风力发电机组控制技术.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,.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。,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,。,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,。,翼型几何定义,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,）,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。,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,8090,0,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。,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。,小发电机功率曲线,大发电机功率曲线,切换点,P,1,P,2,风速,功率,双速风力发电机功率曲线,4,.1,定桨距风力机的特点,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，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、影响功率输出的因素,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。,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。,0 2 4 6 8 10 12 14 16 18,1000,800,600,400,200,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,功率输出,/,kW,风速,/(,m/s),功率,/,kW,4,.1,定桨距风力机的特点,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。,2,、额定转速的设定对功率输出的影响,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,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。,2,、额定转速的设定对功率输出的影响,4,.1,定桨距风力机的特点,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,、节距角对功率输出的影响,4,.2,机组的基本运行过程,叶尖阻尼板已收回；,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；,液压系统压力保持在设定值；,风轮处于迎风状态；,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,机组在自然风作用下将发电机拖动升速、并网的过程。,二、风力发电机组的自启动及启动条件,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。,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。,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、DC15V,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。,风况：连续,10,分钟风速在机组运行范围内,(3.0,m/s25m/s),。,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。,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,。,四、制动解除,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。,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。,4,.2,机组的基本运行过程,五、风力发电机组的并网,控 制 系 统,风轮,增速器,发电机,主继电器,主开关,熔断器,变压器,晶闸管,电网,风,变桨,风速,转速,并网,功率,无功补偿,风,当发电机达到同步转速时晶闸管完全导通，转速超过同步转速进入发电状态,1,秒后旁路接触器闭合，电流被旁路，如一切正常，晶闸管停止触发,。,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,3.,大发电机向小发电机的切换,小发电机功率曲线,大发电机功率曲线,切换点,P,1,P,2,风速,功率,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,1500,r/min,以上，脱网后转速将进一步上升。,迅速投入小发电机接触器，执行软并网，由电网负荷将发电机转速拖到小发电机额定转速附近。只要转速不超过超速保护的设定值，就允许执行小发电机软并网。,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。,小发电机功率曲线,大发电机功率曲线,切换点,P,1,P,2,风速,功率,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,1500,r/min,附近时，再次执行大发电机的软并网程序。,小发电机向大发电机的切换,4,.3,机组的基本控制要求,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,二、主要监测参数及作用,电力参数,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。,风力参数,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。,控制偏航系统工作，风速低于,3,m/s,偏航系统不会工作。,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。,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。,4,.3,机组的基本控制要求,机组参数,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。,油位：,润滑油和液压系统油位。,刹车盘磨损。,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,增速器油温的控制,增速器箱内由,PT-100,热电阻温度传感器测温；,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；,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,130140,，,到,150155,停机。,风速高于,25,m/s,持续,10,min,或高于,33,m/s,持续,2,s,正常停机，风速高于,50,m/s,持续,1,s,安全停机，侧风,90,。,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,3060,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,10,min,大于额定功率,15%,或,2,s,大于,50%,应停机。,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。,运行,暂停,停机,急停,4,.3,机组的基本控制要求,工作状态之间转变,急停停机：,停机条件满足，关闭急停电路、建立液压工作压力。,停机暂停：,暂停条件满足，启动偏航系统（接通变桨距压力）,暂停运行：,运行条件满足，核对上风向、叶尖阻尼板收回（或变桨距系统投入）、根据转速控制并网。,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。,暂停停机：,停止自动调向、打开气动刹车（或变距系统失压）,运行停机：,脱网、打开气动刹车（或变距系统失压,）,暂停：,功率调节到,0,后通过晶闸管切出发电机、降低风轮转速到,0,。,4,.3,机组的基本控制要求,故障处理：,故障发生时意味着从较高状态转换到较低状态。,（1）,故障检测：扫描传感器及信号，判断可降低状态的信号。,（2）,故障记录：故障存储与报警。,（3）,故障反应：选择降为三种停机状态中的一种。,（4）,重新启动：一般故障可能自动复位或操作人员远程手动复位，重新启动。,致命故障必须由人员到现场检查处理，就地复位。,4,.3,机组的基本控制要求,四、控制系统的安全运行,1.,控制系统安全运行的必备条件,2）,风力发电机组安全链系统硬件运行正常,。,3）,偏航系统处于正常状态，风速仪和风向标处于正常运行的状态,。,4）,制动和控制系统液压装置的油压、油温和油位在规定范围内,。,1）,风力发电机组开关出线侧相序必须与并网电网相序一致，电压标称值相等，三相电压平衡。,5）,齿轮箱油位和油温在正常范围,。,6）,各项保护装置均在正常位置，且保护值均与批准设定值相符,。,7）,各控制电源处于接通位置,。,8）,监控系统显示正常运行状态,。,9）,在寒冷和潮湿地区，停止运行一个月以上的风力发电机组再投入运行前应检查绝缘，合格后才允许起动,。,4,.3,机组的基本控制要求,四、控制系统的安全运行,2.,风力发电机组工作参数的安全运行范围,2）,转速：,风轮转速通常低于,40,r/min,，,发电机的最高转速不超过额定转速的,30%,。,3）,功率：,只在额定风速以上作限制最大功率的控制，通常运行安全最大功率不允许超过设计值的,20%,。,4）,温度：,通常控制器环境温度应为,0,30,，齿轮箱油温小于,120,，发电机温度小于,150,，传动等环节温度小于,70,。,1）,风速：,风速在,3,25,m/s,为规定工作范围。,5）,电压：,发电电压允许的范围在设计值的,10%,。,6）,频率：,机组的发电频率应限制在,50,Hz,1Hz,。,7）,压力：,机组的许多执行机构由液压执行机构完成，通常低于,100,Mpa,。,4,.4,定桨距风力机的制动与保护系统,正常停机制动过程,：电磁阀失电释放叶尖扰流器、发电机降至同步转速时主接触器动作与电网解列、转速低于设定值时第一部刹车投入、如转速继续上升第二部刹车立即投入、停机后叶尖扰流器收回。,安全停机制动过程：,叶尖扰流器释放同时投入第一部刹车、发电机降至同步转速时主接触器跳闸同时第二部刹车立即投入、叶尖扰流器不收回。,紧急停机制动过程,：所有继电器断电、接触器失电；叶尖扰流器和两部机械刹车同时起作用；发电机同时与电网解列。,一、定桨距风力发电机组的制动系统,叶尖气动刹车：,液压系统提供的压力由经旋转接头进入叶片根部的压力缸，压缩扰流器机构中的弹簧，使叶尖扰流器与叶片主体平滑连为一体。当风力机停机时，液压系统释放压力油，叶尖扰流器在离心力作用下，按设计轨迹转过,80,90,。,机械盘式刹车：,作为辅助刹车装置被安装在高速轴上，液压驱动。因风力机转矩很大，作为主刹车将会使刹车盘直径很大，改变了机组结构。大型风机一般有两部机械刹车。,制动系统按,失效保护原则,设计，一旦失电或液压系统失效即处于制动状态。,4,.4,定桨距风力机的制动与保护系统,所有继电器断电、接触器失电；叶尖扰流器和两部机械刹车同时起作用；发电机同时与电网解列。,正常停机制动过程：,电磁阀失电释放叶尖扰流器、发电机降至同步转速时主接触器动作与电网解列、转速低于设定值时第一部刹车投入、如转速继续上升第二部刹车立即投入、停机后叶尖扰流器收回。,安全停机制动过程：,叶尖扰流器释放同时投入第一部刹车、发电机降至同步转速时主接触器跳闸同时第二部刹车立即投入、叶尖扰流器不收回。,紧急停机制动过程：,4,.4,定桨距风力机的制动与保护系统,1、安全保护,安全保护系统分三层结构：,计算机系统,(,控制器,),，独立于控制器的紧急停机链和个体硬件保护措施,。,二、定桨距风力发电机组的保护系统,微机保护涉及到风力机组整机及零部件的各个方面；紧急停机链保护用于整机严重故障及人为需要时；个体硬件保护则主要用于发电机和各电气负载的保护。,4,.4,定桨距风力机的制动与保护系统,1）,雷击保护,雷击保护的原理是使机组所有部件保持电位平衡，并提供便捷的接地通道以释放雷电，避免高能雷电的积累。一般使用避雷器或防雷组件吸收雷电波。,二、定桨距风力发电机组的保护系统,机舱的保护,叶片的保护,钢结构的机舱底座，为舱内机械提供了基本的接地保护。,叶尖上安装雷电接收器。,控制系统的保护,过压保护器。,4,.4,定桨距风力机的制动与保护系统,2）运行安全保护,二、定桨距风力发电机组的保护系统,大风安全保护,参数越限保护,风速达到,25,m/s(10min),即为停机风速，机组必须按照程序安全停机。,当数据达到限定值时，控制系统根据设定好的程序进行自动处理。,过压过流保护,采用隔离、限压、高压瞬态吸收元件、过流保护器。,震动保护,机组应设有三级震动频率保护。,开机关机保护,4,.4,定桨距风力机的制动与保护系统,3）紧急停机安全链保护,二、定桨距风力发电机组的保护系统,系统的紧急安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施，也是计算机系统的最后一级保护措施，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。,4）微机控制器抗干扰保护,分为交变脉冲干扰和单脉冲干扰两种，以电或磁的形式干扰控制系统。,5）接地保护,接地的主要作用一方面是为保证电器设备安全运行，另一方面是防止设备绝缘被破坏时可能带电，以致危及人身安全。同时能保护装置迅速切断故障回路，防止故障扩大。,4,.4,定桨距风力机的制动与保护系统,二、超速保护,发电机或风轮转速超过额定转速,110%,时，控制器发出正常停机指令。,叶尖扰流器制动液压系统设有独立超速保护装置，风轮超速时，液压缸压力迅速上升，受压力控制的“突开阀”打开，压力油被泄掉，叶尖扰流器迅速打开，使得在控制系统失效时停机。,三、电网失电保护,电网一旦失电，控制叶尖扰流器和机械刹车的电磁阀立即打开，实现失压制动紧急停机。电网原因引起的停机，控制系统在电网恢复后,10,分钟自动恢复运行。,4,.5,定桨距风力机的液压与偏航系统,定桨距风力发电机组的液压系统实际上是制动系统的驱动机构，主要用来执行风力机的开关机指令。,一、定桨距风力发电机组的液压系统,它的主要功能是执行叶尖、偏航闸、高速圆盘闸的动作以及通过叶尖压力监控叶轮转速不超过限定值。,通常液压系统由两个压力保持回路组成，一路通过蓄能器供给叶尖扰流器，另一路通过蓄能器供给机械刹车机构。,4,.5,定桨距风力机的液压与偏航系统,单向阀,蓄能器,节流阀,压力表,电磁阀,超速保护装置：风轮超速时，液压缸压力迅速上升，受压力控制的“突开阀”打开，压力油被泄掉，叶尖扰流器迅速打开，使得在控制系统失效时停机。,4,.5,定桨距风力机的液压与偏航系统,气动刹车压力保持回路,压力油经油泵和精滤油器进入系统。,开机时电磁阀6-1接通，压力油经单向阀1-2 进入蓄能器2-2，并通过单向阀1-3和旋转接头进入气动刹车油缸。,4,.5,定桨距风力机的液压与偏航系统,压力开关3-2由蓄能器的压力控制，当蓄能器压力达到设定值时，开关动作，电磁阀6-1关闭。,运行时，回路压力主要由蓄能器保持，通过液压油缸上的钢索拉住叶尖扰流器，使之与叶片主体紧密结合。,4,.5,定桨距风力机的液压与偏航系统,高速轴制动器回路,通过电磁阀7-1、7-2分别控制制动器中压力油的进出，从而控制制动器动作。,压力开关3-1根据蓄能器的压力控制液压泵电动机的停/起。压力开关3-3、3-4用来指示制动器的工作状态。,3,.5,定桨距风力机的液压与偏航系统,偏航系统回路,工作时，,4,YA,得电，电磁阀9一侧接通，回路压力由溢流阀保持，以提供调向系统足够的阻尼,调向结束时，,4,YA,失电，电磁阀另一侧接通，制动压力由蓄能器直接提供。,4,.5,定桨距风力机的液压与偏航系统,定桨距风力发电机组的偏航系统主要有两个功能：一是使风轮跟踪变化稳定的风向；二是当风力发电机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。,二、定桨距风力发电机组的偏航系统,偏航系统主要由,偏航测量,及,偏航驱动部分,、,机械传动部分,、,扭缆保护装置,四大部分组成。,对风的测量主要是由风向标来完成,偏航系统的驱动部分由三个交流电机和行星式齿轮箱组成,主要由偏航电机、偏航减速机构，偏航刹车组成,在偏航系统中包括电缆防缠绕检测器，防止在主机室根据风向在转动时使内部的电缆通过缠绕而损坏,偏航控制系统,3,.5,定桨距风力机的液压与偏航系统,偏航系统是一随动系统，当风向与风轮轴线偏离一个角度时，控制系统经过 一段时间的确认后，会控制偏航电动机将风轮调整到与风向一致的方位。,偏航控制在对风过程中风力发电机组是作为一个整体转动的，具有很大的转动惯量，从稳定性考虑，需要设置足够的阻尼。,