风力发电机组的控制课件.pptx
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1、1/116 概述概述 风力发电机空气动力理论基础风力发电机空气动力理论基础 定桨风力发电机组定桨风力发电机组 变桨风力发电机组变桨风力发电机组 控制系统的执行机构控制系统的执行机构 变速风力发电机组变速风力发电机组 智能控制在风力发电机组中的应用智能控制在风力发电机组中的应用 风场分布式远程监控和数据采集系统风场分布式远程监控和数据采集系统SCADASCADA及风场远程服务中心及风场远程服务中心目录目录2/116 概述概述l能源紧缺与环境污染加剧使风机迅速发展 定桨 - 变桨 - 变速(变桨)恒频 - 智能型风机 80年代中 90年代初 90年代后期 21世纪 100kW 450kW 600k
2、W 最大已运行5000kWl风力发电机的应用价值(与火电机组类比)节省化石燃料与减少废物排放同装机容量下,利用率偏低1、风力发电机组的发展3/116l影响风力发电的因素影响风力发电的因素l风机控制技术关键风机控制技术关键噪音噪音并网及运行可靠性并网及运行可靠性景观景观政府的支持力度政府的支持力度最大风能利用最大风能利用提高供电品质提高供电品质l风力发电机对象模拟困难风力发电机对象模拟困难不确定性不确定性 - - 风力多变、桨叶积灰、下雨雪、老化等风力多变、桨叶积灰、下雨雪、老化等非线性非线性 - - 发电机、变频器等电气装置模型复杂发电机、变频器等电气装置模型复杂多干扰多干扰 - - 大气变化
3、和电网不稳大气变化和电网不稳对象模型的局限性和现代控制、智能控制理论的应用对象模型的局限性和现代控制、智能控制理论的应用4/116l水平轴与垂直轴风机2、风力发电机组的总体结构5/116l常用风机的总体结构6/1167/1163. 风力发电机组的综合控制技术l运行控制l检测与保护软并网技术刹车技术(空气动力、机械)偏航与自动解缆技术运行优化控制伺服传动及变频技术超速保护电气/机械参数检测l远程监控SCADA系统8/116风机与汽机控制特点对照表风机与汽机控制特点对照表汽机汽机风机风机( (含风机、发电机、变频器含风机、发电机、变频器) )描述描述线性简单对象线性简单对象多参数、非线性、时变复杂
4、对象多参数、非线性、时变复杂对象控制控制传统控制理论;传统控制理论;DEHDEH控制控制转速、功率、汽压等功能转速、功率、汽压等功能传统控制向智能控制发展;以捕获最大风能。传统控制向智能控制发展;以捕获最大风能。WPMSWPMS完成转速及功率控制、偏航控制及刹车完成转速及功率控制、偏航控制及刹车SCADASCADA远程监控涵盖风场的风机、气象及电网远程监控涵盖风场的风机、气象及电网工作环境工作环境高温、高压、高速运行、高温、高压、高速运行、但蒸汽参数稳定但蒸汽参数稳定( (或受控或受控) )自然环境下低速运行,风力瞬变不可控自然环境下低速运行,风力瞬变不可控甩负荷甩负荷切断进汽维持空转,等待切
5、断进汽维持空转,等待重新并网重新并网刹车制动,等待重新启动刹车制动,等待重新启动电网故障电网故障快关后空转,等待电网恢快关后空转,等待电网恢复复飞轮或超导储存动能,等待电网恢复飞轮或超导储存动能,等待电网恢复项目项目特点特点对象对象9/1164. 4. 三类风力发电机组比较表三类风力发电机组比较表定桨定桨变桨变桨变速恒频变速恒频厂商厂商NEG MICON(NEG MICON(丹麦丹麦) )VESTAS(VESTAS(丹麦丹麦) )东汽东汽型号型号750750200kW/48200kW/48V47-660/220kWV47-660/220kWFD70A(1500kW)FD70A(1500kW)F
6、D77A(1500kW)FD77A(1500kW)启动启动/ /额定额定/ /切出风速切出风速3.0 /14 /25m/s3.0 /14 /25m/s3.5/16/25m/s3.5/16/25m/s3.5/13/25m/s3.5/13/25m/s3.5/12.5/20m/s3.5/12.5/20m/s风轮直径风轮直径48m48m47m47m70m70m77m77m风轮转速风轮转速22.3/14.9 rpm22.3/14.9 rpm202026rpm26rpm10.610.619(+10%)rpm19(+10%)rpm9.69.617.3(+10%)rpm17.3(+10%)rpm发电机发电机三
7、相异步双速发电机三相异步双速发电机主发电机小发电机主发电机小发电机双馈滑环异步发电机双馈滑环异步发电机(4(4极极) )运行转速运行转速1500/1000 rpm1500/1000 rpm151515151650/15001650/15001516rpm1516rpm100010001800(1800(10%)rpm10%)rpm偏航系统偏航系统电机驱动摩擦制动器电机驱动摩擦制动器四套电驱动齿轮,十套偏转制动器四套电驱动齿轮,十套偏转制动器机械刹车机械刹车低速轴盘式制动器低速轴盘式制动器叶片变桨刹车、刹车盘叶片变桨刹车、刹车盘叶尖扰流器叶尖扰流器空气动力刹车机构空气动力刹车机构无无无无增速箱增
8、速箱行星齿轮两级平行齿轮行星齿轮两级平行齿轮行星齿轮平行齿轮行星齿轮平行齿轮一级行星齿轮两级圆柱正齿轮一级行星齿轮两级圆柱正齿轮逆变器与整流器逆变器与整流器无无无无脉冲带宽调节脉冲带宽调节IGBTIGBT静态变频器静态变频器控制系统型式控制系统型式MITA WP3000MITA WP3000微机控制微机控制 OPTISLIP OPTISLIP 转速调节转速调节 OPTITIP OPTITIP 变桨调节变桨调节模块化风能管理系统模块化风能管理系统WPMS(SCADA)WPMS(SCADA)控制功能控制功能并并/ /脱网,自动失速功率脱网,自动失速功率调节,自动相位补偿,运调节,自动相位补偿,运行
9、监督、记录,安全停机行监督、记录,安全停机并并/ /脱网,优化功率输出,运脱网,优化功率输出,运行监督记录,安全停机行监督记录,安全停机远程控制:启动、停止、转速控制,变桨控制和变频远程控制:启动、停止、转速控制,变桨控制和变频器控制。在线监视:风机、电网及气象参数。报警接器控制。在线监视:风机、电网及气象参数。报警接受及发送。运行数据记录、报表、追忆。受及发送。运行数据记录、报表、追忆。10/1165.5.风力发电机控制系统结构图风力发电机控制系统结构图11/1166. 提高变速风力发电的品质l电力电子装置应具有:电力电子装置应具有:尽量低的谐波电流、功率因数接近尽量低的谐波电流、功率因数接
10、近1 1或可控、输出功率稳定,或可控、输出功率稳定,电磁转矩可控及输出电压与电网适应电磁转矩可控及输出电压与电网适应l用储能技术改善风力发电容量加大后对电网造成的不利影响用储能技术改善风力发电容量加大后对电网造成的不利影响串联电感储能、飞轮储能及超导储能系统的应用串联电感储能、飞轮储能及超导储能系统的应用12/116 几何参数几何参数A点-前缘 B点-后缘,两点连线为弦l -弦长 C-最大厚度 C -相对厚度翼型中线-从前缘到后缘,与上下表面相切诸园之园心的连线f -翼型中线最大弯度 f -相对弯度,f = f / l0 -零升力角,弦线与零升力线间的夹角 -升力角,来流方向与零升力线间的夹角
11、 i -攻角,来流方向与弦线间夹角 = 0 i 风力发电机空气动力理论基础1 1 桨叶的几何参数和空气动力特性桨叶的几何参数和空气动力特性13/116a. a. 气动力取决气动力取决 气流的相对速度及攻角的大小气流的相对速度及攻角的大小 静止桨静止桨叶叶上的气动力上的气动力b. b. 桨叶下表面的压力高桨叶下表面的压力高于上于上表面表面,产生升力产生升力14/116c. c. 作用在桨叶作用在桨叶上的上的力力其中 S -桨叶面积,桨叶弦长x桨叶长度 Cr -总的气动力系数 v -来流速度(相对速度)212rFsc v可分解为:升力 -与相对速度v垂直 阻力 -与相对速度v平行其中 Cl -升力
12、系数 Cd -阻力系数212llFsc v212ddFsc v15/116弯度厚度前缘表面粗糙度与雷诺数有限叶展 对升力和阻力系数的影响因素对升力和阻力系数的影响因素16/116达失速点iM后,噪声增加,风机振动加大,运行不稳定设计点应为0.80.9 Cl max Cl、C Cd d与攻角的关系与攻角的关系17/116 风轮的几何定义回转平面 -垂直旋转轴线的平面,桨叶在该平面内转动风轮直径-风轮扫掠面直径桨叶轴线-桨叶纵轴线,围绕此轴线桨叶可旋转变桨安装角(节距角)-半径处桨叶截面弦长与回转平面的夹角倾角I-气流对桨叶的相对速度w与回转平面的夹角 倾角等于攻角i与安装角之和2 2 理想风轮的
13、气动力学理想风轮的气动力学18/11619/116相对速度W = v + u其中 v为吹过叶轮的气流速度矢量 u为叶素dr的线速度矢量相对速度W产生的力可分解为:Fu风轮旋转力 Fa风轮轴向力 气流对桨叶的相对速度矢量及推力风能 机械能 电能 电网 能量转换过程20/116a) 单位时间内流过风轮面积为S的气流的动能:其中 为气流密度 m、V为单位时间内流过气流的质量与体积 v为通过风轮时的流速 S为风轮扫过的面轮223111222Em vV vS v-(1)21/116风对风轮的推力 欧拉公式 其中v1、v2分别为上游及下游风速风轮可吸收的功率为上下游的单位时间内动能变化为二者应相等,得到
14、作用在风轮上的力12()FSv vv212()PFvSv vv221122()ESv vv122vvv221122()FS vv22112124()()PS vvvvb) b) 气流流过理想风轮时的能量转换气流流过理想风轮时的能量转换风轮可吸收的功率-(3)-(2)-(4)22/116当 时,风轮可吸收的功率达最大值理想最大效率c) c) 风力发电机的理想效率风力发电机的理想效率123vv382 7m ax1PS vmax311216max270.593PSv23/116a) 叶尖速比定义 = 其中 n-风轮转速 r / m -风轮角速度 rad /s R-风轮半径 m v1-上游风速 m/s
15、 风力发电机的特性系数112R nRvv24/116b) 转矩系数CT和推力系数CF2112TTS R vc2112uFFSvc考虑到能量转换过程中存在多种损耗,CP0.593风机实际获得的功率c)实际风能利用系数(功率系数)CP3112PPSvCT33211221( ,)TTpSvrvcf 25/116有限长叶片风轮下游存在尾迹涡 :轮毂及叶尖涡流系统引起附加风速:中心涡、边界涡及叶顶螺旋涡3. 3. 实际情况对风机的影响 风轮的涡流系统26/116 实际情况对风力发电机Cp的影响a. 无限叶片时,阻力系数Cd的影响b. 有限时片时,阻 力系数Cd的影响c. 考虑尾流损失,叶尖损失、轮毂损失
16、(桨叶片根部不在r=0处) 及失速损失等的影响27/116 并网后转速与网频一致;风力大小决定输出功率并网后转速与网频一致;风力大小决定输出功率 自动失速,限制功率自动失速,限制功率 风速超过额定值,气流分离失速,风速超过额定值,气流分离失速,C CL L,C Cd d 风速增加叶根处先失速,并向叶尖扩展,限制功率风速增加叶根处先失速,并向叶尖扩展,限制功率 脱网时空气动力刹车脱网时空气动力刹车-叶尖扰流器叶尖扰流器 脱网时液压系统释放扰流器,并旋转脱网时液压系统释放扰流器,并旋转80809090 产行巨大刹车阻力矩,确保安全停机产行巨大刹车阻力矩,确保安全停机1. 1. 定桨风力发电机特点定
17、桨风力发电机特点28/116配双速发电机应对不同风速,提高效率配双速发电机应对不同风速,提高效率 低风速低风速 6 6极极1000rpm1000rpm小发电机小发电机 高风速高风速 4 4极极1500rpm1500rpm大发电机大发电机 大小发电机切换需脱网后重新并网大小发电机切换需脱网后重新并网 影响功率输出的因素影响功率输出的因素( (除风速除风速) ) a. a. 节距角节距角对功率的影响对功率的影响 低风速时节距角对功率影响不大低风速时节距角对功率影响不大 高风速时节距角对最大功率输出影响大高风速时节距角对最大功率输出影响大 b. b. 气流密度气流密度随温度、高度变化影响功率随温度、
18、高度变化影响功率 主动失速型定桨距风力机满足上述要求主动失速型定桨距风力机满足上述要求29/11630/11631/11632/116 待机状态待机状态 风速风速3m/s4m/s4m/s(可并网)(可并网) a) a) 自起动条件:自起动条件: 电网正常电网正常 风况检测正常,发出风轮对风指令及制动解除指令风况检测正常,发出风轮对风指令及制动解除指令 机组正常机组正常 b)b)风轮对风风轮对风: 风向仪测定偏航角度,风轮自动对风风向仪测定偏航角度,风轮自动对风 c) c)制动解除制动解除 压力油进入桨叶液压缸,扰流压力油进入桨叶液压缸,扰流器器收回收回 压力油进入机械盘式制动器液压缸压力油进入
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