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风力发电控制策略

作者:币游 发布时间:2021-03-07 21:56 点击数:

  风电控制 风力发电系统控制的目标主要有四个: 保证系统的可靠运行、能量利用率最大、电能质量高、机组寿命延长。 风力发电系统常规的控制功能有七个: ①在运行的风速范围内,确保系统的稳定运行; ②低风速时,跟踪最佳叶尖速比,获取最大风能; ③高风速时,限制风能的捕获,保持风力发电机组的输出功率为额定值;

  风电控制 风力发电系统控制的目标主要有四个: 保证系统的可靠运行、能量利用率最大、电能质量高、机组寿命延长。 风力发电系统常规的控制功能有七个: ①在运行的风速范围内,确保系统的稳定运行; ②低风速时,跟踪最佳叶尖速比,获取最大风能; ③高风速时,限制风能的捕获,保持风力发电机组的输出功率为额定值; ④减小阵风引起的转矩波动峰值,减小风轮的机械应力和输出功率的波动, 避免共振; ⑤减小功率传动链的暂态响应; ⑥控制器简单,控制代价小,对一些输入信号进行限幅; ⑦调节机组的功率,确保机组输出电压和频率的稳定。 为实现上述所要求的控制功能,风力发电机组的控制技术经历了三个 主要发展阶段:从最初的定桨距失速恒频控制到后来的变桨距恒速恒频控 制,目前主要发展变桨距变速恒频控制。 1 变桨控制 2 转矩(功率)控制 3 偏航控制 4 安全保护控制 1 变桨控制 2 转速控制(功率控制) 3 偏航控制 4 安全保护控制 变桨控制 变桨定义:叶片绕其安装轴旋转,改变叶片桨距角从而改 变风力机的气动特性。 目的:1.与定桨距风机相比,变桨距风力机风速范围宽 2.叶片桨距角的改变,可以很好的改善风轮机的启 动性能。 3.当风速超过额定风速时,通过变桨实现功率的稳 定输出。(重点) 4.风机停机后,改变桨距角使其顺桨(β=90?), 进而使风机旋转力矩为零,起到保护风机的作用。 Tr 1 2 AR3Cq (, )v2 Tr : 风轮转矩 Cq :转矩系数 v :风速 可以看出:改变桨距角β后可 以改变叶片的受力情况,进而 改变风轮机的气动特性。 翼型的受力分析 功率稳定通过变桨的实现 Pa 1 2 C p A v 3 C p (, ) (0.44 0.167 ) sin ( 3) 15 0.3 0.00184( 3) 从上面的公式可以看出:风机的输出功 率由风速 v 和风能利用系数 Cp决定。为 了在高风速下得到稳定功率,只能调节 从式子可以看出β影响着功率的输出,所 以要调节桨距角 从图上可以得到下面的结论: 1.对于固定的桨距角,存在唯一的风能利用系数最大值Cpmax 对 应一个最佳叶尖速比opt 2.对于任意的也尖速比 桨距角为零下的风能利用系数 响应 最 大 桨距角增大 风能利用系数 明显减小 以上两点即为变速恒频变桨距控制的理论依据:在风速 低于额定风速的情况时,桨角为零 风速变化大时,通过变速 恒频装置该笔按发电机转子转速,时风能利用系数在恒定在 来捕获风能 在风速高于额定转速时调节桨距角从而减小发电 机输出功率稳定在额定功率。 变桨风机与定桨风机的比较 功率 额定功率 功率 额定功率 0 额定风速 0 风速 额定风速 风速 从功率上看:变桨风机的功率输出更加稳定 定桨距失速控制的优点是失速调节简单可靠,由风速变化引起的输出功 率的控制只通过桨叶的被动失速调节实现,没有功率反馈系统和变桨距 机构,使控制系统大为简化,整机结构简单、部件小、造价低。其缺点 是叶片重量大、成形工艺复杂,桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大,机 组的整体效率较低。 变桨距风力发电机组的调节与控制 变桨距风力机的整个叶片可以绕叶片中心轴旋转,使叶片的攻角在一定范围 (0~90?)变化,变桨距调节是指通过变桨距机构改变安装在轮毂上的叶片 桨距角的大小,使风轮叶片的桨距角随风速的变化而变化,一般用于变速运 行的风力发电机,主要目的是改善机组的起动性能和功率特性。 (1)根据其作用可分为三个控制过程:起动时的转速控制,额定转速以下 (欠功率状态)的不控制和额定转速以上(额定功率状态)的恒功率控制。 a. 起动时的转速控制 变距风轮的桨叶在静止时,桨距角β为90?,当风速达起动风速时,桨叶向 0?方向转动,直到气流对桨叶产生一定的攻角,风力机获得最大的起动转矩, 实现风力发电机的起动 b. 额定转速以下(欠功率状态)的控制 为了改善低风速时的桨叶性能,近几年来,在并网运行的异步发电机上, 利用新技术,根据风速的大小调整发电机的转差率,使其尽量运行在最佳叶 尖速比上,以优化功率输出。 11 c. 额定转速以上(额定功率状态)的恒功率控制 当风速过高时,通过调整桨叶节距,改变气流对叶片的攻角,使桨距角 β 向迎风面积减小的方向转动一个角度,β增大,功角α 减小,如图所示。 从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩,使功率输出保持在额定值附 近,这时风力机在额定点的附近具有较高的风能利用因数。 双馈发电机组转速控制 双馈异步发电机的转子通过双向变频器与电网连接,可实现功率的 双向流动,功率变换器的容量小,成本低;既可以亚同步运行,也可 以超同步运行,因此调速范围宽;可跟踪最佳叶尖速,实现最大风能 捕获;可对有功功率和无功功率进行控制,提高功率因数;能吸收阵 风能量,减小转矩脉动和输出功率的波动,因此电能质量高,是目前 很有发展潜力的变速恒频发电机。 风速 给定 + 转速值 × - 转速控制 S + × - R 变桨距 控制 变桨距 机构 S 风叶轮 机构 增速齿 轮箱 异步发 电机 RCC R 给定 转速值 + -× 转速控制 风速 异步发电机转速反馈值 给定最大功率值 功率控制 转子电流给定值 发电机功率反馈值 图3-40 转差可调异步发电机控制原理框图 (1) 转速控制策略 一般通过控制发电机的电磁转矩实现转速的控制,图为最佳转矩-转 速曲线。 转矩/( N·m) 90 80 v1 70 60 v2 v3 风速曲线 高速轴转速/( r/min) Pa 1 2 C p A


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