风力发电技术介绍.ppt

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1、风力发电技术,1,2,3,风力发电概述,风力发电设备,风力发电机组的原理,4,风力发电机组的控制,1.风力发电概述,1.1 风力发电的意义1.2 风力发电的发展,1.1 风力发电的意义,煤、石油、天然气是当今世界主要能源稀缺性和不可再生性使能源价格不断增长。燃料型能源产生有害气体排放，危害健康、导致全球变暖。寻找新的、清洁的、无污染、可再生的替代性能源是当今人类面临的重要问题。水电、核电是现阶段低碳能源首选发电成本与火电接近稳定性优于风电、光电水电开发总量有限、影响自然环境核电有泄漏危险,1.1 风力发电的意义,风能将成为21世纪的主要能源太阳能转化而来，地球表面温差引起空气流动，具有一定动能

2、。是清洁的、无污染的、取之不尽用之不竭的可再生能源由于能源和环境等诸多问题的影响，风力发电的发展受到全球性的广泛关注和高度重视。是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化 发展前景的发电方式。具有间歇性，可控性不如常规性能源。,1.1 风力发电的意义,风能的利用方式发电、助航、提水灌溉、制热供暖等转化为电能是风能主要利用方式利用风轮收集风能，将其转变为旋转的机械能通过发电机将风轮收集的机械能转变成电能利用电网远距离输送,1.风力发电概述,1.1 风力发电的意义1.2 风力发电的发展,1.2 风力发电的发展,自十九世纪末至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模

3、的利用阶段。1888年美国电力工业奠基人之一Charles F.Brush安装了被现代人认为是第一台自动运行且用于发电的风力机。,1.2 风力发电的发展,1890年丹麦的拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。1957年200kW Gedser风力发电机安装在丹麦Gedser海岸，三叶片带有电动机机械偏航、交流异步发电机、失速型风力机，是现代风力发电机的设计先驱。,1.2 风力发电的发展,1973年的石油危机之后，风力发电发展的到一些国家政府大力支持，风力发电由小型逐渐向大中型发展。80年代后，由Geders风力发电机改良的古典三叶片、上风向风力发电机设计在激烈的

4、竟争中成为商业赢家。Tvind 2MW，叶轮直径54米，同步发电机通过电力电子设备 与电网相连。,1.2 风力发电的发展,90年代后开始进入现代风力发电技术600kW-750kW风力发电机组兆瓦级风力发电机组,1995年建成的赖斯比合德风电场装有Bonus能源公司的40台600千瓦型风机,Vistas公司的1.5兆瓦原型风机建于1996年。,1.2 风力发电的发展,风力发电技术发展趋势海上风力发电多兆瓦级风力发电,世界上第一个海上风电场位于丹麦南部的洛兰岛以北海域，1991年修建,Repower 5MW，叶轮直径126米，轮毂高度100-120米，目前已经在爱尔兰和比利时海上安装运行,1.2

5、风力发电的发展,风力发电机容量和风轮直径发展,1.2 风力发电的发展,风力发电机容量和风轮直径发展,1.2 风力发电的发展,世界风电装机容量2011年全球风机容量为237,669 MW。2011年新增容量为40,564 MW。2011年风机装机增长率为21%。中国的装机容量居世界第一。总装机容量、新增装机容量20011年世界新增风电装机最多的10个国家20011年世界前十位风电机组供应商在市场中所占份额,1.2 风力发电的发展,中国风电发展我国电力发展基本情况，全国联网，西电东送、南北互供。我国风能资源丰富，主要分布在三北及东南沿海地区。2011年新增装机容量为17,630.9MW2011年底

6、我国风电装机情况2011年我国风电各制造企业累计装机容量建设千万千瓦级风电基地思路的提出和实施，落实了“建设大基地，融入大电网”的发展方针，保证“3%电量目标”的实现。“大规模-高集中-高电压-远距离输送”的模式，对电网企业是很大的挑战。,2.风力发电设备,风力发电系统的组成,2.风力发电设备,风力发电机组的构成,2MW,2.风力发电设备,2.风力发电设备,叶轮：叶片和轮毂，获取风能并转化为机械能。机舱偏航系统传动链主轴：将风轮力矩传递给齿轮箱或发电机。齿轮箱：将风轮转速在高速轴侧提高到满足发电机需要的转速。发电机：异步发电机、双馈发电机、永磁同步发电机制动系统、桨距调节装置塔架电控系统：风力

7、发电机组的运行与管理。,3.风力发电机组的原理,3.1 风力发电机组的分类3.2 风力发电的基本原理,3.1 风力发电机组的分类,风力发电系统的分类风轮轴向,垂直轴,水平轴,3.1 风力发电机组的分类,风力发电系统的分类叶片数量,3.1 风力发电机组的分类,风力发电系统的分类按功率调节方式定桨距风机：桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。变桨距调节：风速低于额定风速时，保证叶片在最佳攻角状态，以获得最大风能；当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内。主动失速调节：风

8、速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。,3.1 风力发电机组的分类,风力发电系统的分类按功率调节,3.1 风力发电机组的分类,风力发电系统的分类按传动形式高传动比齿轮箱型：风轮的转速较低，通常达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。直接驱动型：应用多极同步风力发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声，故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。中传动比齿

9、轮箱（半直驱）型：这种风机的工作原理是以上两种形式的综合。中传动比型风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。,3.1 风力发电机组的分类,风力发电系统的分类按发电机驱动方式形式,(a)固定转速的异步发电机组,(c)永磁直驱同步发电机组,(b)双馈异步发电机组,风力发电系统的分类按风轮桨叶分类失速型：高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作，限制风力机的输出转矩与功率；变桨型：高风速时，调整桨距角，限制输出转矩与功率。风力发电系统的分类按风轮转速分类定速型：风轮保持一定转速运行，风能转换率较低；变速型：包括以下两种方式双速：可在两个设

10、定转速下运行，改善风能转换率；连续变速：连续可调，可捕捉最大风能功率。,3.1 风力发电机组的分类,风力发电系统的分类按发电机分类异步型：笼型单速异步发电机、笼型双速变极异步发电机；绕线式异步发电机。同步型：电励磁同步发电机；永磁同步发电机。风力发电系统的分类按传动机构分类升速型：用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机。直驱型：将低速风力机和低速发电机直接连接。按叶轮转速是否恒定分：恒速发电机、变速发电机,3.1 风力发电机组的分类,3.风力发电机组的原理,3.1 风力发电机组的分类3.2 风力发电的基本原理,3.2 风力发电的基本原理,风力机的运行特性,则风力机的输入功率为：,由于通过风轮旋转面

11、的风能不能全部都能被风轮吸收利用，其风能利用系数,v为风速，为空气密度，R为叶片半径,气流动能为：,密度为的空气流过面积为Sw 的风轮的气体体积为 V，m=V=Swv,m 空气质量，v 气流速度,3.2 风力发电的基本原理,风力机的运行特性风能利用系数是表征风力机效率的重要参数，它与风速、叶片转速、叶片直径、桨叶节距角均有关系。为了便于讨论，定义风力机的另一个重要参数叶尖速比，即叶片的叶尖线速度与风速之比：变浆距的风能利用系数 是叶尖速比和桨叶节距角两者的函数。在定浆距情况下，叶尖速比决着风能利用系数的大小。,理想风轮与贝兹（Betz）理论：前后空气体积相等：S1v1=Swv=S2v2根据牛顿

12、第二定律，单位时间内风轮上的受力 F=mv1-mv2=Swv(v1-v2)风轮吸收的功率P=Fv=Swv2(v1-v2)风轮吸收的功率又等于风轮前后气流动能（单位时间）的变化：,3.2 风力发电的基本原理,风力机的运行特性,令两式相等，得,经过风轮风速变化产生的功率为:,其最大功率可令 得，代入后得到的最大理想功率为,与气流扫掠面积风的能量相比，可得风力机的理论最大风能利用系数：,3.2 风力发电的基本原理,风力机的运行特性由不同风速下风力机输出功率和转速的关系，可以看到不同风速下风力机的功率转速曲线组成了曲线簇，每条曲线上最大功率点成为风力机的最佳功率曲线。风力机运行在Popt曲线上将会输出

13、最大功率Pmax其值为 对应的转矩为为了提高风能捕获效率、减小机械应力及输出功率波动，目前大型风电场均采用了变速恒频风力发电机组。,3.2 风力发电的基本原理,风力机的运行特性第一个运行区域是启动阶段，此时电机增速，但没有并网，没有功率输出。第二个运行区域是风力发电机并入电网并运行在额定风速以下的区域。这一阶段又可分为两个区域：变速运行区和恒速运行区。第三个运行区域为功率恒定区。当风速增加时，通过变桨控制，从而保持功率不变。,恒速恒频风力发电机系统:1.同步发电机系统 2.笼型异步发电机系统 3.双速笼型异步发电机系统 4.绕线转子RCC异步发电机系统变速恒频风力发电机系统:5.变速恒频鼠笼异

14、步发电机系统（高速）6.变速恒频双馈异步发电机系统（高速）7.变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速）8.变速恒频永磁同步发电机系统（中、低速）,3.2 风力发电的基本原理,三要素：（1）同步发电机（2）调速器（3）励磁调节器,1.恒速恒频同步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,同步风力发电机的定、转子结构,1.恒速恒频同步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,3.2 风力发电的基本原理,1.恒速恒频同步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,大小：,频率：,相序：由转子的转向决定。,波形：由 可知，波形取决于 的空间分布。,1.恒速恒频同步发电机系统,同步风力发电机的并网条件:“同相序

15、、同幅值、同频率、同相位”同相序：由正确的旋转方向保证同幅值：由励磁调节器自动保证同频率：由调速器保证，桨距调节可用作并网调速器同相位：由调速器微调实现,1.恒速恒频同步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,同步风力发电机系统的主要问题:（1）并网问题：并网控制复杂，对调速器要求过高，并网过程长，成功率较低，冲击电流不易控制，不适合于频繁脱、并网的风力发电机。（2）运行问题：转子转速受电网频率的钳制，发电机呈现刚性机械特性。转子受到的冲击应力大，电磁功率波动快，风力机的风能转换率偏低。（3）过载问题：高风速时，对变桨调节的动态响应要求高，无法利用转子惯量缓冲。留给过速保护的响应时间太短。恒速

16、恒频同步风力发电机系统极少被采用！,1.恒速恒频同步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,三要素：（1）异步发电机（2）调速器（3）无功补偿器,2.恒速恒频笼型异步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,2.恒速恒频笼型异步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,3.2 风力发电的基本原理,2.恒速恒频笼型异步发电机系统,笼型异步风力发电机的工作原理旋转磁场 向对称三相绕组中通入对称三相交流电流，可形成行波磁场；(2)如果绕组分布在圆周上，则行波磁场为旋转磁场；(3)旋转磁场在一个圆周内，呈现出的磁极（N、S极）数目称为极数，用2p表示。(4)旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速n1取决

17、于电流的频率f 和极对数p：,2.恒速恒频笼型异步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,笼型异步风力发电机的工作原理电磁感应（1）定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速n1 旋转（2）旋转磁场在转子导条中产生感应电动势e 和电流i（3）i 在磁场中受力f，产生电磁转矩T（4）若转子以转速nn1,向n1的方向旋转，T 为制动转矩转差率:同步转速n1与转子转速 n 的差与同步转速n1的比值，称为转差率，用s表示，即:,2.恒速恒频笼型异步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,2.恒速恒频笼型异步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,笼型异步风力发电机系统的特点:（1）无功补偿：发电机励磁消耗无

18、功功率，皆取自电网。应选用较高功率因数发电机，并在机端并联电容；（由于负荷经常变动，固定电容难以做到完全补偿。可能出现过补或欠补现象，造成电网电压浮动。可 考虑在变电站加装可控无功补偿装置SVC）（2）软并网：并网瞬间与异步电动机起动相似，存在很大 的冲击电流，应在接近同步转速时并网，并加装可控 硅软起动限流装置；,2.恒速恒频笼型异步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,（3）过载能力：发电机的机械特性曲线较硬，允许转子转 速变动范围小，导致风力机的风能转换率偏低。风速不稳时，风电机组容易受到冲击机械应力；（软特性发电机的转子损耗较大，发热严重）（4）高效轻载：绝大部分时间处于轻载状态，要

19、求发电机的效率曲线平坦，在中低负载区效率较高。可考虑在轻载区，将定子绕组由角接改为星接，降低铁耗。,2.恒速恒频笼型异步风力发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,（1）变极双速笼型异步风力发电机方案 在同一台发电机的定子铁心中，埋设两套不同极对数的电枢绕组（通常为4/6极）。根据需要，可在两套绕组切换，以获得合适的运行转速。高速绕组角接，低速绕组星接，以降低轻载运行时的铁心磁密和损耗。,3.双速恒频笼型异步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,3.2 风力发电的基本原理,（2）大、小电机方案：采用两台不同容量、不同极对数的单速笼型异步发电机同轴串联。高速发电机角接，低速发电机绕组星接。根据

20、需要，可在两套绕组切换。与变极双速方案相比，小电机的负荷率较高，发电效率更高。,3.双速恒速恒频笼型异步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,3.2 风力发电的基本原理,T,4.恒速恒频绕线转子RCC异步发电机系统,RCC：Rotor Current Control，转子电流控制定义：转子电流控制技术是指通过电力电子开关和脉宽调制（PWM）来控制绕线型异步发电机转子电流的一项技术。,4.恒速恒频绕线转子RCC异步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,Vestas的V39,系统的结构特征：（1）应用变桨风力机；（2）采用绕线型异步发电机，但没有滑环；（3）采用旋转开关器件斩波控制转子电流，动

21、态调整发电机的机械特性。优 点：（1）风速变化引起风轮转矩脉动的低频分量由变桨调速机构调节，其高频分量由RCC调节，可明显减轻桨叶应力，平滑输出电功率;（2）利用风轮作为惯性储能元件，吞吐伴随转子转速变化形成的动能，提高风能利用率；（3）电力电子主回路结构简单，不需要大功率电源。缺 点：旋转电力电子开关电路检修、更换困难。,4.恒速恒频绕线转子RCC异步发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,5.变速恒频笼型异步风力发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,3.2 风力发电的基本原理,P,Q,5.变速恒频笼型异步风力发电机系统,特点：|n|n1|，s0。电机处于发电机状态。,系统特点：（1）交直

22、交变频器使发电机转速与电网频率间的关联解耦；笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态；可利用发电机的电磁转矩控制风力机转子的转速，跟踪其最大功率点。发电机的运行转差率小，发电机机械特性硬，运行效率高；（2）发电机侧变频器运行于升压整流状态，机端电压可调，轻载运行时发电机的铁耗小、效率高；,（3）电网侧变频器运行于逆变状态，将发电机发出的有功传送至电网，并可作为无功发生器参与调节电网无功；对电网波动的适应性好，可以将电网的波动屏蔽于发电机之外；（4）变频器与发电机功率容量相等，系统成本高。,5.变速恒频笼型异步风力发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,6.变速恒频双馈异步风力发电机系统,3.2

23、 风力发电的基本原理,3.2 风力发电的基本原理,P,P,转子绕组,电网,亚同步状态:s0,超同步状态:s0,6.变速恒频双馈异步风力发电机系统,国产1MW双馈异步风力发电机,3.2 风力发电的基本原理,6.变速恒频双馈异步风力发电机系统,绕线型转子三相异步发电机的结构,3.2 风力发电的基本原理,6.变速恒频双馈异步风力发电机系统,绕线型绕组的联结方式,3.2 风力发电的基本原理,6.变速恒频双馈异步风力发电机系统,3.2 风力发电的基本原理,调速基本原理,f2,6.变速恒频双馈异步风力发电机系统,双馈异步发电机的运行原理 转子交流励磁（1）转子电流的频率为转差频率，跟随转子转速变化；（2）

24、通过调节转子电流的相位，控制转子磁场领先于由电网电压决定的定子磁场，从而在转速高于和低于同步转速时都能保持发电状态；（3）通过调节转子电流的幅值，可控制发电机定子输出的无功功率；（4）转子绕组参与有功和无功功率变换，为转差功率，容量与转差率有关（约为电磁功率的0.3倍，|s|0.3）,3.2 风力发电的基本原理,6.变速恒频双馈异步风力发电机系统,系统特点：（1）连续变速运行，风能转换率高；（2）部分功率变换，变频器成本相对较低；（3）电能质量好（输出功率平滑，功率因数高）；（4）并网简单，无冲击电流；（5）降低桨距控制的动态响应要求；（6）改善作用于风轮桨叶上机械应力状况；（7）双向变频器结

25、构和控制较复杂；（8）电刷与滑环间存在机械磨损。,3.2 风力发电的基本原理,6.变速恒频双馈异步风力发电机系统,7.变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速）,3.2 风力发电的基本原理,3.2 风力发电的基本原理,P,TF,TD,7.变速恒频电励磁同步发电机调速原理,（1）连续变速运行，风能转换率高；（2）通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定；（3）可采用不控整流和PWM逆变，成本低于全功率变换；（4）电能质量好，并网简单，无冲击电流；（5）降低桨距控制的动态响应要求，改善桨叶上机械应力状况（6）转子结构复杂，励磁消耗电功率；（7）体积大、重量重，效率稍低。,3.2 风力发电的基本

26、原理,7.变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速）,8.变速恒频永磁同步发电机系统（中、低速）,3.2 风力发电的基本原理,3.2 风力发电的基本原理,8.变速恒频永磁同步发电机全功率变流器,系统特点：（1）连续变速运行，风能转换率高，可降低桨距控制的动态响应要求，改善桨叶上机械应力状况；（2）具有最高的运行效率；（3）励磁不可调，感应电动势随转速和负载变化。采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC变换，可维持直流母线电压基本恒定，同时还可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速；（4）在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电，对电网波动的适应性好；（5）永磁发电机体积大、重量重，成本

27、高；全容量全控变流器控制复杂，成本高；,8.变速恒频永磁同步发电机系统（中、低速）,3.2 风力发电的基本原理,（1）笼型异步风力发电机系统成本低、可靠性高，在定速和变速全功率变换风力发电系统中将继续扮演重要角色；（2）双馈异步发电机系统具有最高的性价比，特别适合于变速恒频风力发电。将在未来十年内继续成为风电市场上的主流产品；（3）直驱型同步风力发电机及其变流技术发展迅速，利用新技术有望大幅度减小低速发电机的体积和重量。,3.2 风力发电的基本原理,4.1 风力发电机的检测与控制,一、风力发电机组的主要类型与控制要求,定桨距失速型机组监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；自动无功补偿；监视机

28、组的运行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、发电量等机组运行数据。全桨叶变距型机组监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；优化功率曲线；监视机组的运行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、发电量等机组运行数据。基于变速恒频技术的变速型机组监控系统任务除去上述功能外主要包括：基于微处理器及先进IGBT电力电子技术的发电机转子变频励磁；脉宽调制技术产生正弦电压控制发电机输出电压与频率质量；低于额定风速的最大风能（功率）控制与高于额定风速的恒定额定功率控制。,4.1 风力发电机的检测与控制,图中看出，系统的特性除了与机组特性有关外，还受控制器

29、影响。运行中控制器可改变功率输出，风能看成是扰动。,二、风力发电机组的控制特性,4.1 风力发电机的检测与控制,三、风力发电机组的控制系统结构,用户界面,输入用户指令，变更参数显示系统运行状态、数据及 故障状况,发电机控制,软并网变频器励磁调节,主控制器,运行监控，机组起/停电网、风况监测,无功补偿,根据无功功率信号分组切入或切出补偿电容,变距系统,转速控制功率控制,液压系统,刹车机构压力保持变距机构压力保持,制动系统,机械刹车机构气动刹车机构,调向系统,偏航自动解除电缆缠绕,4.2 定桨距风力发电机组控制技术,一、定桨距风力发电机组的特点,1、风轮结构主要特点：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨叶

30、的迎风角度不随风速变化而变化。需解决的问题：高于额定风速时桨叶需自动将功率限制在额定功率附近（失速特性）。脱网（突甩负荷）时桨叶自身具备制动能力。添加了叶尖扰流器，降低机械刹车结构强度，2、桨叶的失速调节原理因桨叶的安装角不变，风速增加升力增加升力变缓升力下降阻力增加叶片失速叶片攻角由根部向叶尖逐渐增加，根部先进入失速，随风速增大逐渐向叶尖扩展。失速部分功率减少，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在额定功率附近。3、叶尖扰流器叶尖部分可旋转的空气阻尼板，正常运行时，在液压控制下与叶片成为整体，风力机脱网时液压控制指令将扰流器释放并旋转80o90o，产生阻力停机，即产生空气动力刹车。空气动力刹车

31、是按失效思想设计，即起到液压系统故障时的机组停机保护。4、双速发电机,小发电机功率曲线,大发电机功率曲线,切换点,风速,功率,如6极200kW和4极750kW,P1,P2,4.2 定桨距风力发电机组控制技术,一、定桨距风力发电机组的特点,5、功率输出功率的输出主要决定于风速，叶片的失速特性功率曲线是在标准空气密度=1.225kg/m3测出的，一般温度变化10oC，空气密度变化4%。因此气温升高，密度下降，输出功率减少。750kW机组可能会出现3050kW的偏差，6、节距角与额定转速的设定对功率输出的影响由于机组的桨叶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。额定转速低

32、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。设计的最大功率系数并不出现在额定功率上，因风力发电机并不经常工作在额定风速点。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。,功率/kW,4.2 定桨距风力发电机组控制技术,二、定桨距风力发电机组的基本运行过程,1、待机状态风速v3m/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；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。2、风

33、力发电机组的自启动及启动条件机组在自然风作用下升速、并网的过程。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/s25m/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、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。,4.2 定桨距风力发电机组控制技术,二、定桨距风力发电机组的基本运行过程,3、风轮对风

34、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。4、制动解除 启动条件满足后，控制叶尖扰流器的电磁阀打开，压力油进入桨叶液压缸，扰流器被收回与桨叶主体合为一体。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。5、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；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 定桨距风力发电机组控制技术,三、风力发电机组的基本控制要求,1、控制系

35、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。2、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。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。风力参数：风速；每秒采集一次，10分钟计算一次平均值。v3m/s时发电机，v25m/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

36、补偿。控制偏航系统工作，风速低于3m/s偏航系统不会工作。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。刹车盘磨损；油位；润滑油和液压系统油位。,4.2 定桨距风力发电机组控制技术,三、风力发电机组的基本控制要求,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。增速器油

37、温的控制：增速器箱内由PT100热电阻温度传感器测温；加热器保证润滑油温不低于10oC；润滑油泵始终对齿轮和轴承强制喷射润滑；油温高于60oC时冷却系统启动，低于45oC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130140oC，到150155oC停机。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10min大于额定功率15%或2s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

38、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90oC。,4.2 定桨距风力发电机组控制技术,三、风力发电机组的基本控制要求,3、风力发电机组的基本控制策略风力发电机组的工作状态：,4.2 定桨距风力发电机组控制技术,四、定桨距风力发电机组的制动与保护系统,1、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桨叶根部的压力缸，压缩扰流器机构中的弹簧，使叶尖扰流器与桨叶主体平滑连为一体。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90o。机械盘式刹车：作为辅

39、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。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

40、列。,4.2 定桨距风力发电机组控制技术,四、定桨距风力发电机组的制动与保护系统,2、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。3、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、电气保护过电压保护：控制器对通过电缆进入控制柜的冲击电压具有自我保护能力感应瞬态保护：晶闸管、计算机的过电压屏蔽，传感

41、器、通信电缆的隔离。雷击保护：提供便捷的接地通道释放雷电。5、紧急安全链是计算机系统的最后一级保护措施，原理是将对风力发电机组造成致命伤害的故障节点串联在停机回路中，任何一个故障都可紧急停机。如：紧急停机按钮、控制器看们狗、叶尖扰流器液压继电器、扭揽传感器、振动传感器、控制器DC24V电源失电。紧急停机后安全链只能手动复位,4.3 变桨距风力发电机组控制技术,一、概述,高于额定风速改变攻角保持功率恒定；启动时控制驱动转矩控制转速。特点：1、改善机组的受力，优化功率输出（粗调，与发电机转差率调节配合）。2、比定桨距风力机额定风速低、效率高；且不存在高于额定风速的功率下降问题。3、功率反馈控制使额

42、定功率不受海拔、湿度、温度等空气密度变化影响4、启动时控制气动转矩易于并网；停机气动转矩回零避免突甩负荷。运行状态：启动状态转速反馈控制，速度给定加升速率限制有利于并网。欠功率状态不控制（变速机组可通过追求最佳叶尖速比提高风机效率）。额定功率状态功率控制，为了解决变桨对风速响应慢问题，可通过调节电机转差率调速，用风轮蓄能特性吸收风波动造成的功率波动，维持功率恒定。,4.3 变桨距风力发电机组控制技术,二、变桨距执行系统,a、变桨距执行系统是一个随动系统，即桨距角位置跟随变桨指令变化。b、校正环节是一个非线性控制器，具有死区补偿和变桨限制功能。死区用来补偿液压及变距机构的不灵敏区，变桨限制防止超

43、调。c、液压系统由液压比例伺服阀、液压回路、液压缸活塞等组成。d、位置传感器给出实际变桨角度。,D/A转换器,A/D转换器,位移传感器,变桨距机构,液压系统,活塞位移,桨距角,变桨给定,校正环节,4.3 变桨距风力发电机组控制技术,三、变桨距控制（并网前）,1、并网前的速度控制速度控制器控制从启动到并网的转速控制，达到同步转速10r/min内1s并网。进入启动状态，前馈通道将桨距角快速提高到45，500r/min减小到5，达到快速启动目的；非线性环节使增益随节距角增加而减小，补偿转矩变化。,转速控制器,变桨执行器,变距机构,风轮系统,发电机,传动系统,桨距角,风速,转速给定A,转速,4.3 变

44、桨距风力发电机组控制技术,三、变桨距控制（并网后）,b、功率控制器A并网后执行变桨到最大攻角，低于额定功率（额定风速）时控制器输出饱和，攻角最大；高于额定风速后进入恒功率控制；引入风速前馈通道，超过额定风速后，当风速变化时起到快速补偿作用。c、功率控制器B低于额定风速调节转差率“实现”最佳叶尖速比调节，即风速增加转差率增大；高于额定风速时配合功率控制器A维持功率恒定。原理是风速出现波动时，由于变桨调节的滞后使驱动功率发生波动，调节转差率（转子电流）使机组转速变化而维持功率恒定，利用风轮储存和释放能量维持输入与输出功率的平衡。,功率控制器A,功率控制器B,变桨执行器,变距机构,风轮系统,发电机,

45、传动系统,转速,桨距角,发电功率,风速,额定功率,功率给定,同步转速,转子电流执行器,S,P,风速信号,滤波器,+,-,+,-,+,-,+,-,4.3 变桨距风力发电机组控制技术,四、发电功率控制,1、发电机功率参考曲线 功率给定曲线在点划线限制的范围内变化，发电机的转差率在110%（15151650r/min），外加转子平均电阻在0到100%变化。2、发电机转矩转速控制特性功率=转矩转速，功率与转矩成正比。,=转矩系数励磁磁通转子电流转子功率因数,其中：,转子感应电动势,发电功率与转子电流成正比，改变电流大小可以调节电功率。改变转子回路电阻可以改变转子电流。低于额定风速叶尖速比优化：风转速参

46、考功率转子电流输出功率 高于额定风速恒定功率控制：风转速输出功率转子电流输出功率,跟踪参考值,稳定功率值,4.3 变桨距风力发电机组控制技术,四、发电功率控制,转子电流控制原理图：,4.3 变桨距风力发电机组控制技术,五、液压变距系统,油泵,油箱,滤油器,溢流阀,压力传感器,节流阀,比例阀,蓄能器,可调节流阀,A,B,P,T,电磁阀,先导止回阀,单向阀,压力开关,减压阀,刹车钳,90,0,VESTAS V39型,单向阀,油位开关,压力传感器控制油泵启停，设定范围：130bar145bar高压滤清器装有旁通阀和污染指示器，单向阀防止高压油回流。溢流阀防止油压过高，设定值145bar系统维修时，可

47、调节流阀阀用来释放来自蓄能器的压力油油位开关用来防止油溢出或泵在无油情况下运转。油箱内设有PT100温度检测与报警，,液压泵站,4.3 变桨距风力发电机组控制技术,五、液压变距系统,油泵,油箱,滤油器,溢流阀,压力传感器,节流阀,比例阀,蓄能器,可调节流阀,A,B,P,T,紧急顺桨阀,先导止回阀,单向阀,压力开关,减压阀,刹车钳,90,0,变桨距控制,控制器输出-10V+10V，控制比例阀输出方向及大小，使叶片在-588之间变化。工作时紧急順桨阀通电，电磁阀1通电使先导止回阀双向流动。比例阀“直通”时，活塞向右运动，桨叶节距向-5方向调节。比例阀“跨接”时，节距角向88方向调节，液压缸左侧压力

48、油回压力管路（活塞右侧面积大于左侧）。,紧急顺桨阀,电磁阀1,电磁阀2,4.3 变桨距风力发电机组控制技术,五、液压变距系统,油泵,油箱,滤油器,溢流阀,压力传感器,节流阀1,比例阀,蓄能器,可调节流阀,A,B,P,T,紧急顺桨阀,先导止回阀,单向阀,压力开关,减压阀,刹车钳,90,0,液压系统停机状态,紧急顺桨阀断电，压力油通过节流阀2进入液压缸右端。左端压力油经节流阀1回油箱，順桨88。电磁阀1断电，先导止回阀变为单向阀，防止风作用力矩使液压缸活塞向右运动。急停状态防止蓄能器油量不够活塞行程，风的自变力矩将帮助紧急顺桨，补充油来自活塞左部及油箱吸油管。节流阀用来限制变桨速度在9左右。,节流

49、阀2,紧急顺桨阀,电磁阀1,4.3 变桨距风力发电机组控制技术,五、液压变距系统,油泵,油箱,滤油器,溢流阀,压力传感器,节流阀,比例阀,蓄能器,可调节流阀,A,B,P,T,电磁阀,先导止回阀,单向阀,压力开关,减压阀,刹车钳,90,0,制动机构,开机指令发出后，电磁阀通电，制动卡钳排油到油箱，刹车被释放。停机指令发出后，电磁阀失电，蓄能器压力油进入制动液压缸，实现停机操作。制动器一侧装有螺杆活塞泵，用来当液压系统不能加压时制动风力机。压力开关用来检测制动压力，因压力过高（大于23bar）会造成传动系统的严重损坏。,螺杆活塞泵,4.3 变桨距风力发电机组控制技术,六、变速风力发电机组的控制,1

50、、风力机在不同风速下的转速功率曲线：2、追踪最大风能的过程：假设在风速V3下原风力机稳定运行在曲线上的A点，转速为1。如果某时刻风速升高至V2，因为风力机的转速不能突变，所以其运行点就会由A点跳变至B点，风力机输出功率由PA突增至PB。由于风力机功率突然增大，将导致发电机的转矩失衡，于是发电机机械转速开始上升，风力机将沿着BC曲线增速。当到达风力机功率曲线与其最佳功率曲线相交的C点时，功率再一次平衡，转速稳定为2，就是对应于风速的最佳转速。上述过程实现条件是机组转速可调，定速（同步发电机）机组的转速由电网决定；异步发电机（转子电流可调）的转速调节范围很小，难于实现大范围；双馈型机组的转差率约为