《风力发电讲义》PPT课件
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North China Electric Power University
第一章 绪 论
二、风力发电机组的主要类型与控制要求
•定桨距失速型机组 监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；自动相位补偿；监视机组的运 行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、 发电量等机组运行数据。 •全桨叶变距型机组 监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；优化功率曲线；监视机组的运 行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、 发电量等机组运行数据。 •基于变速恒频技术的变速型机组 监控系统任务除去上述功能外主要包括： 基于微处理器及先进IGBT电力电子技术的发电机转子变频励磁；脉宽调制技 术产生正弦电压控制发电机输出电压与频率质量；低于额定风速的最大风能 （功率）控制与高于额定风速的恒定额定功率控制。
F 1 Cr Sv 2 总的气动力，S — 桨叶面积，Cr — 总气动系数 2
Fl
A C 压力中心
1 Cl Sv 2 升力，与气流方向垂直，Cl — 升力系数 2
1 Cd Sv 2 阻力，与气流方向平行，Cd — 阻力系数 2
B
Fd
v
i
M
1 C M Slv 2 相对前缘点由F产生的力矩， 2
v1 v 2 2
1 2 S (v12 v2 )( v1 v2 ) 4
2
经过风轮风速变化产生的功率为 P 其最大功率可令
8 1 dP Sv13 0 得 v2 v1 ，代入后得到的最大理想功率为 Pmax 3 dv2 27
Pmax 16 0.593 E 27
North China Electric Power University
Sv1
Sv
Sv2
理想风轮与贝兹（Betz）理论： 前后空气体积相等：S1v1=Sv=S2v2 根据牛顿第二定律，单位时间内风轮上的受力 F= mv1-mv2= ρSv(v1-v2) 风轮吸收的功率P=Fv= ρSv2 (v1-v2) 1 2 风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化： E Sv (v12 v2 ) 令两式相等，得 v
• •
图中看出，系统的特性除了与机组特性有关外，还受控制器影响。 运行中控制器可改变功率输出，风能看成是扰动。
North China Electric Power University
第一章 绪 论
五、风力发电机组的控制系统结构
用户界面
•输入用户指令，变更参数 •显示系统运行状态、数据及 故障状况
Cd、Cl 是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。
North China Electric Power University
North China Electric Power University
第二章 风力机控制基础
二、1、桨叶的几何参数与空气动力特性
1、桨叶的翼型
0 零升力角
升力角 风向
弦长
攻角：来流方向与弦线的夹角 零升力角：弦线与零升力线夹角 升力角：来流方向与零升力线夹角
v
i 功角
l
2、桨叶上的气动力
max 与气流扫掠面积风的能量相比，可得风力机的理论最大效率：
第二章 风力机控制基础
一、2、风力机的主要特性系数
1、风能利用系数
CP ：
1 3 v1 SC P 2
风力机的实际功率 PS
其中CP为风能利用系数，它小于0.597 2、叶尖速比
2Rn v
为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量，称叶尖速比
North China Electric Power University
第二章 风力机控制基础
一、1、风力机能量转换过程
气流动能为
E
1 2 mv 2
m 空气质量，v 气流速度
密度为ρ的气流过面积 S 的气体体积为 V，M= ρ V= ρSv
则单位时间内气流所具有的动能为 E
1 Sv 3 2
发电机控制 •软并网 •变频器励磁调节
主控制器 •运行监控，机组起/停 •电网、风况监测
无功补偿 •根据无功功率信号分组 切入或切出补偿电容
变距系统 •转速控制 •功率控制
液压系统 •刹车机构压力保持 •变距机构压力保持
制动系统 •机械刹车机构 •气动刹车机构
调向系统 •偏航 •自动解除电缆缠绕
习题：通过对控制系统结构的了解，回答控制系统主要包括那些功能？
风力发电机组检测与控制
—— 华北电力大学控制科学与工程学院 吕跃刚
North China Electric Power University
第一章 绪 论
一、机组的总体结构
风轮 增速器 发电机
电网
主继电器
风
主开关
熔断器
变压器
转速
晶闸管 变桨 并网 功率 风 风速 控 制 系 统
无功补偿
•定桨：1.5-2.5叶尖扰流器起脱网停机气动刹车，一般采用双速发电机来提高效率。 •变桨：随风速改变攻角，超过额定风速保持额定功率。 •设计风轮转速：20-30r/min，通过增速器与发电机匹配。 •采用晶闸管软切入并网，并网容易，扰动小。 •含微处理器的控制系统。
习题：各不同类型机组的控制技术有何功能特点。
North China Electric Power University
源自文库
第一章 绪 论
四、风力发电机组的控制特性
风能
风轮 动态特性
风轮转矩×转速
传动链 动态特性
发电机转矩×转速
发电机 动态特性 功率 变送器
电功率
变距位置 伺服 执行器
变距指令
控制器
功率信号
North China Electric Power University
第一章 绪 论
三、风力发电机组的控制技术
•定桨距失速型机组 解决了风力发电机组的并网问题和运行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。 固定的节距角及电网频率决定的转速，简化了控制与伺服驱动系统 。 •全桨叶变距型机组 启动时可进行转速控制，并网后可进行功率控制。 电液伺服机构与闭环变距控制提高了机组效率。 •基于变速恒频技术的变速型机组 采用变速风力发电机。 根据风速信号控制，低于额定风速跟踪最佳功率曲线，高于额定风速柔性保 证额定功率输出。改善了高次谐波对电网影响，提高了功率因数，高效高质 地向电网供电。
第一章 绪 论
二、风力发电机组的主要类型与控制要求
•定桨距失速型机组 监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；自动相位补偿；监视机组的运 行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、 发电量等机组运行数据。 •全桨叶变距型机组 监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；优化功率曲线；监视机组的运 行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、 发电量等机组运行数据。 •基于变速恒频技术的变速型机组 监控系统任务除去上述功能外主要包括： 基于微处理器及先进IGBT电力电子技术的发电机转子变频励磁；脉宽调制技 术产生正弦电压控制发电机输出电压与频率质量；低于额定风速的最大风能 （功率）控制与高于额定风速的恒定额定功率控制。
F 1 Cr Sv 2 总的气动力，S — 桨叶面积，Cr — 总气动系数 2
Fl
A C 压力中心
1 Cl Sv 2 升力，与气流方向垂直，Cl — 升力系数 2
1 Cd Sv 2 阻力，与气流方向平行，Cd — 阻力系数 2
B
Fd
v
i
M
1 C M Slv 2 相对前缘点由F产生的力矩， 2
v1 v 2 2
1 2 S (v12 v2 )( v1 v2 ) 4
2
经过风轮风速变化产生的功率为 P 其最大功率可令
8 1 dP Sv13 0 得 v2 v1 ，代入后得到的最大理想功率为 Pmax 3 dv2 27
Pmax 16 0.593 E 27
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Sv1
Sv
Sv2
理想风轮与贝兹（Betz）理论： 前后空气体积相等：S1v1=Sv=S2v2 根据牛顿第二定律，单位时间内风轮上的受力 F= mv1-mv2= ρSv(v1-v2) 风轮吸收的功率P=Fv= ρSv2 (v1-v2) 1 2 风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化： E Sv (v12 v2 ) 令两式相等，得 v
• •
图中看出，系统的特性除了与机组特性有关外，还受控制器影响。 运行中控制器可改变功率输出，风能看成是扰动。
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第一章 绪 论
五、风力发电机组的控制系统结构
用户界面
•输入用户指令，变更参数 •显示系统运行状态、数据及 故障状况
Cd、Cl 是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。
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第二章 风力机控制基础
二、1、桨叶的几何参数与空气动力特性
1、桨叶的翼型
0 零升力角
升力角 风向
弦长
攻角：来流方向与弦线的夹角 零升力角：弦线与零升力线夹角 升力角：来流方向与零升力线夹角
v
i 功角
l
2、桨叶上的气动力
max 与气流扫掠面积风的能量相比，可得风力机的理论最大效率：
第二章 风力机控制基础
一、2、风力机的主要特性系数
1、风能利用系数
CP ：
1 3 v1 SC P 2
风力机的实际功率 PS
其中CP为风能利用系数，它小于0.597 2、叶尖速比
2Rn v
为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量，称叶尖速比
North China Electric Power University
第二章 风力机控制基础
一、1、风力机能量转换过程
气流动能为
E
1 2 mv 2
m 空气质量，v 气流速度
密度为ρ的气流过面积 S 的气体体积为 V，M= ρ V= ρSv
则单位时间内气流所具有的动能为 E
1 Sv 3 2
发电机控制 •软并网 •变频器励磁调节
主控制器 •运行监控，机组起/停 •电网、风况监测
无功补偿 •根据无功功率信号分组 切入或切出补偿电容
变距系统 •转速控制 •功率控制
液压系统 •刹车机构压力保持 •变距机构压力保持
制动系统 •机械刹车机构 •气动刹车机构
调向系统 •偏航 •自动解除电缆缠绕
习题：通过对控制系统结构的了解，回答控制系统主要包括那些功能？
风力发电机组检测与控制
—— 华北电力大学控制科学与工程学院 吕跃刚
North China Electric Power University
第一章 绪 论
一、机组的总体结构
风轮 增速器 发电机
电网
主继电器
风
主开关
熔断器
变压器
转速
晶闸管 变桨 并网 功率 风 风速 控 制 系 统
无功补偿
•定桨：1.5-2.5叶尖扰流器起脱网停机气动刹车，一般采用双速发电机来提高效率。 •变桨：随风速改变攻角，超过额定风速保持额定功率。 •设计风轮转速：20-30r/min，通过增速器与发电机匹配。 •采用晶闸管软切入并网，并网容易，扰动小。 •含微处理器的控制系统。
习题：各不同类型机组的控制技术有何功能特点。
North China Electric Power University
源自文库
第一章 绪 论
四、风力发电机组的控制特性
风能
风轮 动态特性
风轮转矩×转速
传动链 动态特性
发电机转矩×转速
发电机 动态特性 功率 变送器
电功率
变距位置 伺服 执行器
变距指令
控制器
功率信号
North China Electric Power University
第一章 绪 论
三、风力发电机组的控制技术
•定桨距失速型机组 解决了风力发电机组的并网问题和运行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。 固定的节距角及电网频率决定的转速，简化了控制与伺服驱动系统 。 •全桨叶变距型机组 启动时可进行转速控制，并网后可进行功率控制。 电液伺服机构与闭环变距控制提高了机组效率。 •基于变速恒频技术的变速型机组 采用变速风力发电机。 根据风速信号控制，低于额定风速跟踪最佳功率曲线，高于额定风速柔性保 证额定功率输出。改善了高次谐波对电网影响，提高了功率因数，高效高质 地向电网供电。