风力发电机组的控制与保护.pptx

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1、1、概述1.1风力发电机组的控制系统的可靠性直接影响整个风力发电机组的正常发挥，其精确的控制、完善的功能将直接影响机组的安全与效率。1.2风力发电机组控制系统的基本组成控制系统组成主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。第1页/共20页2、定桨距风力发电机的控制2.1定桨风力发电机的机构特点叶片与轮毂的连接是固定的，也就是当风速变化时，叶片安装角也就是桨距角不变，因此需要定桨距机组具备自动失速性能和制动能力。2.2定桨控制 失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减少，因而根部叶面先进入失速，随风速增大，失速部

2、分向叶尖处扩展，第2页/共20页原先已失速的部分，失速程度加深，未失速的部分逐渐进入失速区，从而使输入功率保持在额定功率附近。2.3叶尖扰流器 叶尖扰流器如图所示。当风力机正常运行时，在液压系统的作用下，叶尖扰流器与桨叶主体部分紧密地合为一体，组成完整的桨叶，当风力机需要脱网停机时，液压系统按控制指令将叶尖扰流器释放并使之旋转90形成阻尼板，实施空气动力刹车。图4叶尖扰流器结构第3页/共20页根据定桨距风力机的特点，应优先考虑提高低风速段的功率系数，合理利用高风速时的失速特性。为此可通过设定桨距的桨距角（安装角）来实现上述控制策略。图5是一组200kw定桨距风力发电机的功率曲线。可见在高风速区

3、，不同的桨距角对最大输出功率的影响是较大的。根据实践经验，节距角越小，气流在桨叶上的失速点越高，其最大功率也越高。反之，其最大功率就可降下来。2.4 设定桨距角改变最大输出功率图5桨叶节距角对输出功率的影响第4页/共20页3 变桨距风力发电机的控制3.1结构特点变桨风力发电机组的叶片不再与轮毂固定连接，而是能够相对转动。从空气动力学角度考虑，当风速过高时，只有通过调整桨叶节距，改变气流对叶片攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，才能使功率输出保持稳定。第5页/共20页3.2 变桨距风力发电机组的特性输出功率特性 变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在高于额定风速时输出功率平

4、稳的特点。当功率在额定功率以下时，控制器将叶片节距角置于0。附近，节距角不变，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化，当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片节距角，使其将发电机的输出功率调节在额定值附近。风速升高，由于桨叶节距可以控制，可以使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。第6页/共20页确保高风速段的额定功率 变桨距的风力发电机组的桨叶节距角是根据发 电机输出功率的反馈信号来控制的，它不受气流密度变化的影响，无论是由于温度变化还是海拔引起空气密度变化，变桨距系统都能通过调整叶片角度，使之获得额定功率输出。起动性能与控制性能 变桨距风力发电机组在低风速时，桨叶节距可以

5、转动到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩。当风力发电机组需要脱离电网时，变桨距系统可以先转动叶片使之减小功率，在脱网之前，功率减小至0，实现平稳控制。4 变速风力发电机的控制 变速变距风力发电机组控制技术先进，但比较复杂。第7页/共20页4.1 变速风力发电机组的特点 在现有的机型中控制技术主要有三部分组成：主控制器、桨距调节器、功率控制器（转矩控制器）。如图7所示。图7变速变距风力发电机组控制系统构成图第8页/共20页4.2 变速风力发电机的控制方式与策略 变速风力发电机组的基本结构如图11所示，在低于额定风速时，通过整流器及逆变器控制双馈异步发电机的电磁转矩，对风力机转速进行控制；在高于

6、额定风速时，采用变桨距方法释放多余的能量。第9页/共20页4.3变速风力发电机的运行区域第一阶段是起动阶段。第二阶段是风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下的区域，该阶段分为两个运行区域；即变速运行区域（Cp恒定区）和恒速运行区域。为了使风轮能在Cp恒速区运行，必须设计一种变速发电机，其转速能够被控制以跟踪风速的变化。第三运行阶段称为功率恒定区，利用第三阶段的大风速波动特点，将风力机转速充分地控制在高速状态，并适时地将动能转换为电能。第10页/共20页控制系统的执行机构主要是液压系统和机电伺服系统。液压系统执行风力机的变桨距和制动操作，实现风力发电机的转速控制、功率控制和开关机；机电伺服系统

7、主要执行变距驱动和偏航驱动。5.1 定桨距风力发电机组的制动系统 定桨距风力发电机组的制动系统由叶尖气动阻尼和液压机械制动组成。5 控制系统的执行机构第11页/共20页叶尖气动阻尼是由叶尖扰流器来完成。当风力发电机在运行状态时叶尖做为桨叶的一部分与桨叶主体一起吸收风能。当风力机需要停机时叶尖扰流器在离心力作用下甩出，甩出时，沿螺旋轴旋转90，形成气动阻力，使风力机停（怠）转。在正常运行时液压系统保持油压，牵拉叶尖，而在停机时泄放油压，任叶尖甩出。液压机械制动器 液压机械制动器作为辅助制动装置安装在高速轴上，当需要停机时，液压系统驱动刹车夹钳，使风轮停止转动。制动系统一般按失效保护的原则设计，即

8、超出允许工作条件、出现故障时自动实施制动停机。第12页/共20页5.2变桨距风力发电机组的液压系统 由两个压力保持回路组成。一路由蓄能器通过比例阀供给桨叶桨距油缸，另一路有蓄能器供给机械刹车机构。5.3电机驱动的变距机构 变距系统的另一种驱动方式是电机驱动方式。由于结构简单，易于施加各种控制，可靠性高，使用更为普遍。图15为变距系统的一种典型结构，图15独立变桨距电机执行原理图第13页/共20页6偏航系统6.1偏航系统的基本结构图16偏航系统结构第14页/共20页6.2偏航控制系统 偏航系统是一随动系统，当风向与风轮轴线偏离一个角度时，控制系统经过一段时间的确认后，会控制偏航电动机将风轮调整到

9、与风向一致的方位。偏航控制系统框图如图17所示。图17偏航控制系统第15页/共20页(二)风力发电机组的保护1风轮保护 当有特大强风发生时，停机并释放叶尖阻尼板，桨距调到最大，偏航90度背风，以保护风轮免受损坏。2雷电安全保护.防雷设施及熔丝主避雷器与熔丝，合理可靠的接地线为系统主避雷保护，同时控制系统有专门设计的防雷保护装置。在计算机电源及直流电源变压器一次侧，所有信号的输入端均设有相应的瞬时超电压和过电流保护装置。第16页/共20页3运行安全保护 3.1大风安全保护：一般风速达到25米/秒（10分钟）即为停机风速，机组必须按照安全程序停机，停机后，风力发电机组必须90度对风控制。3.2参数

10、越限保护：各种采集、监控的量根据情况设定有上、下限值，当数据达到限定值时，控制系统根据设定好的程序进行自动处理。3.3过压过流保护：当装置元件遭到瞬间高压冲击和电流过流时所进行的保护。通常采用隔离、限压、高压瞬态吸收元件、过流保护器等 3.4震动保护：机组应设有三级震动频率保护，震动球开关、震动频率上限1、震动频率极限第17页/共20页4电网掉电保护 风力发电机组离开电网的支持是无法工作的，一旦有突发故障而停电时，控制器的计算机由于失电会立即终止运行，并失去对风机的控制，控制叶尖气动刹车和机械刹车的电磁阀就会立即打开，液压系统会失去压力，制动系统动作，执行紧急停机。5接地保护 接地保护是非常重要的环节。良好的接地将确保控制系统免受不必要的损害。在整个控制系统中通常采用以下几种接地方式，来达到安全保护的目的。第18页/共20页谢谢！第19页/共20页2023/3/31感谢您的观看！第20页/共20页