风力发电控制原理

风力发电机组控制原理

第一章 绪 论旋转罩 轮毂 机舱 油冷却器 热交换器 齿轮箱 旋转接头 控制箱

低速轴

变桨驱动 支撑轴承

偏航驱动

发电机

通风

隔离减震

机舱座

风力发电机组结构图

第一章 绪 论一、机组的总体结构风轮 增速器 发电机

电网主继电器

风

主开关熔断器

变压器

转速晶闸管 变桨 并网 功率 风 风速 控 制 系 统

无功补偿

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。

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。

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。

第一章 绪 论四、风力发电机组的控制特性

风能

风轮 动态特性

风轮转矩×转速

传动链 动态特性

发电机转矩×转速

发电机 动态特性 功率 变送器

电功率

变距位置 伺服 执行器

变距指令

控制器

功率信号

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。

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 入或切出补偿电容或变流 器进行调节

变桨系统 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

偏航系统 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？

第二章 风力机控制 一、1、风力机能量转换过程气流动能为

1 E mv 2 2

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= ρ V= ρSv

则单位时间内气流所具有的动能为 E

1 Sv3 2

Sv1

Sv

Sv2

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) 1 2 风轮吸收的功率又等于风轮前后动能(单位时间)的变化： E Sv(v12 v2 ) 令两式相等，得 v

v1 v 2 21 2 S (v12 v2 )(v1 v2 ) 4

2

经过风轮风速变化产生的功率为 P 其最大功率可令

8 1 dP Sv13 0 得 v2 v1 ,代入后得到的最大理想功率为 Pmax 3 dv2 27Pmax 16 0.593 E 27

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： max

第二章 风力机控制 一、2、风力机的主要特性系数1、风能利用系数 C P : 1 3 P v1 SCP 风力机的实际功率 S 2 其中CP为风能利用系数，它小于0.593 2、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

2 Rn v

Cp0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8° 9° 10° 13° 15°

额定风速 恒定功率

切出风速 切入风速

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

第二章 风力机控制 二、1、桨叶的几何参数与空气动力特性1、桨叶的翼型 0 零升力角升力角 风向

弦长

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

v

i 功角

l

2、桨叶上的气动力

F

1 Cr Sv2 总的气动力，S — 桨叶面积，Cr — 总气动系数 2

Fl A C 压力中心

1 Cl Sv2 升力，与气流方向垂直，Cl — 升力系数 21 Cd Sv2 阻力，与气流方向平行，Cd — 阻力系数 2B

Fd

v

i

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 二、2、升力和阻力的变化曲线 升力系数与阻力系数是随攻角变化的0.8 0.6 0.4 0.2

Cl

Cd

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。

-30o

-20o -10o 0o Cl min -0.2

10o

iM

20o

30o

40o

i

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，

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