风力发电的原理

风力发电1风力发电原理第5章风力发电机组的控制及安全保护2风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.2风力机控制5.3发电机控制5.4风力发电机组信号检测5.5控制系统的执行机构5.6风电机组的安全保护第5章风力发电机组的控制及安全保护风力发电23风力发电原理„控制系统，负责机组从起动并网到运行发电过程中的控制任务，同时保证机组运行安全。„本章主要内容：大型风力发电机组的控制系统机组的控制要求及控制系统构成风轮及发电机的控制信号检测、执行机构及安全保护功能4风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.1风力发电机组的基本控制要求„大型风力发电机组主要由风轮、增速齿轮箱、发电机组成。„风轮及发电机是主要控制对象。风力发电机组及其控制系统结构图风力发电35风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.1风力发电机组的基本控制要求„发电机将能量以电流的形式向电网输送电能，同时发电机的电磁转矩平衡风轮机械转矩，使机组正常运行。„机组的运行及发电过程都由控制系统实现。控制系统必须根据风速的变化对机组进行发电控制与保护6风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.1风力发电机组的基本控制要求„风力发电机组输出功率与风速密切相关，根据风速使机组运行在不同状态9控制系统根据风速控制机组的起停及功率风力发电47风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.1风力发电机组的基本控制要求重要控制对象——发电机‡MW级发电机组：普通异步发电机、双馈式异步发电机和直驱式永磁发电机。‡普通异步发电机：控制简单，控制其并网与脱网；若要无功功率补偿，则控制补偿电容器组的投切。‡双馈式异步发电机和直驱式永磁发电机：控制用变流器8风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.1风力发电机组的基本控制要求‡双馈式发电机：9变流器为转子提供频率可变的交流电9调节转子交流励磁，改变风电机组转速及发电机发出的有功和无功‡直驱式永磁同步发电机：9定子通过换流器与电网连接9按机组要求使发电机同步运行于期望值。‡两种发电机都可变速运行（提高机组效率）。控制发电机变速运行——控制变流器风力发电59风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.1风力发电机组的基本控制要求‡大型风力发电机组都在并网状态下运行‡并网与脱网控制9要求在控制并网时对电网的冲击昀小，对机组的机械冲击也昀小，使机组平稳并入电网（水轮发电机并网）；9脱网时机组不要超速，使机组安全停机。‡机组运行时，风向也变化9要求控制系统能根据风向实时调整机舱位置，始终处于正对气流的方向（对风），偏航系统实现对风控制。9对风时，机舱与地面间的连接电缆缠绕，定期进行解缆控制。10风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.1风力发电机组的基本控制要求‡为保证机组安全，设计制动系统。‡为保证机组齿轮箱、液压系统、发电机、控制装置等各主要部件的正常工作，对各部件进行温度控制。‡风电机组发生故障时，控制系统故障报警，停机等动作。9机组的振动反映故障状态9振动信号主要反映风对塔架的作用引起的振动，作为停机信号（故障在线监测）。风力发电611风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.1风力发电机组的基本控制要求‡控制系统具有对机组较完善的保护措施，保证运行安全‡对机组安全的昀后一级保护：9大型风电机组都设计了安全链系统。当发生任何一种严重故障需要停机时，安全链系统都能保证机组停机。9安全链系统是脱离控制系统的低级保护系统，保证系统在任何条件下的可靠性。‡控制系统以计算机为基础，具有人机操作接口、数据存储、数据通信等功能。12风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.1风力发电机组的基本控制要求‡综上，风电机组控制系统需要具备的功能及要求：1）根据风速信号自动进入起动状态或从电网自动切除。2）根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制。3）根据风向信号自动对风。4）根据电网和输出功率要求自动进行功率因数调整。5）当发电机脱网时，能确保机组安全停机。6）能实时监测和记录机组运行时的电网、风况、运行状况，对异常情况能自行准确判断并采取保护措施，能根据记录的数据生成图表，以反映风电机组的各项性能指标。7）具有远程通信功能。8）具有良好的抗干扰和防雷保护措施，保证在恶劣环境里昀大限度地保护风电机组的安全可靠运行。风力发电713风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.2风力发电机组的控制系统结构‡以双馈型风力发电机组为例。双馈型风电机组控制系统整体结构14风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.2风力发电机组的控制系统结构‡底部为变流器柜和塔筒控制柜。‡塔筒控制柜，风力发电机主控制装置，负责机组的控制、显示操作和通信。‡变流器柜，由IGBT、散热器和变流控制装置组成，负责发电机并网及发电过程控制。‡塔筒底部控制柜，通过电缆与机舱连接，通信。风力发电815风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.2风力发电机组的控制系统结构‡机舱控制柜负责机组制动、偏航控制及液压系统、变速箱、发电机等的参数调节；以及各运行参数的检测及风速、风向信号检测。16风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.2风力发电机组的控制系统结构‡机组变桨距控制装置，在轮毂内。叶片桨距角可调节，实现功率控制。风力发电917风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.2风力发电机组的控制系统结构‡各控制装置通过通信总线联系，实现机组整体协调控制‡控制系统通过网络与中央监控系统进行通信，实现机组远程起停、数据传输等功能。‡风电机组总体控制结构18风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.3风力发电机组的运行控制过程‡风电场的机组分散布置，无人值守，机组均采用远程自动控制方式。‡机组的控制系统，能随时根据风况与电网需求自动独立实现机组起动、并网、发电等操作，并将机组状态信息通过网络传给主控中心，主控中心向机组发出起动、停机等指令。‡风电机组运行过程的六种工作状态：9待机状态9自起动过程9机组并网过程9欠功率运行状态9额定功率运行状态9停机状态风力发电1019风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.3风力发电机组的运行控制过程1.待机状态¾当机组所有运行部件均检测正常，且风速低于3.5m/s时，处于待机状态。9该状态下，所有执行机构和信号均处于实时监控状态9风向仪信号实时跟踪风向变化，偏航系统使机组处于对风状态。风速亦被实时检测，送至主控制器作为起动参考量。¾起动前风电机组整个控制系统、发电机、机械部件等各项参数均正常。20风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.3风力发电机组的运行控制过程2.机组自起动过程¾指风轮在自然风速作用下，不依赖外力，将发电机拖到一定转速，为并入电网做好准备的过程。9机组在正常起动前，控制系统对电网及风况进行检测，如连续10min电网电压及频率正常、风速超过3.5m/s，且控制器、执行机构和检测信号均正常，此时主控制器发出起动命令。9叶片桨距角转至合适角度，风轮获得气动转矩，机组转速开始增加，机组起动。风力发电1121风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.3风力发电机组的运行控制过程3.机组并网过程¾并网指控制机组转速达到额定转速，通过合闸开关将发电机接入电网的过程。¾双馈发电机，并网过程是通过控制变流器来控制转子交流励磁完成的。9当机组转速接近同步转速时，通过对转子交流励磁的调节实现并网。22风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.3风力发电机组的运行控制过程3.机组并网过程¾直驱发电机，并网过程通过控制全功率变流器来完成9当电机达到一定转速时，通过全功率变流器控制的功率模块和变流器网侧电抗器、电容器的LC滤波作用使系统输出电压、频率等于电网电压、频率，同时检测电网电压与变流器网侧电压之间的相位差，当其为零或相等时实现并网。风力发电1223风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.3风力发电机组的运行控制过程4.欠功率运行状态¾若风速低于额定风速，桨距角调整至3°附近，使叶片获取昀大风能。同时，调节机组的转速追踪昀佳叶尖速比，实现昀大风能捕获。¾并网后机组转速的调节：控制发电机励磁5.额定功率运行状态¾若高于额定风速，调节桨距角，限制风力机输入功率，使输出功率保持在额定值附近。24风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.1.3风力发电机组的运行控制过程6.停机状态¾分为正常停机与非正常紧急停机。9一般性设备及电网故障时，将正常保护停机。停机时先将叶片顺桨，降低风力机输入功率；再将发电机脱网，降低机组转速；昀后投入机械制动。9当发电机超速等严重故障时，紧急停机。执行快速顺桨、并在发电机脱网同时投入机械制动。¾正常停机是在控制系统指令作用下完成的，当故障解除时机组能够自动恢复起动；¾紧急停机一般伴随安全链动作，重新起动需要人员干预。风力发电1325风力发电原理5.1风力发电机组的控制技术5.2风力机控制5.3发电机控制5.4风力发电机组信号检测5.5控制系统的执行机构5.6风电机组的安全保护第5章风力发电机组的控制及安全保护26风力发电原理5.2风力机控制‡依据两个主要功能单元，风力发电控制技术分为（1）风力机控制技术（2）发电机控制技术风力发电1427风力发电原理5.2风力机控制5.2.1风力机控制的空气动力学原理‡当风速变化且发电机功率没有超过额定时，只要调节风轮转速，同时使桨距角处于昀佳角度就可获得昀佳功率——变速风力发电机组在低于额定风速以下进行转速控制的基本原理‡不断追踪昀佳功率曲线就是要求Cp恒定为Cpmax而保证机组昀大限度的吸收风能，也称为昀大风能捕获控制28风力发电原理5.2风力机控制5.2.1风力机控制的空气动力学原理‡当风速增加到额定风速时，发电机输出功率也达到额定值（机械和电气设计极限的要求）‡若风速继续上升，仅依靠转速控制不能解决高于额定风速时的能量平衡问题。而增大桨距角，Cp明显减小，发电机输出功率相应减少。当发电机输出功率大于额定功率时，通过增大桨距角来减小发电机输出功率可使之维持在额定功率附近——恒功率控制过程。风力发电1529风力发电原理5.2风力机控制5.2.2定桨距风力机控制1.定桨距风力机‡结构特点：•叶片与轮毂固定连接，风速变化时叶片桨距角β不变•随着风速增加，风力机的运行过程为：风速增加→升力增加→升力变缓→升力下降→阻力增加→叶片失速。‡叶片不同部位的攻角不同，失速情况不同。‡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。30风力发电原理5.2风力机控制5.2.2定桨距风力机控制1.定桨距风力机‡针对其特点，风电机组必须解决的2个问题：（1）风速高于额定风速时，叶片自动失速性能能够自动将功率限制在额定值附近；（2）运行中的风电机组在突然失去电网的情况下，使其能在大风情况下安全停机。‡以上要求定桨距风力机叶片应具有自动失速性能和制动能力。风力发电1631风力发电原理5.2风力机控制5.2.2定桨距风力机控制1.定桨距风力机‡自动失速性能是依靠叶片本身的翼型设计来实现。‡叶片制动能力是通过叶尖扰流器和机械制动来实现。‡叶尖扰流器是叶尖一段转动部分9正常运行时，整体；9安全停机时，液压系统按控制指令释放扰流器并旋转一角度形成阻尼板，整个叶片作为一长杠杆，产生很高的气动阻力，使风力机在没有任何其他机械制动的情况下迅速减速。32风力发电原理5.2风力机控制5.2.2定桨距风力机控制2.定桨距控制‡定桨距机组采用普通异步发电机，转速不可调节。‡要在变化风速下保持昀大功率系数，必须保持转速和风速之比不变，这对定桨距风力机很难做到。风力发电1733风力发电原理5.2风力机控制5.2.2定桨距风力机控制2.定桨距控制‡固定的桨距角和转速使得额定转速低的定桨距机组在低风速下有较高的功率系数；额定转速高，高风速，较高。‡定桨距风电机组普遍采用双速发电机，分别设计为4极和6极，9低风速时采用6极发电机，高风速，4极。9对大、小发电机的运行切换控制可使风力机在高、低风速段均获得较高的气动效率。34