噪音 景观 政府的支持力度
并网及运行可靠性 最大风能利用 提高供电品质
风力发电机对象模拟困难
不确定性 ---- 风力多变、桨叶积灰、下雨雪、老化等 非线性 ---- 发电机、变频器等电气装置模型复杂 多干扰 ---- 大气变化和电网不稳 对象模型的局限性和现代控制、智能控制理论的应用
4
2、风力发电机组的总体结构
水平轴与垂直轴风机
5
常用风机的总体结构
6
7
3. 风力发电机组的综合控制技术
运行控制
软并网技术 刹车技术（空气动力、机械） 偏航与自动解缆技术 运行优化控制 伺服传动及变频技术
检测与保护 远程监控
超速保护 电气/机械参数检测
SCADA系统
8
风机与汽机控制特点对照表
汽机
风机(含风机、发电机、变频器)
70m
77m
10.6～19(+10%)rpm 双馈滑环异步发电机(4极)
9.6～17.3(+10%)rpm
1000～1800(±10%)rpm
四套电驱动齿轮，十套偏转制动器
叶片变桨刹车、刹车盘
无
一级行星齿轮＋两级圆柱正齿轮
脉冲带宽调节IGBT静态变频器
模块化风能管理系统WPMS(SCADA)
远程控制：启动、停止、转速控制，变桨控制和变频 器控制。在线监视：风机、电网及气象参数。报警接 受及发送。运行数据记录、报表、追忆。
定桨 ---------- 变桨 -------- 变速(变桨)恒频 --- 智能型风机
80年代中 90年代初 90年代后期
21世纪
100kW 450kW 600kW
最大已运行5000kW
风力发电机的应用价值(与火电机组类比) 节省化石燃料与减少废物排放 同装机容量下,利用率偏低
3
影响风力发电的因素 风机控制技术关键
倾角等于攻角i与安装角β之和
18
图2-7 风轮几何参数及受力情况
θ0 ------零升力角，弦线与零升力线间的夹角 θ ------升力角，来流方向与零升力线间的夹角
i ------攻角，来流方向与弦线间夹角
θ = θ0 + i
13
• 静止桨叶上的气动力 a. 气动力取决 气流的相对速度及攻角的大小
b. 桨叶下表面的压力高于上表面，产生升力
14
c.
作用在桨叶上的力
电网故障 快关后空转，等待电网恢 复
自然环境下低速运行，风力瞬变不可控 刹车制动，等待重新启动 飞轮或超导储存动能，等待电网恢复
9
4. 三类风力发电机组比较表
厂商 型号 启动/额定/切出风速
定桨 NEG MICON(丹麦) 750～200kW/48 3.0 /14 /25m/s
变桨 VESTAS(丹麦) V47-660/220kW 3.5/16/25m/s
描述 控制
线性简单对象
传统控制理论；DEH控制 转速、功率、汽压等功能
多参数、非线性、时变复杂对象 传统控制向智能控制发展；以捕获最大风能。 WPMS完成转速及功率控制、偏航控制及刹车 SCADA远程监控涵盖风场的风机、气象及电网
工作环境 高温、高压、高速运行、 但蒸汽参数稳定(或受控)
甩负荷 切断进汽维持空转，等待 重新并网
并/脱网，自动失速功率 调节，自动相位补偿，运 行监督、记录，安全停机
47m 20～26rpm 主发电机＋小发电机 1515～1650/1500～1516rpm
无 行星齿轮＋平行齿轮 无 微机控制 OPTISLIP 转速调节 OPTITIP 变桨调节 并/脱网，优化功率输出，运 行监督记录，安全停机
1 桨叶的几何参数和空气动力特性
• 几何参数
A点------前缘 B点------后缘，两点连线为弦
l ------弦长 C------最大厚度
C ------相对厚度
翼型中线------从前缘到后缘，与上下表面相切诸园之园心的连线
f ------翼型中线最大弯度 f ------相对弯度，f = f / l
F
1 2
scrv2
其中 S -------桨叶面积，桨叶弦长x桨叶长度 Cr -------总的气动力系数 v -------来流速度（相对速度）
可分解为：升力
Fl
1 2
sclv2
-------与相对速度v垂直
阻力 Fd 12 scdv2-------与相对速度v平行
其中
Cl -------升力系数 Cd -------阻力系数
10
5.风力发电机控制系统结构图
11
6. 提高变速风力发电的品质
电力电子装置应具有： 尽量低的谐波电流、功率因数接近1或可控、输出功率稳定， 电磁转矩可控及输出电压与电网适应
用储能技术改善风力发电容量加大后对电网造成的不利影响 串联电感储能、飞轮储能及超导储能系统的应用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
12
Ⅱ 风力发电机空气动力理论基础
15
• 对升力和阻力系数的影响因素 弯度 厚度 前缘
表面粗糙度与雷诺数 有限叶展
16
• Cl、Cd与攻角的关系 达失速点iM后，噪声增加，风机振动加大，运行不稳定 设计点应为0.8～0.9 Cl max
17
2 理想风轮的气动力学
• 风轮的几何定义 回转平面 --------垂直旋转轴线的平面，桨叶在该平面内转动 风轮直径--------风轮扫掠面直径 桨叶轴线--------桨叶纵轴线，围绕此轴线桨叶可旋转变桨 安装角(节距角)β--------半径处桨叶截面弦长与回转平面的夹角 倾角I--------气流对桨叶的相对速度w与回转平面的夹角
风力发电机组的控制
1
目录
Ⅰ 概述 Ⅱ 风力发电机空气动力理论基础 Ⅲ 定桨风力发电机组 Ⅳ 变桨风力发电机组 Ⅴ 控制系统的执行机构 Ⅵ 变速风力发电机组 Ⅶ 智能控制在风力发电机组中的应用 Ⅷ 风场分布式远程监控和数据采集系统SCADA及风场远程服务中心
2
Ⅰ 概述
1、风力发电机组的发展
能源紧缺与环境污染加剧使风机迅速发展
FD70A(1500kW) 3.5/13/25m/s
变速恒频 东汽 FD77A(1500kW) 3.5/12.5/20m/s
风轮直径 风轮转速 发电机 运行转速 偏航系统 机械刹车 叶尖扰流器 增速箱 逆变器与整流器 控制系统型式
控制功能
48m 22.3/14.9 rpm 三相异步双速发电机 1500/1000 rpm 电机驱动＋摩擦制动器 低速轴盘式制动器 空气动力刹车机构 行星齿轮＋两级平行齿轮 无 MITA WP3000