風力發電機組控制技術第二節定槳恒速機組的控制并網型風力發電機組從20世紀80年代中期開始逐步實現了商品化、產業化。經過十余年的發展，容量已從數十千瓦級增大到兆瓦級，盡管在兆瓦級風力發電機組的設計中已采用變槳距技術和變速恒頻技術，但由此增加了控制系統與伺服系統的復雜性，也對機組的成本和可靠性提出了新的挑戰。因此，定槳距風力發電機組結構簡單、性能可靠的優點是始終存在的，而且在某些特定的條件下有其應用的優勢。第二節定槳恒速機組的控制風輪結構1葉尖擾流器2雙速發電機3結構特點葉片的失速調節原理1功率輸出2節距角與額定轉速的設定對功率輸出的影響3運行控制特點一、定槳距機組的特點第二節定槳恒速機組的控制1、結構特點風輪定槳恒速風力發電機組的主要結構特點是葉片與輪轂的連接是固定的，即當風速變化時，葉片的迎風角度不能隨之變化。第二節定槳恒速機組的控制葉尖擾流器機組正常運行時，葉尖擾流器與葉片主體部分精密地合為一體，組成完整的葉片。機組需要脫網停機時，擾流器按控制指令釋放并旋轉80°～90°形成阻尼板，使風力發電機組迅速減速（葉片空氣動力制動）。葉尖擾流器是定槳恒速機組的主要制動器，制動時起主要作用。失速機組葉尖制動，進行超速保護。第二節定槳恒速機組的控制制動時葉尖部分繞葉片軸向旋轉90度，實現制動功能。通過葉尖擾流器來實現極端情況下的安全停機問題。第二節定槳恒速機組的控制雙速發電機風速在3m/s-25m/s（運行風速）時，葉片的攻角不斷變化，為了解決低風速時的效率問題，并避免葉片過早進人失速狀態，一些定槳恒速機組采用雙速發電機，分別設計成4極和6極。第二節定槳恒速機組的控制一般6極發電機的額定功率設計成4極發電機的1/4到1/5例：600KW機組，6極150KW和4極600KW。750KW，6極200KW和4極750KW。1000KW，6極200KW和4極1000KW。大發電機功率曲線風速功率小發電機功率曲線P1切換點P2第二節定槳恒速機組的控制低風速段運行時，葉片具有較高的氣動效率，發電機的效率也保持在較高水平，定槳距與變槳距機組在進入額定功率前的功率曲線差異不大。雙速發電機功率曲線第二節定槳恒速機組的控制2、運行控制特點面臨的問題：葉片的這一特性被稱為自動失速性能；運行中機組在電網突然失電或其他緊急情況下，葉片自身須具備制動能力，使機組能夠安全停機。第二節定槳恒速機組的控制解決辦法：√自動失速——采用失速性能良好的葉片(玻璃鋼復合材料)√安全停機——葉尖擾流器第二節定槳恒速機組的控制葉片的失速調節原理當氣流流經上下翼面形狀不同的葉片時，因凸面的彎曲而使氣流加速，壓力較低；凹面較平緩而使氣流速度緩慢，壓力較高，因而產生升力。葉片的失速性能是指它在最大升力系數Clmax附近的性能。葉片的安裝角β不變，風速增加攻角i增大，升力系數Cl線性增大；在接近Clmax時，增大變緩；達到Clmax后開始減小。阻力系數Cd初期不斷增大；在升力開始減小時，Cd繼續增大，造成葉片失速，從而限制了功率的增加。下圖。第二節定槳恒速機組的控制第二節定槳恒速機組的控制-30o

-20o

-10o0o0.80.60.40.2-0.2升力系數與阻力系數隨攻角變化升力系數隨攻角的增加而增加，使得葉片的升力增加，但當增加到某個角度后升力開始下降；阻力系數開始上升。出現最大升力的點叫失速點10o

20o

30o

40o（攻角）l（升力系數C

）（升力系數Cd）截面形狀（翼型彎度、翼型厚度、前緣位置）、表面粗糙度等都會影響升力系數與阻力系數。葉片兩端會產生渦流，造成阻力增加。第二節定槳恒速機組的控制失速是翼型運行在非正常狀態，是不穩定的狀態；失速角不是一成不變的；失速不可能穩定地控制轉速，控制的范圍也有限。正常工作狀態失速狀態第二節定槳恒速機組的控制結論：因葉片的安裝角β不變，風速增加→升力增加→升力變緩→升力下降→阻力增加→葉片失速葉片根部葉面先進入失速，隨風速增大，失速部分向葉尖處擴展，已失速的部分，失速程度加深，未失速的部分逐漸進入失速區。失速部分使功率減少，未失速部分仍有功率增加。從而使輸入功率保持在額定功率附近。定槳距失速型機組通過葉片失速來控制大風時的功率輸出。功率輸出機組的功率輸出主要取決于風速。此外，氣壓、氣溫、海拔高度和氣流擾動等因素也會顯著影響的功率輸出。第二節定槳恒速機組的控制空氣密度變化對功率輸出的影響第二節定槳恒速機組的控制同樣的風機安裝在不同地點，其葉片角度不應該相同。冬季和夏季應對葉片的安裝角各作一次調整第二節定槳恒速機組的控制主動失速控制與變速恒頻控制中的槳距角變化規律第二節定槳恒速機組的控制節距角與額定轉速的設定對功率輸出的影響機組功率曲線上只有一點有最大功率系數。額定轉速低的機組，低風速下有較高的功率系數；額定轉速高的機組，高風速下有較高的功率系數。設計的最大功率系數并不出現在額定功率上。定槳距機組應盡量提高低風速的功率系數和考慮高風速的失速性能。第二節定槳恒速機組的控制10008006004002000.10.20.30.40.5功率輸出/kW0

2

4

6

8 10

12

14

16

18風速/（m/s)優先考慮提高低風速段的功率系數，合理利用高風速時的失速特性。設定槳距角（安裝角）來實現定槳恒速機組功率曲線與功率系數關第二節定槳恒速機組的控制葉片節距角對輸出功率的影響第二節定槳恒速機組的控制風力發電機組的工作狀態工作狀態之間的轉換故障處理123運行狀態控制12發電過程控制待機狀態風力發電機組的自起動及起動條件3

風輪對風4制動解除風力發電機組的并網與脫網條件及實現步驟5二、基本運行過程第二節定槳恒速機組的控制1、機組的工作狀態運行狀態暫停狀態停機狀態緊急停機狀態第二節定槳恒速機組的控制運行狀態制動裝置松開允許機組運行和發電允許機組發電機并網葉尖擾流器收回機組自動偏航冷卻系統自動工作操作面板顯示“Run”第二節定槳恒速機組的控制暫停狀態制動裝置松開液壓泵保持工作壓力自動偏航處于激活狀態葉尖擾流器釋放葉輪已經停止或空轉冷卻系統自動冷卻操作面板顯示“Pause”這個工作狀態在調試機組時非常有用第二節定槳恒速機組的控制停機狀態制動裝置松開葉尖擾流器釋放液壓泵保持工作壓力自動偏航系統不工作自動冷卻系統不工作操作面板顯示“Stop”第二節定槳恒速機組的控制緊急停機狀態當葉輪低于一定轉速后，施加制動安全鏈斷開所有的主控制器輸出量被禁止計算機依然運行，并測量所有輸入量操作面板顯示“Emergency

Stop”緊急停機時，所有接觸器斷開，主控制器輸出信號被旁路，使其不去激活任何機構。2、工作狀態之間的轉換第二節定槳恒速機組的控制工作狀態層次上升緊停→停機安全鏈閉合；建立液壓工作壓力；松開機械制動停機→暫停開始自動偏航；起動冷卻系統暫停→運行核對機組是否處于上風向；葉尖擾流器收回；當風速足夠大，葉輪達到并網轉速時，發電機切入電網第二節定槳恒速機組的控制第二節定槳恒速機組的控制工作狀態層次下降緊急停機停機→緊停，暫停→緊停，運行→緊停斷開安全鏈；置所有輸出信號于無效；確保葉尖擾流器釋放；機械制動作用。停機暫停→停機，運行→停機暫停→停機：停止自動偏航；確保葉尖擾流器釋放；冷卻系統停止運行。第二節定槳恒速機組的控制運行→停機：停止自動偏航；確保葉尖擾流器釋放；如發電機處于并網發電狀態則立即脫網；冷卻系統停止運行。第二節定槳恒速機組的控制暫停如果發電機沒有并入電網，則釋放葉尖擾流器，降低風輪速度；如果發電機并網，則釋放葉尖擾流器使功率降低后切出發電機。第二節定槳恒速機組的控制3、故障處理當故障發生時，機組自動從較高的工作狀態轉換到較低的工作狀態。故障處理實際上是針對機組從某一工作狀態轉換到較低的狀態層次可能產生的問題，因此檢測的范圍是限定的。第二節定槳恒速機組的控制第二節定槳恒速機組的控制故障檢測設在機艙和塔基的故障處理器掃描傳感器信號以檢測故障，進行分類。每次只有能夠引起機組從較高工作狀態轉入較低工作狀態的故障才能通過。故障記錄故障處理器將故障存儲在運行記錄表和報警表中。第二節定槳恒速機組的控制對故障的反應降為暫停狀態降為停機狀態降為緊急停機狀態故障處理后的重新起動在故障已被接受之前，工作狀態層次不可能任意上升。故障被接受的方式：外部原因(如溫度、電壓波動)引起的故障可自動復位；一般故障可遠程控制復位；致命故障，不允許自動復位或遠程控制復位，必須現場檢查后，在機組內的控制面板上復位。故障狀態被自動復位一段時間(通常為10min)后自動重起，但一天內發生的次數有限定。若控制器出錯可通過看門狗(Watch

Dog)來觸發停機。第二節定槳恒速機組的控制第二節定槳恒速機組的控制4、運行過程控制待機狀態當風速v＞3m/s，機械制動已松開，葉尖擾流器已收回，轉速低于切入轉速，或者從小功率(逆功率)狀態切出，沒有重新并入電網時，機組處于自由轉動狀態，稱為待機狀態(游離狀態)。待機狀態除了發電機沒有并入電網以外，機組實際上已處于工作狀態。此時控制系統已作好切入電網的一切準備。第二節定槳恒速機組的控制控制系統做好切入電網的準備；機械剎車已松開；葉尖阻尼板已收回；風輪處于迎風狀態；液壓系統壓力保持在設定值上；

風況、電網和機組的所有狀態參數檢測正常，一旦風速增大，轉速升高，即可并網。第二節定槳恒速機組的控制自起動及起動條件自起動：葉輪在自然風速的作用下，不依靠其他外力的協助，將發電機拖動到額定轉速。早期的定槳距機組不具有自起動能力，電動機起動(Motor-start)。一般在風速v＞3m/s的條件下，即可自起動。第二節定槳恒速機組的控制機組在自然風作用下升速、并網的過程，需具備三方面條件123電網風況機組第二節定槳恒速機組的控制·

電網：連續10分鐘沒有出現過電壓、低電壓；0.1秒內電壓跌落小于設定值；電網頻率在設定范圍內；沒有出現三相不平衡等現象。第二節定槳恒速機組的控制·

風況：連續10分鐘風速在機組運行范圍內(3.0m/s～25m/s)。第二節定槳恒速機組的控制·

機組：發電機溫度、增速器油溫在設定值范圍內；液壓系統各部位壓力在設定值內；液壓油位和齒輪潤滑油位正常；制動器摩擦片正常；扭纜開關復位；控制系統電源正常；非正常停機故障顯示均已排除；維護/運行開關在“運行”位置。第二節定槳恒速機組的控制風輪對風10分鐘平均風速v＞3m/s時，允許葉輪對風；偏航角度通過風向儀測定；需延遲10s后才能執行向左或向右偏航釋放偏航制動1s后，執行左右偏航偏航停止時，偏航制動投入。第二節定槳恒速機組的控制制動解除√ 葉尖擾流器被收回與葉片主體合為一體。√控制器收到葉尖擾流器已收回的反饋信號后，松開盤式制動器。第二節定槳恒速機組的控制風力發電機組的并網與脫網條件及實現步驟當轉速接近同步轉速時，三相主電路上的晶閘管被觸發開始導通，導通角隨與同步轉速的接近而增大，發電機轉速的加速度減少。第二節定槳恒速機組的控制控

制

系

統風輪增速器發電機主繼電器熔斷器晶閘管電主開關變壓器網風變槳風速轉速并網功率無功補償風當發電機達到同步轉速時晶閘管完全導通，轉速超過同步轉速進入發電狀態。1秒后旁路接觸器閉合，電流被旁路，如一切正常，晶閘管停止觸發。第二節定槳恒速機組的控制大小發電機的軟并網程序小發電機向大發電機的切換大發電機向小發電機的切換電動機起動第二節定槳恒速機組的控制大發電機功率曲線小發電機功率曲線P1

切換點

P2風速功率大小發電機的切換第二節定槳恒速機組的控制三、基本控制策略1、控制系統的基本功能★根據風況自行起、停機；★并網和脫網時，將機組對電網的沖擊減小到最低；★根據功率及風速大小進行轉速切換(雙速發電機)；★根據風向信號自動對風，并能自動解纜；★對功率因數自動補償；第二節定槳恒速機組的控制★

自行判斷異常情況，并在必要時切出電網；★

發電機切出電網時，確保安全停機；★

監測和記錄電網、風況和機組的運行狀況，根據記錄數據生成各種圖表；★

遠程通信的功能。第二節定槳恒速機組的控制2、軟切入控制系統必不可少的部分。軟切入裝置（SOFT

CUT-IN

UNIT）：限制發

電機在并網和大小發電機切換時的瞬變電流，以免對電網造成過大的沖擊。電網的容量比發電機的容量大得多時(≧25倍)，方可不考慮沖擊電流。第二節定槳恒速機組的控制3、并網方式單機容量增大，并網時的沖擊也越大。沖擊嚴重時將引起電力系統電壓的大幅度下降，并可能對發電機和機械部件(塔架、葉片、增速器等)造成損壞。并網沖擊時間過長，還可能使系統瓦解或威脅具他并網機組的正常運行。第二節定槳恒速機組的控制同步發電機組并網技術異步發電機組并網技術捕捉式準同步快速并網技術雙向晶閘管軟切入并網技術直接并網方式準同期并網方式降壓并網方式第二節定槳恒速機組的控制4、三項不平衡保護目的：防止風輪故障帶來的損失在風輪的故障原因中，發電機過電流和三相不平衡危害不可忽視。第二節定槳恒速機組的控制三相不平衡危害性轉子損耗及發熱，電機整體或局部升溫，電機振動定子中形成高次諧波以負序分量為啟動元件的多種保護發生誤動作，威脅電網運行硅整流設備出現非特征性諧波設備利用率下降或一相過負荷，波形畸變，設備附加損耗增加，繞組絕緣層壽命急劇降低甚至損壞造成繞短路第二節定槳恒速機組的控制四、液壓系統1—油箱3—電