風(fēng)力發(fā)電機控制

1、第六章 風(fēng)力發(fā)電機的運行與控制第一節(jié) 控制系統(tǒng)的功能和內(nèi)容一、控制系統(tǒng)的目標(biāo)1、保證系統(tǒng)運行的安全、穩(wěn)定和可靠2、最大風(fēng)功率利用；3、保證電能質(zhì)量；4、延長機組壽命。二、控制系統(tǒng)的功能1、在運行風(fēng)速范圍內(nèi)，能跟蹤風(fēng)向和最佳葉尖速比，獲得最大風(fēng)能；2、在風(fēng)速低于運行最低要求是，能可靠將風(fēng)力發(fā)電機切出；3、在高風(fēng)速時，能限制風(fēng)能的捕獲，使風(fēng)力發(fā)電機輸出功率不超過發(fā)電機的額定功率；4、在陣風(fēng)時，能減少風(fēng)輪的機械應(yīng)力和輸出功率的波動，避免共振；5、減小功率傳動鏈的暫態(tài)響應(yīng)；6、調(diào)節(jié)無功補償和轉(zhuǎn)速，保證機組輸出的電壓和頻率穩(wěn)定。三、控制的具體內(nèi)容1、風(fēng)力發(fā)電機穩(wěn)態(tài)工作點控制穩(wěn)態(tài)工作點就是功率平衡的穩(wěn)定運

2、行點。當(dāng)外部條件和自身的參數(shù)變化時，風(fēng)力發(fā)電機經(jīng)過動態(tài)調(diào)整后將工作在一個新的穩(wěn)態(tài)工作點。工作點的位置與風(fēng)力機、發(fā)電機的功率（或轉(zhuǎn)矩）轉(zhuǎn)速特性有關(guān)。風(fēng)力發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)工作點是風(fēng)力機的功率（或轉(zhuǎn)矩）轉(zhuǎn)速特性曲線與發(fā)電機的功率（或轉(zhuǎn)矩）轉(zhuǎn)速特性曲線的交點?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)就是使風(fēng)力發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行工作點盡可能靠近風(fēng)力發(fā)電機的最佳風(fēng)能利用系數(shù)曲線，使獲得盡可能多的發(fā)電量。2、風(fēng)力發(fā)電機工作狀態(tài)及轉(zhuǎn)換控制風(fēng)力發(fā)電機的工作狀態(tài)的特征：（1）運行狀態(tài)：機械制動松開；允許機組并網(wǎng)發(fā)電；機組自動偏航；液壓系統(tǒng)保持工作壓力；葉尖繞流器收回或由變槳距系統(tǒng)選擇在最佳工作位置；冷卻系統(tǒng)自動狀態(tài)。（2）暫停狀態(tài)：機械制動松開

3、；機組與電網(wǎng)解裂；機組自動偏航；液壓系統(tǒng)保持工作壓力；葉尖繞流器收回或由變槳距順槳；冷卻系統(tǒng)自動狀態(tài)；風(fēng)力發(fā)電機空轉(zhuǎn)或停止。（3）停機狀態(tài)：機械制動松開；機組與電網(wǎng)解裂；偏航系統(tǒng)停止工作；液壓系統(tǒng)保持工作壓力；葉尖繞流器彈出收回或由變槳距順槳；冷卻系統(tǒng)非自動狀態(tài)；風(fēng)力發(fā)電機空轉(zhuǎn)或停止。（4）緊急停機狀態(tài)：機械制動和空氣制動同時動作，緊急電路開啟；控制器所用輸出信號無效；控制器仍在運行和測量所用輸入信號。工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換：工作狀態(tài)只能逐層上升。（1）工作狀態(tài)層次上升1）從緊急停機到停機關(guān)閉緊急電路；建立液壓工作壓力；松開機械制動。2）從停機到暫停啟動偏航系統(tǒng)；變槳距系統(tǒng)激活；自動冷卻系統(tǒng)開啟。3）

4、從暫停到運行核對是否處于上風(fēng)向；葉尖擾流器收回或變槳距系統(tǒng)投入工作；根據(jù)風(fēng)速判斷發(fā)電機是否可以切入電網(wǎng)。（2）工作狀態(tài)層次下降，工作狀態(tài)可越層下降1）緊急停機：打開緊急停機電路；置控制器所用信號為無效；機械制動作用。2）停機：停止自動偏航；實行空氣動力制動；自動冷卻停止；發(fā)電機脫網(wǎng)。3）暫停：發(fā)電機脫網(wǎng)；調(diào)節(jié)功率降到零；降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速到零。3、偏航控制偏航是根據(jù)運行工況和要求改變機艙軸線與來風(fēng)方向的角度。偏航控制重要有自動偏航、手動偏航、90度側(cè)風(fēng)、自動解纜等方式。1）自動偏航：當(dāng)偏航系統(tǒng)收到中心控制器需要偏航的信號后，檢測連續(xù)3分鐘風(fēng)向情況，若風(fēng)向確定，同時機艙不處于對風(fēng)的位置，松開偏航制動，

5、啟動偏航電動機運轉(zhuǎn)，開始偏航對風(fēng)程序，使風(fēng)輪軸線與風(fēng)向基本一致。2）手動偏航：操作人員通過頂部機艙控制機構(gòu)、控制面板、遠程控制界面實現(xiàn)偏航。3）90度側(cè)風(fēng)：在風(fēng)輪過速或遭遇切出風(fēng)速以上的大風(fēng)時，為保證風(fēng)力發(fā)電機組的安全，對機艙進行90度側(cè)風(fēng)處理。4）自動解纜：偏航系統(tǒng)自動累計偏航的角度，當(dāng)累計偏航角度造成扭纜時自動解纜，或發(fā)出要求解纜的信號。第二節(jié) 定槳距風(fēng)電機組的控制一、機組的特性1、失速和制動定槳距風(fēng)力發(fā)電機必需要解決的兩個問題：1）在大風(fēng)時風(fēng)力機能自動限制從風(fēng)中捕獲的功率，使發(fā)電機電功率不超過額定值。2）在風(fēng)電機組突然失去電網(wǎng)時，能自動制動，使風(fēng)電機組能安全停機。解決第一個問題采用自動失

6、速調(diào)節(jié)葉片，解決第二個問題采用葉尖擾流器。自動失速原理：當(dāng)風(fēng)速增加時，合成氣流的方向會發(fā)生變化，使翼型的攻角增大，超過臨界較后，升力下降，阻力增加，是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)力矩下降。失速調(diào)節(jié)葉片的攻角沿軸向由根部向葉尖部逐漸減少，因而根部首先進入失速，隨著風(fēng)速增大，失速部分向葉尖擴展，原來失速的部分程度加深。失速的部分功率減少，未失速部分功率仍有增加，最終達到一個平衡，使機組輸出功率維持在額定值附近。2、安裝角調(diào)整以上知道葉片失速主要地與風(fēng)速有關(guān)。但風(fēng)力發(fā)電機從風(fēng)中獲得的功率不僅與風(fēng)速有關(guān)，還與風(fēng)的密度有關(guān)。如果風(fēng)輪安裝角保持不變，就有可能在風(fēng)密度減小時，出現(xiàn)過早失速的現(xiàn)象?？諝饷芏扰c溫度有關(guān)，當(dāng)溫度變化&

7、#177;10度時，空氣密度變化±4%。有必要根據(jù)空氣密度的變化調(diào)整葉片安裝角。3、雙速發(fā)電機風(fēng)力機有一個參數(shù)叫做葉尖速比：尖速比=葉尖速度/風(fēng)速。每個風(fēng)力機有一個最佳葉尖速比，在最佳葉尖速比下運行時，能獲得最大風(fēng)功率。為了使風(fēng)力機能從風(fēng)中獲得最大功率，需要根據(jù)風(fēng)速調(diào)整風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，以一保持葉尖速比不變。發(fā)電機的效率也與轉(zhuǎn)速有關(guān)，額定轉(zhuǎn)速高的發(fā)電機在轉(zhuǎn)速較高時效率也高，額定轉(zhuǎn)速低的發(fā)電機在轉(zhuǎn)速低時效率較高。為了能最大限度地提高風(fēng)能利用系數(shù)，用一臺種額定轉(zhuǎn)速的發(fā)電機與風(fēng)力機配套是不合適的。但超過兩臺使風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。定槳距風(fēng)力發(fā)電機普遍采用雙速發(fā)電機，風(fēng)別設(shè)計成4極和6極。一般6

8、極機的額定容量為4極機的1/41/5。當(dāng)風(fēng)速較低時6極機投入運行，當(dāng)風(fēng)速較高時由6極機切換為4極機。二、啟動并網(wǎng)過程1、待機狀態(tài)風(fēng)速>3m/s，但風(fēng)力發(fā)電機還未拖動到切入轉(zhuǎn)速；或發(fā)電機從小功率狀態(tài)下切出，還未重新并網(wǎng)的狀態(tài)為待機狀態(tài)。待機狀態(tài)下，機組實際上一處于工作狀態(tài)，控制系統(tǒng)應(yīng)做好一切并網(wǎng)準(zhǔn)備。2、風(fēng)力發(fā)電機的自啟動自啟動是指不依靠任何外力，風(fēng)輪在自然風(fēng)速的作用下將發(fā)電機拖動到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速。早期的定槳距風(fēng)力發(fā)電機不能自啟動，需要發(fā)電機做電動機運行拖動，稱為“電動機啟動”。由于葉片啟動特性的不斷改進，目前大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機具有良好的自啟動性能，能在風(fēng)速>4m/s的條件下自啟動到需要的轉(zhuǎn)

9、速。自啟動的條件1）電網(wǎng)：連續(xù)10min鐘中內(nèi)電網(wǎng)沒出現(xiàn)過過電壓、低電壓；0.1s內(nèi)電壓跌落不超過設(shè)定值；電網(wǎng)頻率正常；電網(wǎng)三相平衡。2）風(fēng)況：連續(xù)10min鐘內(nèi)風(fēng)速在風(fēng)力發(fā)電機運行風(fēng)速范圍內(nèi)（大于3m/s，小于25m/s）。3）機組：機組溫度，壓力，油位等在設(shè)定范圍內(nèi)；控制系統(tǒng)電源正常；制動器正常；扭纜開關(guān)復(fù)位；維護開關(guān)在運行位置。3、風(fēng)輪對風(fēng)（偏航）啟動條件滿足后，控制器發(fā)出對風(fēng)信號。通過傳感器測定風(fēng)輪偏角。當(dāng)偏角確定后，需延遲10s后才執(zhí)行偏航。避免頻繁執(zhí)行偏航操作。執(zhí)行時，偏航制動松開1 s后，偏航電機根據(jù)指令執(zhí)行左右偏航，偏航完成后偏航制動卡緊。4、制動解除啟動條件滿足后，收回葉尖擾

10、流器，松開盤式制動器。5、風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)當(dāng)風(fēng)速>4m/s，小于7m/s時，小發(fā)電機并網(wǎng)；當(dāng)風(fēng)速升高到78m/s時，由小發(fā)電機切換到大發(fā)電機；如風(fēng)速處于820m/s時，直接大發(fā)電機并網(wǎng)。并網(wǎng)采用軟并網(wǎng)方式。（1）發(fā)電機的軟并網(wǎng)過程1）發(fā)電機處于加速狀態(tài)，轉(zhuǎn)速達到預(yù)定的切入點，該點小于發(fā)電機同步速度。2）旁路開關(guān)處于斷開位置，合入并網(wǎng)開關(guān)，并網(wǎng)晶閘管導(dǎo)通角隨發(fā)電機轉(zhuǎn)速的增加逐漸增大，隨著導(dǎo)通角的增加，發(fā)電機轉(zhuǎn)速的加速度減小。3）當(dāng)?shù)桨l(fā)電機轉(zhuǎn)速達同步速度時晶閘管完全導(dǎo)通。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速超過同步速度進入發(fā)電狀態(tài)。4）進入發(fā)電狀態(tài)后，晶閘管維持完全導(dǎo)通，1s后閉合旁路開關(guān)。收到旁路開關(guān)閉合的信號后關(guān)

11、斷晶閘管。（2）從小發(fā)電機向大發(fā)電機切換從小發(fā)電機向大發(fā)電機切換一般以一段時間內(nèi)平均功率或瞬時功率大于某設(shè)定值為依據(jù)。1）斷開小發(fā)電機的出口開關(guān)。發(fā)電機脫網(wǎng)，轉(zhuǎn)速上升。2）大發(fā)電機執(zhí)行上述并網(wǎng)過程。（3）從大發(fā)電機向小發(fā)電機切換從大小發(fā)電機向小大發(fā)電機切換一般以一段時間內(nèi)平均功率或瞬時功率小大于某設(shè)定值為依據(jù)。1）斷開大發(fā)電機的并網(wǎng)開關(guān)和旁路開關(guān)；2）迅速投入小發(fā)電機并網(wǎng)開關(guān)，執(zhí)行軟并網(wǎng)。為了避免在并網(wǎng)切換過程中由于巨大的能量釋放造成過度過程延長，出現(xiàn)超速現(xiàn)象，可以在大發(fā)電機退出的同時釋放葉尖擾流器，使轉(zhuǎn)速下降到預(yù)置點后，收回葉尖擾流器。待轉(zhuǎn)速上升后，執(zhí)行小發(fā)電機的軟并網(wǎng)。三、運行監(jiān)測和處理1

12、.電力參數(shù)監(jiān)測和處理（1）電壓（額定電壓690V，相電壓398.8V）主要檢測以下故障：電網(wǎng)沖擊：相電壓超過450V，0.2s；過電壓：相電壓超過433V，50s；低電壓：相電壓低于329V，50s；電壓跌落：相電壓低于260V，0.1s；相序故障：相序反向。主電路中設(shè)有電壓保護，發(fā)生電壓故障時，發(fā)電機必須退出電網(wǎng)，一般執(zhí)行正常停機程序。（2）電流主要檢測如下故障：電流跌落：相電流跌落80%，0.1s；三相不對稱：相電流相差超過25%，或平均電流低于50A時，相電流相差50%；晶閘管故障：軟啟動期間相電流大于額定值，或觸發(fā)后連續(xù)0.1 s電流為0；。短路故障：相電流超過較大的設(shè)定值；過電流：相

13、電流超過大于額定電流（如2倍）的設(shè)置值。短路故障保護動作時間00.05s，過電流動作時間為13s，保護動作將發(fā)電機切出電網(wǎng)。電流測量值還作為在軟并網(wǎng)過程中增加晶閘管導(dǎo)通角的依據(jù)。當(dāng)電流開始下降后，導(dǎo)通角逐漸打開。（3）頻率測量平均頻率，當(dāng)超過上、下限時退出發(fā)電機。（4）功率因數(shù)用于無功補償，控制投入運行的電容的容量。要求功率因數(shù)不低于0.95。風(fēng)力發(fā)電機輸出的有功功率經(jīng)常變化，要求補償電容的投入兩也要隨著變化。（5）功率功率由電流、電壓的測量值計算得出。風(fēng)力發(fā)電機的功率與風(fēng)速有固定的關(guān)系，如功率與風(fēng)速不相符，可作為風(fēng)力發(fā)電機故障的判斷依據(jù)。當(dāng)功率過高或過低時，應(yīng)將發(fā)電機切出電網(wǎng)。1）功率過低：

14、功率持連續(xù)（3060s）出現(xiàn)逆功率，或低于某設(shè)定值，將發(fā)電機切出電網(wǎng)。如果判明不是由于故障造成的低功率，切出時不釋放葉尖擾流器，不進行機械制動，待轉(zhuǎn)速升高后可再次軟并網(wǎng)。2)功率過高：功率過高可能由兩種情況引起：一是電網(wǎng)頻率下降，發(fā)電機轉(zhuǎn)差增大，造成短時功率增高；二是氣候變化，風(fēng)速或風(fēng)密度增加。發(fā)電機功率持續(xù)10min大于額定功率1.15倍，執(zhí)行正常停機；持續(xù)2s大于額定功率1.5倍，執(zhí)行緊急停機。2.風(fēng)力參數(shù)監(jiān)測(1)風(fēng)速由安裝在機艙外下風(fēng)向的數(shù)字式風(fēng)速儀來測量。每秒測量一次，每10min鐘計算一次平均值，作為啟動或停機的依據(jù)風(fēng)速>3m/s，啟動小發(fā)電機；風(fēng)速>8m/s，啟動大發(fā)電機；風(fēng)速>25m/s，停機。1）風(fēng)速>25m/s時，由于葉片失速的限制，風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速不會上升。但這時由于大量的風(fēng)力發(fā)電機處于滿功率狀態(tài)，電網(wǎng)的頻率可能上升，風(fēng)力機要輸出的功率基本不變，其轉(zhuǎn)速必定要上升。如果轉(zhuǎn)速沒超過預(yù)設(shè)值，則可繼續(xù)運行；否則出現(xiàn)過轉(zhuǎn)速，應(yīng)將發(fā)電機切出，釋放葉尖擾流器并使風(fēng)力機側(cè)風(fēng)90度，使轉(zhuǎn)速迅速降下來。2）風(fēng)速>33m/s，持續(xù)2s，執(zhí)行正常停機；3）風(fēng)速>50m/s，持續(xù)2s，執(zhí)行緊急停