1、第5章风力发电机组的控制及安全保护5.1风力发电机组的控制技术5.2风力机控制5.3发电机控制5.4风力发电机组信号检测5.5控制系统的执行机构5.6风电机组的安全保护.5.1风力发电机组的控制技术5.1.1风力发电机组的基本控制要求5.1.2风力发电机组的控制系统结构5.1.3风力发电机组的运行控制过程.5.1.1风力发电机组的基本控制要求1)根据风速信号自动进入起动状态或从电网自动切除。2)根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制。3)根据风向信号自动对风。4)根据电网和输出功率要求自动进行功率因数调整。5)当发电机脱网时，能确保机组安全停机。6)在机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运
2、行状况进行实时监测和记录，对出现的异常情况能够自行准确地判断并采取相应的保护措施，并能够根据记录的数据，生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标。7)对在风电场中运行的风力发电机组具有远程通信的功能。8)具有良好的抗干扰和防雷保护措施，以保证在恶劣的环境里最大限度地保护风电机组的安全可靠运行。.5.1.1风力发电机组的基本控制要求图5-1风力发电机组及其控制系统结构图.5.1.1风力发电机组的基本控制要求图5-2风力发电机组的风速功率曲线.5.1.1风力发电机组的基本控制要求0503.TIF.5.1.1风力发电机组的基本控制要求图5-3双馈式风力发电机组1.tif0504.TIF图5-4
3、直驱式永磁同步风力发电机组.5.1.2风力发电机组的控制系统结构图5-5电控系统整体结构.5.1.2风力发电机组的控制系统结构图5-6风电机组总体功能图.5.1.3风力发电机组的运行控制过程1.待机状态2.机组自起动过程3.机组并网过程4.欠功率运行状态5.额定功率运行状态6.停机状态.1.待机状态1)发电机温度、增速器润滑油温度在设定值范围以内。2)液压系统压力正常。3)液压油位和齿轮润滑油位正常。4)制动器摩擦片正常。5)扭缆开关复位。6)控制系统电源正常。7)非正常停机后显示的所有故障信息均已解除。8)维护开关在运行位置。.5.2风力机控制5.2.1风力机控制的空气动力学原理5.2.2定
4、桨距风力机控制5.2.3变桨距风力机控制5.2.4功率控制.5.2.1风力机控制的空气动力学原理图5-7风力机性能曲线.5.2.1风力机控制的空气动力学原理图5-8随攻角变化的升力和阻力系数.5.2.2定桨距风力机控制1.定桨距风力机2.定桨距控制.1.定桨距风力机图5-9叶尖扰流器的结构.5.2.3变桨距风力机控制1.变桨距风力机2.变桨距控制.1.变桨距风力机图5-10功率输出曲线对比图.2.变桨距控制(1)开环控制即将桨距角由顺桨状态(一般90)按照一定的顺控程序置为最大风能利用系数的角度(一般23)，以获得最大起动力矩。(2)闭环控制通过变桨距控制使转速以一定升速率上升至同步转速，进行
5、升速闭环控制；为了对电网产生尽可能小的冲击，控制器也同时用于并网前的同步转速控制。.5.2.4功率控制1.风力机功率控制特点2.变桨控制系统结构与特点.1.风力机功率控制特点(1)气动非线性变桨距控制实质是通过改变攻角来控制风力机的驱动转矩，因此风力机的气动特性是变桨距系统的主要特性。(2)工况频繁切换由于自然风速大小随机变化，导致变速风力发电机组随风速在各个运行工况之间频繁切换。(3)多扰动因素影响风力发电机组性能变化的不确定干扰因素很多。(4)变桨距执行系统的大惯性与非线性目前变桨距执行机构主要有两种实现方案：液压执行机构和电机执行机构。.图5-11变桨距变速风电机组转速-功率曲线1.风力
6、机功率控制特点.2.变桨控制系统结构与特点图5-12传统的变桨距风力发电机组变桨控制系统.5.3发电机控制5.3.1风力发电机控制要求5.3.2异步风力发电机控制5.3.3双馈式发电机控制5.3.4直驱式发电机控制.5.3.1风力发电机控制要求1)发电机的频率等于电网频率。2)发电机的电压幅值等于电网电压幅值，且波形一致。3)发电机的电压相序与电网电压的相序相同。4)发电机的电压相位与电网电压的相位一致。.5.3.1风力发电机控制要求图5-13定桨距风力机功率特性曲线.5.3.2异步风力发电机控制1.双速异步发电机控制2.转差可调的异步发电机原理3.转差可调异步发电机的结构4.转差可调异步发电
7、机的功率调节5.异步发电机的并网方法.图5-14双速发电机功率曲线1.双速异步发电机控制.2.转差可调的异步发电机原理图5-15绕线转子异步发电机改变转子绕组串联电阻时的-s特性曲线.3.转差可调异步发电机的结构0516.TIF.4.转差可调异步发电机的功率调节图5-17变桨距风力机-转差可调异步发电机控制原理图.5.异步发电机的并网方法(1)直接并网方式这种并网方法要求并网时发电机的相序与电网的相序相同，当风力机驱动的异步发电机转速接近同步转速(90%100%)时即可完成自动并网，自动并网的信号由测速装置给出，然后通过自动空气开关合闸完成并网过程。(2)准同期并网方式与同步发电机准同步并网方
8、式相同。(3)降压并网方式降压并网是在异步发电机和电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压器，以便达到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。(4)晶闸管软并网方式这种并网方式是在异步发电机定子与电网之间通过双向晶闸管连接起来，来对发电机的输入电压进行调节。.图5-18异步发电机经晶闸管软并网原理图5.异步发电机的并网方法.5.3.3双馈式发电机控制1.双馈异步风力发电机控制系统2.转子变流器3.PWM控制的基本原理及交-直-交变流器4.系统的优越性.1.双馈异步风力发电机控制系统图5-19定子磁链定向示意图.图5-20定子磁链观测器1.双馈异步风力发电机控制系统.图5-21双馈发电
9、机矢量控制系统框图1.双馈异步风力发电机控制系统.2.转子变流器(1)变-直-交电压型强迫换流变流器采用此种变流器的电机可实现由亚同步到超同步运行的平稳过渡，这样可以扩大风力机变速运行的范围；此外，由于采用了强迫换流，还可实现功率因子的调节，但由于转子电流为方波，会在电机内产生低次谐波转矩。(2)采用交-交变流器采用交-交变流器，可以省去交-直-交变频器中的直流环节；同样可以实现由亚同步到超同步运行的平稳过渡及实现功率因子的调节，其缺点是需应用较多的晶闸管，同时在电机内也会产生低次谐波转矩。(3)采用脉宽调制(PWM)控制的由IGBT组成的交-直-交变流器采用最新电力电子技术的IGBT变频器及
10、PWM控制技术，可以获得正弦转子电流，电机内不会产生低次谐波转矩，同时能实现功率因子的调节，现代兆瓦级以上的双馈异步风力发电机多采用这种变流器。.3.PWM控制的基本原理及交-直-交变流器图5-22脉宽调制示意图.3.PWM控制的基本原理及交-直-交变流器图5-23交-直-交变流器电路拓扑图.4.系统的优越性1)这种变速恒频发电系统有能力控制异步发电机的转差在恰当的数值范围内变化，因此可以实现优化风力机叶片的桨距调节，即可以减少风力机叶片桨距的调节频率，这对桨距调节机构是有利的。2)可以降低风力发电机组运转时的噪声水平。3)可以降低机组转矩剧烈的起伏，从而能够减小旋转部件的机械应力，这为减轻部
11、件质量或研制大型风力发电机组提供了有力的保证。4)由于风力机是变速运行，其运行速度能够在一个较宽的范围内被调节到风力机的最优化效率数值，使风力机的值得到最佳，从而获得高的发电效率。5)可以实现发电机低起伏平滑的电功率输出，优化了供电质量。6)与电网连接简单，并可实现功率因子的调节。7)可实现独立(不与电网连接)运行，几个相同的独立运行机组也可实现并联运行。8)变流器的容量取决于发电机变速运行时最大转差功率，一般电机的最大转差率为，因此变流器的最大容量仅为发电机额定容量的1/31/4。.5.3.4直驱式发电机控制1)双馈式风电系统需要齿轮箱，意味着电机可以高速运转，标准双馈电机额定转速为1500
12、r/min，齿轮箱的存在使机组重量有所增加，在机组的维护中，齿轮箱的故障率较高。2)双馈式电机为异步发电机。3)用于双馈式电机的变流器，由于流过转子电路的功率是由发电机的转速运行范围所决定的转差功率，仅为定子额定功率的一部分，因此双向励磁变流器的容量仅为发电机容量的一部分，成本将会大大降低，容量越大优势越明显。4)双馈式风电系统网端采用定子电压或定子磁链定向的原则，可以实现并网功率的有功无功独立调节，功率因数可调。.5.3.4直驱式发电机控制图5-24=0永磁同步电机矢量图.5.3.4直驱式发电机控制图5-25直驱式风电系统发电机侧变流器控制框图.5.4风力发电机组信号检测5.4.1风速及风向
13、信号检测5.4.2转速信号检测.5.4.1风速及风向信号检测图5-26风向标和风速计.5.4.2转速信号检测1.霍尔传感器测量转速2.增量式光电编码器测量转速.1.霍尔传感器测量转速图5-27霍尔传感器信号调理电路.2.增量式光电编码器测量转速图5-28光电编码盘结构原理图.2.增量式光电编码器测量转速0529.TIF.5.5控制系统的执行机构5.5.1制动保护系统5.5.2变桨距执行系统5.5.3偏航系统.5.5.1制动保护系统在实际应用中，要求风力发电机组具有空气动力制动和机械制动功能。定桨距风力机的叶尖扰流器及变桨距风力机的变桨功能具有气动制动作用，可以在电网掉电情况下使风力机减速，机械
14、制动器可以保证机组制动停机。.5.5.2变桨距执行系统1)当风轮正常工作时，通过变桨距机构将叶片控制在某一气动角度以适合实际风速的运行状态，即保证风电机组运行中桨距的相对位置，实现电控系统的实时控制，使叶片上的空气动力流动处于最佳状态。2)当风速超过限定值时或其他控制指令需要停机时，三个叶片同时通过变桨距机构，迅速绕叶片轴旋转至顺桨位置。1.变桨距机构液压执行系统2.变桨距机构电动机执行系统.图5-30变桨距控制执行系统原理5.5.2变桨距执行系统.1.变桨距机构液压执行系统图5-31变桨距机构液压原理图.2.变桨距机构电动机执行系统图5-32变桨距电机执行机构原理图.5.5.3偏航系统1.偏
15、航系统的基本结构2.偏航控制系统3.解缆操作.1.偏航系统的基本结构图5-33偏航系统结构.2.偏航控制系统图5-34偏航控制系统.5.6风电机组的安全保护5.6.1风电机组安全保护系统设计5.6.2风电机组安全链系统5.6.3风力发电机组防雷保护.5.6.1风电机组安全保护系统设计0535.TIF.5.6.2风电机组安全链系统1)风电机组发生故障，或运行参数超过极限值而出现危险情况，或控制系统失效，风电机组不能保持在它的正常运行范围内，则应启动安全保护系统，使风电机组维持在安全状态。2)安全保护系统的设计应以失效-安全为原则。3)安全保护系统的动作应独立于控制系统。.图5-36安全链系统5.6.2风电机组安全链系统.5.6.3风力发电机组防雷保护1.叶片防雷2.机舱防雷3.电控系统防雷4.接地保护.1.叶片防雷图5-37叶片防雷原理.
