1、風力發電機組及其控制系統風力發電機組及其控制系統2HUAREN 2009 All Rights Reserved內容提要內容提要n風力發電根本原理n發電系統根底實際n控制系統設計n防雷接地系統3HUAREN 2009 All Rights Reserved風力發電根本原理風力發電根本原理4HUAREN 2009 All Rights Reservedn風的產生風的產生n風的特性風的特性n 風的表示法：風的表示法： 風向、風速、風級風向、風速、風級n 風的特性：風的特性： n 1風的隨機性風的隨機性n 2風隨高度變化而變化風隨高度變化而變化n 風能：風能密度、風能風能：風能密度、風能 n n風的

2、特性風的特性5HUAREN 2009 All Rights Reserved以風輪軸安裝方式分程度軸風機：風輪的旋轉軸與風向平行 - 升力型風機：旋轉速度較快 - 阻力型風機：旋轉速度較慢 - 上風向：風輪在塔架前面 - 下風向：風輪在塔架后面垂直軸風機：風輪的旋轉軸與地面或氣流方向垂直n風機的分類風機的分類1236HUAREN 2009 All Rights Reserved 按運轉方式分 獨立運轉風力發電機組 并網運轉風力發電機組 按功率分：微型501000W 小型110KW 中型10100KW) 大型100KW) n風機的分類風機的分類7HUAREN 2009 All Rights Re

3、servedn風力發電機的構造風力發電機的構造n獨立運轉的風力發電機組獨立運轉的風力發電機組n 程度軸獨立運轉的風力發電機組由程度軸獨立運轉的風力發電機組由 風輪、尾舵、發電機、支風輪、尾舵、發電機、支架、電纜、充電器、逆變器、蓄電池組成架、電纜、充電器、逆變器、蓄電池組成n 8HUAREN 2009 All Rights Reservedn風力發電機的構造風力發電機的構造n并網運轉的風力發電機組并網運轉的風力發電機組n 并網運轉的發電機組由風輪、增速箱、發電機、偏航安裝、控并網運轉的發電機組由風輪、增速箱、發電機、偏航安裝、控制系統、塔架等部件組成制系統、塔架等部件組成 2 24 48 81

4、 13 35 511116 69 97 710101212葉片輪轂主軸承主軸偏航電機塔筒齒輪箱機艙底盤聯軸器發電機主控柜機艙罩9HUAREN 2009 All Rights Reservedn風力發電機組的任務原理風力發電機組的任務原理n在并網運轉風力發電機組中，當風以一定的速度吹向風力機時，在風輪的葉片上產生的力驅動風輪葉片低速轉動，將風能轉換成機械能，經過傳動系統由增速箱增速，將動力傳送給發電機，發電機將機械能轉變為電能。n由于風向經常變化，為了有效的利用風能，在風機上裝有迎風安裝。 迎風安裝根據風向傳感器測得的風向信號，由控制器控制偏航電機，驅動與塔架上大齒輪相嚙合的小齒輪轉動，使機艙一

5、直對準風向方向。10HUAREN 2009 All Rights Reservedn風力機的氣動原理風力機的氣動原理n風車簡化為一維流管：n一維動量方程，風輪軸向推力：n一維不可緊縮流的延續方程：n伯努力方程：ddwUAUUTddwUAUUT.212constghpU.constAV*11HUAREN 2009 All Rights Reservedn風力機的氣動原理風力機的氣動原理n在風機上游：n在風機下游：n風機上獲得的推力：n風輪盤面氣流速度：dddpUpU222121dddWWWpUpU222121ddppAT*2WdUUU12HUAREN 2009 All Rights Reserv

6、edn風力機的氣動原理風力機的氣動原理n風機損失的能量：n軸向誘導因子n風輪處速度n風輪尾流速度n可以看出，一半的軸向氣流損失發生在流經制動槳盤時，另一半在下風向。n風輪上獲得的功率n風能利用系數UvaaaUUd1aUUW212312aaUAFUPdd231421aaAUPCdP13HUAREN 2009 All Rights Reservedn風力機的氣動原理葉素實際風力機的氣動原理葉素實際n葉素實際的根本出發點是將風輪葉片沿展向分成許多微段，稱這些微段為葉素，如圖所述，多個圓環，半徑，徑向寬。在每個葉素上作用的氣流相互之間沒有干擾，作用在葉片上的力可分解為升力和阻力二維模型，作用在每個葉素

7、單元的合力流速與葉片平面的夾角為攻角。翼型特征系數和隨攻角的改動而改動。 14HUAREN 2009 All Rights Reservedn風力機的氣動原理葉素實際風力機的氣動原理葉素實際n作用在葉素上的合力流速為： n其中 是合力流與旋轉平面的夾角，可以稱之為入流角。 22222) 1 ()1 (araUWWaU)1 (sinWar) 1 (cos15HUAREN 2009 All Rights Reservedn風力機的氣動原理葉素實際風力機的氣動原理葉素實際n攻角 可表示為：n作用在單位圓環徑向寬上的升力分量 ，與合力流方向垂直，表達式為： n阻力分量與合力流 方向平行，表達式為：rr

8、rcCWLL221WrrcCWDd22116HUAREN 2009 All Rights Reserved發電系統根底實際發電系統根底實際17HUAREN 2009 All Rights Reservedn獨立運轉風力發電機組中的發電機獨立運轉風力發電機組中的發電機n直流發電機n永磁式直流發電機： 定子采用永磁體n電磁式直流發電機： 定子采用勵磁繞組，通以直流電n永磁式交流同步發電機：轉子采用永磁體，有凸極式和爪極式兩種，定子與普通交流電機一樣 n硅整流自勵式交流同步發電機：定子由鐵心和三相定子繞組組成，定子繞組為星型聯接，轉子由轉子鐵心、轉子繞組、集電環和轉子軸組成，勵磁繞組經過集電環和電刷

9、與整流器的直流輸出端相連，以后的直流電流勵磁n電容自勵式異步發電機： 在異步發電機定子繞組輸出端接電容，以產生超前于電壓的容性電流產生磁場，從而建立電壓18HUAREN 2009 All Rights Reservedn并網運轉風力發電機組中的發電機并網運轉風力發電機組中的發電機n異步發電機n構造：定子為三相繞組，采用星形或角形鏈接，轉子為籠型或繞線形，定子繞組并連電容器來提供無功電流建立磁場，普通為4極或6極。n原理：n 同步轉速：n 轉差率：n 當 時，電機任務在電動形狀n 當 時，電機運轉在發電形狀普通 n 并網運轉時，只需接近同步轉速就可并網，無需同步設備和整步操作，輸出功率與轉速近似

10、成線性關系，可經過 調理負載 Pfn116011nnns1nn 1nn 05. 002. 0ss19HUAREN 2009 All Rights Reservedn并網運轉風力發電機組中的發電機并網運轉風力發電機組中的發電機n異步發電機10 . 24 kV, f = 50 Hz 690V/10000V旁路開關旁路開關功率控制器功率控制器交流異步發電機交流異步發電機齒輪箱齒輪箱風輪轉子風輪轉子brake中壓開關中壓開關軟并網控制器軟并網控制器運轉控制器運轉控制器功率補償器功率補償器20HUAREN 2009 All Rights Reservedn并網運轉風力發電機組中的發電機并網運轉風力發電機

11、組中的發電機n同步發電機n構造：定子由定子鐵心和三相定子繞組組成，轉子由轉子鐵心、轉子繞組、集電環和轉子軸組成，轉子上的勵磁繞組經集電環、電刷與直流電源相連，通以直流勵磁電流來建立磁場，轉子分凸極式和隱極式n原理：同步發電機在風力機的拖動下，轉子以轉速 旋轉，旋轉的轉子磁場切割定子上的三相對稱繞組，在定子繞組中產生頻率為 的三相對稱的感應電動勢和電流輸出。n 為了保證輸出頻率與電網頻率一致，發電機轉速必需恒定，因此對調速機構有很高的要求。為了改善這一點，出現了低速永磁同步發電機，并經過全功率變流器與電網聯接。n 606011pnpnfn1f21HUAREN 2009 All Rights Re

12、servedn并網運轉風力發電機組中的發電機并網運轉風力發電機組中的發電機n同步發電機主軸承主軸承同步發電機同步發電機DC機側機側變流器變流器網側網側變流器變流器風機主控器風機主控器制動器制動器變槳變槳機構機構變流控制器變流控制器10.24 kV, f = 50 Hz 變壓器變壓器主回路主回路斷路器斷路器開關設備開關設備22HUAREN 2009 All Rights Reservedn并網運轉風力發電機組中的發電機并網運轉風力發電機組中的發電機n雙饋異步發電機n構造： 由一臺帶集電環的繞線轉子異步發電機和變頻器組成n原理：定、轉子電流產生的旋轉磁場一直是相對靜止的，當發電機轉速變化而頻率不變

13、時，發電機的轉子的轉速和定、轉子電流的頻率關系可表示為：n 當發電機的轉速 變化時，可經過調理 來維持 不變，以保證與電網頻率一樣，實現變速恒頻控制。n 2160fnpfn1f2f23HUAREN 2009 All Rights Reservedn并網運轉風力發電機組中的發電機并網運轉風力發電機組中的發電機三種運轉形狀亞同步超同步同步功率分析 不計損耗時： emememsppspp)1 (11nn 0s1nn 0s1nn 02f24HUAREN 2009 All Rights Reservedn發電機發電機n雙饋異步發電機10.24 kV, f = 50 Hz or 60 Hz 變壓器變壓器機

14、側機側變流器變流器網側網側變流器變流器齒輪箱齒輪箱制動器制動器變槳變槳機構機構主軸承主軸承主回路斷路器主回路斷路器變流控制器變流控制器風機主控器風機主控器異步發電機異步發電機開關設備開關設備25HUAREN 2009 All Rights Reservedn控制目的：n保證系統的可靠運轉n能量利用率最大n電能質量高n機組壽命長n常規控制功能：n在運轉的風速范圍內，確保系統的穩定運轉n低風速時，跟蹤最正確葉尖速比，獲取最大能量n高風速時，限制風能的捕獲，堅持風力發電機組輸出的功率為額定值n減小陣風引起的轉矩動搖峰值，減小風輪的機械應力和輸出的功率動搖，防止共振n減小功率傳動鏈的暫態呼應n控制器簡

15、單，控制代價小n調理機組功率，確保機組輸出成電壓和頻率穩定n風力發電機組的控制戰略風力發電機組的控制戰略26HUAREN 2009 All Rights Reservedn風力機的功率調理n 風力機的調理是氣動功率調理技術，其方式有定槳失速調理、變槳調理、自動失速調理。n定槳距失速風力發電機組的調理與控制n定槳距失速調理n 構造：槳葉與輪轂的銜接是固定的，槳距角固定不變，當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。在風速超越額定風速后利用槳葉翼型本身的失速特性，維持發電機的輸出功率在額定值附件。為了提高風電機組在低風速時的效率，通常采用雙速發電機即大/小發電機。在低風速段運轉的，采用小電機使槳葉

16、具有較高的氣動效率，提高一些發電機的運轉效率。n 優點：失速調理簡單可靠，沒有變距機構。n 缺陷：葉片構成工藝復雜，機組整體效率低。n n并網型風力發電機組功率調理控制并網型風力發電機組功率調理控制27HUAREN 2009 All Rights Reservedn并網型風力發電機組功率調理控制并網型風力發電機組功率調理控制定槳距風力發電機組的控制。 高風速用4極大發電機,低風速用6極小發電機。根據平均或瞬時功率做切換條件。 定槳距風力發電機組的控制系統構造28HUAREN 2009 All Rights Reservedn變槳距風力發電機組的調理與控制n 經過變槳距機構改動葉片槳距角的大小，

17、改善氣動性能和功率特性。n 變槳距調理的3個過程：啟動時的轉速控制、額定轉速以下的控制、額定轉速以上的控制。n啟動時的轉速控制n 在發電機并入電網前，變槳距系統的槳距角給定值由發電機的轉速信號控制，轉速調理器按一定的速度上升斜率給出速度參考值。變槳系統根據給定的速度參考值與反響信號比較來調整槳距角，進展速度閉環控制。n額定轉速以下的控制n 在發電機并王后，當風速低于額定風速時，發電機在欠功率形狀下運轉，經過調理功率給定值來調整風機轉速。n額定轉速以上的恒功率控制n 當風速過高時，經過調理槳葉角，改動風力發電機組獲得的空氣動力轉矩，使功率輸出堅持在額定值附近。n并網型風力發電機組功率調理控制并網

18、型風力發電機組功率調理控制29HUAREN 2009 All Rights Reservedn并網型風力發電機組功率調理控制并網型風力發電機組功率調理控制n傳統變槳距風力發電機組的控制系統n 30HUAREN 2009 All Rights Reservedn并網型風力發電機組功率調理控制并網型風力發電機組功率調理控制n轉差可調異步風力發電機組的控制系統n 31HUAREN 2009 All Rights Reservedn變速恒頻風力發電機組的控制戰略變速恒頻風力發電機組的控制戰略n間接速度控制n其中n 23,21vrCTTaBTTee*32HUAREN 2009 All Rights Re

19、servedn變速恒頻風力發電機組的控制戰略變速恒頻風力發電機組的控制戰略n直接速度控制n 33HUAREN 2009 All Rights Reserved控制系統設計控制系統設計34HUAREN 2009 All Rights Reserved 控制系統設計原那么控制系統設計原那么n平安、可靠平安、可靠n最大功率追蹤最大功率追蹤n控制器易于擴展控制器易于擴展n便于維護便于維護35HUAREN 2009 All Rights Reserved控制系統控制系統n塔底柜塔底柜n機艙柜機艙柜n變距系統變距系統n變流器變流器n滑環滑環n水冷系統水冷系統36HUAREN 2009 All Rights

20、 Reserved塔底柜塔底柜n 主電源接入、分配主電源接入、分配n UPS電源電源n 電網丈量電網丈量n 主控制器主控制器n 人機界面人機界面n 塔底數據采集塔底數據采集n 風場通訊風場通訊37HUAREN 2009 All Rights Reserved機艙柜機艙柜n 傳感器接入傳感器接入n 執行部件控制執行部件控制n 數字電源數字電源n 數字、模擬數字、模擬IOn 平安繼電器平安繼電器n 變距系統通訊變距系統通訊n 人機界面人機界面 38HUAREN 2009 All Rights Reserved變距系統變距系統39HUAREN 2009 All Rights Reserved變流器變

21、流器類型全功率變流器出口功率3000kW額定電壓690V功率因數+/-0.975冷卻水冷尺寸2460X2300X640防護等級IP54種類2500kg通訊協議Canopen40HUAREN 2009 All Rights Reserved滑環滑環信號列表：變距系統電源、通訊、信號列表：變距系統電源、通訊、控制信號控制信號耐壓、電流沖擊電氣性能等；耐壓、電流沖擊電氣性能等；防護等級：防護等級：IP54設計壽命：設計壽命：7000萬轉萬轉41HUAREN 2009 All Rights Reserved主控系統主控系統機艙控制柜輪轂內 ，3個滑環，RS485通訊塔底控制柜風場通訊電量采集Ether

22、Can 通訊以太光纖 傳感器等ACS86742HUAREN 2009 All Rights Reserved監控系統監控系統43HUAREN 2009 All Rights Reserved液壓系統液壓系統功能：功能： 控制偏航剎車和機械轉子自動剎車?？刂破絼x車和機械轉子自動剎車。組成：組成：油箱：液位指示油箱：液位指示油泵：柱塞泵、電機油泵：柱塞泵、電機濾油單元濾油單元轉子剎車閥組轉子剎車閥組偏航剎車閥組偏航剎車閥組44HUAREN 2009 All Rights Reserved外圍傳感器外圍傳感器 45HUAREN 2009 All Rights Reserved速度傳感器速度傳感器

23、低速軸傳感器低速軸傳感器n傳感器類型：電感式接近開關傳感器類型：電感式接近開關n功能：低速軸轉速丈量功能：低速軸轉速丈量n數量：數量：1 1n接納信號位置：塔頂控制柜接納信號位置：塔頂控制柜 n電氣參數闡明：感應間隔電氣參數闡明：感應間隔=8mm =8mm n 開關頻率：開關頻率：400Hz 400Hz n 圓柱型導線引出屏蔽圓柱型導線引出屏蔽n供電電源：供電電源：24V24Vn輸出信號：輸出信號：PNPPNP46HUAREN 2009 All Rights Reservedn傳感器類型：電感式接近開關傳感器類型：電感式接近開關n功能：高速軸轉速丈量功能：高速軸轉速丈量n數量：數量：1n安裝位

24、置：剎車盤安裝位置：剎車盤n接納信號位置：塔頂控制柜接納信號位置：塔頂控制柜n電氣參數闡明：感應間隔電氣參數闡明：感應間隔=8mm n 開關頻率：開關頻率：400Hz n 圓柱型導線引出屏蔽圓柱型導線引出屏蔽n供電電源：供電電源：24Vn輸出信號：輸出信號：PNP速度傳感器速度傳感器高速軸傳感器高速軸傳感器47HUAREN 2009 All Rights Reservedn功能：偏航左右極限維護功能：偏航左右極限維護n數量：數量：1n安裝位置：偏航嚙合處安裝位置：偏航嚙合處n接納信號位置：塔頂控制柜接納信號位置：塔頂控制柜n電氣參數闡明：圈數：電氣參數闡明：圈數：1：100 n 解纜圈數：解纜

25、圈數：4 圈圈 n n供電電源：供電電源：24Vn輸出信號：輸出信號：PNP解纜傳感器解纜傳感器48HUAREN 2009 All Rights Reserved偏航方向傳感器偏航方向傳感器n傳感器類型：接近開關傳感器類型：接近開關 n功能：偏航左右轉動位置功能：偏航左右轉動位置n數量：數量：2n接納信號位置：塔頂控制柜接納信號位置：塔頂控制柜n電氣參數闡明：開關頻率：電氣參數闡明：開關頻率：250Hz n供電電源：供電電源：24Vn輸出信號：輸出信號：PNP49HUAREN 2009 All Rights Reserved杯式風速傳感器杯式風速傳感器功能：風速丈量功能：風速丈量數量：數量：2

26、安裝位置：機艙外部安裝位置：機艙外部接納信號位置：塔頂控制柜接納信號位置：塔頂控制柜電氣參數闡明：電氣參數闡明： 加熱最大值加熱最大值20 W; 丈量范圍丈量范圍 0.5 50 m/s 分辨率小于分辨率小于0.1 m/s 輸出脈沖輸出脈沖 2Hz573 Hz 供電電源：供電電源：24V50HUAREN 2009 All Rights Reserved標示風向傳感器標示風向傳感器n功能：風向丈量功能：風向丈量n數量：數量：2n安裝位置：機艙外上部安裝位置：機艙外上部n接納信號位置：塔頂控制柜接納信號位置：塔頂控制柜n電氣參數闡明：電氣參數闡明：0 360 n 準確度：準確度： -/+ 5 n 加

27、熱加熱DC, max. 20 W n電源信號：電源信號：24Vn輸出信號：輸出信號：0-20mA51HUAREN 2009 All Rights Reserved超速開關超速開關n功能：風輪和發電機超速維護功能：風輪和發電機超速維護n數量：數量：2n接納信號位置：塔頂控制柜接納信號位置：塔頂控制柜n電氣參數闡明：頻率范圍：電氣參數闡明：頻率范圍：0.199.9Hz52HUAREN 2009 All Rights Reserved振動開關振動開關n功能：振動極限開關功能：振動極限開關n數量：數量：1n接納信號位置：塔頂控制柜接納信號位置：塔頂控制柜n電氣參數闡明：電壓：電氣參數闡明：電壓：24V

28、DC n 維護等級：維護等級：IP66 n 分量：分量：300g53HUAREN 2009 All Rights Reserved加速度傳感器加速度傳感器n功能：振動信號采集功能：振動信號采集n數量：數量：2n接納信號位置：塔頂控制柜接納信號位置：塔頂控制柜n電氣參數闡明：振動方向：電氣參數闡明：振動方向：X、Y 軸，軸， n供電電源：供電電源：24V n輸出信號：繼電器輸出輸出信號：繼電器輸出n安裝尺寸：安裝尺寸：163mm X 52mm ( 長長X 高高)54HUAREN 2009 All Rights Reserved機組平安機組平安設計是風力發電機組設計重要組成部分。 軟件缺點處置機制

29、軟件缺點處置機制 平安鏈平安鏈 防雷接地防雷接地55HUAREN 2009 All Rights Reserved平安系統平安系統 平安鏈維護：獨立于控制系統之外的由硬件實現的平安維護系統。平安鏈維護：獨立于控制系統之外的由硬件實現的平安維護系統。 一級平安鏈：一級平安鏈： 緊急停機、切斷輔助電源緊急停機、切斷輔助電源 二級平安鏈：二級平安鏈： 緊急停機緊急停機軟件缺點處置機制軟件缺點處置機制 缺點處置方式：限功率、待機、停機、緊急停機缺點處置方式：限功率、待機、停機、緊急停機 缺點解除方式：自復位、遠程復位、本地手動復位缺點解除方式：自復位、遠程復位、本地手動復位 鎖定安裝：風輪鎖，偏航維護

30、，機械剎車 備用電源56HUAREN 2009 All Rights Reserved平安鏈設計的關鍵點平安鏈設計的關鍵點維護點的設定：超速，振動，扭纜，變距系統缺維護點的設定：超速，振動，扭纜，變距系統缺點、控制器缺點、變流器缺點、緊急停機按鈕、點、控制器缺點、變流器缺點、緊急停機按鈕、電網缺點等；電網缺點等；維護措施：緊急停機維護措施：緊急停機缺點解除方式缺點解除方式:本地手動復位，防止自啟動本地手動復位，防止自啟動57HUAREN 2009 All Rights Reserved防雷接地系統防雷接地系統58HUAREN 2009 All Rights Reserved防雷設計防雷設計n

31、設計根據規范n 防雷總體概述n 直擊雷防護n 機組等電位銜接n 系統屏蔽n 機艙防雷n 電源防雷n 信號線防雷n 根底防雷59HUAREN 2009 All Rights Reserved設計根據及規范設計根據及規范風力發電系統綜合防雷系統設計方案根據規范風力發電系統綜合防雷系統設計方案根據規范n IEC62305-1-4-2019 n IEC61400-24:2019 n GB50052-95 n GB50057-94 n GB50343-2019 60HUAREN 2009 All Rights Reserved防雷總體設計防雷總體設計 雷電對風力發電機組的危害不可忽視。直擊雷和感應雷及雷

32、電電磁脈沖的侵入是主要呵斥電氣設備、控制系統和通訊系統損壞的緣由，因此合理的防雷設計是風力發電機組設計必不可少的環節之一。 根據規定，將防雷區分為LPZ0、LPZ1、LPZ2等： LPZ0：區內的物體能夠遭到直擊雷擊，傳導全部雷電流或區內的物 體不會遭到直接雷擊，但該區的電磁場沒有衰減。葉片 LPZ1：區內的物體不會遭到直擊雷擊，該區內一切導電體的電流比 LPZ0區進一步減小，電磁場能夠衰減機艙、塔架、箱變內 LPZ2：包括的一切設備，為了進一步減小干擾效應，還必需采取 附加屏蔽措施齒輪箱、發電機、控制柜。 61HUAREN 2009 All Rights Reserved直接雷防護直接雷防護葉尖接閃器、避雷針、機艙外殼引導體直擊雷地網直擊雷放電通道62HUAREN 2009 All Rights Reserved機組等電位銜接機組等電位銜接