風力發(fā)電技術

第四章風力發(fā)電控制技術基礎第一節(jié)風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)組成及工作原理第二節(jié)風力發(fā)電場簡介第三節(jié)控制理論基礎第五章風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)第一節(jié)風力發(fā)電機組的控制方案第二節(jié)風力發(fā)電機組電氣系統(tǒng)第三節(jié)風力發(fā)電機組的自動控制要求、功能和設計第六章風力發(fā)電機組的自動控制技術第一節(jié)矢速型風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行控制第二節(jié)變速恒頻風力發(fā)電機組變速控制第三節(jié)風力發(fā)電機組的變槳距功率控制第四節(jié)風力發(fā)電機組的穩(wěn)定運行控制4.1風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)結構原理器和運算器)兩大部分。反饋控制系統(tǒng)構成形式框圖如圖1.1所示。由于各種被控對象的動態(tài)特被調量被調量被控對象廣義對象執(zhí)行機構變送器發(fā)電機參數(shù)和運行狀態(tài)功率輸出輸入開關狀態(tài)偏航冷卻等伺服電機液壓伺服機構輸出裝置發(fā)電機運行狀態(tài)系統(tǒng)運行狀態(tài)行控制動構圖3、風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)主要包括五大部分：機組各子系統(tǒng)傳感器、發(fā)電運行核心控制器、功率圖4、雙饋式變速恒頻風力發(fā)電機組控制原理框圖偏航控制YN置升力最大置升力最大NYNYNNYNYN按V-β變距調節(jié)NN業(yè)享功率因數(shù)給饋功率因數(shù)給限速運行反變槳距控制饋4.2風力發(fā)電場簡介隨著能源危機的出現(xiàn)和環(huán)境的日益惡化，被稱為綠色清潔能源的風能越來越受到世界各國的廣泛重視。風是山于太陽照射到地球表面各處受熱不同，產(chǎn)生溫差引起大氣運動形成的。風能就是空氣流動所產(chǎn)生的動能。能夠將稱為風力發(fā)電機組。由在風力富足的場地安裝多臺風力發(fā)電機組，經(jīng)電力輸送設備將風力發(fā)電機組生產(chǎn)的電力送進電網(wǎng)的工廠稱為風力發(fā)電場。圍繞風力發(fā)電廠的電力生產(chǎn)、輸送我國風電建設始于20世紀80年代中期。經(jīng)過了近20年的發(fā)展，到2005年底，全國共建設了40多個風電場，并網(wǎng)風力發(fā)電裝機容量為105萬KW,年發(fā)電量約21億KW/h。此外，我國還約有20萬臺小型風力發(fā)電機(總容量約為3.5萬KW,用于邊遠地區(qū)居民用電。我國風電設備制造技術和水平也有了很大的進步，己經(jīng)基本掌握了單機容量1000KW以下大型風力發(fā)電設備的制造能力。經(jīng)過多年的努力，己掌握了一定的風電場運行管理的技術和經(jīng)驗，并造就了一批風電設計、施上的技術人員，為風力發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)和利用奠定了良好的基礎。與國外發(fā)達國家相比，我國的風電建設雖然起步較早，但總體發(fā)展速度較慢，總體規(guī)模在亞洲也落后于印度和日本，距離大規(guī)模的開發(fā)利用仍有一定的差距。首先我國缺乏詳實的風能資源數(shù)據(jù)，以現(xiàn)有有限的地面氣象站的資料，無法滿模風場建設的要求。目前風力發(fā)電的成本價和常規(guī)火力發(fā)電相比，仍有很大差距。風電的大量風電機組并列運行是風電場的一個重要特點。另外，風電機組是高度自動化的發(fā)電風電機組自動停機。風電場的隨機功率注入可能影響電力系統(tǒng)對這些運行參數(shù)又有嚴格的要求。因此，風力發(fā)電機的發(fā)電運行控制是風電場大規(guī)模發(fā)展4.3風力發(fā)電機組控制技術基礎理系統(tǒng)，卻可能具有完全相同的數(shù)學模型，因此.數(shù)學模型可以表達這些系統(tǒng)動態(tài)過程的共同特性。這樣只要我們深入研究一種數(shù)學模型.也就了解了具有這種數(shù)學模型的各類系統(tǒng)的特性。由此可見，控制進行分折，根據(jù)它們所依據(jù)的物理、化學及各種科學規(guī)律，列寫相應的運動方程.例如，力學中的牛頓結構圖(方框圖);頻域中有頻率特性等。本章只研究微分方程以及由此派生出的傳遞函數(shù)和方框圖或簡一、列寫微分方程的一舶方法例1R—L—C電路如圖2.1所示，ur為輸入電壓，uc為輸出電壓，試列出ur和uc之間的微分方程，解設回路電流為i,根據(jù)基爾霍夫定律?？傻孟ブ虚gC)、用拉氏變換求解微分方程例2.11設有微分方程y+5y+6y=6初始條件為y(0)=y(0)=2解首先對上述方程兩邊求拉氏變換，得該解由兩部分組成：穩(wěn)態(tài)分量即為終值y()為1,瞬態(tài)分量為(-4e3+5e2t當系統(tǒng)的輸入為x(t),輸出y(t).則數(shù)學模型描述為線性定常微分方程的形式any"(t)+a?-1y"-1(t)+…+b、傳遞函數(shù)(數(shù)學模型的最主要形式)入的拉氏變換之比，即為傳遞函數(shù)，用符號G(S)描述。傳遞函數(shù)是由系統(tǒng)本身的結構、參數(shù)確定的，c、頻率特性設系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(S)的自變量S=jw。得GGjw),稱GG@)為系統(tǒng)的頻率特性。頻率域內研究如液壓系統(tǒng)的電磁閥,幅頻響應特性曲線如圖00可求得傳遞函數(shù)996.2/[s^2+44.04s+962](1)自控系統(tǒng)傳遞函數(shù)出給定信號及干擾信號單獨作用下的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。當兩者同時作用時，可對于圖1.6所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)。等于前向令N(s)=o,則圖1.6可以簡化為圖1.7,由圖直接求取給定信號作用r的閉環(huán)傳遞函數(shù)，即輸出信號C(s)與給定信號R(s)之間的傳遞函數(shù)。在給定信號r(t)單獨作用下，系統(tǒng)的輸出信號c(t)[此1(2)干擾作用下的傳遞函數(shù)令R(S)=0,則圖1.6可以改畫為因1.8,由圖直接求取干擾信號作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)，即輸出信號C(s)與干擾信號N(S)之間的傳遞函數(shù)。N(S)在干擾信號n(t)單獨作用下，系統(tǒng)的輸出信號c(s)(此處記作Cn(s))可以用下式(3)干擾信號作用下的閉環(huán)誤差傳遞函數(shù)為圖1.9*,求得N(S)十Io0??=δTaero-oTtaf,轉子轉動慣量，代替了整個的渦流轉動慣量。傳動裝置對于剛性主動軸及增速齒輪的傳動系統(tǒng)，所有柔性均集中在次傳動軸上。以ξ代表增速齒輪箱次傳動Tha=K?(q?-q??)+C?(4?-4??)發(fā)電機模型變槳距模型控制系統(tǒng)建模3.2控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與典型輸入信號在已知系統(tǒng)的結構與參數(shù)時.我們惑興趣的是在某種典型輸入信號的作用下，輸出量(被控量)變化的全1.穩(wěn)定性來的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的：反之，如果系統(tǒng)的輸出響應逐漸增大趨于無窮.或出現(xiàn)發(fā)散振蕩的情況.則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。線性自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)本身的結構與參2.快速性3.準確性穩(wěn)態(tài)誤差越小，說明控制系統(tǒng)的控制精度越高。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)性能好壞的另一項重要指標，準的要求是相互制約的。例如.提高系統(tǒng)的快速性，往往會誘發(fā)系統(tǒng)強烈的振蕩；若改善平穩(wěn)性，控制過程又可能延緩，甚至會影響穩(wěn)態(tài)精度。分析與解決這些矛盾，也是控制理論研究在工程實踐中，作用于自動控制系統(tǒng)的信號是多種多樣的，既躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、拋物線函數(shù)、脈沖函數(shù)、正弦函數(shù)，此外還有階躍函數(shù)圖形如1.2所示他的表達式為幅值為1的階躍函數(shù)，稱為單位階躍函數(shù)。它的表達式為階躍函數(shù)的圖形如圖2.1所示，它的表達式為式(1.2)常記為1(t),幅值為A的階躍函數(shù)可表示為f(t)=A.1(t)在任意時刻可表示為可表示為f(t-to)=A.1(t-to)。b)斜波函數(shù)斜坡函數(shù)的圖形如圖2.2所示、它的表達式為而它的導數(shù)就是階躍函數(shù)。當A=1時.稱為單位斜坡函數(shù)。圖2.2斜坡函數(shù)c.拋物線函數(shù)拋物線函數(shù)的圖形如圖2.3所示，它的表達式為,而它對時間的導數(shù)就是斜坡函數(shù)。當A=1/2時，稱為單位加速度函數(shù)。圖2.2拋物線函數(shù)td.脈沖函數(shù)脈沖函數(shù)的圖形如圖1.12所示，它的表達式為當A=1時，計為δε見圖2.4a);若令ε—o,則稱為單位脈沖函數(shù)δ(5),見圖2.4b)。且式δ(t)表明，理想單位脈沖函數(shù)是一個寬度為零、幅值為無度通常用其面積表示，強度為A的脈沖函數(shù)可表示為f(t)=A·8(t)。在時刻to出現(xiàn)的單位脈沖函數(shù)可脈沖函數(shù)之和.這樣，通過研究系統(tǒng)在脈沖函數(shù)作用下的響應特性，便可了解系統(tǒng)在任意形式函數(shù)作用式中：A為振幅@=2π為角頻率φ為初始相角。正弦函數(shù)是控制系統(tǒng)常用的一種典型外作用信號，許多隨動系統(tǒng)就是在這種函數(shù)作用下工作3.2.2系統(tǒng)的性能指標已知反饋控制系統(tǒng)構成形式的原則性框圖如圖2.5所示，在系統(tǒng)處在動態(tài)平衡的前提條件下，要獲控制作用，才能觀測出系統(tǒng)的控制水平。首先，系統(tǒng)必須具備能夠抗拒擾動重新回到平衡a.激勵信號的選擇依據(jù)曲線如圖2.6所示。從系統(tǒng)三項性能指標的綜合性考慮，一般情況下，響應曲線為衰減振蕩過程的形式ComnComnPIDClosing-pitohCom22圖2.6a為采用系統(tǒng)階躍干擾輸入時，常規(guī)PID1%控制器的控制輸出結果(2)超調量σ%=(Cmax—1)X100%:在動態(tài)調節(jié)過程中，測量值超過給定位的最大幅e.衡量系統(tǒng)測量值抗拒干擾信號能力的技術指標(3)系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)方向記下4:1的比例帶o,并在記錄曲線上求得4:1衰減時的調節(jié)周期Tp,然后計算o,T?,Ta各值臨界(2)經(jīng)驗法(3)參數(shù)自整定(4)用實測法估計系統(tǒng)滯后時間這一段計時時間稱為滯后時間，通常用符號T表示。這是一個開環(huán)辨識滯后時間的運動，即存在死區(qū)。死區(qū)特性表現(xiàn)為靜態(tài)特性，滯后時間T則表現(xiàn)響應的時間6不等于滯后時間t。滯后時間T等于不響應時間s減去死區(qū)對應的時間t。滯后時間辨識的一個困難問題是被控象經(jīng)常承受隨機性的擾動，其輸出信號本身就處于變動的狀的測試方法，能夠比較準確地獲得滯后時間。是由對象與自動化裝置方面組成，因此必須了解對象的特性和自動化裝置第5章風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)溫度等)(1).運行狀態(tài)(2).暫停狀態(tài)(3).停機狀態(tài)(4).緊急停機狀態(tài)→液壓系統(tǒng)保持工作壓力→緊急電路(安全鏈)開啟■緊急電路(安全鏈)關閉在頂部機艙有兩種啟動方式，即手動啟動和電動啟動功能。頂部機艙啟動具有最高優(yōu)先權。在進行機艙頂部起動時，應屏蔽面板啟動和遠程啟動功能。面板啟動與頂部機艙啟動方式相同，也包括手動啟動、電動啟動兩種方式。這兩種啟動方式與頂部機艙的啟動方式執(zhí)行的功能及動作過程相同，但當頂部機艙的維護按鈕處在維護位置狀態(tài)，則不能響應該啟動命令。N90度側風?NNY當偏航系統(tǒng)收到中心控制器發(fā)出的需要自動偏航的信號后，連續(xù)3min時間內檢測風向情況，若風向確定同時機艙不處于對風位置，松開偏航剎車，啟動偏航電機運轉，開始偏航對風程序，同時偏航計時器開始工作，根據(jù)機艙所要偏轉的角度，使葉輪法線方向與風向基本一致。護極限3~4圈時，偏航控制器請求中心控制器正常停機，此時中心控制器●90°側風功能描述第6章風電機組自動控制技術發(fā)電狀態(tài)節(jié)距角0°停止狀態(tài)節(jié)距角90°圖9-4:變距調節(jié)示意圖的節(jié)距角隨速達到額定實際上已轉葉尖速比得定功率輸出最佳葉尖速數(shù)，如圖9-5所示。圖9-5:風力機性能曲線0圖9-6:風能利用系數(shù)曲線到最大化能量捕獲效率的目的。風速(m/s)FD62-1000風力發(fā)電機運行曲線6.4恒速變距機組閉環(huán)控制技術感應發(fā)電機直接與電網(wǎng)連接，以恒定轉速旋轉，葉片采用變距方法，在額定風速之上，降低氣動控制目標為動態(tài)調節(jié)葉片槳距角，最小化功率偏差?？刂苹芈啡鐖D9-11所示，控制器常用的算法為PI或PID算法。控制器控制器變距執(zhí)行機構功率傳感器變距風機風圖9-11:恒速變距機組閉環(huán)控制回路6.5變速變距機組控制技術6.5.1變速變距控制策略變速機組的優(yōu)點是額定風速下，可以調節(jié)葉輪轉速達到優(yōu)化葉尖速比，使風能捕獲效率Cp最大，氣動轉矩與風速U、葉尖速比入和葉輪轉速Ω的關系如下：系數(shù)，即葉輪的風能利用系數(shù)。風速、葉輪轉速、葉尖速比之間的關系：U=OR/λ,可得：Q,氣動轉矩與發(fā)電機轉矩的平衡方程為：6.5.2轉矩控制和變距控制之間的轉換變速機組達到額定轉矩之上時，負載轉矩不會再增加，風機將開始加速，變距控制就用來調節(jié)葉變速變距機組的控制中，額定轉速之下，主要進行轉矩控制，調節(jié)發(fā)電機、葉輪轉速，保持最佳一個轉速固定轉矩上升區(qū)，如圖9-12中的CD線段；額定轉速之上，采用變距控制限制功率輸出，維制器的啟動點略高一些，如圖9-12中的E點，如果設置在D點，會引起額定轉速之上機組功率輸出下降，速度迅速下降到D以下，就會出現(xiàn)變距控制器和轉矩控制器瞬時重疊控制區(qū)。于-x,作用阻尼會明顯增加，測量加速度比測量速度容易實現(xiàn)，塔架加速度積分可得到x,根據(jù)變距有時在反饋回路加上帶拒