额定风速 切出风速 风轮 水平轴,三桨叶,上风向布置,全桨叶变距 风轮直径60m 转速范围14.3~27.6r/ 功率调节变桨距/变速 变距机构液压驱动的曲柄连杆机构 增速齿轮箱 结构三级行星齿轮箱 增速比1:48,9 内部带强制喷射冷却系统 制动系统 高速轴上圆盘式刹车 也磁式失电保护,液压释放,弹簧力制动 偏航系统 回转支撑内齿型滚动轴承,液压马达驱动 阻尼系统川调幣的液压摩擦制功器 偏航转速0.47°/s 发电机 型式绕线转子异步发电机,双馈 绝缘等级H 电压AC690(1±8%)V 频率50Hz 转速范围1000(1士35%)r/min 功率因数1.0,可调节 冷却液体循环冷却系统 逆变器及整流器 先进的JGBT技术,四象限运行。通过微处理器控制的电力电子装 置提供发电机转子励磁电流和频率;通过控制lGBT元件,以脉宽调制 方式提供正弦波电压,从而确保发电机输出恒定的电压和频率
控制系统 基于计算机实时监控的当地控制与远程监控(数据传输)系统 主媐功能:低于额定风速时,跟踪最佳功率曲线;高于额定风速 时,保持功率输出怛定。记录运行数据,产生功率曲线等各种图 三、风力发电机组的控制技术 风力发电系统中的控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术 这是因为自然风速的大小和方向是随机变化的,风力发电机组的切人 (电网)和切出(电网)、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运 行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。同时,风力资源卡畜 的地区通常都是海岛或边远地区甚至海上,分散布置的风力发电机组 通常要求能够无人值班运行和远程监控,这就对风力发电机组的控制 系统的可靠性提出了很高的要求 与一般L业控制过程不同,风力发电机组的控制系统是综合性控 制系统。它不仪耍监视电网、风况和机组运行参数,对机组进行并网 与脱网控制,以确保运行过程的安全性与可靠性,而且还要根据风速 与风向的变化,对机组进行优化控制,以提高机组的运行效率和发电 量 20世纪80年代中期开始进入风力发电市场的定桨距风力发电机 组,主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问 题·采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术,这 些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本的问题。由于功率 输出是由桨叶月身的性能来限制的,桨叶的节距角在安装时已经固定 而发电机的转速由电网频率限制。因此,只要在允许的风速范围内,定 桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对由于风速变化引起输出 能量的变化是不作任何控制的。这就大大减化了控制技术和相应的何 服传动技术,使得定桨距风力发电机组能够在较短时间内实现商业化 运行 20世纪90年代后,风力发电机组的可靠性已经不是问题,变距风 力发电机组开始进入风力发电市场。釆用全桨变距的风力发电机组,起 动时可对转速进行挖制,并网后可对功率进行控制,使风力机的起动
性能和功率输出特性都有显著和改善。风力发电机组的液压系统不再 是简单的执行机构,作为变距系统,它自身已组成闭环控制系统,采 用了电液比例阀或电液伺服阀,使控制系统的水平提高到一个新的阶 段, 由下变距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想, 到了20世纪90年代中期,基于变距技术的各种变速风力发电机组开 始进入风电场。变速风力发电机组的控制系统与定速风力发电机组的 控制系统的根本区别在于,变速风力发电机组是把风速信号作为控制 系统的输人变量来进行转速和功率控制的。变速风力发电机组的主要 特点是:低于额定风速吋,它能跟踪最佳功率曲线,使风力发电机组 具有最高的风能转换效率;高于额定风速时,它增加了传动系统的柔 性,使功率输出更加稳定,特别是解决了高次谐波与功率因素等问题 后,达到了高效率、高质量地向电网提供电力的目的。 可以说,风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展 到基于变趼技术的变速运行,已经基本实现了风力发电机组从能够向 电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标 1.风力发电机组的动态特性 风力发屯机组的动态特性是指构成机组的各部件的动态特性的总 和,它包括风轮(桨叶)的气动特性、传动系统动态特性、发电机动 态特性及控制系统动态特性,如图1-2所示 风轮转矩 发电机转矩 风能,空个动速「传动链动。转速「发电机动电功 力特性 态特性 燮距作用 尚节器动变距要求控制器动功半测定功变送器 态特性 图12风力发电机组的动态特性 对于风力发电机组的设计,特别是变距或变速风力发电机组,还 应考虑整机的结构动力学问题,以便机组在运行或调节过程中避开系 统的自振频率 一台已设计好的风力发电机组,其动态特性是确定的,即对于任 何给定的输入、它有一个确定的输出响应。如果输人是恒定的,我们 可以遇过设计,使得系统具有最佳输出;如果输入是变化的,我们希
望系统能根据变化来进行适当的调整,使系统保持最佳输出。控制系 统的目的就是尽量保持系统的输出在我们所希望的范围之内 对于定桨距恒速运行的风力发电机组,当输入变化时,挖制系统 对机组只作孓非常有限的调整,例如当风向改变时,通过偏航系統调 整其航向,或在风速变化时切换变极电机转速,而对其动态响应特性 没有施加任何影响,因此,在输入变化的情况下,风力发电机组只有 很小机会运行在最佳状态下。机组的控制方式如图1-3所示。 输人(风能) 一控制器 风力发电机组 输出{电能 图!-3定桨距风力发电机组的控制方式 对于变桨距变速运行的风力发电机组,出于采用了闭环控制(见 图1-2)·控制系统完全决定∫系统的动态响应特性,并且可以根据输 入的变化对输出进行控制 表示风力发电机组动态特性的微分方程通常写成如下形式 (14) 中|一-风力发电机组的转动惯量 B-阻尼系数 K—-传动系统刚度; 驱动力 一轴的旋转角度 当系统加入控制力Tr后,其动态特性方程改变为 Pφ”+Bφ+Kφ=TA-T (1-5) 假定控制力T是以比例加积分的方式作用在旋转轴上的,即 T}=k1中十k中 这时,微分方程可以写成 +(B+k2)+(K+k1)φ=TA (1-7) 其中,阻尼系数从B增加到(B+k2),刚性系数从K增加到(K+k)。 从式(17)可以看到,由于控制系统的作用,改变了系统的动态 特性,但系统的物理参数和所受的外力并没有改变 2.控制系统的结构 风力发电机组控制系统的结构图如图14所示
切人挖制 功补偿挖制 发机起动与切换制·行监都 起动电流控 三相不平衡保护 F款默 个 变系统 液压系统 调向系统 月个构 ·机械剎午机构 根据风问变化调问 转速控制 史距系统压力保持 ,动车机构」-动解除电质缠烧 图1-4控制系统的总休结构 针对上述结构,日前绝大多数风力发电杋组的控制系统都选用集 散型或分布式(DCS)f业控制计算机,我们列举的种风力发电机组 的控制器均采用了分布式的控制系统。采用这种分布式的控制系统最 大的优点是有各种功能的专用模块町供选择,可以方便地实现就地控 制,许多控制模块可直接布置在控制对象的丁作点,就地采集信号进 行处理,避免了各类传感器和航内执行机构与地面主控制器之间大量 的通信线路及控制线路。同时DS现场适应性强,便于控制程序现场 调试及在机组运行时可随时修改控制参数。主控制器通过各类安装在 现场的模垬,对电网、风况及风力发电机组运行参数进行监控,并与 其他功能模块保持通信,对各方而的情况作出综合分析后,发出各种 控制指令