风力发电控制系统2
风电机组控制与优化运行第2章 风电系统数学模型讲解
2.1 风能转换系统概述
（三） 发电机子系统
发电机子系统的任务是将发电机轴上的机械能 转换成电能。
风力发电系统中的发电机有恒速恒频发电机和 变速恒频发电机两大类。
与该子系统相关的物理量主要有：发电机的电 磁转矩、发电机转子转速、定/转子电压、电流、频 率、发电机功率(有功、无功)、功率因数等。
2.1 风能转换系统概述
由于风力发电机组起动/停车频繁，叶轮又具有 很大的转动惯量，叶轮的转速一般都不高，大约在 20~40 r/min左右，机组容量越大，转速越低，因 此在风轮与发电机之间往往需要设置增速齿轮箱。
传动装置的作用是将风力机所获得的转矩传递 到发电机转轴。
与该子系统相关的物理量主要有：风力机的拖 动转矩、发电机的电磁转矩、风轮转速、发电机转 子转速等。
（四） 电力电子变流器子系统
变流器子系统的作用是将发电机输出的频率随 风速或转速波动交流电变换成标准的工频交流电。
恒速恒频发电机不需变流器，但变速恒频发电 机则需要通过变流器来实现发电机与电网之间的耦 合。
与该子系统相关的物理量主要有：发电机定/转 子电压、电流、频率、发电机功率(有功、无功)、 变流器输出电压、电流、频率、功率因数等。
p-d
流束膨胀是因为要保证每处的质量流量相等：
Av Ad vd Awvw
2.2.1 风力机空气动力学 定义a为轴向气流诱导因子：
a v vd v
可得致动盘处气流速度为：
vd v (1 a)
根据动量定理，气流所受的作用力F等于动量变化率， 而动量变化率等于速度的变化量乘以质量流量，即：
F (v vw )Ad vd
（一） 风力机子系统
风力机的作用是将有效的风能转换为有用的机 械能。风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨 叶产生旋转力矩而转动，从而将捕获的风能转换成 机械能。
风力发电机组中的安全系统（2篇）
风力发电机组中的安全系统安全生产是我国风电场管理的一项基本原则。
而风电场则主要是由风力发电机组组成，所以风力发电机组的运行安全是风电场最重要的。
控制系统是风力发电机的核心部件，是风力发电机组安全运行的根本保证，所以为了提高风力发电机组的运行安全性，必须从控制系统的安全性和可靠性设计开始，根据风力发电机组控制系统的发电、输电、运行控制等不同环节的特点，在设备从安装到运行的全部过程中，切实把好安全质量关，不断寻找提高风力发电机组安全可靠性的途径和方法。
风力发电机组的安全生产是一项安全系统工程，而控制系统是风力发电机组的重要组成部分，它的安全系统构成整个安全系统的一部分，需要以系统论，信息论，控制论为基础，研究人、设备的生产管理，研究事故、预防事故的一门科学。
从系统的观点，纵向从设计、制造、安装、试验、运行、检修进行全面分析，横向从元器件购买，工艺、规程、标准、组织和管理等全面分析最后进行全面综合评价。
目的使风力发电系统各不安全因素减到最小，达到最佳安全状态生产。
2.机组控制运行安全保护系统(1).大风保护安全系统机组设计有切入风速Vg，停机风速Vt，一般取10分钟25m/s的风速为停机风速；由于此时风的能量很大，系统必须采取保护措施，在停机前对失速型风机，风轮叶片自动降低风能的捕获，风力发电机组组的功率输出仍然保持在额定功率左右，而对于变浆距风机必须调节叶变距角，实现功率输出的调节，限制最大功率的输出，保证发电机运行安全。
当大风停机时，机组必须按照安全程序停机。
停机后，风力发电机组组必须90°对风控制。
(2).参数越限保护风力发电机组组运行中，有许多参数需要监控，不同机组运行的现场，规定越限参数值不同，温度参数由计算机采样值和实际工况计算确定上下限控制，压力参数的极限，采用压力继电器，根据工况要求，确定和调整越限设定值，继电器输入触点开关信号给计算机系统，控制系统自动辨别处理。
电压和电流参数由电量传感器转换送入计算机控制系统，根据工况要求和安全技术要求确定越限电流电压控制的参数。
风力发电原理2
风力发电的构成和分类
按照风轮与塔架相对位置的不同划分 顺风式风力机：风轮在塔架的下风位置旋转的风 力机。能够自动对准风向，不需要调向装置。缺 点：空气流先通过塔架然后再流向风轮，会造成 塔影效应，风力机性能降低。 逆风式风力机
风力发电的构成和分类
垂直轴风力发电机
分类：阻力型风力机：利用空气对叶片的阻 力做功。升力型风力机：利用翼型升力做功。
风力发电基本原理
风力发电基本原理
风力发电特点：
可再生的洁净能源 实际占地面积小
建设周期短
装机规模灵活 可靠性高 造价低
发电方式多样式
单机容量小
运行维护简单
风力发电基本原理
风力发电
优点：清洁，环境效益好；可再生，永不枯竭； 基建周期短；装机规模灵活。
缺点：噪声，视觉污染；占用大片土地；不稳定， 不可控；目前成本仍然很高。
风力发电的构成和分类
垂直轴风力发电机（S型）工作原理 由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，其优点可在较 低风速下运行，但S形风轮由于风轮周围气流不对称， 从而产生侧向推力。
风力发电的构成和分类
H型垂直轴风力发电机的技术原理 H形风轮和φ形风轮应用最为广泛。叶片具有翼型剖面， 空气绕叶片流动而产生的合力形成转矩，因此叶片几 乎在旋转一周内的任何角度都有升力产生。
风力发电的构成和分类
水平轴风力发电机：风轮的旋转轴与风向平行
风力发电的构成和分类
风力发电的构成和分类 水平轴风力机的叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平 面与风向垂直。叶片径向安置于风轮上，与旋转轴 垂直或近似垂直。风轮叶片数目视风力机用途而定， 用于风力发电的风力机的叶片数一般取1～3片，用 于风力提水的风力机叶片数一般取12～24片。
2.风力发电及其并网技术
3 、风力机的功率调节
（3） 直驱永磁变速恒频风力发电机 PMSG
PMSG
电 网
机侧 变换器
网侧 变换器
2.3 风力发电系统的并网运行
1 大容量风电场并网对电力系统电能质量的影响 电压 恒速异步感应风电机组接入瞬间会产生较大的冲击电流，
使电网电压瞬时跌落；异步发电机运行时要从电网吸收感性无 功来建立磁场，也会引起无功损耗和电压损耗导致电压偏差增 大。变速双馈感应风电机组和永磁同步风电机组能实现有功和 无功的解偶控制，控制调节功率因数为1时，风电场与电网之间 可以不发生无功功率的交换，较之恒速异步风电机组，能够在 一定程度上缓解地区性的电压偏差问题。但当风力发电机出力 较大时，由于有功功率在线路上流动而消耗的无功功率，也可 能会造成电压降落，引起电压偏差过大。
2、全球区域风资源分布
三、风能资源的分布
三、风能资源的分布
三、风能资源的分布
三、风能资源的分布
3、我国分能资源分布
三、风能资源的分布
2.2风力发电机组
根据系统的运行方式，风力发电机组可以分： 离网型运行机组 互补运行机组 并网型运行机组
风力发电系统包括风力机及其控制系统与发电机及其控制系统两个 部分。
2.3 风力发电系统的并网运行
2 风电并网对系统安全稳定性的影响 暂态稳定性 恒速异步感应风电机组与电网的机电耦合紧密，动态 稳定性受异步发电机临界转速和故障持续时间的影响 较大。变速恒频风电机组利用变流器参与系统的无功 和电压控制，具有一定的无功调节能力，风电机组可 以按照不同的控制策略，吸收或发出无功功率进行电 压控制，其电网暂态稳定性的好坏主要取决于风电机 组的控制策略。
2.3.3风力发电机组的并网技术
1 风力发电机组的并网方式 异步风力发电机 降压并网 为了降低并网合闸瞬间冲击电流的大小和电网电压 下降的幅度，并网时在异步发电机每相绕组与电网 之间串联电阻或电抗器，或者接入自耦变压器。当 发电机并网稳定运行后再将接入的元件迅速从线路 中切除以免其消耗功率。
风力发电-2
有效风功率密度
➢ 实际可利用的风能是在风轮机的“启动风速u1”到 “切出风速u2”之间的风速段，这个范围内的风能称 为“有效风能” ；该风速范围内的平均风功率密度则 称为“有效风功率密度”或“有效风能密度”
风速u1到u2区间的条 件概率密度
我国风能资源分布
➢ 最大风能资源区：东南沿海一代及其岛屿，有效风 能密度在300W/m2以上，有效风力出现的时间百分比 达到80%～90%。
3.风电场
➢ 国内风电项目投资的典型构成比例
风电场选址需要考虑的一些因素
➢ （1）风能资源：年平均风速越高、分布越均匀、年利用小时数越 高，单位电量的平均成本就越低，项目的经济效益就越好
年小时数/h
风力机出力/kW
风电机组年发电量的计算图
风力机在各个风速区间的发电量
风力机发电量/万kW.h
风力发电机组年发电量为：
➢ 次最大风能资源区：内蒙古和甘肃北部，有效风能 密度在200～300W/m2 ，有效风力出现的时间概率在 70%左右。
➢ 大风能资源区：黑龙江和吉林东部地区、辽东半岛的 沿海地区，有效风能密度在200W/m2以上，全年3m/s 及以上和6m/s及以上风速出现的时间分别达到5000～ 7000小时和3000小时。
风速/m.s-1
➢ 风能资源：利用概率密度函数计算
风力发电机组的实 际发电量
切出速度
时长T内的风 速分布概率
时长，一年 切入速度
风力发电机组对应于风 速的输出特性
若机组可用率100%，年总发电量为E，售出电价p， 则可计算年售电收入
容量系数
➢ 风电机组的年度电能净输出（即在真实负荷条件下的 年度电能输出）， 与风电机组额定容量与全年运行 8760 h 的乘积比值，称为风电机组的容量系数，用Cf 表示
大型风力发电机组控制系统的安全保护功能范本（2篇）
大型风力发电机组控制系统的安全保护功能范本大型风力发电机组控制系统的安全保护功能是确保风力发电机在运行过程中能够维持稳定的运行状态，防止发生事故和损坏设备。
为了实现这一目标，风力发电机组控制系统必须具备多种安全保护功能。
本文将详细介绍大型风力发电机组控制系统的安全保护功能，确保风力发电机组的安全性和可靠性。
首先，大型风力发电机组控制系统应具备过载保护功能。
过载保护功能主要是监测和控制风力发电机组的输出功率，确保不超过设备的额定负荷能力。
当风力发电机组的输出功率超过额定功率时，控制系统会自动调整发电机组的转速，降低输出功率，以避免设备过载和损坏。
其次，大型风力发电机组控制系统应具备过压保护功能。
过压保护功能主要是监测和控制风力发电机组的输出电压，确保不超过设备的额定电压。
当风力发电机组的输出电压超过额定电压时，控制系统会自动调整发电机组的功率输出，以降低输出电压，防止设备损坏和电网系统影响。
另外，大型风力发电机组控制系统应具备欠压保护功能。
欠压保护功能主要是监测和控制风力发电机组的输出电压，确保不低于设备的最低工作电压。
当风力发电机组的输出电压低于最低工作电压时，控制系统会自动停止发电机组的运行，以避免设备损坏和电网系统稳定性。
此外，大型风力发电机组控制系统应具备过温保护功能。
过温保护功能主要是监测和控制风力发电机组的温度，确保不超过设备的额定温度范围。
当风力发电机组的温度超过额定温度时，控制系统会自动减少发电机组的负载，降低温度，以保护设备和确保系统的安全运行。
此外，大型风力发电机组控制系统应具备断电保护功能。
断电保护功能主要是监测和控制风力发电机组的供电情况，确保供电稳定。
当风力发电机组的供电中断时，控制系统会自动停止发电机组的运行，并及时断开与电网的连接，以避免设备损坏和保证电网的安全运行。
最后，大型风力发电机组控制系统还应具备故障自诊断和报警功能。
故障自诊断和报警功能主要是通过传感器和监测装置实时监测风力发电机组的各项关键参数，并根据设定的故障诊断规则，自动判断和报警。
第二章 风力发电机组并网方式分析
2风力发电机组并网运行方式分析2.1风力发电系统的基本结构和工作原理风力发电系统从形式上有离网型、并网型。
离网型的单机容量小(约为0．1～5 kW，一般不超过10 kW)，主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行；并网型的单机容量大(可达MW级)，且由多台风电机组构成风力发电机群(风电场)集中向电网输送电能。
另外，中型风力发电机组(几十kW到几百kW)可并网运行，也可与其它能源发电方式相结合(如风电一水电互补、风电一柴油机组发电联合)形成微电网。
并网型风力发电的频率应保持恒等于电网频率，按其发电机运行方式可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两大类。
2.1.1恒速恒频风力发电系统恒速恒频风力发电系统中主要采用三相同步发电机(运行于由电机极对数和频率所决定的同步转速)、鼠笼式异步发电机(SCIG)。
且在定桨距并网型风电机组中，一般采用SCIG，通过定桨距失速控制的风轮使其在略高于同步转速的转速(一般在(1～1．05)n)之间稳定发电运行。
如图2.1所示采用SCIG的恒速恒频风力发电系统结构示意图，由于SCIG在向电网输出有功功率的同时，需从电网吸收滞后的无功功率以建立转速为n的旋转磁场，这加重了电网无功功率的负担、导致电网功率因数下降，为此在SCIG机组与电网之间设置合适容量的并联电容器组以补偿无功。
在整个运行风速范围内(3 m／s < <25 m／s),气流的速度是不断变化的，为了提高中低风速运行时的效率，定桨距风力1发电机普遍采用三相(笼型)异步双速发电机，分别设计成4极和6极，其典型代表是NEGMICON 750 kW机组。
风图2.1采用SCIG的恒速恒频风力发电系统恒速恒频风力发电系统具有电机结构简单、成本低、可靠性高等优点，其主要缺点为：运行范围窄；不能充分利用风能(其风能利用系数不可能保持在最大值)；风速跃升时会导致主轴、齿轮箱和发电机等部件承受很大的机械应力。
2MW风力发电并网系统设计及配置
2MW风力发电并网系统设计及配置随着全球对可再生能源的需求不断增加，风力发电系统逐渐成为主要的清洁能源之一、2MW风力发电并网系统是一种相对较大规模的发电系统，需要经过细致的设计和配置，以确保其安全稳定的运行。
首先，设计师需要选择适当的风力发电机组。
2MW的发电能力要求较高的发电机效率和可靠性。
常见的选择包括水平轴和垂直轴两种类型。
水平轴风力发电机具有较高的效率和稳定性，适合大规模发电系统。
而垂直轴风力发电机由于其结构特点适用于小规模低风速地区。
其次，在并网系统设计中，必须考虑到系统的稳定性和安全性。
设计师需要合理布置电气设备和相关系统，如变频器、逆变器和控制系统，以确保发电系统和电力系统的稳定运行。
此外，设计师还要考虑电力系统的可靠性和效率，选择适当的变压器、断路器和保护装置，以确保系统能够在外部电网紧急情况下正常运行。
同时，设计师还需要考虑到系统的可持续发展和维护。
2MW发电系统需要定期检查和维护，以确保各个组件和设备的正常运行。
设计师应设计合理的维护计划，并保证设备的易维修性和可替换性。
此外，设计师还应考虑到系统的可升级性和扩展性，以便在未来增加发电量时不需要进行重大改建。
最后，设计师还需要考虑到系统的经济性和环境影响。
在设计和配置风力发电并网系统时，应尽量降低成本，提高发电效率。
合理的系统布局和设备选择可以降低能耗和维护成本。
此外，风力发电并网系统还应注重环境保护，减少对周边环境的影响，如噪音和鸟类安全等问题。
总之，2MW风力发电并网系统的设计和配置需要综合考虑系统的稳定性、安全性、可持续发展性、经济性和环境影响等多个因素。
合理的设计和配置能够确保系统安全稳定地运行，并为清洁能源的利用做出贡献。
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风力发电机控制系统（八）
安全保护
控制系统是风力发电机组核心部件，是风力发电机组安全运行根本保证，所以为了提高风力发电机组运行安全性，必须认真考虑控制系统的安全性和可靠性问题。
控制系统的安全保护组成：
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雷电安全保护
多数风机都安装在山谷的风口处、山顶上、空旷的草地、海边海岛等，易受雷击，安装在多雷雨区的风力发电机组受雷击的可能性更大，其控制系统大多为计算机和电子器件，最容易因雷电感应造成过电压损坏，因此需要考虑防雷问题。
一般使用避雷器或防雷组件吸收雷电波。
当雷电击中电网中的设备后，大电流将经接地点泄入地网，使接地点电位大大升高，若控制设备接地点靠近雷击大电流的入地点，则电位将随之升高，会在回路中形成共模干扰，引起过电压，严重时会造成相关设备绝缘击穿。
根据国外风场的统计数据表明，风电场因雷击而损坏的主要风电机部件是控制系统和通讯系统。
雷击事故中的40％～50％涉及到风电机控制系统的损坏，15％～25％涉及到通讯系统，15％～20％涉及到风机叶片，5％涉及到发电机。
我国一些风场统计雷击损坏的部件主要也是控制系统和监控系统的通讯部件。
这说明以电缆传输的4～20 mA电流环通信方式和RS485串行通信方式由于通讯线长，分布广，部件多，最易受到雷击，而控制部件大部分是弱电器件，耐过压能力低，易造成部件损坏。
防雷是一个系统工程，不能仅仅从控制系统来考虑，需要在风电场整体设计上考虑，采取多层防护措施。
运行安全保护
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。
参数越限保护：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。
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
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2，当开关动作时，控制系统将分级进行处理。
开机关机保护：设计机组开机正常顺序控制，确保机组安全。
在小风、大风、故障时控制机组按顺序停机。
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。
紧急停机意味着在极短的时间内，风机的制动系统将风机叶轮转数由运行时的额定转速变为零。
大型的机组在极短的时间内完成制动过程，将会对机组的制动系统、齿轮箱、主轴和叶片以及塔架产生强烈的冲击。
紧急停机的设置是为了在出现紧急情况时保护风电机组安全的。
然而，电网故障无须紧急停机；突然停电往往出现在天气恶劣、风力较强时，紧急停机将会对风机的寿命造成一定影响。
另外风机主控制计算机突然失电就无法将风机停机前的各项状态参数及时存储下来，这样就不利于迅速对风机发生的故障作出判断和处理。
针对上述情况，可以在控制系统电源中加设在线UPS后备电源，这样当电网突然停电时，UPS自动投入，为风电机控制系统提供电力，使风电控制系统按正常程序完成停机过程。
紧急停机安全链保护
系统的安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。
安全链是将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串联成一个回路，当安全链动作后将引起紧急停机，执行机构失电，机组瞬间脱网，控制系统在3秒左右，将机组平稳停止，从而最大限度地保证机组的安全。
发生下列故障时将触发安全链：叶轮过速、机组部件损坏、机组振动、扭缆、电源失电、紧急停机按钮动作。
微机控制器抗干扰保护
风电场控制系统的主要干扰源有：工业干扰：如高压交流电场、静电场、电弧、可控硅等，自然界干扰：雷电冲击、各种静电放电、磁爆等；高频干扰：微波通讯。
无线电信号、雷达等。
这些干扰通过直接辐射
或由某些电气回路传导进入的方式进入到控制系统，干扰控制系统工作的稳定性。
从干扰的种类来看，可分为交变脉冲干扰和单脉冲干扰两种，它们均以电或磁的形式干扰控制系统。
参考国家（国际）关于电磁兼容（EMC）的有关标准，风电场控制设备也应满足相关要求。
如：GB／T13 926.1（IEC 801 1）工业过程测量和控制装置的电磁兼容性总论
GB／T13926.2（IEC 801 1）工业过程测量和控制装置的电磁兼容性静电放电要求
GB／T13926.3（IEC 801 1）工业过程测量和控制装置的电磁兼容性辐射电磁场要求
GB／T13926.4（IEC 801 1）工业过程测量和控制装置的电磁兼容性电快速瞬变脉冲群要求。
并应通过相关行业根根标准GB/T 17626（IEC 61000）进行的检测。
以保证设备的可靠性。
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。
工作接地、保护接地、防雷接地、防静电接地、屏蔽接地。
接地的主要作用一方面是为保证电器设备安全运行，另一方面是防止设备绝缘被破坏时可能带电，以致危及人身安全。
同时能使保护装置迅速切断故障回路，防止故障扩大。
要使风电机组可靠运行，需要在风电机组控制系统的保护功能设计上加以重视。
在设计控制系统的时候，往往更注重系统的最优化设计和提高可利用率，然而进行这些设计的前提条件却是风电机组控制系统的安全保护，只有在确保机组安全运行的前提下，我们才可以讨论机组的最优化设计、提高可利用率等。
因此，控制系统具备完善的保护功能，是风电机组安全运行的首要保证。