jié)流閥比例閥蓄能器可調(diào)節(jié)流閥ABPT電磁閥先導(dǎo)止回閥單向閥壓力開關(guān)減壓閥剎車鉗90o0oVESTASV39型單向閥油位開關(guān)壓力傳感器控制油泵啟停，設(shè)定范圍：130bar~145bar高壓濾清器裝有旁通閥和污染指示器，單向閥防止高壓油回流。溢流閥防止油壓過高，設(shè)定值145bar系統(tǒng)維修時(shí)，可調(diào)節(jié)流閥閥用來釋放來自蓄能器的壓力油油位開關(guān)用來防止油溢出或泵在無油情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。油箱內(nèi)設(shè)有PT100溫度檢測與報(bào)警，液壓泵站31第三十一頁，共四十二頁。第四章變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制五、液壓變距系統(tǒng)

M油泵油箱濾油器溢流閥壓力傳感器節(jié)流閥比例閥蓄能器可調(diào)節(jié)流閥ABPT緊急順槳閥先導(dǎo)止回閥單向閥壓力開關(guān)減壓閥剎車鉗90o0o變槳距控制控制器輸出-10V~+10V，控制比例閥輸出方向及大小，使葉片在-5o~88o之間變化。工作時(shí)緊急順槳閥通電，電磁閥1通電使先導(dǎo)止回閥雙向流動(dòng)。比例閥“直通”時(shí)，活塞向右運(yùn)動(dòng)，槳葉節(jié)距向-5o方向調(diào)節(jié)。比例閥“跨接”時(shí)，節(jié)距角向88o方向調(diào)節(jié)，液壓缸左側(cè)壓力油回壓力管路（活塞右側(cè)面積大于左側(cè)）。緊急順槳閥電磁閥1電磁閥232第三十二頁，共四十二頁。第四章變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制五、液壓變距系統(tǒng)

M油泵油箱濾油器溢流閥壓力傳感器節(jié)流閥1比例閥蓄能器可調(diào)節(jié)流閥ABPT緊急順槳閥先導(dǎo)止回閥單向閥壓力開關(guān)減壓閥剎車鉗90o0o液壓系統(tǒng)停機(jī)狀態(tài)緊急順槳閥斷電，壓力油通過節(jié)流閥2進(jìn)入液壓缸右端。左端壓力油經(jīng)節(jié)流閥1回油箱，順槳88o。電磁閥1斷電，先導(dǎo)止回閥變?yōu)閱蜗蜷y，防止風(fēng)作用力矩使液壓缸活塞向右運(yùn)動(dòng)。急停狀態(tài)防止蓄能器油量不夠活塞行程，風(fēng)的自變力矩將幫助緊急順槳，補(bǔ)充油來自活塞左部及油箱吸油管。節(jié)流閥用來限制變槳速度在9o左右。節(jié)流閥2緊急順槳閥電磁閥133第三十三頁，共四十二頁。第四章變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制五、液壓變距系統(tǒng)

M油泵油箱濾油器溢流閥壓力傳感器節(jié)流閥比例閥蓄能器可調(diào)節(jié)流閥ABPT電磁閥先導(dǎo)止回閥單向閥壓力開關(guān)減壓閥剎車鉗90o0o制動(dòng)機(jī)構(gòu)開機(jī)指令發(fā)出后，電磁閥通電，制動(dòng)卡鉗排油到油箱，剎車被釋放。停