风力发电原理和控制技术 .pdf

内容提要一.风力发电原理二.风力发电系统简介三.风力发电机组控制技术三.风力发电机组控制技术风力发电原理风特性描述（一）湍流峰值T=1min日峰值T=0.5 day天气峰值T=4 days高压，低压/台风海陆风山谷风雷雨/龙卷风热对流/湍流涡旋近地面的风速功率谱分析（1957，陆上），Brookhaven国家实验室，（曲线修正了个时间对应的代表性气象干扰），125m高塔风速频率分布威布尔分布，1m/s分度平均风速分布密度函数分布函数尺度参数和形状参数在日本形状参数范围为0.82.2，年平均风速5m/s以上，更多出现在1.52.2。中国？我不知道！无统一的技术调度or无共享！海上风速功率谱（2000，日本大阪湾）17m高周期为1天的风速变化较大，周期为几天到10天的风速变化越来越大陆上1分钟到几分钟的功率谱变化比海上大得多风力发电原理风特性描述（二）大气边界层效应引起复杂风况影响风况的因素：地表面的粗糙度地形障碍物风况预测的方法：基于风况观测数据预测大气边界层风速随高度变化大气边界层基于风况观测数据预测基于气象模型预测局部地区风况预测模型湍流过程复杂地形和风况分布模式风力发电原理水平轴风力机气动原理风能吸收的流体模型致动盘（Actuator Disc）理论Cp功率系数理论极限（贝茨极限）：16/27=0.59现代三叶片风力发电机组的功率系数最优值为0.520.55风能吸收的流体模型致动盘（Actuator Disc）理论升力产生在开桨位置，风轮顺时针旋转（叶尖看向叶根）在顺桨位置，风轮顺时针旋转（叶尖看向叶根）风力发电系统风轮功率系数示例叶片气动特性风轮推力系数示例叶片视图，叶根向叶尖看风轮功率系数示例内容提要一.风力发电原理二.风力发电系统简介三.风力发电机组控制技术三.风力发电机组控制技术风力发电系统双馈型风力发电机组结构图风力发电系统机组尺寸变速恒频机组控制系统科技部项目2.5MW直驱风电机组模型整机 配置2.5MW直驱风电机组模型整机配置/叶片/塔筒风力机组控制技术简介风力机组控制技术简介风力机组设计要素气动性能Aerodynamics结构Structures结构动态 Structural Dynamics摇摆Vibrations稳定性Stability疲劳寿命 Fatigue Life输送Transmission齿轮Gears塔架Tower电力系统 Power Sys.etc.转速、变桨、偏航等控制系统Control systems forRPM,Pitch,Yaw成本Cost噪声Noise,美学 Aesthetics机组控制需求与机械、气动性能密切相关不同机型控制要求不同，需在一定程度上定制开发风力发电机组部件叶片结构和工艺风力发电系统风力发电系统结构弹性模型叶片根部传动链塔筒根部风力机组弹性结构机组主要机械部件示意机组CampBell图叶片及轴承轮毂主轴齿轮箱高速轴、刹车盘偏航轴承塔筒地基和底座、基础控制单元变流器-电机单元叶片驱动单元带旋转部件的多体结构动力学描述塔筒根部风力发电系统电机转矩特性定速风力发电机组电气图（包括定桨/变桨、鼠笼/双鼠笼/带滑差调节）叶尖扰流器基本原理静态无功功率补偿电机转矩特性额定点附近功率特性（60Hz）带滑差调节的异步电机转矩特性风力发电系统10.24 kV,f=50 Hzor 60 Hz 箱变机侧变流器网侧变流器齿轮箱刹车主断路器带滑环的异步发电机变速风力发电机组结构图（双馈）箱变变流器变流器变桨驱动主轴承中压断路器变流器风机控制系统变流器控制系统参考数据发电机形式：绕线式异步发电机，46极，同步转速1500/1000rpm，转速为2030%同步转速机侧变流器：按转差功率最大值设计（与电机LVRT特性有关）网侧变流器：按转差功率最大值设计箱变可以放置在机舱内，或塔筒外变桨形式：液压变桨 or 电动变桨功率范围：800KW10MW风力发电系统变速风力发电机组结构图（永磁）使用中速永磁发电机使用高速永磁发电机使用低速永磁发电机 or 电励磁发电机参考数据发电机形式：永磁（or电励磁）同步电机，转速为519rpm机侧变流器：按全功率变流要求设计网侧变流器：按全功率变流要求设计变桨形式：液压变桨 or 电动变桨功率范围：800KW5MW风力发电系统DCACDCACDCACDCACGdudt机侧开关机侧滤波电感直流并网开关电励磁发电机网侧690V 35KV励磁绕组机舱内使用全功率变流器的机组主电路电气结构图采用全功率变流的风电机组电气特点发电机电磁转矩可控具有四象限运行功能通用性较强、控制灵活，机、网侧可实现PFC全控器件多，控制复杂，成本高可采用变流器并联可采用直流侧直接并联可采用电机并联PI调节器PWM光纤隔离驱动电流采样IfdbIref直流防雷可采用电励磁或永磁体励磁可采用中压技术3.3KV、6KV变流器具有较好的FRT功能（LVRT、HVRT）电能质量决定于变流器技术电励磁机组电气图双PWM全功率变流器风力发电系统Dewind的液力变矩技术风力发电系统Intelligent Wind Power概念内容提要一.风力发电原理二.风力发电系统简介三.风力发电机组控制技术三.风力发电机组控制技术PP低风速区：定速运行策略高风速区：大致恒功率运行定速被动失速调节的机组P低风速区：定速运行策略高风速区：偏航降低有效风风力发电控制技术控制策略（一）VVrPr=Stall region,high dispersion VVr失速调节利用偏航调节P变速-被动失速/转矩调节的机组失速区域，高分散性VrT风力发电原理控制策略（二）低于额定转速：转矩控制高于额定转速：变桨控制桨距角风速VVr低风速定叶尖速调节高风速下大致定功率运行VrVr电转矩转速风速风速PrVr低于额定转速：转矩控制高于额定转速：变桨控制0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.5002468101214161820 CP频繁，平滑切换,风力发电原理控制策略（三）桨距角风速变速-主动失速/转矩调节的机组VVrVrVr低风速下定叶尖速运行高风速下恒功率运行Vcut outVcut in频繁，平滑切换,电转矩转速风速风速0.350.400.450.50 CPControl StrategiesControl Strategies直接连网的定速机组0.200.250.300.350.400.450.50 CP风力发电原理控制策略（二）0.000.050.100.150.200.250.30CP0.000.050.100.1502468101214161820风速功率系数 定叶尖速运行策略风力发电原理控制策略（三）CPV定速机组策略叶尖速比功率系数CPControl StrategiesControl Strategies Pr定叶尖速运行定转速运行策略功率-风速曲线风力发电原理控制策略（四）V定叶尖速运行与定转速运行的功率偏差 PPfw威布尔分布风力发电原理年发电量VE风速频率和发电量的关系定速控制和定叶尖速控制 在可能风速点上功率偏差不大 年发电量偏差大变桨距执行机构刹车装置风力发电机组控制系统风力发电机组控制系统由主控制器、传感器、执行机构组成，保证机组安全、高效运行。主控制器负责处理传感器输入信号以了解机组状态，根据算法进行变桨控制、力矩控制和辅机控制要求，发出输出信号控制执行机构的动作；并相应监控系统要求。传感器一般包括：?风速仪风向标转速传感器?电量采集传感器桨距角位置传感器机组控制系统任务执行机构一般包括液压或电变桨距系统发电机转矩控制器刹车、偏航、润滑、温度等辅机偏航电机发电机转矩执行器发电机并网开关?各种限位开关振动传感器?温度、油位指示器液压系统压力传感器风力发电系统控制系统的任务和组成风速测量变桨调节载荷控制力矩控制转速测量偏航控制l风电机组主控系统l电转矩控制系统l变桨控制系统l电网接入控制系统风力机组控制系统 采用数字控制系统，突出长寿命、可靠性、低温特性、具备防尘、防砂等功能控制原则l确保机组安全 独立硬件安全链，保证任何异常情况都能自动可靠停机l风能最大捕获 优化发电性能，提高发电量l提高电能质量 变流器性能和发电机性能l无人值守 完整的故障和告警监测l使用寿命 通过优化控制策略降低机械组件载荷，对大型（2.5MW及以上）风力机重要电网接入转速测量风力机示意图可控内容：起停、电转矩、变桨、偏航、刹车润滑、加热冷却、电能计量、控制核心内容：转动控制风力发电机组控制系统主控系统构成：数字控制系统l 用于控制风力机组安全、高效、可靠运行lPLC 或 其它控制器数字控制器执行采样、计算、控制、输出、显示 等功能l 具体功能变桨（变桨系统）、电转矩控制（变频器-发电机单元）偏航、解缆、液压、冷却、人机界面、监控信息收集、故障告警、保护等具体工作l 在风电机组发生严重故障或存在潜在严重故障时，优先将机组转换到安全状态l 独立于主控系统，按失效-保护原则设计，高可靠性l 可由以下任意事件触发：u叶轮超速，即达到硬件的过速限制u当机组出现主结构性故障时，振动开关动作u控制系统看门狗定时器中断u操作员按下急停按钮u主控制器不能控制的风力发电机组其它故障主控系统构成：独立安全链风力发电机组控制系统包括相互独立的数字控制器和硬件安全链，其中控制器实现风机运行过程中的各项控制功能，安全链保障机组在紧急情况下安全停机。工作状态描述：停止/待机/运行/急停发电机转矩风力机组控制技术风力机组控制技术变速机组核心控制策略发电机转速变速恒频风力发电机控制特性曲线基本控制原理图（不包括定桨距机组的控制）红色部分为变速恒频机组特有变速恒频风力发电机控制特性曲线结束语 期望不要鼓励恶性竞争第三方的质量认证是手段 期望能有统一的风能研究机构谁投资，谁获利谢谢关注！Thanks for attention!问题？！Any Question!