风力发电机组控制技术教案(1)

风力发电机组控制技术教案1第一章绪论能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系，极大地推动了人类社会的发展。然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模使用化石燃料所带来的严重后果；资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。因此，人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。风能是太阳能的一种转化形式，是一种不产生任何污染物排放的可再生的自然资源。风能的开发利用已有数千年历史。在蒸气机发明以前，风能就曾作为重要的动力，由于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。在几千年前，埃及的风帆船就在尼罗河上航行。中国是最早使用帆船和风车的国家之一，至少在三千年前的商代就出现了帆船。受化石能源资源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来，风力发电的发展十分迅速，世界风电机装机容量的年平均增长率超过了30％，从1993年的216万kW上升到2003年的4030万kW。我国对现代风力机的研制可以追溯到20世纪50年代，但系统的研究始于20世纪70年代。20世纪80年代中期开始，我国从国外引进了一些大、中型风力发电机组并入电网。1986年山东荣成市建成中国第一个风电场，年均发电量为33万kwh，以后相继在福建平潭、广东南澳岛、新疆达坂城及内蒙古朱日和等地建立了风电场。进入20世纪90年代以来，我国风电发展势头强劲，成为我国发展速度最快的能源工业，但是，我国安装的大型风力发电机组中90%是从国外进口。我国对现代并网型风力发电机的研究工作始于20世纪80年代，我国自行研制出的有20kw,30kw,75kw,120kw,200kw,600kw和1MW风力发电机组。目前世界上有几十种型号的大型风力发电机组在商业化运行，大体可分为四种类型。第一种为双绕组定桨距恒速机型，以Bounsl,BOUNS2,Nordex60和Nordex63为代表。第二种为变滑差变速机型，主要代表VestasV63,VstasV66,VstasV80.第三种是采用双馈发电机转差励磁方案，实现变速变距运行的机型，主要代表机型有DeWind公司的风力发电机组控制技术教案2DeWindD6,D9，Tacke公司的TW-1.5，TW-2.0和Nordex80。第四种是采用直接驱动的永磁发电机，直接采用交-直-交功率变换系统送电，如德国EnerconE66、意大利Gamma60型等。当前国外大型风力发电机组的发展趋势是单机容量越来越大，机组运行越来越可靠，而维护量越来越小。从国内外近几年风电产业发展看，随着风电产业的不断发展，风力发电机组控制技术也在不断发展，以满足其自身对风速变化、成本、环境及稳定运行等方面的要求，其主要发展趋势为：（1）变桨距调节方式迅速取代失速调节方式。从目前市场看，变桨距调节方式能充分克服失速调节不能充分利用风能的缺陷，因此，得到了迅速的应用。（2）变速运行方式迅速取代恒速运行方式。由于变速运行方式能够最大限度地利用风能，提高风力机的运行效率，因而被广泛采用。第二章风力机的基本理论风力机是一种叶片式机械，风机的桨叶与机翼类似，可用机翼升力理论描述。本章介绍了风力机的结构及分类、风力机空气动力学基础、桨叶受力分析以及风轮气动功率的调节等内容。第一节风力机的结构及分类风力发电是将风的动能转换为机械能，再带动发电机发电，转换成电能。本节主要介绍风力机组的基本结构及分类。一、风力机的结构风力机的样式虽然很多，但其原理和结构总的来说还是大同小异的。这里以水平轴风力机为例作介绍。它主要由以下几部分组成：风轮、传动机构（增速箱）、发电机、机座、塔架、调速器（限速器）、调向器、停车制动器等，如图2-1所示。(1)轮毂。风力机叶片都要装在轮毂上。轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统，再传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在，在设计中应保持足够的强度。（2）调速或限速装置。在很多情况下，要求风力机不论风俗如何变化，转速总保持恒定或不超过某一限定值，为此，采用了调速或限速装置。当风速过高时，这些装置还用来限制功率，并减小作用在叶片上的力。调速或限速装置有各种各样的类型，但从风力发电机组控制技术教案3原理上来看大致有三类：第一类是使风轮偏离主风向；第二类是利用气动阻力；第三类是改变叶片的桨距角。图2-1风力机的结构和组成（3）塔架。风力机塔载有机舱及转子。通常高的塔架具有优势，因为离地面越高，风速越大。它可以为管状的塔架，也可以是格子状的塔架。管状的塔架对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子达到塔顶。格状塔架的优点在于它比较便宜。风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切联系，如果说塔架对小型风力机影响还不太大的话，对大、中型风力机的影响就不容忽视了。（4）机舱。机舱包含着风力机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力机塔架进入机舱。（5）叶片。捕获风能并将风力传送到转子轴心。现代600kw风机上每个叶片的测量长度大约为20m，而且被设计得很像飞机的机翼。（6）低速轴。风力机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600kw风电机上，转子转速相当慢，大约为19—30r/min。轴中有用于液压系统的导管来激发空气动力闸的运行。（7）齿轮箱。风力机转子旋转产生的能量，通过主轴、齿轮箱及高速轴传动到发电机。使用齿轮箱，可以将风力机转子上的较低速转、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。风力机上的齿轮箱通常在转子及发电机转速之间具有单一的齿轮比。对于600kw或750kw机组的齿轮比大约为1:50。（8）高速轴及其机械闸，用于空气动力闸失效或风力机被维修时使用。风力发电机组控制技术教案4（9）发电机。通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风机上，最大电力输出通常为500—1500kw或者更大（海上风力机电力输出功率已到达5000kw）。（10）偏航装置。借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。（11）电子控制器。包含一台不断监控风力机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（及齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力机操作员。（12）液压系统。用于重置风力机的空气动力闸。（13）风速计及风向标。用于测量风速及风向。（14）冷却系统。发电机在运转时需要冷却。在大部分风力机上，使用大型风扇来空冷，还有一部分制造商采用水冷。水冷发电机更加小巧，而且电效高，但这种方式需要在机舱内设置散热器，来消除液体冷却系统产生的热量。二、风力发电机组的分类按照不同的分类方式，风力发电机组可分为以下几种类型：1.按风轮桨叶分类（1）失速型。高风速时，因桨叶形状或因叶尖的扰流器动作，限制峰立即的输出转矩与功率。（2）变桨型。高风速时通过调整桨距角，限制输出转矩与功率。2.按风轮转速分类（1）定速型。风轮保持一定转速运行，风能转换率较低，与恒速发电机对应。（2）变速型。1）双速型。可在两个设定转速之间运行，改善风能转换率，与双速发电机对应；2）连续变速型。在一段转速范围内连续可调，可捕捉最大风能功率，与变速发电机对应。3.按传动机构分类（1）齿轮箱升速型。用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机（减小发电机体积重量，降低电气系统成本）。（2）直驱型。直接连接低速风力机和低速发电机（避免齿轮箱故障）4.按发电机分类风力发电机组控制技术教案5（1）异步型。1）笼型单速异步发电机；2）笼型双速变极异步发电机；3）绕线式双馈异步发电机。（2）同步型。1）电励磁同步发电机；2）永磁同步发电机。5.按并网方式分类（1）并网型。并入电网，可省却储能环节。（2）离网型。一般需配置电池等直流储能环节，可带交、直流负载或与柴油发电机、光伏电池并联运行。第二节风力机的空气动力学基础一、风力机基础理论1.风速风场的风速资料是设计风力机最基本的资料。风场的实际风速是随时间不断变化的量，因此风速一般用瞬时风速和平均风速来描述。瞬时风速是短时间发生的实际风速，也称有效风速。平均风速是一段较长时间内瞬时风速的平均值。某地一年内发生同一风速的小时数与全年小时数（8760h）的比值称为该风速的风速频率，如图2-2(a)所示，它是风能资源和风能电站可研报告的基本数据。风速与地形、地势、高度、建筑物等密切相关，风能桨叶高度处的风速才是风力机设计风速，因此，设计风电场还要有风速沿高度的变化资料，如图2-2（b）所示。图2-2平均风速频率图（a）风速频率曲线(b)不同高度风速变化曲线风力发电机组控制技术教案6风的变化是随机的，任意地点的风向、风速和持续的时间都是变的，为定量的衡量风力资源，通常用风能玫瑰图来表示，如图2-3所示。图上涉嫌长度是某一方向上风速频率和平均风速三次方的乘积，用以评估各方向的风能优势。2.风能的计算有流体力学可知，气流的动能为：图2-3风能玫瑰图212Emv（2-1）式中，m—气体的质量；v—气体的速度（可视为距离风力机一定距离的上游风速）。设单位时间内气流流过截面积为S的气体的体积为V，则VSv(2-2)如果以表示空气密度，该体积的空气质量为：mvSv(2-3)这时气流所具有的动能为：312ESv（2-4）式中，—空气密度，kg/m3；V—气体体积，m3；v—风速，m/s；E—风能，J。式（2-4）即为风能的表达式。从风能共识可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。其中和v随地理位置、海拔、地形等因素而变化。3.风力机气动理论风轮的作用是将风能转换为机械能。由于流经风轮后的风速不可能为零，因此风所拥有的能量不可能完全被利用，也就是说只有风的一部分能量可以被吸收，成为桨叶的机械能。那么风轮究竟能吸收多少风能呢？作为风力机的气动理论—贝兹理论讨论了这风力发电机组控制技术教案7个问题。贝兹理论是由德国的贝兹（Betz）于1926年建立的。他假定风轮是理想的，既没有轮毂，又具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力，并假定经过整个风轮扫及面全是均匀的，而且通过风轮前后的速度都为轴向方向。现研究理想风轮在流动的大气中的情况，如图2-4所示，并规定：1v—距离风力机一定距离的上游风速；v—通过风轮时的实际风速；2v—离风轮远处的下游风速。图2-4风轮气流图设通过风轮的气流其上游截面为1S，下游截面为2S。由于风轮的机械能量仅由空气的动能降低所致，因而2v必然低于1v，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即2S大于1S。如果假定空气是不可压缩的，由连续条件可得：1122SvSvSv（2-5）风作用在风轮上的力可由Euler理论写出：12()FSvvv（2-6）故风轮吸收的功率为：212()PFvSvvv（2-7）此功率是由动能转换来的。从上游至下游动能的变化为：22121()2ESvvv(2-8)令式（2-7）和（2-8）相等，得到：121()2vvv（2-9）作用在风轮上的力和提供的功率可写为：风力发电机组控制技术教案822121()2FSvv（2-10）2212121()()4PSvvvv（2-11）对于给定的上游速度1v，可写出以2v为函数的功率变化关系，将式（2-11）微分得：22112221(23)4dPSvvvvdv（2-12）式20dPdv有两个解：①21vv，没有物理意义；②2113vv，对应于最大功率。把②带入P的表达式，得到最大功率为：3max1827PSv（2-13）将式（2-13）除以气流通过扫掠面S时风所具有的动能，可推得