風(fēng)力發(fā)電原理(控制)

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1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組檢測(cè)與控制 華北電力大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 呂 躍 剛 第一章 緒 論 輪轂 齒輪箱 油冷卻器 發(fā)電機(jī) 變槳驅(qū)動(dòng) 旋轉(zhuǎn)罩 機(jī)艙 低速軸 熱交換器 控制箱 旋轉(zhuǎn)接頭 支撐軸承 偏航驅(qū)動(dòng) 機(jī)艙座 通風(fēng) 隔離減震 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖 一、機(jī)組的總體結(jié)構(gòu) 第一章 緒 論 控 制 系 統(tǒng) 風(fēng)輪 增速器 發(fā)電機(jī) 主繼電器 主開(kāi)關(guān) 熔斷器 變壓器 晶閘管 電網(wǎng) 風(fēng) 變槳 風(fēng)速 轉(zhuǎn)速 并網(wǎng) 功率 無(wú)功補(bǔ)償 風(fēng) 定槳： 1.5-2.5葉尖擾流器起脫網(wǎng)停機(jī)氣動(dòng)剎車(chē)，一般采用雙速發(fā)電機(jī)來(lái)提高效率。 變槳：隨風(fēng)速改變攻角，超過(guò)額定風(fēng)速保持額定功率。 設(shè)計(jì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速： 20-30r/min，通過(guò)增速器與發(fā)電機(jī)

2、匹配。 采用晶閘管軟切入并網(wǎng)，并網(wǎng)容易，擾動(dòng)小。 含微處理器的控制系統(tǒng)。 二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要類(lèi)型與控制要求 定槳距失速型機(jī)組 監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)：控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)與脫網(wǎng)；自動(dòng)相位補(bǔ)償；監(jiān)視 機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、電網(wǎng)狀況與氣象情況；異常工況保護(hù)停機(jī)；產(chǎn)生 并記錄風(fēng)速、功率、發(fā)電量等機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)。 全槳葉變距型機(jī)組 監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)：控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)與脫網(wǎng)；優(yōu)化功率曲線(xiàn)；監(jiān)視 機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、電網(wǎng)狀況與氣象情況；異常工況保護(hù)停機(jī)；產(chǎn)生 并記錄風(fēng)速、功率、發(fā)電量等機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)。 基于變速恒頻技術(shù)的變速型機(jī)組 監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)除去上述功能外主要包括： 基于微處理器及先進(jìn) IGBT電力電子技術(shù)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變頻勵(lì)磁

3、；脈 寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生正弦電壓控制發(fā)電機(jī)輸出電壓與頻率質(zhì)量；低于額 定風(fēng)速的最大風(fēng)能（功率）控制與高于額定風(fēng)速的恒定額定功率控 制。 三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù) 定槳距失速型機(jī)組 解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)問(wèn)題和運(yùn)行安全性與可靠性問(wèn)題，采用 了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動(dòng)力剎車(chē)技術(shù)、偏航與自動(dòng)解纜技術(shù)。 固定的節(jié)距角及電網(wǎng)頻率決定的轉(zhuǎn)速，簡(jiǎn)化了控制與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 。 全槳葉變距型機(jī)組 啟動(dòng)時(shí)可進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，并網(wǎng)后可進(jìn)行功率控制。 電液伺服機(jī)構(gòu)與閉環(huán)變距控制提高了機(jī)組效率。 基于變速恒頻技術(shù)的變速型機(jī)組 采用變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 根據(jù)風(fēng)速信號(hào)控制，低于額定風(fēng)速跟蹤最佳功率曲線(xiàn)，高于額定風(fēng) 速柔性保證額定功率輸出。

4、改善了高次諧波對(duì)電網(wǎng)影響，提高了功 率因數(shù)，高效高質(zhì)地向電網(wǎng)供電。 習(xí)題：各不同類(lèi)型機(jī)組的控制技術(shù)有何功能特點(diǎn) 。 圖中看出，系統(tǒng)的特性除了與機(jī)組特性有關(guān)外，還受控制器影響。 運(yùn)行中控制器可改變功率輸出，風(fēng)能看成是擾動(dòng) 。 四、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制特性 風(fēng)輪 動(dòng)態(tài)特性 傳動(dòng)鏈 動(dòng)態(tài)特性 發(fā)電機(jī) 動(dòng)態(tài)特性 風(fēng)能 風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速 電功率 功率 變送器 伺服 執(zhí)行器 控制器 功率信號(hào) 變距指令 變距位置 五、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 用戶(hù)界面 輸入用戶(hù)指令，變更參數(shù) 顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)及 故障狀況 發(fā)電機(jī)控制 軟并網(wǎng) 變頻器勵(lì)磁調(diào)節(jié) 主控制器 運(yùn)行監(jiān)控，機(jī)組起 /停 電網(wǎng)、風(fēng)況

5、監(jiān)測(cè) 無(wú)功補(bǔ)償 根據(jù)無(wú)功功率信號(hào)分組 切入或切出補(bǔ)償電容 變距系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速控制 功率控制 液壓系統(tǒng) 剎車(chē)機(jī)構(gòu)壓力保持 變距機(jī)構(gòu)壓力保持 制動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械剎車(chē)機(jī)構(gòu) 氣動(dòng)剎車(chē)機(jī)構(gòu) 調(diào)向系統(tǒng) 偏航 自動(dòng)解除電纜纏繞 習(xí)題：通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的了解，回答控制系統(tǒng)主要包括那些功能？ 氣流動(dòng)能為 m 空氣質(zhì)量， v 氣流速度 密度為 的 氣流過(guò)面積 S 的氣體體積為 V， M= V= Sv 則單位時(shí)間內(nèi)氣流所具有的動(dòng)能為 理想風(fēng)輪與貝茲（ Betz）理論： 前后空氣體積相等： S1v1=Sv=S2v2 根據(jù)牛頓第二定律，單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪上的受力 F= mv1-mv2= Sv(v1-v2) 風(fēng)輪吸收的功率 P=F

6、v= Sv2 (v1-v2) 風(fēng)輪吸收的功率又等于風(fēng)輪前后動(dòng)能（單位時(shí)間）的變化： 令兩式相等，得 經(jīng)過(guò)風(fēng)輪風(fēng)速變化產(chǎn)生的功率為 其最大功率可令 得 ，代入后得到的 最大理想功率為 與氣流掃掠面積風(fēng)的能量相比，可得風(fēng)力機(jī)的理論最大效率： 一、 1、風(fēng)力機(jī)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程 221 mvE 321 SvE Sv1 Sv Sv2 )(21 2221 vvSvE 2 21 vvv )(41 212221 vvvvSP 02 dvdP 12 31vv 31max 278 SvP 593.02716m a xm a x EP 1、風(fēng)能利用系數(shù) ： 風(fēng)力機(jī)的實(shí)際功率 其中 CP為風(fēng)能利用系數(shù)，它小于 0.593

7、 2、葉尖速比 為了表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)，用葉片圓周速度與風(fēng)速比來(lái)衡量，稱(chēng)葉尖速比 PS SCvP 3121 一、 2、風(fēng)力機(jī)的主要特性系數(shù) PC v Rn 2 0.2 0 0.1 0.3 0.4 0.5 13 102 4 15 6 8 切出風(fēng)速 12 14 16 18 切入風(fēng)速 額定風(fēng)速 2 6 10 9 8 7 5 4 3 1 恒定功率 C p 1、槳葉的翼型 l 二、 1、槳葉的幾何參數(shù)與空氣動(dòng)力特性 0 i 功角 升力角 零升力角 風(fēng)向 弦長(zhǎng) v i v A B 攻角 ：來(lái)流方向與弦線(xiàn)的夾角 零升力角 ：弦線(xiàn)與零升力線(xiàn)夾角 升力角 ：來(lái)流方向與零升力線(xiàn)夾角 2、槳葉上的氣動(dòng)力 2

8、21 SvCF r 總的氣動(dòng)力 ， S 槳葉面積， Cr 總氣動(dòng)系數(shù) C 壓力中心 221 SvCF ll 221 SvCF dd 升力 ，與氣流方向垂直， Cl 升力系數(shù) 阻力 ，與氣流方向平行， Cd 阻力系數(shù) Cd、 Cl 是由設(shè)計(jì)的葉片決定的固有參數(shù)，也是氣動(dòng)力計(jì)算的原始依據(jù)。 i lC dC 二、 2、升力和阻力的變化曲線(xiàn) -30o -20o -10o 0o 10o 20o 30o 40o 0.8 0.6 0.4 0.2 Mi-0.2 minlC 升力系數(shù)與阻力系數(shù)是隨攻角變化的 升力系數(shù)隨攻角的增加而增加，使得 槳葉的升力增加，但當(dāng)增加到某個(gè)角 度后升力開(kāi)始下降；阻力系數(shù)開(kāi)始上 升

9、。出現(xiàn)最大升力的點(diǎn)叫失速點(diǎn)。 截面形狀（翼型彎度、翼型厚度、前 緣位置）、表面粗糙度等都會(huì)影響升 力系數(shù)與阻力系數(shù)。 對(duì)有限長(zhǎng)槳葉，葉片兩端會(huì)產(chǎn)生渦流 ，造成阻力增加， i 三、旋轉(zhuǎn)槳葉的氣動(dòng)力（葉素分析） 風(fēng)向 v - u w 運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向 安裝角（槳距角、節(jié)距角）： 回轉(zhuǎn)平面與槳葉截面弦長(zhǎng)的夾角 I 傾斜角 RnRu 2 相對(duì) 速度 dF氣流 W產(chǎn)生的氣動(dòng)力 dL氣流升力 dD氣流阻力 dSwCdL l 221 dSwCdD d 221 I 軸向推力 dFa=dLcosI+dDsinI I 旋轉(zhuǎn)力矩 dT=r(dLsinI-dDcosI) 驅(qū)動(dòng)功率 dPw= dT 風(fēng)輸入的總氣動(dòng)功率 P=

10、v Fa 旋轉(zhuǎn)軸得到的功率 Pu=T 風(fēng)輪效率 =Pu/P 五、渦流理論（葉片數(shù)的影響及實(shí)際風(fēng)力機(jī) Cp曲線(xiàn)） 有限葉片數(shù)由于較大的渦流影響將造成一定的能量損失，使風(fēng)力機(jī)效率有所下降。 實(shí)際風(fēng)力機(jī)曲線(xiàn)如下圖所示： pC Betz極限 理想的 Cp曲線(xiàn) 實(shí)際的 Cp曲線(xiàn) 失速損失 型阻損失 0 一、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn) 1、風(fēng)輪結(jié)構(gòu) 主要特點(diǎn)：槳葉與輪轂的連接是固定的，槳葉的迎風(fēng)角度不隨風(fēng)速變化而變化。 需解決的問(wèn)題：高于額定風(fēng)速時(shí)槳葉需自動(dòng)將功率限制在額定功率附近（失速特 性）。 脫網(wǎng)（突甩負(fù)荷）時(shí)槳葉自身具備制動(dòng)能力。 添加了葉尖擾流器，降低機(jī)械剎車(chē)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度， 2、槳葉的失速調(diào)節(jié)原理 因

11、槳葉的安裝角 不變，風(fēng)速增加 升力增加 升力變緩 升力下降 阻力增加 葉片失速 葉片攻角由根部向葉尖逐漸增加，根部先進(jìn)入失速，隨風(fēng)速增大逐漸向葉尖擴(kuò)展 。失速部分功率減少，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在額定功率附近。 3、葉尖擾流器 葉尖部分可旋轉(zhuǎn)的空氣阻尼板，正常運(yùn)行時(shí)，在液壓控制下與葉片成為整體，風(fēng) 力機(jī)脫網(wǎng)時(shí)液壓控制指令將擾流器釋放并旋轉(zhuǎn) 80o90o，產(chǎn)生阻力停機(jī)，即產(chǎn)生空 氣動(dòng)力剎車(chē)。 空氣動(dòng)力剎車(chē)是按失效思想設(shè)計(jì)，即起到液壓系統(tǒng)故障時(shí)的機(jī)組停機(jī)保護(hù)。 4、雙速發(fā)電機(jī) 小發(fā)電機(jī)功率曲線(xiàn) 大發(fā)電機(jī)功率曲線(xiàn) 切換點(diǎn) 風(fēng)速 功率 如 6極 200kW和 4極 750kW P1 P2

12、一、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn) 5、功率輸出 功率的輸出主要決定于風(fēng)速，葉片的失速特性功率曲線(xiàn)是在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度 =1.225kg/m3測(cè)出的，一般溫度變化 10oC，空氣密度變化 4%。因此氣溫升高 ，密度下降，輸出功率減少。 750kW機(jī)組可能會(huì)出現(xiàn) 3050kW的偏差， 6、節(jié)距角與額定轉(zhuǎn)速的設(shè)定對(duì)功率輸出的影響 由于機(jī)組的槳葉節(jié)距角和轉(zhuǎn)速都是固定不變的，使機(jī)組功率曲線(xiàn)上只有一點(diǎn)有最大 功率系數(shù)。 額定轉(zhuǎn)速低的機(jī)組，低風(fēng)速下有較高的功率系數(shù)；額定轉(zhuǎn)速高的機(jī)組，高風(fēng)速下有 較高的功率系數(shù)。即為雙速電機(jī)依據(jù)。 設(shè)計(jì)的最大功率系數(shù)并不出現(xiàn)在額定功率上，因風(fēng)力發(fā)電機(jī)并不經(jīng)常工作在額定風(fēng) 速點(diǎn)。定槳距

13、風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)盡量提高低風(fēng)速的功率系數(shù)和考慮高風(fēng)速的失速性能。 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 功率輸出 /kW pC 風(fēng)速 /（ m/s) 功率 /kW 二、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本運(yùn)行過(guò)程 1、待機(jī)狀態(tài) 風(fēng)速 v 3m/s但沒(méi)達(dá)到切入轉(zhuǎn)速或機(jī)組從小功率切出，沒(méi)有并網(wǎng)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。 控制系統(tǒng)做好切入電網(wǎng)的準(zhǔn)備； 機(jī)械剎車(chē)已松開(kāi)； 葉尖阻尼板已收回； 風(fēng)輪處于迎風(fēng)狀態(tài)； 液壓系統(tǒng)壓力保持在設(shè)定值； 風(fēng)況、電網(wǎng)和機(jī)組的所有狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)正常，一旦風(fēng)速增大，轉(zhuǎn)速升高，即可并網(wǎng) 。 2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自

14、啟動(dòng)及啟動(dòng)條件 機(jī)組在自然風(fēng)作用下升速、并網(wǎng)的過(guò)程。需具備的條件為： 電網(wǎng)：連續(xù) 10分鐘沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)電壓、低電壓； 0.1秒內(nèi)電壓跌落小于設(shè)定值；電網(wǎng) 頻率在設(shè)定范圍內(nèi)；沒(méi)有出現(xiàn)三相不平衡等現(xiàn)象。 風(fēng)況：連續(xù) 10分鐘風(fēng)速在機(jī)組運(yùn)行范圍內(nèi)（ 3.0m/s25m/s) 機(jī)組：發(fā)電機(jī)溫度、增速器油溫在設(shè)定值范圍以?xún)?nèi)；液壓系統(tǒng)各部位壓力在設(shè)定值 以?xún)?nèi)；液壓油位和齒輪潤(rùn)滑油位正常；制動(dòng)器摩擦片正常；扭纜開(kāi)關(guān)復(fù)位；控制系 統(tǒng) DC24V、 AC24V、 DC5V、 DC 15V電源正常；非正常停機(jī)故障顯示均已排除；維護(hù) 開(kāi)關(guān)在運(yùn)行位置。 二、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本運(yùn)行過(guò)程 3、風(fēng)輪對(duì)風(fēng) 偏航角度通過(guò)

15、風(fēng)向測(cè)定儀 測(cè)定。 10分鐘 調(diào)整一次，調(diào)整中釋放偏航剎車(chē)。 4、制動(dòng)解除 啟動(dòng)條件滿(mǎn)足后，控制 葉尖擾流器 的電磁閥打開(kāi)，壓力油進(jìn)入槳葉液壓缸，擾流 器被收回與槳葉主體合為一體?？刂破魇盏綌_流器回收信號(hào)后，壓力油進(jìn)入機(jī)械盤(pán) 式制動(dòng)器液壓缸，松開(kāi) 盤(pán)式制動(dòng)器 。 5、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng) 當(dāng)轉(zhuǎn)速接近 同步轉(zhuǎn)速 時(shí)，三相主電路上的 晶閘管 被觸發(fā)開(kāi)始導(dǎo)通， 導(dǎo)通角 隨與同 步轉(zhuǎn)速的接近而增大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的加速度減少；當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)晶閘管 完全導(dǎo)通，轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)； 1秒后 旁路接觸器閉合，電流被旁路 ，如一切正常晶閘管停止觸發(fā)。 三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求 1、控制系統(tǒng)的

16、基本功能 根據(jù)風(fēng)速信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行啟動(dòng)、 并網(wǎng) 或從電網(wǎng)切出。 根據(jù)風(fēng)向信號(hào)自動(dòng) 對(duì)風(fēng) 。 根據(jù)功率因數(shù)及輸出電功率大小自動(dòng)進(jìn)行 電容切換補(bǔ)償 。 脫網(wǎng)時(shí)保證機(jī)組 安全停機(jī) 。 運(yùn)行中對(duì)電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析與記錄， 異常 情況判斷及處理。 2、主要監(jiān)測(cè)參數(shù)及作用 電力參數(shù) ：電網(wǎng)三相電壓、發(fā)電機(jī)輸出的三相電流、電網(wǎng)頻率、發(fā)電機(jī)功率因數(shù) 等。判斷并網(wǎng)條件、計(jì)算電功率和發(fā)電量、無(wú)功補(bǔ)償、電壓和電流故障保護(hù)。發(fā) 電機(jī)功率與風(fēng)速有著固定的函數(shù)關(guān)系，兩者不符可作為機(jī)組故障判斷的依據(jù)。 風(fēng)力參數(shù) ：風(fēng)速；每秒采集一次， 10分鐘計(jì)算一次平均值。 v 3m/s時(shí)發(fā)電機(jī)， v 25m/s停機(jī)。風(fēng)向；

17、測(cè)量風(fēng)向與機(jī)艙中心線(xiàn)的偏差，一般采用兩個(gè)風(fēng)向標(biāo)進(jìn)行補(bǔ) 償?？刂破较到y(tǒng)工作，風(fēng)速低于 3m/s偏航系統(tǒng)不會(huì)工作。 機(jī)組參數(shù) ：轉(zhuǎn)速；機(jī)組有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。控制發(fā)電機(jī)并網(wǎng)和脫 網(wǎng)、超速保護(hù)。溫度；增速器油溫、高速軸承溫度、發(fā)電機(jī)溫度、前后主軸承溫 度、晶閘管溫度、環(huán)境溫度。振動(dòng)；機(jī)艙振動(dòng)探測(cè)。電纜扭轉(zhuǎn)；安裝有從初始位 置開(kāi)始的齒輪記數(shù)傳感器，用于停機(jī)解纜操作。位置行程開(kāi)關(guān)停機(jī)保護(hù)。剎車(chē)盤(pán) 磨損；油位；潤(rùn)滑油和液壓系統(tǒng)油位。 三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求 各種反饋信號(hào)的檢測(cè)： 控制器在發(fā)出指令后的設(shè)定時(shí)間內(nèi)應(yīng)收到的反饋信號(hào)包括回 收葉尖擾流器、松開(kāi)機(jī)械剎車(chē)、松開(kāi)偏航制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)脫

18、網(wǎng)轉(zhuǎn)速降落。否則故障 停機(jī)。 增速器油溫的控制 ：增速器箱內(nèi)由 PT100熱電阻溫度傳感器測(cè)溫；加熱器保證潤(rùn)滑 油溫不低于 10oC；潤(rùn)滑油泵始終對(duì)齒輪和軸承強(qiáng)制噴射潤(rùn)滑；油溫高于 60oC時(shí)冷卻 系統(tǒng)啟動(dòng)，低于 45oC時(shí)停止冷卻。 發(fā)電機(jī)溫升控制： 通過(guò)冷卻系統(tǒng)控制發(fā)電機(jī)溫度，如溫度控制在 130140oC，到 150155oC停機(jī)。 功率過(guò)高或過(guò)低的處理： 風(fēng)速較低時(shí)發(fā)電機(jī)如持續(xù)出現(xiàn)逆功率（一般 3060 s）， 退出電網(wǎng)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。功率過(guò)高，可能為電網(wǎng)頻率波動(dòng)（瞬間下降），機(jī)械慣 量不能使轉(zhuǎn)速迅速下降，轉(zhuǎn)差過(guò)大造成。也可能是氣候變化，空氣密度增加造成。 當(dāng)持續(xù) 10min大于額定功

19、率 15%或 2s大于 50%應(yīng)停機(jī)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出電網(wǎng)： 風(fēng)速過(guò)大會(huì)使葉片嚴(yán)重失速造成過(guò)早損壞。風(fēng)速高于 25 m/s持續(xù) 10min或高于 33m/s持續(xù) 2s正常停機(jī)，風(fēng)速高于 50m/s持續(xù) 1s安全停機(jī)，側(cè) 風(fēng) 90oC。 三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求 3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制策略 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài) ： 運(yùn)行狀態(tài) 暫停狀態(tài) 停機(jī)狀態(tài) 緊急停機(jī)狀態(tài) 機(jī)械剎車(chē)松開(kāi) 機(jī)械剎車(chē)松開(kāi) 機(jī)械剎車(chē)松開(kāi) 機(jī)械剎車(chē)與氣動(dòng)剎車(chē) 同時(shí)動(dòng)作 機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組空轉(zhuǎn) 計(jì)算機(jī)處于監(jiān)測(cè)狀態(tài)， 輸出信號(hào)被旁路 機(jī)組自動(dòng)調(diào)向 機(jī)組調(diào)向保持工作狀態(tài) 調(diào)向系統(tǒng)停止工作 液壓系統(tǒng)保持工作壓力 液壓系統(tǒng)

20、保持工作壓力 液壓系統(tǒng)保持工作壓力 葉尖阻尼板回收（或變 槳處于最佳角度） 葉尖阻尼板回收（或變 節(jié)距角在 90o） 葉尖阻尼板彈出（或變 距系統(tǒng)失去壓力） 四、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制動(dòng)與保護(hù)系統(tǒng) 1、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制動(dòng)系統(tǒng) 葉尖氣動(dòng)剎車(chē) ：液壓系統(tǒng)提供的壓力由經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入槳葉根部的壓力缸，壓縮 擾流器機(jī)構(gòu)中的彈簧，使葉尖擾流器與槳葉主體平滑連為一體。當(dāng)風(fēng)力機(jī)停機(jī)時(shí) ，液壓系統(tǒng)釋放壓力油，葉尖擾流器在離心力作用下，按設(shè)計(jì)軌跡轉(zhuǎn)過(guò) 90o。 機(jī)械盤(pán)式剎車(chē) ：作為輔助剎車(chē)裝置被安裝在高速軸上，液壓驅(qū)動(dòng)。因風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩 很大，作為主剎車(chē)將會(huì)使剎車(chē)盤(pán)直徑很大，改變了機(jī)組結(jié)構(gòu)。大型風(fēng)機(jī)一般有兩 部

21、機(jī)械剎車(chē)。 制動(dòng)系統(tǒng)按失效保護(hù)原則設(shè)計(jì)，一旦失電或液壓系統(tǒng)失效即處于制動(dòng)狀態(tài)。 正常停機(jī)制動(dòng)過(guò)程 ：電磁閥失電釋放葉尖擾流器、發(fā)電機(jī)降至同步轉(zhuǎn)速時(shí)主接觸 器動(dòng)作與電網(wǎng)解列、轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值時(shí)第一部剎車(chē)投入、如轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升第二部 剎車(chē)立即投入、停機(jī)后葉尖擾流器收回。 安全停機(jī)制動(dòng)過(guò)程： 葉尖擾流器釋放同時(shí)投入第一部剎車(chē)、發(fā)電機(jī)降至同步轉(zhuǎn)速 時(shí)主接觸器跳閘同時(shí)第二部剎車(chē)立即投入、葉尖擾流器不收回。 緊急停機(jī)制動(dòng)過(guò)程 ：所有繼電器斷電、接觸器失電；葉尖擾流器和兩部機(jī)械剎車(chē) 同時(shí)起作用；發(fā)電機(jī)同時(shí)與電網(wǎng)解列。 四、定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制動(dòng)與保護(hù)系統(tǒng) 2、超速保護(hù) 發(fā)電機(jī)或風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速 110%時(shí)

22、，控制器發(fā)出正常停機(jī)指令。 葉尖擾流器制動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)有 獨(dú)立超速保護(hù)裝置 ，風(fēng)輪超速時(shí)，液壓缸壓力迅速上 升，受壓力控制的“突開(kāi)閥”打開(kāi)，壓力油被泄掉，葉尖擾流器迅速打開(kāi)，使得在 控制系統(tǒng)失效時(shí)停機(jī)。 3、電網(wǎng)失電保護(hù) 電網(wǎng)一旦失電，控制葉尖擾流器和機(jī)械剎車(chē)的電磁閥立即打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)失壓制動(dòng) 緊急 停機(jī) 。電網(wǎng)原因引起的停機(jī)，控制系統(tǒng)在電網(wǎng)恢復(fù)后 10分鐘自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。 4、電氣保護(hù) 過(guò)電壓保護(hù)：控制器對(duì)通過(guò)電纜進(jìn)入控制柜的沖擊電壓具有自我保護(hù)能力 感應(yīng)瞬態(tài)保護(hù)：晶閘管、計(jì)算機(jī)的過(guò)電壓屏蔽，傳感器、通信電纜的隔離。 雷擊保護(hù)：提供便捷的接地通道釋放雷電。 5、緊急安全鏈 是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最后一級(jí)保護(hù)

23、措施，原理是將對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組造成致命傷害的故障 節(jié)點(diǎn)串聯(lián)在停機(jī)回路中，任何一個(gè)故障都可緊急停機(jī)。 如：緊急停機(jī)按鈕、控制器看們狗、葉尖擾流器液壓繼電器、扭攬傳感器、振動(dòng)傳 感器、控制器 DC24V電源失電。緊急停機(jī)后安全鏈只能手動(dòng)復(fù)位 一、概述 高于額定風(fēng)速 改變攻角 保持功率恒定； 啟動(dòng)時(shí)控制驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 控制轉(zhuǎn)速。 特點(diǎn)： 1、改善機(jī)組的受力，優(yōu)化功率輸出（粗調(diào)，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)配合）。 2、比定槳距風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速低、效率高；且不存在高于額定風(fēng)速的功率下降問(wèn)題。 3、功率反饋控制使額定功率不受海拔、濕度、溫度等空氣密度變化影響 4、啟動(dòng)時(shí)控制氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩易于并網(wǎng)；停機(jī)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩回零避免突甩負(fù)荷。

24、運(yùn)行狀態(tài)： 啟動(dòng)狀態(tài) 轉(zhuǎn)速反饋控制，速度給定加升速率限制有利于并網(wǎng)。 欠功率狀態(tài) 不控制（變速機(jī)組可通過(guò)追求最佳葉尖速比提高風(fēng)機(jī)效率）。 額定功率狀態(tài) 功率控制，為了解決變槳對(duì)風(fēng)速響應(yīng)慢問(wèn)題，可通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn) 差率調(diào)速，用風(fēng)輪蓄能特性吸收風(fēng)波動(dòng)造成的功率波動(dòng)，維持功率恒定。 轉(zhuǎn)速 控制器 功率 控制器 變槳 執(zhí)行器 變距 機(jī)構(gòu) 風(fēng)輪 系統(tǒng) 發(fā)電機(jī) 傳動(dòng) 系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速 槳距角 發(fā)電功率 風(fēng)速 轉(zhuǎn)速給定 功率給定 二、變槳距執(zhí)行系統(tǒng) a、變槳距執(zhí)行系統(tǒng)是一個(gè) 隨動(dòng)系統(tǒng) ，即槳距角位置跟隨變槳指令變化。 b、校正環(huán)節(jié)是一個(gè)非線(xiàn)性控制器，具有死區(qū)補(bǔ)償和變槳限制功能。死區(qū)用來(lái)補(bǔ)償 液壓及變距機(jī)構(gòu)的不靈敏區(qū)

25、，變槳限制防止超調(diào)。 c、液壓系統(tǒng)由液壓比例伺服閥、液壓回路、液壓缸活塞等組成。 d、位置傳感器給出實(shí)際變槳角度。 D/A 轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器 位移 傳感器 變槳距 機(jī)構(gòu) 液壓系統(tǒng) 活塞位移 槳距角 變槳給定 校正環(huán)節(jié) 三、變槳距控制（并網(wǎng)前） 1、并網(wǎng)前的速度控制 速度控制器 控制從啟動(dòng)到并網(wǎng)的轉(zhuǎn)速控制，達(dá)到同步轉(zhuǎn)速 10r/min內(nèi) 1s并網(wǎng)。進(jìn)入 啟動(dòng)狀態(tài)，前饋通道將槳距角快速提高到 45， 500r/min減小到 5，達(dá)到快速啟動(dòng) 目的；非線(xiàn)性環(huán)節(jié)使增益隨節(jié)距角增加而減小，補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩變化。 轉(zhuǎn)速 控制器 變槳 執(zhí)行器 變距 機(jī)構(gòu) 風(fēng)輪 系統(tǒng) 發(fā)電機(jī) 傳動(dòng) 系統(tǒng) 槳距角 風(fēng)速 轉(zhuǎn)速給定

26、 A 轉(zhuǎn)速 速度 變化率 額定轉(zhuǎn)速 PID 轉(zhuǎn)速 傳感器 + - + + 轉(zhuǎn)速 節(jié)距指令 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償 45* 5* 節(jié)距非線(xiàn)性化 三、變槳距控制（并網(wǎng)后） b、 功率控制器 A并網(wǎng)后執(zhí)行變槳到最大攻角，低于額定功率（額定風(fēng)速）時(shí)控制器 輸出飽和，攻角最大；高于額定風(fēng)速后進(jìn)入恒功率控制；引入風(fēng)速前饋通道，超過(guò) 額定風(fēng)速后，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)起到快速補(bǔ)償作用。 c、 功率控制器 B低于額定風(fēng)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率“實(shí)現(xiàn)”最佳葉尖速比調(diào)節(jié)，即風(fēng)速增加 轉(zhuǎn)差率增大；高于額定風(fēng)速時(shí)配合功率控制器 A維持功率恒定。原理是風(fēng)速出現(xiàn)波動(dòng) 時(shí)，由于變槳調(diào)節(jié)的滯后使驅(qū)動(dòng)功率發(fā)生波動(dòng)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率（轉(zhuǎn)子電流）使機(jī)組轉(zhuǎn) 速變化而維持功率

27、恒定，利用風(fēng)輪儲(chǔ)存和釋放能量維持輸入與 輸出功率的平衡。 功率 控制器 A 功率 控制器 B 變槳 執(zhí)行器 變距 機(jī)構(gòu) 風(fēng)輪 系統(tǒng) 發(fā)電機(jī) 傳動(dòng) 系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速 槳距角 發(fā)電功率 風(fēng)速 額定功率 功率給定 同步轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子電流 執(zhí)行器 S P 風(fēng)速信號(hào) 濾波器 + - + - + - + - 四、發(fā)電功率控制 1、發(fā)電機(jī)功率參考曲線(xiàn) 功率給定曲線(xiàn)在點(diǎn)劃線(xiàn)限制的范圍內(nèi)變 化，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率在 110%（ 15151650r/min），外加轉(zhuǎn)子平均電阻在 0到 100%變化。 2、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速控制特性 功率 =轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速，功率與轉(zhuǎn)矩成正比。 0 2 4 6 8 10 100 80 60 40 20

28、轉(zhuǎn)差率 % 參考功率 /額定功率 % c osIKM = 轉(zhuǎn)矩系數(shù) 勵(lì)磁磁通 轉(zhuǎn)子電流 轉(zhuǎn)子功率因數(shù) 其中： 22 2 XR EI 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 2021222 44.444.4 SENSfNfE 發(fā)電功率與轉(zhuǎn)子電流成正比，改變電流大小可以調(diào)節(jié)電功率。 改變轉(zhuǎn)子回路電阻可以改變轉(zhuǎn)子電流。 低于額定風(fēng)速葉尖速比優(yōu)化：風(fēng) 轉(zhuǎn)速 參考功率 轉(zhuǎn)子電流 輸出功率 高于額定風(fēng)速恒定功率控制：風(fēng) 轉(zhuǎn)速 輸出功率 轉(zhuǎn)子電流 輸出功率 跟蹤參考值 穩(wěn)定功率值 四、發(fā)電功率控制 M S n 0 ns 1 0 電動(dòng)機(jī) 發(fā)電機(jī) R2 R1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn) 定子同步轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)決定： （定子三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)

29、磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速） 兩種運(yùn)行狀態(tài)： n ns為電動(dòng)機(jī)方式； n ns發(fā)電機(jī)狀態(tài)。 滑差率： 發(fā)電狀態(tài)時(shí)為負(fù)值 與功率成正比的電流可表示為： p fn s 60 %100 s sn nnS 2 20 2 20 22 20 22 2 22 RSES f LR SELfR SEXR EI 轉(zhuǎn)子靜止時(shí)感應(yīng)電勢(shì) 接近同步速時(shí) S很小 分析：高于額定風(fēng)速時(shí)，如發(fā)生擾動(dòng)轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化，感應(yīng)電勢(shì)變化，電流亦將 變化，通 過(guò)電阻的變化可以維持電流不變，因此維持功率瞬時(shí)穩(wěn)定（克服擾動(dòng) ）。 反之，低于額定風(fēng)速時(shí)，通過(guò)改變電阻，可以改變 S，保證較好的葉尖速 比（設(shè)定值改變）。 四、發(fā)電功率控制 轉(zhuǎn)子電流控制原理圖： 電流

30、控制 PWM 給定 外接電阻 定子繞組 轉(zhuǎn)子繞組 五、液壓變距系統(tǒng) M 油泵 油箱 濾油器 溢流閥 壓力傳感器 節(jié)流閥 比例閥 蓄能器 可調(diào) 節(jié)流閥 A B P T 電磁閥 先導(dǎo)止回閥 單向閥 壓力開(kāi)關(guān) 減壓閥 剎車(chē)鉗 90 0 VESTAS V39型 單向閥 油位開(kāi)關(guān) 壓力傳感器控制油泵啟停，設(shè)定范圍： 130bar145bar 高壓濾清器裝有旁通閥和污染指示器，單向閥防止高壓油回流。 溢流閥防止油壓過(guò)高，設(shè)定值 145bar 系統(tǒng)維修時(shí)，可調(diào)節(jié)流閥閥用來(lái)釋放來(lái)自蓄能器的壓力油 油位開(kāi)關(guān)用來(lái)防止油溢出或泵在無(wú)油情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。 油箱內(nèi)設(shè)有 PT100溫度檢測(cè)與報(bào)警， 液壓泵站 五、液壓變距系統(tǒng)

31、M 油泵 油箱 濾油器 溢流閥 壓力傳感器 節(jié)流閥 比例閥 蓄能器 可調(diào) 節(jié)流閥 A B P T 緊急順槳閥 先導(dǎo)止回閥 單向閥 壓力開(kāi)關(guān) 減壓閥 剎車(chē)鉗 90 0 變槳距控制 控制器輸出 -10V+10V，控制比例閥輸出方向及大小，使葉片在 -588之間變化。 工作時(shí)緊急順槳閥通電，電磁閥 1通電使先導(dǎo)止回閥雙向流動(dòng)。 比例閥“直通”時(shí)，活塞向右運(yùn)動(dòng)，槳葉節(jié)距向 -5方向調(diào)節(jié)。 比例閥“跨接”時(shí)，節(jié)距角向 88方向調(diào)節(jié)，液壓缸左側(cè)壓力油回壓力管路（活塞右側(cè)面積大于左側(cè)）。 緊急順槳閥 電磁閥 1 電磁閥 2 五、液壓變距系統(tǒng) M 油泵 油箱 濾油器 溢流閥 壓力傳感器 節(jié)流閥 1 比例閥 蓄

32、能器 可調(diào) 節(jié)流閥 A B P T 緊急順槳閥 先導(dǎo)止回閥 單向閥 壓力開(kāi)關(guān) 減壓閥 剎車(chē)鉗 90 0 液壓系統(tǒng)停機(jī)狀態(tài) 緊急順槳閥斷電，壓力油通過(guò)節(jié)流閥 2進(jìn)入液壓缸右端。左端壓力油經(jīng)節(jié)流閥 1回油箱，順槳 88。 電磁閥 1斷電，先導(dǎo)止回閥變?yōu)閱蜗蜷y，防止風(fēng)作用力矩使液壓缸活塞向右運(yùn)動(dòng)。 急停狀態(tài)防止蓄能器油量不夠活塞行程，風(fēng)的自變力矩將幫助緊急順槳，補(bǔ)充油來(lái)自活塞左部及 油箱吸油管。 節(jié)流閥用來(lái)限制變槳速度在 9左右。 節(jié)流閥 2 緊急順槳閥 電磁閥 1 五、液壓變距系統(tǒng) M 油泵 油箱 濾油器 溢流閥 壓力傳感器 節(jié)流閥 比例閥 蓄能器 可調(diào) 節(jié)流閥 A B P T 電磁閥 先導(dǎo)止回閥

33、 單向閥 壓力開(kāi)關(guān) 減壓閥 剎車(chē)鉗 90 0 制動(dòng)機(jī)構(gòu) 開(kāi)機(jī)指令發(fā)出后，電磁閥通電，制動(dòng)卡鉗排油到油箱，剎車(chē)被釋放。 停機(jī)指令發(fā)出后，電磁閥失電，蓄能器壓力油進(jìn)入制動(dòng)液壓缸，實(shí)現(xiàn)停機(jī)操作。 制動(dòng)器一側(cè)裝有螺桿活塞泵，用來(lái)當(dāng)液壓系統(tǒng)不能加壓時(shí)制動(dòng)風(fēng)力機(jī)。 壓力開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)制動(dòng)壓力，因壓力過(guò)高（大于 23bar）會(huì)造成傳動(dòng)系統(tǒng)的嚴(yán)重?fù)p壞。 螺桿活塞泵 六、變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制 1、風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速 功率 曲線(xiàn)： 2、追蹤最大風(fēng)能的過(guò)程： 假設(shè)在風(fēng)速 V3下原風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在 曲線(xiàn)上的 A點(diǎn)，轉(zhuǎn)速為 1。如果某時(shí)刻 風(fēng)速升高至 V2，因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速不能 突變，所以其運(yùn)行點(diǎn)就會(huì)由 A點(diǎn)跳變

34、至 B 點(diǎn)，風(fēng)力機(jī)輸出功率由 PA突增至 PB。由 于風(fēng)力機(jī)功率突然增大，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī) 的轉(zhuǎn)矩失衡，于是發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速開(kāi)始 上升，風(fēng)力機(jī)將沿著 BC曲線(xiàn)增速。當(dāng)?shù)?達(dá)風(fēng)力機(jī)功率曲線(xiàn)與其最佳功率曲線(xiàn)相 交的 C點(diǎn)時(shí)，功率再一次平衡，轉(zhuǎn)速穩(wěn) 定為 2，就是對(duì)應(yīng)于風(fēng)速的最佳轉(zhuǎn)速。 上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)條件是機(jī)組轉(zhuǎn)速可調(diào)， 定速（同步發(fā)電機(jī)）機(jī)組的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng) 決定；異步發(fā)電機(jī)（轉(zhuǎn)子電流可調(diào)）的 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍很小，難于實(shí)現(xiàn)大范圍； 雙饋型機(jī)組的轉(zhuǎn)差率約為 30%，因此 ，效率較高。 mP w 1v 5v 4v 3v 2v 54321 vvvvv opt P 圖 2 . 4 定 槳 距 風(fēng) 力 機(jī) 功 率 特 性

35、 曲 線(xiàn) 0 mP w1 2 3A B C D E APBPCD EP 1V 2V3V 圖 2 . 7 最 大 風(fēng) 能 追 蹤 原 理 六、雙饋型風(fēng)電機(jī)組的控制 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（ Doubly-Fed Induction Generator，簡(jiǎn)稱(chēng) DFIG）是一 種繞線(xiàn)式轉(zhuǎn)子電機(jī)，由于其定、轉(zhuǎn)子都能向電網(wǎng)饋電，故簡(jiǎn)稱(chēng)雙饋電機(jī)。 特點(diǎn)是通過(guò)變頻器給轉(zhuǎn)子加入交流勵(lì)磁。交流勵(lì)磁電流的幅值、頻率、相 位是可調(diào)的，他們的作用可簡(jiǎn)述為： 1、 勵(lì)磁電流幅值 可以調(diào)節(jié)發(fā)電功率（與風(fēng)力機(jī)功率相匹配）。 2、 勵(lì)磁電流頻率 可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 3、 勵(lì)磁電流相位 可以改變電機(jī)的功率角，不僅可以調(diào)節(jié)無(wú)功功率，也

36、可以調(diào) 節(jié)有功功率。 六、雙饋型風(fēng)電機(jī)組的控制 雙饋發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖 ： 光 電 編 碼 器 P Q 計(jì) 算 K / P 變 換 雙 向 四 象 限 變 頻 器 P Q P I P I P I P I q r i d r i q r u d r u a u b u c u 1 P 1 Q q r i d r i 電 壓 前 饋 補(bǔ) 償 電 網(wǎng) 電 網(wǎng) A u B u C u A i B i C i s u s u s i s i d s u q s u d s i q s i u s U 1 s U 1 s r r 1 r 22 sr C r u r u a i b i c i i i d r u q r u q r u d r u d s i q s i ms LL / ms LL / m L/1 交 流 勵(lì) 磁 發(fā) 電 機(jī) 2 ss C 23 ss C 23 rs C 22 rs C 22 22 rs C 32 ss C 23 ss C 六、雙饋型風(fēng)電機(jī)組的控制 1、空載并網(wǎng)方式 ： ru 四、雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方式 1、空載并網(wǎng)方式 ： 四、雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方式 1、空載并網(wǎng)方式 ： 四、雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方式 1、空載并網(wǎng)方式 ：