《风力发电讲义》PPT课件

NorthChinaElectricPowerUniversity风力发电机组检测与控制——华北电力大学控制科学与工程学院吕跃刚NorthChinaElectricPowerUniversity一、机组的总体结构第一章绪论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•定桨：1.5-2.5叶尖扰流器起脱网停机气动刹车，一般采用双速发电机来提高效率。•变桨：随风速改变攻角，超过额定风速保持额定功率。•设计风轮转速：20-30r/min，通过增速器与发电机匹配。•采用晶闸管软切入并网，并网容易，扰动小。•含微处理器的控制系统。NorthChinaElectricPowerUniversity第一章绪论二、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；自动相位补偿；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。•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。NorthChinaElectricPowerUniversity第一章绪论三、风力发电机组的控制技术•定桨距失速型机组解决了风力发电机组的并网问题和运行安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术。固定的节距角及电网频率决定的转速，简化了控制与伺服驱动系统。•全桨叶变距型机组启动时可进行转速控制，并网后可进行功率控制。电液伺服机构与闭环变距控制提高了机组效率。•基于变速恒频技术的变速型机组采用变速风力发电机。根据风速信号控制，低于额定风速跟踪最佳功率曲线，高于额定风速柔性保证额定功率输出。改善了高次谐波对电网影响，提高了功率因数，高效高质地向电网供电。习题：各不同类型机组的控制技术有何功能特点。NorthChinaElectricPowerUniversity第一章绪论•图中看出，系统的特性除了与机组特性有关外，还受控制器影响。•运行中控制器可改变功率输出，风能看成是扰动。四、风力发电机组的控制特性风轮动态特性传动链动态特性发电机动态特性风能风轮转矩×转速发电机转矩×转速电功率功率变送器伺服执行器控制器功率信号变距指令变距位置NorthChinaElectricPowerUniversity第一章绪论五、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•自动解除电缆缠绕习题：通过对控制系统结构的了解，回答控制系统主要包括那些功能？NorthChinaElectricPowerUniversity第二章风力机控制基础气流动能为m空气质量，v气流速度密度为ρ的气流过面积S的气体体积为V，M=ρV=ρSv则单位时间内气流所具有的动能为理想风轮与贝兹（Betz）理论：前后空气体积相等：S1v1=Sv=S2v2根据牛顿第二定律，单位时间内风轮上的受力F=mv1-mv2=ρSv(v1-v2)风轮吸收的功率P=Fv=ρSv2(v1-v2)风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化：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效率：一、1、风力机能量转换过程221mvE321SvESv1SvSv2)(212221vvSvE221vvv))((41212221vvvvSP02dvdP1231vv31max278SvP593.02716maxmaxEPNorthChinaElectricPowerUniversity1、风能利用系数：风力机的实际功率其中CP为风能利用系数，它小于0.5972、叶尖速比为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量，称叶尖速比PSSCvP3121一、2、风力机的主要特性系数PCvRn2第二章风力机控制基础NorthChinaElectricPowerUniversity1、桨叶的翼型l二、1、桨叶的几何参数与空气动力特性0i功角升力角零升力角风向弦长vivAB攻角：来流方向与弦线的夹角零升力角：弦线与零升力线夹角升力角：来流方向与零升力线夹角2、桨叶上的气动力221SvCFr总的气动力，S—桨叶面积，Cr—总气动系数C压力中心221SvCFll221SvCFdd升力，与气流方向垂直，Cl—升力系数阻力，与气流方向平行，Cd—阻力系数221SlvCMM相对前缘点由F产生的力矩，Cd、Cl是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。第二章风力机控制基础NorthChinaElectricPowerUniversityilCdC二、2、升力和阻力的变化曲线-30o-20o-10o0o10o20o30o40o0.80.60.40.2Mi-0.2minlC•升力系数与阻力系数是随攻角变化的•升力系数随攻角的增加而增加，使得桨叶的升力增加，但当增加到某个角度后升力开始下降；阻力系数开始上升。出现最大升力的点叫失速点。•截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前缘位置）、表面粗糙度等都会影响升力系数与阻力系数。•对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，造成阻力增加，第二章风力机控制基础NorthChinaElectricPowerUniversityi三、旋转桨叶的气动力（叶素分析）风向v-uw运动旋转方向安装角（节距角）：回转平面与桨叶截面弦长的夹角I倾斜角RnRu2相对速度dF气流W产生的气动力dL气流升力dD气流阻力dSwCdLl221dSwCdDd221I轴向推力dFa=dLcosI+dDsinII旋转力矩dT=r(dLsinI-dDcosI)驱动功率dPw=ωdT风输入的总气动功率P=vΣFa旋转轴得到的功率Pu=Tω风轮效率η=Pu/P第二章风力机控制基础NorthChinaElectricPowerUniversity第二章风力机控制基础四、简化风力机理论（1）1、基本关系的确定贝兹理论最佳状态下r,r+dr一段截面受的轴向推力第一种方法：此时，功率最大。叶素的推力可写为112221222132,3194)(2vvvvSvSvvvSFa，rdrvdSvdF222第二种方法：iv-uwI倾斜角相对速度dFdLdDdFadFuεcossin21cos21cos/222ldrIvCldrwCdLdFllI-εB个叶片投影到轴向的推力dFa为:aldrIIvbCdFalcos)cos(sin2122令两式相等，得)cos(cossin42IIrblClIIIrblCltantan1costan42即最佳运转条件下，v=2/3v1即2323cot1vrvrI因此上式可写成：)tan321(949162rblCl949162r因tanε=dD/dL=Cd/Cl很小叶尖速比λo确定后Rr09491622200RrRblCl即NorthChinaElectricPowerUniversity第二章风力机控制基础四、简化风力机理论（2）与设计有关的几个问题：1、如安装角β确定了，攻角也即确定了（ｉ=I-β），由翼型气动力曲线即可确定升力系数Cl。叶片数给定后，Clbl表达式可确定r为变量的叶片截面弦长。2、r增加，l减少。所以叶片由根部向尖部逐渐变窄。3、叶尖速比λo增加，即风轮的额定转速高，l越小，重量越轻。4、风力发电机组的沿叶片Cl不一定保持常数。气动效率和最佳攻角1、气动效率：埃菲尔极线（EiffelPolar）04812161.2-0.40.40.8lC210dCdlCCtano3o9o9auatuvdFudFvdFdTdPdPdr段叶片产生的风轮功率流过dr段叶片的风的功率因轴向推力旋转推力倾斜角及所以，效率IdDIdLdFasincosIdDIdLdFucossinvuI/cottan//ldCCdLdDIItantan1cottan1即当tan较小时，效率较高εMNorthChinaElectricPowerUniversity第二章风力机控制基础五、涡流理论（诱导速度的确定）风轮旋转时，在风轮下游存在尾迹涡流。该气流以一个与叶片旋转方向相反的方向绕自己的轴旋转，速度为Ω，则风轮下游气流旋转速度相对叶片为ω+Ω=hω,h叫周向速度因子。在风轮平面内，气流速度为下游的1/2（贝兹理论），所以相对叶片气流旋转速度为：)212h（半径r处的圆周速度为rhur)21(。说明风轮转速低于气流的转速。令12kvvk为轴向速度因子，则风轮处的轴向风速为I121212vkvvv风轮半径r处的倾角：erkhkhvrvuI1111cot1（风轮降低了迎风气流、增加了旋转气流）此时作用于风轮的相对风速与轴向风速、风轮转速的关系为：IhrIkvIvwcos2)1(sin2)1(sin1w2/)1(1kvI2/)1(hrNorthChinaElectricPowerUniversity第二章风力机控制基础五、涡流理论（轴向推力和转矩计算）r，r+dr的受力：方法一：如前分析已知轴向推力为cos)1cos(212laCblrwdFldCC/tan其中气动力矩为drICblrwrbdFdTlucos)sin(212方法二：由动量关系可得)1()1(212)(2)(221111121krdrvvkvkrkvvrvdrvvmdFa)1(2122311322kdrrvvkdrrrrdrvrmrdFdTu结果：将两种方法对比，并用v1表示w1得：)cos()1(sincos)1(8)1sin(cos)1(222221IkIkrwkrvblCl)sin()1(sincos)1(4)1sin(cos)1)(1(2221IhIhrwhkrvblCl式子给出了风轮几何尺寸、气动参数与速度因子之间的关系。2-582-59NorthChinaElectricPowerUniversity第二章风力机控制基础五、涡流理论（当地功率因数）流经环型面积（r、r+dr）的气流中获得的最大功率为：)1)(1(123hkvdrrdTdPu对应的当地功率因数：)1)(1()1)(1(2212231hkhkvrrdrvdPCp对于Cd=0的无阻力、无限多叶片理想风机，0/tanldCC令前5-58、5-59相等可推得：2211kh因此Cp可写成：)111)(1(222kkCp当0/dkdCp时，可得λ与k的关系式01)1(34223kk即对每个λ值，可确定k，进而可求得Cp的最大值。小结：对给出的λ，可得peCIhk、、、、peCIhk、、、、NorthChinaElectricPowerUniversity第二章风