风力发电原理第八章

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1、P42-1,风力机运行技术 风力发电机组的运行状态 风力发电机组的基本运行过程 风电场的监控系统,第八章 风力机运行与维护,P42-2,风力发电机组运行： 首先是安全可靠，在故障发生时能及时进行保护，并确定故障产生的原因； 其次，按设计要求高效输出电能； 再次，对小型风力机要求运行的自动化程度高， 对大型机则完全自动控制。,8-1 风力机运行技术,P42-3,风力机组的安全运行，要遵循以下5点安全方针： 设计无缺陷。风力机负载考虑周全而准确；预测风力机特性符合实际特性；结构合理，强度符合要求；安全和保护系统完善，设计无缺陷。 制造、安装和维护时无缺陷。组装和安装质量良好，维修时能完全排除呈现的

2、问题和隐患。 运行人员严格按照操作规范操作，避免发生可能发生的错误。 传感器等测量设备灵敏度高，精度高，故障率少。 对突发灾难性气象、环境变故有预报，应对措施得当。,一、安全性方针,P42-4,在安全系统设计中和运行前安检遵循的原则如下： (l)风力发电机组必须有两套以上的刹车系统，每套系统必须 保证机组在安全运行范围内工作。 (2)必须使两套系统具有不同的工作方式，其动力源也应各自 不同。 (3)故障发生时，至少一套系统有效动作，使风轮及时停车。 (4)安全系统执行使风轮停车或减速动作时，不允许手动操作 ，不允许产生对安全系统正常工作的影响。,二、安检遵循的原则,P42-5,(5)用于对无空

3、气动力刹车的失速型风力机超速时制动的 机械刹车，转速测量传感器应设置在风轮轴上。 (6)在空气动力刹车出现故障时，安全系统应有使风轮偏 离风向的动作设置。 (7)机舱偏航对风的速度应有一定限制，以避免出现较大 陀螺效应力矩。 (8)风力发电机组出现故障停机后，安全系统应确保机组 处于静止状态，不再运行并网，待确认故障排除后， 方可投入再运行。,P42-6,(9)对由于电网原因引起的故障停机，控制系统在电网回 归正常后，允许风力机自动恢复并网运行。 (l0)应有检测电缆缠绕情况的传感器，风力发电机组有 自动解除电缆缠绕的功能。 (11)发生故障时，电气、液压、气动系统的动力源仍应 得到保证，以保

4、障安全系统工作的正常投入。,P42-7,以采用定桨距风轮、叶尖扰流器气动刹车以及两部盘式机械刹车的风电机组为例，说明制动过程的3种不同情况。 1.正常停机的制动程序 控制气动刹车的电磁阀失电，释放气动刹车液压缸液压油，叶尖扰流器在离心力作用下滑出。 若机组正处于并网发电状态，须待发电机转速降低至同步转速，发电机主接触器动作使发电机与电网脱离后，第一部机械刹车投入；若发电机未并网，则待风轮转速低于设定值时，及时将第一部机械刹车投入动作。 以上两步动作执行后若转速继续上升，则第二部机械刹车立即投入运行。停机后叶尖扰流器收回。,三、制动方式与安全保护项目,制动方式,P42-8,2.安全停机程序 从机

5、组的满负荷工作状态刹车时，若叶尖扰流器释放2s后发电机转速超速5%，或15s后风轮转速仍未降至设计额定值，视为情况反常，扰行安全停机。在叶尖扰流器已释放的基础上第一、二部刹车相继投入，停机后叶尖扰流器不收回。,P42-9,3.紧急停机 紧急停机指令由控制系统计算机发出。另一条发出指令的通道是独立于控制系统的紧急安全链，是风力发电机组的最后一级保护措施，采用反逻辑设计，将可能对风力发电机组造成致命伤害的故障节点串联成一个回路，一旦其中一个动作，将引起紧急停机反应。一般将以下传感器的信号串联在紧急安全链中：手动紧急停机按钮、控制器看门狗、叶尖扰流器液压缸液压油压力传感器、机械刹车液压缸油压传感器、

6、电缆缠绕传感器、风轮转速传感器、风轮轴振动传感器、控制器24V直流电源失电传感器。 紧急停机步骤如下：所有的继电器、接触器失电；叶尖扰流器和两部机械刹车同时投入，发电机同时与电网脱离。,P42-10,1.超速和振动超标保护 当转速传感器检测到风轮或发电机转速超过其额定转速值的110%时，控制器将给出正常停机指令。位于风轮轴上的振动测量传感器，不但能测出风轮转子的振幅，也以测得的振动主频用作转速传感器测量结果的校验值。振动值超标，风力发电机将按指令正常停机。,安全保护项目,P42-11,2.风轮超速紧急停机保护 依据重要保护必须有两套不同系统保全执行的原则，风力发电机组另设有一个完全独立于控制系

7、统、直接作用于液压油路、在风轮超速时引起叶尖扰流器动作的紧急停机系统。其主要执行机构是在叶尖扰流器液压缸与油箱之间并联的一个受压力控制可突然开启的突开阀。由于作用于叶尖扰流器上的离心力与风轮转速的平方成正比，风轮超转速时，叶尖扰流器液压缸中的油压迅速升高，达到设定值时，突开阔打开，压力油短路泄回油箱，叶尖扰流器迅速脱离叶片主体，旋转90成为气动阻尼板，使机组在控制、转速检测系统或叶尖扰流器油路电磁阀失效的情况下得以安全停机。,P42-12,3.电网失电保护 一旦风力发电机失去电网来电，控制叶尖扰流器和机械刹车的电磁阀就会立即打开，其各自的液压系统失去压力，使制动系统全部动作，这与执行紧急停机的

8、程序相当。停电后，机舱内和塔架内的照明可以维持1520min。对由于电网停电引起的停机，控制系统将在电网恢复正常供电数分钟后，自动恢复正常运行。,P42-13,4.电器保护 首先是系统的雷击保护功能，必须使机组所有部件保持电位平衡，并提供便捷的接地通道以释放雷电，避免高能雷电的积累。由于机舱底座是钢结构，机舱底座通过电缆与塔架连接，塔架与地面控制柜通过电缆与埋入基础内的接地系统相连，这就为机舱内机械提供了基本的接地保护，机舱壳体后部若安装避雷针，高度应在风速风向仪之上；叶片的雷击保护是通过安装在叶尖上的雷电接收器并借助于叶尖气动刹车机构的传导系统实现电荷传输；而从风轮到机舱底座，则是通过电刷和

9、集电环来连接。 其次是发电机的过热、过载及单相保护；控制器等电气设备的过电压保护；晶闸管和计算机的瞬时过电压屏蔽以及所有传感器输入信号线和通信电缆的屏蔽隔离。,P42-14,5.电缆与润滑、液压系统保护 超过容许的电缆缠绕、润滑油温超标及润滑油箱液位过低、液压油温超标及液压油箱液位过低等故障产生时，控制系统执行安全停机。,P42-15,风力发电机组总是工作在运行状态、暂停状态、停机状态和紧急停机状态4种状态之一。 1.运行状态 (l)机械刹车松开。 (2)允许机组并网发电。 (3)机组自动调向。 (4)液压系统保持工作压力。 (5)叶尖阻尼板回收或变桨距系统选择最佳工作状态。,8-2 风力发电

10、机组的运行状态,P42-16,2.暂停状态 (l)机械刹车松开。 (2)液压泵保持工作压力。 (3)自动调向保持工作状态。 (4)叶尖阻尼板回收或变距系统调整桨叶节距角90方向。 (5)风力发电机组空转。,P42-17,3.停机状态 (l)机械刹车松开。 (2)液压系统打开电磁阀使叶尖阻尼板弹出，或变距 系统失去压力而实现机械旁路。 (3)液压系统保持工作压力。 (4)调向系统停止工作。,P42-18,4.紧急停机状态 (l)机械刹车与气动刹车同时动作。 (2)紧急电路开启，即安全链开启。 (3)计算机所有输出信号无效。 (4)计算机仍在运行和测量所有输入信号。 当紧急停机电路动作时，所有接触

11、器断开，计算机输出信号被旁路，计算机没有能力激活任何机构。,P42-19,以一台由变桨距风轮一双速异步发电机构成的风电机组的并网运行为例，说明风力发电机组的基本运行过程。,8-3 风力发电机组的基本运行过程,P42-20,1.系统检测与起动准备 运行前控制系统将对风速风向状况、电网和风力发电机组的状态作自动测试，状态测试结果满足以下标准时方能达到运行必备条件。 风速与风向:连续l0min，风速在风力发电机组运行风速范围内(3.0m/sv25ms)，风向无突变。 电网：电网频率在设定范围内；三相完全达到平衡；连续l0min内，电网无过电压在0.1s内跌落值小于设定值。,P42-21,风电机组与控

12、制系统： 风力叶片处于顺桨位置； 发电机温度、增速器润滑油温在规定值范围以内； 液压系统所有部位各自的压力都达到设定值； 液压油箱油位和增速器齿轮润滑油油位正常； 机械刹车摩擦片正常； 电缆缠绕开关复位； 控制系统24VDC、24VAC、5VDC、l5VDC电源供电正常； 非正常停机后，控制屏显示的所有故障均排除；手动开 关处于运行位置。,P42-22,起动准备：上述条件完全满足时，控制程序开始执行“风轮对风”与“制动解除”指令。 1)风轮对风。偏航角度通过风向仪测定。角度确定后延迟l0s，才执行向左或向右的偏航调整，以避免风向扰动情况下的频繁动作。调整前先释放偏航刹车，1s后偏航执行机构根据

13、指令执行左、右偏航。偏舫停止时，偏航刹车投入。 2)制动解除。当起动条件全部满足时，控制机械盘式制动器，压力油进入液压缸，松开盘式制动器。,P42-23,2.静止状态 风轮处于顺桨位置，机械刹车未投入，风轮缓慢转动，便于排出叶片中的积水，可消除额外的离心载荷，避免冬季结冰胀裂叶片。此时，由操作台手动可使风轮停止。 3.起动 按动正常运行按钮后，叶片达到叶尖70攻角的起动位置，风轮转动速度加快。,P42-24,4.等待状态 当风力转速超过3r/min，但此时风速尚不足以将风力发电机组拖动到切入的转速，或者风力发电机从小功率发电状态切出，还未重新并人电网时，机组自由转动，称为等待状态。这时控制系统

14、做好切人电网的一切准备；机械刹车已松开；液压系统的压力保持在设定值上；风况、电网和机组的所有状态参数均在控制系统连续监测之中。 5.空载高速运行加速状态 控制桨距角使风轮加速到额定转速以下，在风轮超过某转速时，发电机转速和电网频率同步。,P42-25,6.低负荷I运行 在转速接近小功率发电机同步转速的时刻，连接在发电机与电网之间的开关元件晶闸管被触发导通（这时旁路接触器处于断开状态），晶闸管导通角随发电机转速与同步转速的接近而增大。当达到小功率发电机l000r/min的同步转逮时，晶闸管导通角完全打开，经1s时间，旁路接触器吸合，发出吸合命令1s内应收到旁路反馈信号，否则旁路投入失败，正常停机

15、；在旁路接触器吸合、晶闸管导通角继续完全导通的短暂时间内，绝大部分电流通过旁路接触器输送给电网，因为旁路接触器比晶闸管电路的电阻小得多；此后，在旁路反馈信号作用下，晶闸管停止触发，风力发电机组进入低负荷正常发电状态。,P42-26,小功率发电机并网过程中，电流一般被限制在大发电机额定电流以下，如超出额定电流时间持续3.0s，可以断定晶闸管故障，需要安全停机，由于并网过程是转速达到同步转速附近进行的，这时转差率较小，冲击电流不大。 这一阶段的运行中，叶片叶尖攻角取最佳运行角(2)。若5min内测量所得发电机功率值全部大于低负荷运行额定值，说明风速已足够使机组升到第级的高负荷段运行。,P42-27

16、,7.负荷I-和负荷-I的切换 执行从低负荷I向高负荷的切换时，首先断开小发电机接触器，再断开旁路接触器；此时，小发电机脱网，风力机带动发电机转速迅速上升，达到大发电机1500r/min同步转速附近时，执行大发电机的软并网程序。 当l0min内大发电机功率持续低于设定值时，控制系统将执行负荷-I的切换，大发电机接触器和旁路接触器一次先后断开；脱网后，发电机转速将在原高于l500r/min基础上进一步上升。由于存在快速采用的转速连续检测和超速保护，只要转速低于超速保护的设定值，系统就开始执行小发电的软并网，并有电网负荷将发电机转速拖到略高于小发电机的同步转速。,P42-28,8.高负荷运行 大发电机输出功率。部分负荷时，依据风速大小，调整发电机转差率，使风力机尽量运行在最佳叶尖速比上。大风时变桨距功率调节系统有风速的低频风量和发电机转速控制，而风速高频风量产生的机械能波动则以发电机转速的迅速改变加以平衡，即通过发电机转子电流控制器以发电机转差率的变化吸收或释放风轮获得的瞬间风能，使风力机的输出功率特性