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1、 华北电力大学控制科学与工程学院吕 跃 刚 论轮毂 齿轮箱油冷却器发电机变桨驱动旋转罩 机舱低速轴热交换器 控制箱旋转接头支撑轴承偏航驱动机舱座通风隔离减震风力发电机组结构图组的总体结构第一章 绪 论控 制 系 统风轮增速器 发电机 主继电器主开关熔断器变压器晶闸管电网风变桨风速转速并网功率无功补偿风定桨： 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。 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；
2、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 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。 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
3、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 。 论 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 。四、风力发电机组的控制特性风轮动态特性传动链动态特性
4、发电机动态特性风能 风轮转矩 转速 发电机转矩 转速 电功率功率变送器伺服执行器 控制器功率信号变距指令变距位置 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变距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调向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？力机控制气流动能为 m 空气质量， v 气流速度密度为 的 气流过面积 S 的气体体积
5、为 V， M= V= 论：前后空气体积相等： v=位时间内风轮上的受力 F= Sv(轮吸收的功率 P=轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化：令两式相等，得经过风轮风速变化产生的功率为其最大功率可令 得 ，代入后得到的 最大理想功率为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：一、 1、风力机能量转换过程221 321 21 2221 221 )(41 212221 022 31 3178 a xm a x 能利用系数 ：风力机的实际功率其中 小于 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121 一、 2、风力机的主要特性系数PC 2第
6、二章 102 415 6 8切出风速12 14 16 18 切入风速额定风速2 6 10 9 8 7 5 4 3 1 恒定功率C 叶的翼型1、桨叶的几何参数与空气动力特性0i 功角升力角零升力角风向弦长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2、桨叶上的气动力221 r 总的气动力 ， S 桨叶面积， 总气动系数C 压力中心221 221 升力 ，与气流方向垂直， 升力系数阻力 ，与气流方向平行， 阻力系数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2、升力和阻力的变化曲线20o o 10o 20o 30o 力系数与阻力系数
7、是随攻角变化的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。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，第二章 风力机控制、旋转桨叶的气动力（叶素分析）风向v- 距角、节距角）：回转平面与桨叶截面弦长的夹角 2相对速度产生的气动力l 221 d 221 dT=r(动功率 =u= =第二章 风力机控制力机控制五、涡流理论（叶片数的影响及实际风力机 限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使风力机效率有所下降。实际风力机曲线如
8、下图所示：桨距风力发电机组一、定桨距风力发电机组的特点1、风轮结构主要特点：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨叶的迎风角度不随风速变化而变化。需解决的问题：高于额定风速时桨叶需自动将功率限制在额定功率附近（失速特性）。脱网（突甩负荷）时桨叶自身具备制动能力。添加了叶尖扰流器，降低机械刹车结构强度，2、桨叶的失速调节原理因桨叶的安装角 不变，风速增加 升力增加 升力变缓 升力下降 阻力增加 叶片失速叶片攻角由根部向叶尖逐渐增加，根部先进入失速，随风速增大逐渐向叶尖扩展。失速部分功率减少，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在额定功率附近。3、叶尖扰流器叶尖部分可旋转的空气阻尼板，正常运行时，在液压控制下
9、与叶片成为整体，风力机脱网时液压控制指令将扰流器释放并旋转 80o90o，产生阻力停机，即产生空气动力刹车。空气动力刹车是按失效思想设计，即起到液压系统故障时的机组停机保护。4、双速发电机小发电机功率曲线大发电机功率曲线切换点风速功率如 6极 200极 750桨距风力发电机组一、定桨距风力发电机组的特点5、功率输出功率的输出主要决定于风速，叶片的失速特性功率曲线是在标准空气密度 =般温度变化 10空气密度变化 4%。 因此气温升高，密度下降，输出功率减少。750050、节距角与额定转速的设定对功率输出的影响由于机组的桨叶节距角和转速都是固定不变的，使机组功率曲线上只有一点有最大功率系数。额定转
10、速低的机组，低风速下有较高的功率系数；额定转速高的机组，高风速下有较高的功率系数。即为双速电机依据。设计的最大功率系数并不出现在额定功率上，因风力发电机并不经常工作在额定风速点。定桨距风力发电机应尽量提高低风速的功率系数和考虑高风速的失速性能。0 2 4 6 8 10 12 14 16 181000800600400200 （ m/s)功率/桨距风力发电机组二、定桨距风力发电机组的基本运行过程1、待机状态风速 v 3m/有并网的自由转动状态。控制系统做好切入电网的准备；机械刹车已松开；叶尖阻尼板已收回；风轮处于迎风状态；液压系统压力保持在设定值；风况、电网和机组的所有状态参数检测正常，一旦风速
11、增大，转速升高，即可并网。2、风力发电机组的自启动及启动条件机组在自然风作用下升速、并网的过程。需具备的条件为：电网：连续 10分钟没有出现过电压、低电压； 网频率在设定范围内；没有出现三相不平衡等现象。风况：连续 10分钟风速在机组运行范围内（ s25m/s)机组：发电机温度、增速器油温在设定值范围以内；液压系统各部位压力在设定值以内；液压油位和齿轮润滑油位正常；制动器摩擦片正常；扭缆开关复位；控制系统 15正常停机故障显示均已排除；维护开关在运行位置。桨距风力发电机组二、定桨距风力发电机组的基本运行过程3、风轮对风偏航角度通过 风向测定仪 测定。 10分钟 调整一次，调整中释放偏航刹车。4
12、、制动解除启动条件满足后，控制 叶尖扰流器 的电磁阀打开，压力油进入桨叶液压缸，扰流器被收回与桨叶主体合为一体。控制器收到扰流器回收信号后，压力油进入机械盘式制动器液压缸，松开 盘式制动器 。5、风力发电机组的并网当转速接近 同步转速 时，三相主电路上的 晶闸管 被触发开始导通， 导通角 随与同步转速的接近而增大，发电机转速的加速度减少；当发电机达到同步转速时晶闸管完全导通，转速超过同步转速进入发电状态； 1秒后 旁路接触器闭合，电流被旁路，如一切正常晶闸管停止触发。桨距风力发电机组三、风力发电机组的基本控制要求1、控制系统的基本功能根据风速信号自动进行启动、 并网 或从电网切出。根据风向信号
13、自动 对风 。根据功率因数及输出电功率大小自动进行 电容切换补偿 。脱网时保证机组 安全停机 。运行中对电网、风况和机组状态进行监测、分析与记录， 异常 情况判断及处理。2、主要监测参数及作用电力参数 ：电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率、发电机功率因数等。判断并网条件、计算电功率和发电量、无功补偿、电压和电流故障保护。发电机功率与风速有着固定的函数关系，两者不符可作为机组故障判断的依据。风力参数 ：风速；每秒采集一次， 10分钟计算一次平均值。 v 3m/v 25m/向；测量风向与机舱中心线的偏差，一般采用两个风向标进行补偿。控制偏航系统工作，风速低于 3m/机组参数 ：转速；机组
14、有发电机转速和风轮转速两个测点。控制发电机并网和脱网、超速保护。温度；增速器油温、高速轴承温度、发电机温度、前后主轴承温度、晶闸管温度、环境温度。振动；机舱振动探测。电缆扭转；安装有从初始位置开始的齿轮记数传感器，用于停机解缆操作。位置行程开关停机保护。刹车盘磨损；油位；润滑油和液压系统油位。桨距风力发电机组三、风力发电机组的基本控制要求各种反馈信号的检测： 控制器在发出指令后的设定时间内应收到的反馈信号包括回收叶尖扰流器、松开机械刹车、松开偏航制动器、发电机脱网转速降落。否则故障停机。增速器油温的控制 ：增速器箱内由 热器保证润滑油温不低于 10滑油泵始终对齿轮和轴承强制喷射润滑；油温高于
15、60于 45发电机温升控制： 通过冷却系统控制发电机温度，如温度控制在 130140150155功率过高或过低的处理： 风速较低时发电机如持续出现逆功率（一般 3060 s），退出电网，进入待机状态。功率过高，可能为电网频率波动（瞬间下降），机械惯量不能使转速迅速下降，转差过大造成。也可能是气候变化，空气密度增加造成。当持续 105%或 20%应停机。风力发电机组退出电网： 风速过大会使叶片严重失速造成过早损坏。风速高于 25 m/03m/速高于 50m/风 90桨距风力发电机组三、风力发电机组的基本控制要求3、风力发电机组的基本控制策略风力发电机组的工作状态 ：运行状态 暂停状态 停机状态
16、紧急停机状态机械刹车松开 机械刹车松开 机械刹车松开 机械刹车与气动刹车同时动作机组并网发电 风力发电机组空转 计算机处于监测状态，输出信号被旁路机组自动调向 机组调向保持工作状态 调向系统停止工作液压系统保持工作压力 液压系统保持工作压力 液压系统保持工作压力叶尖阻尼板回收（或变桨处于最佳角度）叶尖阻尼板回收（或变节距角在 90o）叶尖阻尼板弹出（或变距系统失去压力）桨距风力发电机组四、定桨距风力发电机组的制动与保护系统1、定桨距风力发电机组的制动系统叶尖气动刹车 ：液压系统提供的压力由经旋转接头进入桨叶根部的压力缸，压缩扰流器机构中的弹簧，使叶尖扰流器与桨叶主体平滑连为一体。当风力机停机时
17、，液压系统释放压力油，叶尖扰流器在离心力作用下，按设计轨迹转过 90o。机械盘式刹车 ：作为辅助刹车装置被安装在高速轴上，液压驱动。因风力机转矩很大，作为主刹车将会使刹车盘直径很大，改变了机组结构。大型风机一般有两部机械刹车。制动系统按失效保护原则设计，一旦失电或液压系统失效即处于制动状态。正常停机制动过程 ：电磁阀失电释放叶尖扰流器、发电机降至同步转速时主接触器动作与电网解列、转速低于设定值时第一部刹车投入、如转速继续上升第二部刹车立即投入、停机后叶尖扰流器收回。安全停机制动过程： 叶尖扰流器释放同时投入第一部刹车、发电机降至同步转速时主接触器跳闸同时第二部刹车立即投入、叶尖扰流器不收回。紧
18、急停机制动过程 ：所有继电器断电、接触器失电；叶尖扰流器和两部机械刹车同时起作用；发电机同时与电网解列。桨距风力发电机组四、定桨距风力发电机组的制动与保护系统2、超速保护发电机或风轮转速超过额定转速 110%时，控制器发出正常停机指令。叶尖扰流器制动液压系统设有 独立超速保护装置 ，风轮超速时，液压缸压力迅速上升，受压力控制的“突开阀”打开，压力油被泄掉，叶尖扰流器迅速打开，使得在控制系统失效时停机。3、电网失电保护电网一旦失电，控制叶尖扰流器和机械刹车的电磁阀立即打开，实现失压制动 紧急停机 。电网原因引起的停机，控制系统在电网恢复后 10分钟自动恢复运行。4、电气保护过电压保护：控制器对通
19、过电缆进入控制柜的冲击电压具有自我保护能力感应瞬态保护：晶闸管、计算机的过电压屏蔽，传感器、通信电缆的隔离。雷击保护：提供便捷的接地通道释放雷电。5、紧急安全链是计算机系统的最后一级保护措施，原理是将对风力发电机组造成致命伤害的故障节点串联在停机回路中，任何一个故障都可紧急停机。如：紧急停机按钮、控制器看们狗、叶尖扰流器液压继电器、扭揽传感器、振动传感器、控制器 急停机后安全链只能手动复位桨距风力发电机组控制一、概述 高于额定风速 改变攻角 保持功率恒定； 启动时控制驱动转矩 控制转速。特点：1、改善机组的受力，优化功率输出（粗调，与发电机转差率调节配合）。2、比定桨距风力机额定风速低、效率高
20、；且不存在高于额定风速的功率下降问题。3、功率反馈控制使额定功率不受海拔、湿度、温度等空气密度变化影响4、启动时控制气动转矩易于并网；停机气动转矩回零避免突甩负荷。运行状态：启动状态 转速反馈控制，速度给定加升速率限制有利于并网。欠功率状态 不控制（变速机组可通过追求最佳叶尖速比提高风机效率）。额定功率状态 功率控制，为了解决变桨对风速响应慢问题，可通过调节电机转差率调速，用风轮蓄能特性吸收风波动造成的功率波动，维持功率恒定。转速控制器功率控制器变桨执行器变距机构风轮系统 发电机传动系统转速桨距角发电功率风速转速给定功率给定桨距风力发电机组控制二、变桨距执行系统a、变桨距执行系统是一个 随动系
21、统 ，即桨距角位置跟随变桨指令变化。b、校正环节是一个非线性控制器，具有死区补偿和变桨限制功能。死区用来补偿液压及变距机构的不灵敏区，变桨限制防止超调。c、液压系统由液压比例伺服阀、液压回路、液压缸活塞等组成。d、位置传感器给出实际变桨角度。D/转换器位移传感器变桨距机构液压系统活塞位移 桨距角变桨给定校正环节桨距风力发电机组控制三、变桨距控制（并网前）1、并网前的速度控制速度控制器 控制从启动到并网的转速控制，达到同步转速 10r/入启动状态，前馈通道将桨距角快速提高到 45， 500r/，达到快速启动目的；非线性环节使增益随节距角增加而减小，补偿转矩变化。转速控制器变桨执行器变距机构风轮系
22、统 发电机传动系统桨距角风速转速给定 +转速节距指令转矩补偿45*5*节距非线性化桨距风力发电机组控制三、变桨距控制（并网后）b、 功率控制器 于额定功率（额定风速）时控制器输出饱和，攻角最大；高于额定风速后进入恒功率控制；引入风速前馈通道，超过额定风速后，当风速变化时起到快速补偿作用。c、 功率控制器 现”最佳叶尖速比调节，即风速增加转差率增大；高于额定风速时配合功率控制器 理是风速出现波动时，由于变桨调节的滞后使驱动功率发生波动，调节转差率（转子电流）使机组转速变化而维持功率恒定，利用风轮储存和释放能量维持输入与输出功率的平衡。功率控制器 变桨执行器变距机构风轮系统 发电机传动系统转速桨距
23、角发电功率风速额定功率功率给定同步转速 转子电流执行器+ -+-+桨距风力发电机组控制四、发电功率控制1、发电机功率参考曲线功率给定曲线在点划线限制的范围内变化，发电机的转差率在 110%（ 15151650r/外加转子平均电阻在 0到 100%变化。2、发电机转矩 转速控制特性功率 =转矩 转速，功率与转矩成正比。 0 2 4 6 8 1010080604020转差率 %参考功率/额定功率%c o = 转矩系数 励磁磁通 转子电流 转子功率因数其中：222 I 转子感应电动势2021222 发电功率与转子电流成正比，改变电流大小可以调节电功率。改变转子回路电阻可以改变转子电流。低于额定风速叶
24、尖速比优化：风 转速 参考功率 转子电流 输出功率 高于额定风速恒定功率控制：风 转速 输出功率 转子电流 输出功率 跟踪参考值稳定功率值桨距风力发电机组控制四、发电功率控制 转速特性曲线定子同步转速由电网决定：（定子三相电流产生的旋转磁场转速）两种运行状态：n n 差率： 发电状态时为负值与功率成正比的电流可表示为：100f 转子静止时感应电势接近同步速时 于额定风速时，如发生扰动转速将发生变化，感应电势变化，电流亦将变化，通过电阻的变化可以维持电流不变，因此维持功率瞬时稳定（克服扰动）。反之，低于额定风速时，通过改变电阻，可以改变 S，保证较好的叶尖速比（设定值改变）。桨距风力发电机组控制
25、四、发电功率控制转子电流控制原理图：电流控制桨距风力发电机组控制五、液压变距系统M 油泵油箱滤油器溢流阀压力传感器节流阀比例阀蓄能器可调节流阀A 电磁阀先导止回阀单向阀压力开关减压阀刹车钳90039型单向阀油位开关压力传感器控制油泵启停，设定范围： 13045压滤清器装有旁通阀和污染指示器，单向阀防止高压油回流。溢流阀防止油压过高，设定值 145统维修时，可调节流阀阀用来释放来自蓄能器的压力油油位开关用来防止油溢出或泵在无油情况下运转。油箱内设有 压泵站桨距风力发电机组控制五、液压变距系统M 油泵油箱滤油器溢流阀压力传感器节流阀比例阀蓄能器可调节流阀A 紧急顺桨阀先导止回阀单向阀压力开关减压阀
26、刹车钳900 变桨距控制控制器输出 10V，控制比例阀输出方向及大小，使叶片在 8之间变化。工作时紧急順桨阀通电，电磁阀 1通电使先导止回阀双向流动。比例阀“直通”时，活塞向右运动，桨叶节距向 比例阀“跨接”时，节距角向 88方向调节，液压缸左侧压力油回压力管路（活塞右侧面积大于左侧）。紧急顺桨阀电磁阀 1电磁阀 2桨距风力发电机组控制五、液压变距系统M 油泵油箱滤油器溢流阀压力传感器节流阀 1比例阀蓄能器可调节流阀A 紧急顺桨阀先导止回阀单向阀压力开关减压阀刹车钳900 液压系统停机状态紧急顺桨阀断电，压力油通过节流阀 2进入液压缸右端。左端压力油经节流阀 1回油箱，順桨 88。电磁阀 1断
27、电，先导止回阀变为单向阀，防止风作用力矩使液压缸活塞向右运动。急停状态防止蓄能器油量不够活塞行程，风的自变力矩将帮助紧急顺桨，补充油来自活塞左部及油箱吸油管。节流阀用来限制变桨速度在 9左右。节流阀 2紧急顺桨阀电磁阀 1桨距风力发电机组控制五、液压变距系统M 油泵油箱滤油器溢流阀压力传感器节流阀比例阀蓄能器可调节流阀A 电磁阀先导止回阀单向阀压力开关减压阀刹车钳900制动机构开机指令发出后，电磁阀通电，制动卡钳排油到油箱，刹车被释放。停机指令发出后，电磁阀失电，蓄能器压力油进入制动液压缸，实现停机操作。制动器一侧装有螺杆活塞泵，用来当液压系统不能加压时制动风力机。压力开关用来检测制动压力，因
28、压力过高（大于 23造成传动系统的严重损坏。螺杆活塞泵桨距风力发电机组并网技术六、变速风力发电机组的控制1、风力机在不同风速下的转速 功率曲线：2、追踪最大风能的过程：假设在风速 点，转速为 1。如果某时刻风速升高至 为风力机的转速不能突变，所以其运行点就会由 点，风力机输出功率由 B。由于风力机功率突然增大，将导致发电机的转矩失衡，于是发电机机械转速开始上升，风力机将沿着 到达风力机功率曲线与其最佳功率曲线相交的 率再一次平衡，转速稳定为2，就是对应于风速的最佳转速。上述过程实现条件是机组转速可调，定速（同步发电机）机组的转速由电网决定；异步发电机（转子电流可调）的转速调节范围很小，难于实现
29、大范围；双馈型机组的转差率约为 30%，因此，效率较高。 . 4 定 桨 距 风 力 机 功 率 特 性 曲 线0 2 3 . 7 最 大 风 能 追 踪 原 理桨距风力发电机组控制六、双馈型风电机组的控制双馈感应发电机（ 称 一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。特点是通过变频器给转子加入交流励磁。交流励磁电流的幅值、频率、相位是可调的，他们的作用可简述为：1、 励磁电流幅值 可以调节发电功率（与风力机功率相匹配）。2、 励磁电流频率 可以调节发电机转速。3、 励磁电流相位 可以改变电机的功率角，不仅可以调节无功功率，也可以调节有功功率。桨距风力发电机组控制六、双馈型风电机组的控制双馈发电机交流励磁调节系统原理图 ：光 电编 码器 双 向 四 象限 变 频 器PQP P q rid riq rud ruaubu 前馈 补 偿电 网电 网susisid srr 1r22 ruiid ruq q rud d siq 交 流 励 磁发 电 机222 32 23 桨距风力发电机组控制六、双馈型风电机组的控制1、空载并网方式 ：桨距风力发电机组并网技术四、双馈发电机并网方式1、空载并网方式 ：桨距风力发电机组并网技术四、双馈发电机并网方式1、空载并网方式 ：桨距风力发电机组并网技术四、双馈发电机并网方式1、空载并网方式 ：niversity
