大型风力发电机组的前馈模糊_PI变桨距控制

大型风力发电机组的前馈模糊_PI变桨距控制
大型风力发电机组的前馈模糊_PI变桨距控制

 第28卷第4期 2008年8月

动 力 工 程Jo urnal o f Pow er Engineering

Vol .28No .4 Aug .2008 

收稿日期:2007-10-29

基金项目:教育部重点资助项目(105049);国家自然科学基金资助项目(50677021)

作者简介:高 峰(1976-),男,山东滨州人,博士研究生,研究方向为:风力发电建模与控制.电话(Tel .):010-********,136********;

E -mail :gaofeng @ncepu .edu .cn ;au togf @https://www.360docs.net/doc/2c17479415.html, .

文章编号:1000-6761(2008)04-0537-06

大型风力发电机组的前馈模糊-PI 变桨距控制

高 峰, 徐大平, 吕跃刚

(华北电力大学自动化系,北京102206)

摘 要:建立了变桨距风力发电机组的动态模型,在分析机组特性和变桨距控制要求的基础上,提出了一种基于模糊控制的动态前馈模糊-PI 复合变距控制方法.以考虑尾涡效应的机组动态模型作为应用实例,对该复合控制系统进行了仿真.结果表明:它具有很强的抗干扰能力,控制效果明显优于传统的PI 控制.

关键词:自动控制技术;风力发电机;变桨距;动态前馈;模糊-PI 控制;尾涡效应;中图分类号:TM 614 文献标识码:A

Feed Forward Fuzzy -PI Pitch -control for Large -scale Wind Turbines

GAO Feng , X U D a -ping , LU Yue -gang (Department of Automatio n ,No rth China Electric Pow er Unive rsity ,Beijing 102206,China )Abstract :A dy namical mo del of w ind turbine has been built .Based on analyzing cha racteristics of the model and requisitions of pitch control ,an approach ,combining dynamical feed forw ard and fuzzy -PI ,is being presented .Sim ulation results of the control system with the m odel considering trailing vo rtex show s mo re strong anti -interference capability and m ore effective than traditio nal PI method .

Key words :autocontro l technique ;w ind turbine ;variable pitch ;dy namical feed fo rw ard ;fuzzy -PI co ntro l ;trailing vor tex

风力发电提供了一种环保、经济且利于社会持续发展的能源生产方式,因其相对低廉的成本消耗在可再生洁净能源领域得到了迅速的发展.然而,由于风速的大小和方向随机变化,使风力发电机组能量源的输入不能得到控制.在很多发电系统中,通过控制输入的能量来控制发电机功率以及输出电压和频率,风力发电系统中只有通过控制风能的吸收来达到控制功率的目的.目前,风力发电机组控制风能吸收的方式主要有2种:被动的利用桨叶失速性能来限制高风速下的风能吸收和通过主动变桨距来控制风能的吸收.所以,风力发电机组根据其桨距调节

方式也主要分为定桨距风机和变桨距风机,图1为额定功率相等(600kW )的定桨距和变桨距风力发电机组的输出功率对比图.

可以看出,在相同的额定功率点,变桨距风力发电机额定风速比定桨距风力发电机要低.一般,定桨距风力发电机在低风速段的风能利用系数较高,当风速接近额定点时,风能利用系数开始大幅下降,因为随着风速的升高,功率上升已趋缓,而过了额定点后,桨叶已开始失速,风速升高,功率反而有所下降.对于变桨距风力发电机,无需担心风速超过额定点后的功率控制问题,变桨距系统通过调整叶片角度,

使之获得额定功率输出.桨距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的,因此不受气流密度变化等外部因素的影响.而且在低风速时,桨距可以转动到合适的角度,使风轮具有最大的起动力矩,不需单独设计电动机起动的程序.以上分析充分体现了变桨距风机的优越性,所以目前兆瓦级的大型风力发电机组大多采用变桨距的调节方式,桨距可调代表

了大型风电机组的发展趋势

.

(a)定桨距(a)(fixed pitch

)

(b)变桨距(b)(adju stable pitch)

图1 功率输出曲线对比图

Fig.1 Output curse of pow er

虽然变桨距风力发电机组有上述优点,但风力发电机组是典型的非线性系统,它还受到电网的参数波动和大气条件等多种干扰因素的影响.空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性使风力发电机组系统数学模型的确定很困难[1].目前变桨距系统大多采用液压传动,因此对于快速变化的风速,系统响应速度也受到了一定的限制,所以基于数学模型的经典控制方法控制桨距的效果并不理想.笔者在分析机组特性和变桨距控制要求的基础上,采用模糊-PI与动态前馈相结合的复合控制策略控制桨距角,建立变桨距风力发电机组仿真模型,从而实现了在并网前、后对机组转速与功率的控制.

1 风力发电机组的动态建模

为更好地分析风力发电机组的系统特性和检验所提出控制方法的控制效果,笔者运用空气动力学、转子动力学、电机学等方面的基础理论对所研究类型的机组进行了动态建模.动态模型将风力发电机分为4个子系统:空气动力系统、传动系统、双馈异步发电机系统和变桨执行系统.整体结构示于图2.

1.1 空气动力系统模型

当自然风以上风向风速V(m/s)轴向流过风力机时,风轮从风能中捕获的功率和气动转矩[2]为:

P r=1

2C p(β,λ)ρπR2V3(1)

T r=1

2

C T(β,λ)ρπR3V2(2)

式中,P r为风轮吸收功率,W;T r为风轮气动转矩,

Nm;ρ为空气密度;C p为风能利用系数;C T为气动

转矩系数,C p(β,λ)=λC T(β,λ);β为桨距角,°;R为

风轮半径,m;λ为叶尖速比,λ=

ωR

V

;ω为风轮转速,

rad/s

.

图2 风力发电机组动态模型结构图

Fig.2 Structu re of wind tu rbine dynamical model

风能利用系数C p代表了风轮从风能中吸收功

率的能力,是叶尖速比λ和桨距角β的高阶非线性

函数,笔者采用以下函数计算[3]:

C p(β,λ)=0.22(116

λi

-0.4β-5)e-12.5λi(3)

1

λi

=1

λ-0.08β

-0.035

β3+1

(4)

风力机在高于额定风速而又低于切出风速运行

时,叶尖速比变化不大,根据式(3)和式(4)风能利用

系数随着桨距角的增大而减小,通过改变桨距角β,

可限制风轮吸收的风能,从而控制功率输出的恒定.

由于风在流经风轮产生转矩时也受到了风轮的

反作用力,便形成了与旋转方向相反的尾流.同时,

桨叶表面的气压差也会产生围绕桨叶的涡流,这样

在实际旋转风轮叶片后缘就会拖出尾涡.因此,当考

虑风轮后尾涡流旋转影响时,风轮轴功率会有所损

失,功率系数也要减小,即产生尾涡效应.这也是许

多未考虑尾涡旋转的风电机组仿真模型仿真功率大

于实际功率的重要原因之一.为了使风轮模型更接

近实际运行的风力发电机,减小模型误差,需要对功

率系数C p稍做修正.

在不考虑尾涡流的理想情况下,由风轮动量定

理可知:

538 动 力 工 程 第28卷 

C p =4a (1-a )

2

(5)

而在考虑尾涡流影响下,由刚性尾涡理论可得到功率系数

[4]

:

C ′p =

4a (1-a )2

1+b t

(6)

其中b t (1+b )t =a (1-a )

λ

2

式中,a 、b 分别为尾涡流对风速、风轮角速度的影响程度,分别称为轴向诱导速度系数和切向诱导速度系数.

式(6)中的b t 为风轮叶片尖部处的切向诱导系数,因为,b t >0,即b t =a (1-a )λ2

+14-12,在实际应用中可由下式计算:

a =K L

(1-K L )2·λ2

1+λ

2(1-K L )

2

b =

K L (1-K L )·11+λ

2

(1-K L )

2

(7)

式中,K L 为拉格朗日系数,K L =1/3.定义修正系数α=C ′

p C p =1

1+b t

,所以(1)式可表示为:P r =12

αC p (β,λ)ρπR 2V 3

(8)

1.2 传动系统模型

在非直驱式风力发电机组的风轮与发电机之间需要设置增速齿轮箱,增速比为γ=

ω

g ω

.这里假设系统传动轴绝对刚性,在靠近风轮的低速轴一侧有如下转子动力学方程:

J r d ωd t

=T r -T D -γ

T m (9)

式中,J r 为风轮转动惯量;T D 为能量传递系统的阻力矩,假定集中于低速轴一侧;T m 为高速轴传递给刚性齿轮的扭矩.根据[5]

下式:

T D

=C 1+C 2

ω

+C 3ω

(10)

式中,C 1,C 2和C 3分别为常数.

在靠近发电机的高速轴一侧,忽略发电机本身的机械阻力矩:

J g

d ωg

dt

=T m -T e

(11)

式中,J g 为异步发电机的转动惯量;ωg 为异步发电机转动角速度;T c 为发电机反扭矩.

根据ωg =γω,将(11)式代入(9)式可得传动系统转化为风轮转速的系统方程:

(J r +γ2

J g )d ωd t

=T r -T D -γT e

(12)

需要说明的是:在并网前由于发电机未带负载,不产生反力矩,所以此时T e =0.1.3 异步双馈发电机系统模型

假定所讨论的异步电机为理想电机,忽略铁磁饱和、磁滞、定子和转子齿槽及涡流等影响.定子三相绕组对称,每相均在气隙中产生正弦形分布的磁通势及磁密.转子为对称的多相绕组,每相均在气隙中产生正弦形分布的磁通势及磁密.根据

[6]

下式:

T e =gm 1U 2

1r ′

2(gm g -ω1)r 1-C 1r ′2ω1g ωg -ω1

2

+(x 1+C 1x ′2)

2

(13)

P =T e ωg

式中,g 为发电机极对数;m 1为相数;U 1为电网电压;C 1为修正系数;ω1为发电机同步转速;r 1,x 1分

别为定子绕组的电阻和漏抗;r ′2,x ′2分别为归算后转子绕组的电阻和漏抗.

1.4 变桨执行系统模型

目前,大中型风力发电机组的变桨距机械执行机构大多采用曲柄滑块机构,液压驱动系统采用的是电液比例阀控制伺服液压缸系统.由此结构可知:变距执行系统模型所描述的应是控制器产生的参考节距角与实际桨距角之间的动态关系.系统方程为:

d βd t =1T β

(βr

-β)(14)

考虑到液压驱动系统的时滞特性,用带迟延的

一阶惯性环节来模拟,传递函数可表示为:

β(s )βr (s )=1T βs +1

e -ts

(15)

式中,T β为时间常数;βr 为参考节距角;τ为迟延时

间.

2 控制系统的设计

本文所设计的变距控制器根据机组并网前、后的工况主要包含2种工作方式:并网前转速控制和并网后功率控制.2.1 变距控制策略

目前并网前转速控制存在2种控制方案:(1)开环控制,即将桨距角置为零度或最大风能利

用系数的角度,以获得最大启动力矩,使发电机

快速达到同步转速,迅速并入电网.

(2)闭环控制,通过变桨距控制使转速以一定变化率

上升至同步转速,控制器也同时用于并网前的同

步转速控制.

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 第4期

高 峰,等:大型风力发电机组的前馈模糊-PI 变桨距控制

比较2种控制方式,虽然异步发电机并网的转速范围相对较大,但由于风速和风向的随机性和电网条件的限制,开环控制往往对并网相关电气设备的要求非常高,一旦出现设备故障和电网条件不许可便无法立即并网,转速就会随风速随机变化,特别是在遇到阵风时会使转速发生较大的偏离,这样就加大了启机时间,影响了经济效益.而闭环控制不仅可以在并网有干扰因素时使转速稳定在一定范围之内,而且在启动过程中也可控制风轮以一定升速率平稳地升速.这样,风力机受到稳定的机械载荷便延长了风电机组的使用寿命.因此,笔者研究并网前的变距控制策略,以利于充分发挥变速变桨距风电机组的优势.

在风电机组并网运行后,如果风速高于额定风速,这时仅依靠风电机组变速恒频控制和矢量控制技术不能解决高于额定风速时的能量平衡问题.增大桨叶的节距角,使桨叶吸收的风能减小,即控制系统能量源的输入,就可保证发电机在额定功率下工作;反之,则通过减小桨叶的节距角,使桨叶上吸收能量增大,转子转速上升,发电机的输出功率也增加.这样,通过变桨距控制,使风力发电机始终维持在额定功率下运行.

2.2 前馈-模糊PI 复合控制器

无论是经典控制理论还是现代控制理论都需要建立系统的精确数学模型,而模糊控制无需精确的数学模型即可由微处理器执行控制功能,可高效地综合专家的经验知识,具有较好的动态性能和鲁棒性,可对非线性多变量的风力发电机组控制系统产生令人满意的控制效果,文献[7]、[8]等都证明了这一点.在理论上,我们可以将机组的转速与负荷从一个稳定状态无延迟地变到另一个状态.而在实际上,从一个稳定状态到另一个稳定状态是通过一段过渡过程来确保机组的安全稳定运行.这样,一个阶跃变化的目标值在实际机组中变为一系列阶梯斜坡设定值,阶梯的时间宽度反映了控制系统对控制任务的执行周期,而阶梯的幅度则反映升速率或升负荷率.因此,对于转速和功率控制,笔者认为既要控制转速和功率达到最终目标值的精度,同时又要控制转速与功率的变化率,升降速率过快会对一些重要机械设备和电气设备造成损害,因而降低设备的使用寿命.二维模糊控制器的输入量恰好分别为误差与误差变化率,这就可以根据要求灵活地制定模糊规则、控制速度和功率的升降速率.然而,一般认为常规的二维模糊控制具有模糊比例微分控制作用,而没有

模糊积分作用.这样的模糊控制系统动态性能较好,

静态性能欠佳.因此,把PI 控制引入模糊控制,构成模糊-PI 复合控制是改善模糊控制静态性能、提高

模糊控制精度的有效措施.模糊-PI 控制是在大误差范围内采用模糊控制,在零级误差范围内引入积分作用,以消除静差,提高控制精度[9][10]

.综上分析,模糊-PI 控制非常适用于风电机组这个复杂非线性系统的转速与功率的变距控制.

风力发电机组最主要的不可控因素是随机变化的风速,它是影响控制品质最大的外部干扰.由控制论可知,系统干扰分为外部干扰与内部干扰、可测量干扰与不可测量干扰.虽然风速是我们无法控制的,但它是风电机组运行中必须时刻监测的重要变量,因此它属于可测量的外部干扰.模糊控制是基于被控量的偏差及变化率进行控制的,仍然属于反馈控制,所以在风电系统呈现延迟和受干扰因素多、干扰频率高的情况下,系统动态响应的快速性往往不够理想.因此在模糊-PI 控制基础上加入动态前馈控制,可大大消除随机性外扰对系统的影响,并可进一步提高控制品质.

干扰对系统的作用是通过干扰通道进行的,前馈的控制原理是给系统附加一个前馈通道,使所测量的系统扰动通过前馈控制器改变控制量.利用扰动所附加的控制量与扰动对被控制量影响的叠加消除或减小干扰的影响,控制系统示于图3.

图3 前馈控制系统结构图

Fig .3 Schem atic repres entation of feed forw ard con trol sy stem

由控制理论知道,前馈控制器实现干扰完全补偿的条件为:

G d (s )=

G f (s )

G 2(s )

(16)

因为风电系统数学模型难以准确建立,所以很难精确测定风电机组传递函数G f (s )和G 2(s ).对系统进行辨识需要测量大量数据,同时系统的非线性

和时变性也给系统辨识增加了难度.所以,在实际应用中往往根据控制对象特性,将系统控制通道函数及扰动通道函数简化处理成含有一阶或二阶环节并附加纯滞后的形式,即:

G f (s )=K f T f s +1e -τf s

或G f (s )=

K f (T f 1s +1)(T f 2s +1)

e -t

f s

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动 力 工 程 

第28卷 

G 2(s )=K 2T 2s +1e -τ2s

或G 2(s )=

K 2(T 21s +1)(T 22s +1)

·e

-t 2s

笔者通过M AT LAB 对所建动态模型进行了系

统辨识,辨识结果表明G f (s )和G 2(s )均可假定为一阶系统形式,故前馈控制器具有如下形式:

G d (s )=K f (T 2s +1)K 2(T 1s +1)e -(τf -τ2)

s =-K d T 1d s +1T 2d s +1

e -τds

(17)

式中,K d 为静态前馈系数,K d =K f /K 2;T 1d =T 2;

T 2d =T f ;τd =τf -τ2.式(17)所含有的时间常数为T 1d 和T 2d 的超前

滞后环节,具有对时间超前和滞后进行补偿的作用,所以本文采用的动态前馈控制器形式为:

G d (s )=-K d T 1d

s +1T 2d s +1

(19)

综上所述,笔者设计的复合控制系统示于图4

.

图4 前馈模糊-PI 复合控制系统结构图

Fig .4 S chem atic s tru cture of feed forw ard fuzzy -PI con trol sys tem

3 控制系统仿真

以额定功率为300kW 的变速变桨距风力发电机组为例.机组一般在风速为3~4m /s 时开始启动,额定风速为12m /s ,风速高于25m /s 时发电机

组制动刹车.本文主要讨论在初始暂态过程以后施加干扰或指令后控制器的控制效果,初始过程的过渡问题这里不作讨论.

3.1 风轮转速的变距控制

在并网前转速控制阶段,模糊控制器输入为转速误差及误差的变化率,输出为变距控制系统的参考桨距角.通过量化因子和比例因子分别对转速误差、误差变化率及变距参考桨距角进行模糊化,转速误差和参考桨距角语言变量:{NB ,NM ,NS ,ZE ,PS ,PM ,PB },误差变化率语言变量:{NB ,NS ,ZE ,PS ,PB },论域均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}.由于风电机组的误差相对比较大,所以误差与

误差变化率的隶属函数采用分辨率较低的高斯函

数,输出则采用三角型隶属度函数.模糊控制规则库是由一系列“if E and EC then βr ”型的模糊条件语

句所构成,具体规则示于表1.

表1 转速控制模糊规则表

Tab .1 Fuzzy rules of generator speed controller

E /EC NB NS ZE PS PB NB PB PB PB PM PS NM PB PB PM PS ZE NS PM PS PS ZE NS ZE PM PS ZE NS NM PS PS ZE NS NS NM PM ZE NS NM NB NB PB

NS

NM

NB

NB

NB

根据所设定的模糊规则,转速设定给以一定升速率变化的斜坡输入,对所建立动态模型分别采用复合控制与目前广泛应用的PI 控制进行仿真,转速响应曲线如图5,其中显示转速为风轮转速,本仿真异步发电机极对数g =2,传动比γ=W g

W =28.78,发

电机转速ωg 可由传动比和风轮转速得出.当发电机处于电网同步转速为n =1500r /min 时,风轮对应转速ω=5.46rad /s .图中虚线为PI 控制响应曲线,实线为复合控制响应曲线,以下同.

图5 斜坡输入发电机转速响应曲线

Fig .5 Ou tpu t response to ram p in pu t of generator speed

而对于风速由4m /s 上升到6m /s (t =250s )的阶跃扰动得到的仿真结果示于图6. 采用复合控制后系统转速基本没有超调,这是因为在模糊控制的基础上,前馈量的引入能够针对干扰提前进行控制,减小了系统超调并缩短了调节时间.小偏差时PI 控制的引入也使模糊-PI 控制达到了与经典PI 控制同样的稳态控制精度.3.2 恒功率的变距控制

在并网后的恒功率控制阶段,模糊控制器输入为功率误差及误差变化率,输出为变距控制系统的参考桨距角.考虑到系统对高于额定风速时要求保

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 第4期

高 峰,等:大型风力发电机组的前馈模糊-PI 变桨距控制

持功率恒定的快速性和平稳性,控制器的输入和输出量的语言变量为:{NB ,NM ,NS ,ZE ,PS ,PM ,PB },论域均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},此控制规则较转速控制器有所增加(表2)

.

图6 风速扰动发电机转速响应曲线

Fig .6 Output response to wind speed disturbance of generator

speed

表2 功率控制模糊规则表

Tab .2 Fuzzy rules of pow er output controller

E /EC NL NM NS ZE PS PM P L NB PB PB PB PM PS ZE ZE NM PM PM PM PS PS ZE ZE NS PS PS PS PS ZE ZE ZE ZE PS PS PS ZE NS NS NS PS ZE ZE ZE ZE NS NS NS PM ZE ZE NS NS NM NM NM PL

ZE

ZE

NS

NM

NB

NB

NB

为了说明复合变距恒功率控制的控制效果,对所建动态模型施加同一模拟风速信号(图7),采用经典PI 控制算法和动态前馈模糊-PI 复合控制算法2种方法分别进行控制仿真,得到风电机组的实时功率曲线(图8)

.

图7 模拟风速信号Fig .7 Signal of wind s peed

从图8的功率曲线可看到,在经历了系统初态达到额定功率后,应用动态前馈-模糊复合控制的功

率曲线在高于额定风速时,对随机变化的风速有很

强的抗干扰能力,功率控制平稳,控制效果明显优于传统的PI 控制.

图8 系统输出功率响应曲线Fig .8 Output curse of pow er res pon se

4 结 论

风力发电系统是复杂多变量非线性系统,具有

不确定性和多干扰等特点.本文针对大型变桨距风力发电机组的系统特性及变距控制要求提出了一种

基于模糊控制的动态前馈模糊-PI 复合变距控制方法,可不依靠精确的数学模型而产生非线性控制动作,同时引入主要可测外扰———风速作为前馈控制量,因而去除了风速随机变化对系统控制品质的影响.与PI 控制的复合使用不但使系统具有较短的调节时间,提高了变距控制系统响应的快速性,而且解决了单纯使用模糊控制时控制精度不高的问题,使系统控制的动、静态性能都有了很大的提高.仿真结果表明,动态前馈模糊-PI 变距控制器有着比传统PI 控制器更好的控制效果和克服扰动的能力,有很强的实用性.参考文献:

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(下转第588页)

开关20万次以上,漏风率在2%以下,而且相比较图3中的推拉式组合阀门技术含量要高得多.因此只要采取合理的设计与制造方法,图3中的组合阀门是不难加工制造的.所以,系统的可靠性是能够保证的.

2.2.2 蓄热体热应力破坏的防范 

影响系统可靠性的另一个因素是蓄热体本身因存在温差而膨胀变形导致产生热应力的破坏.这种破坏可能发生在2个方面:一个是图4中的涂黑部分因为热膨胀受限而引起的热应力破坏;另一个是传热缓冲区(即灰色区域)内因为温度不均匀而产生的热应力破坏.

对于前一种热应力的预防可以采取在蓄热体周围预留膨胀缝,但是为了防止漏风,在膨胀分内填充耐热石棉丝网之类的填充物或者在两端利用耐热软连接密封的方式予以解决.对于后一种热应力的防范可以参考回转式空气预热器的解决方法予以解决.

2.2.3 系统运行不稳定性的消除 

此外,为了防止阀门/挡板开关过程中空气与烟气混合时气体浓度以及压力波动对锅炉燃烧的影响,同时考虑到阀门/挡板加工的方便,可以将新型空气预热器拆分成多组,余出1组作为系统备用,一旦其中的某组出现问题,可以将之与系统解裂维护,而将备用系统投入使用.

3 新型空气预热器研制需进一步解决的问题

3.1 快速开关阀门技术研究

从前节的计算中可以看到,由于阀门所引起的泄漏占了总泄漏量的95.6%.因此,针对锅炉烟风道截面积大、流动介质温度高且又具有粉尘的恶劣环境而需要开发如图3所示的新型烟风道阀门/挡板系统是必要的,这种新型烟风道阀门/挡板应具有以下2个方面的特点:①阀门泄漏量少,气流阻力小;②开关迅速.

3.2 蓄热体研究

影响总体漏风的另一个因素是蓄热体体积与材料的选择,体积如果较小,那么ε2将会增加;如果体积较大,那么出口烟气温度又会过低,这样不仅需要考虑低温腐蚀的因素,其造价也会相应增加.因此,蓄热体的体积是值得好好研究的.需要解决的问题有:①蓄热体内流场特性研究;②蓄热体内温度场特性研究;③蓄热体材料与体积的选择;(4)蓄热体体积、系统性能以及整体造价的综合评估.

4 结 论

通过计算分析,新型空气预热器具有以下优点:

(1)它具有表面式加热器加热效率高、体积小以及结构紧凑的优点,但是漏风率与回转式空气预热器相比大大降低,不足3%;

(2)采取合理的设计与制造工艺,将阀门/挡板进一步放大在技术上是可行的;

(3)虽然这种新型空气预热器与回转式空气预热器相比增加了一些阀门,但由于去掉了回转式空气预热器的驱动变速装置,因此总体造价上不会相差太多;

(4)通过合理设计新型空气预热器阀门/挡板以及烟风道的形状,不会给系统增加太多的流动阻力.

(5)对于阀门切换过程中所带来的风压波动以及空气与烟气混合的问题,可以通过多组并联的方式予以解决,这还增加了系统可靠性的优点.

参考文献:

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(上接第542页)

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plant contro l system[J].Power Engineering,2004,24

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定距桨变距桨与风力发电机组

桨距 螺旋桨的桨叶都与旋转平面有一个倾角。 假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转,那么螺旋桨每转一圈,就会向前进一个距离,连续旋转就形成一段螺旋。 同一片桨叶旋转一圈所形成的螺旋的距离,就称为浆距。显然,桨叶的角度越大,浆距也越大,角度与旋转平面角度为0,浆距也为0。 这个“距”,就是桨叶旋转形成的螺旋的螺距。 桨距指的是直升机的旋翼或固定翼的螺旋桨旋转一周360 度,向上或向前行走的距离(理论上的)。就好比一个螺丝钉,您拧一圈后,能够拧入的长度。桨距越大前进的距离就越大,反之越小!然而要测量实际桨距的大小是比较困难的,所以一般固定翼飞机使用桨距不变的螺旋桨上都会标明其直径和桨距的大小(单位以英寸居多),以便于和合适的发动机配套使用。绝大多数的固定桨距的直升机桨一般是专为某一级别的飞机定制的,所以只标明直径。可变桨距直升机可以非常容易的通过测量桨叶的攻角(迎风角度)大小来体现桨距的大小,和变化幅度。 l 定桨距失速调节型风力发电机组 定奖距是指桨叶与轮载的连接是固定的,桨距角固定不变,即当风速变化时,桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性,当风速高于额定风速69 ,气流的攻角增大到失速条件,使桨叶的表面产生涡流,效率降低,来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率,通常采用双速发电机(即大/ 小发电机)。在低风速段运行的,采用小电机使桨叶县有较高的气动效率,提高发电机的运行效率。 失速调节型的优点是失速调节简单可靠,当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制,使控制系统大为减化。其缺点是叶片重晏大(与变桨距风机叶片比较),桨叶、轮载、塔架等部件受力较大,机组的整体效率较低。 2 变桨距调节型风力发电机组 变奖距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为:当风电机组达到运行条件时,控制系统命令调节桨距角调到45”,当转速达到一定时,再调节到0“, 直到风力机达到额定转速并网发电;在运行过程中,当输出功率小于额定功率时,桨距角保持在0°位置不变,不作任何调节;当发电机输出功率达到额定功率以后,调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小,使发电机的输出功率保持在额定功率。 随着风电控制技术的发展,当输出功率小于额定功率状态时,变桨距风力发电机组采用 OptitiP 技术,即根据风速的大小,调整发电机转差率,使其尽量运行在最佳叶尖速比,优化输出功率。 变桨距调节的优点是桨叶受力较小,桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速的大小而进行自动调节,因而能够尽可能多的吸收风能转化为电能,同时在高风速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂,故障率相对较高。 3 主动失速调节型风力发电机组

变浆距双馈型风力发电机组的结构和原理-訾恒编著

第四章变浆距双馈型风力发电机组的结构和原理 概述:变浆距风力发电机是在定浆距风力发电机成功运用的基础上发展起来的机型,它的桨叶角度可以调节,以达到最佳的叶尖速比,使得风力机的风能利用率大大提高。变浆距风机相对于定浆距风机的优势是十分明显的,当风速过高时,通过调整桨叶节距,改变气流对叶片攻角,从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩,可以使功率输出保持稳定。在风力发电机启动时需要较大的气动扭矩,也需要通过变浆系统的动作以获得足够的气动转矩。其实风机设计人员最初设计的风力发电机都是倾向于变浆距的,但是由于技术条件有限,控制系统、变浆系统不成熟,在极端条件下往往不能满足风力发电机的安全运行条件。所以变浆距风机在很长一段时间里得不到发展。 经过定浆距风机的运行实践,设计人员对风力发电机组的运行工况和各种受力状态有了更深入的了解,变浆距风机的先天优势重新进入设计人员的视线,变浆距风机的设计重新被重视起来,当前的变浆距风力发电机已经成为市场的主流,目前投入商业运行的变浆距双馈型机组有很多,但其结构和原理大同小异,其中丹麦维斯塔斯的V90系列应用较为广泛,市场占有率较高,结构也很典型。这一章将以Vestas的V90-1.8/2.0MW风机为例来学习变浆距双馈型机组的结构和原理。 4.1维斯塔斯V90-1.8/2.0MW风机的特点 维斯塔斯是进入中国市场的第一家风机供应商,拥有20%的全球市场份额,是世界风能解决方案的领先供应商。已在全球六大洲66个国家和地区安装了43,000多台风机。维斯塔斯拥有中国最大的风力发电制造厂,生产发电机、叶片、机舱、轮毂和控制系统。已经在中国三个不同的省份拥有五家风机制造工厂。维斯塔斯V80/V90-1.8/2.0MW风机是维斯塔斯公司目前的主力机型,属于桨距调节的上风向风机,配有主动偏航和三叶片风轮。V90-1.8/2.0MW风机采用了先进的叶片设计和技术,其叶片的重量与V80-2.0MW风机叶片的重量相同,但叶片的扫掠面积增加了27%。其机舱采用的是V80的设计,但齿轮箱和传动系统都有所改进,能够承受来自转子的更大的负荷。因此,V80和V90风机的主要构

变速变桨距风力发电机组控制策略改进与仿真

变速变桨距风力发电机组控制策略改进与仿真 刘 军,何玉林,李 俊,黄 文 (重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆市400030) 摘要:在分析变速变桨距风力发电机组基本控制策略的基础上,提出一种扩大过渡区的改进控制策略,用来消除额定功率运行点附近切换造成的功率波动及突变载荷等不利影响。依据改进的控制策略设计了3个控制器平滑过渡方案,实现对该策略的最佳跟踪。运用MAT LAB 仿真平台模拟了改进控制策略下的风力发电机组运行特性,结果表明了改进控制策略的正确性及控制器设计的有效性。 关键词:风力发电机组;变速变桨距;控制策略;扩大过渡区;平滑控制 收稿日期:2010 06 23;修回日期:2010 10 09。重庆市科技攻关重点项目(CST C2007A A3027)。 0 引言 风力发电机组的控制技术由原来单一的定桨距失速控制转向变桨距变速控制,目的是为了防止风能转换系统承受的载荷过重,从风场中最大限度地捕获能量以及为电网提供质量较好的电能。然而,风力发电机组作为一种复杂的、多变量、强耦合、非线性的系统,要想减小风力机载荷以延长其使用寿命,抑制功率波动以降低对电网的不利影响,控制策略的选取及控制器的设计至关重要[1 6]。 本文通过对变速变桨距风力发电机组基本控制策略的分析,针对过渡区运行过程中出现的功率波动大及突变载荷强等情况,提出一种改进的控制策略来减缓此种影响。为最佳跟踪改进的控制策略,设计了3个控制器以实现3个运行区间的平滑过渡。同时应用M ATLAB 仿真平台对变速变桨距风力发电机组运行特性进行了仿真,结果表明了所提出方案的合理性和可行性。 1 基本的变速变桨距控制策略 如图1所示,在转速 转矩平面图中,曲线A BC 描述了变速变桨距风力发电机组的基本控制策略。在低风速区,风电机组从切入风速为V in 的A 点到风速为V N 的B 点,沿着C pmax 曲线轨迹运行,此区间称为恒C p 运行区。由于在B 点发电机转速达到了其上限值 N ,当风速从V N 上升到V N 时,转速将恒定在 N ,提升发电机转矩使风电机组达到其额定功率,在图1中为BC 段,也称为恒转速区或过渡区。当风速超过额定风速V N 时,变桨距系统将开 始工作,通过改变桨距角保持功率的恒定,风电机组将持续运行在C 点,直到风速超过切出风速V out ,此区间称为恒功率区,而此区间内桨距角控制方式采用统一桨距控制,它是指风力机所有桨距角均同时 改变相同的角度[7 8] 。在此需要注意的是:若最大功率P N 曲线与C pmax 曲线的相交点在额定转速极限值左侧,就会造成风电机组在未达到额定转速时,已进入失速状态,相应的A B 区间将被缩小,这时就需 对整个风电机组额定点进行重新选取。 图1 变速变桨距风力发电机组控制策略Fig.1 C ontrol strategy of the variable speed pitch controlled wind turbine driven generator system 从图1可以看出,3个区间工作点的划分非常明显,而控制器的设计与工作点的选取有着必然的联系,因此,基本的变速变桨距风电机组通常会设计2个独立的控制器,一个用来跟踪参考速度,另一个用来跟踪额定功率。由于2个控制器都有各自的控制目标,在运行过程中相互独立,然而在工作点附近,2个控制器又相互制约,这种制约就会导致风电机组在C 点控制系统的调节能力下降,在突遇阵风 82 第35卷 第5期2011年3月10日Vo l.35 N o.5M ar.10,2011

风力发电机组传动系统设计实习报告

目录 引言 (2) 一、风力发电机组简介 (2) 风力发电机原理 (2) 风力发电机组结构 (3) 二、风力发电机组传动系统 (5) 风力发电机组齿轮箱的概况 (5) 风力发电机组中的联轴器 (10) 三、风力发电机组的分类特点 (11) 垂直轴风力发电机组 (11) 水平轴风力发电机组 (12) 直驱型风力发电机 (12) 双馈式风力发电机 (12) 四、风力发电控制系统简述 (13) 风电控制系统基本功能 (13) 五、参考文献 (13)

风力发电机组传动系统设计 引言 随着科技的不断进步,社会的不断发展,能源问题将会成为未来人类必须解决的问题之一,同时可再生能源结构会成为未来能源的倾向之一。现如今风能作为一种无污染的可再生能源备受人们的关注,在一定程度上,风力发电将会成为未来最具潜力的新能源之一。风力发电正在世界上形成一股热潮,因为风力发电没有燃料问题,也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行;我国也在大力提倡。 一、风力发电机组简介 风力发电机原理 风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械。风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。依据目前的风车技术,大约是每秒三公尺的微风速度(微风的程度),便可以开始发电。 风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要,各部分功能为:叶片用来接受风力并通过机头转为电能;尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能;机头的转子是永磁体,定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电机因风量不稳定,故其输出的是13~25V变化的交流电,须经充电器整流,再对蓄电瓶充电,使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护

风力发电机液压变桨系统简介

风力发电机液压变桨系统简介 全球投入商业运行的兆瓦级以上风力发电机均采用了变桨距技术,变桨距控制与变频技术相配合,提高了风力发电机的发电效率和电能质量,使风力发电机在各种工况下都能够获得最佳的性能,减少风力对风机的冲击,它与变频控制一起构成了兆瓦级变速恒频风力发电机的核心技术。液压变桨系统具有单位体积小、重量轻、动态响应好、转矩大、无需变速机构且技术成熟等优点。本文将对液压变桨系统进行简要的介绍。 风机变桨调节的两种工况 风机的变桨作业大致可分为两种工况,即正常运行时的连续变桨和停止(紧急停止)状态下的全顺桨。风机开始启动时桨叶由90°向0°方向转动以及并网发电时桨叶在0°附近的调节都属于连续变桨。液压变桨系统的连续变桨过程是由液压比例阀控制液压油的流量大小来进行位置和速度控制的。当风机停机或紧急情况时,为了迅速停止风机,桨叶将快速转动到90°,一是让风向与桨叶平行,使桨叶失去迎风面;二是利用桨叶横向拍打空气来进行制动,以达到迅速停机的目的,这个过程叫做全顺桨。液压系统的全顺桨是由电磁阀全导通液压油回路进行快速顺桨控制的。 液压变桨系统 液压变桨系统由电动液压泵作为工作动力,液压油作为传递介质,电磁阀作为控制单元,通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距。 液压变桨系统的结构 变桨距伺服控制系统的原理图如图1所示。变桨距控制系统由信号给定、比较器、位置(桨距)控制器、速率控制器、D/A转换器、执行机构和反馈回路组成。 图1 控制原理图 液压变桨执行机构的简化原理图如图2所示,它由油箱、液压动力泵、动力单元蓄压器、液压管路、旋转接头、变桨系统蓄压器以及三套独立的变桨装置组成,图中仅画出其中的一套变桨装置。

变浆距风力发电机组的控制系统

变浆距风力发电机组的控制系统 【摘要】风能作为一种可再生能源受到全球越来越多的关注,本文就变桨距风力发电机组的控制系统进行了分析,发现采用新型控制系统后,保持了发电机功率的稳定输出,减少了风机不稳定功率对电网的影响。 【关键词】额定功率;变距控制;速度控制;功率控制 21世纪,风力发电机组的可靠性已经不是问题。与定桨距风力发电机组相比,变桨距风力发电机组具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。所以变桨距机组适合于额定风速以上风速较多的地区,这样发电量的提高比较明显。 1变桨距风力发电机组的控制系统 新型变桨距控制系统框图如图1所示。 在发电机并入电网前,发电机转速由速度控制器A根据发电机转速反馈信号直接控制;发电机并入电网后,速度控制器B与功率控制器起作用。功率控制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线,调整发电机转差率,并确定速度控制器B的速度给定。 2变距控制 变距控制系统是一个随动系统,其控制过程如图2所示。 变桨距控制器是一个非线性比例控制器,它可以补偿比例阀的死带和极限。变距系统的执行机构是液压系统,节距控制器的输出信号经D/A转换后变成电压信号控制比例阀,驱动液压缸活塞,推动变桨距机构,使桨叶节距角变化。活塞的位移反馈信号由位移传感器测量,经转换后输入比较器。 3速度控制 变桨距风力发电机组的速度控制包括两个部分,即:速度控制A和B。 3.1速度控制A(发电机脱网状态) 转速控制系统A在风力发电机组进入待机状态或从待机状态重新起动时投入工作,在这些过程中通过对节距角的控制,转速以一定的变化率上升。控制器也用于在同步转速时的控制。当发电机转速在同步转速±10r/min内持续1s发电机将切入电网。发电机转速通过主轴上的感应传感器测量,每个周期信号被送到微处理器作进一步的处理,以产生新的控制信号。 3.2速度控制B(发电机并网状态) 发电机并入电网后,速度控制系统B起作用。速度控制系统B受发电机转速和风速的双重控制。在达到额定值前,速度给定值随功率给定值按比例增加。额定的速度给定值是1560r/min,相应的发电机转差率是4%。如果风速和功率输出一直低于额定值,发电机转差率将降低到2%,节距控制将根据风速调整到最佳状态,以优化叶尖速比。 如果风速高于额定值,发电机转速通过改变节距来跟踪相应的速度给定值。功率输出将稳定地保持在额定值上。在风速信号输入端没有低通滤波器,节距控制对瞬变风速并不响应。 与速度控制器A的结构相比,速度控制器B增加了速度非线性化环节。这一特性增加了小转差率时的增益,以便控制节距角加速趋于0。 4功率控制 为了有效地控制高速变化的风速引起的功率波动,新型的变桨距风力发电机组采用了RCC技术。通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机转差率,

风力发电机组偏航系统详细介绍

风力发电机组偏航系统详细介绍2012-12-15 资讯频道 偏航系统的主要作用有两偏航系统是水平轴式风力发电机组必不可少的组成系统之一。 使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态,其一是与风力发电机组的控制系统相互配合,个。以保障风力发其二是提供必要的锁紧力矩,充分利用风能,提高风力发电机组的发电效率;被动风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统。电机组的安全运行。舵轮常见的有尾舵、偏航指的是依靠风力通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式,常见的有主动偏航指的是采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式,和下风向三种;通常都采用主动偏航的齿轮驱动对于并网型风力发电机组来说,齿轮驱动和滑动两种形式。形式。 1.偏航系统的技术要求 1.1. 环境条件 在进行偏航系统的设计时,必须考虑的环境条件如下: 1). 温度; 2). 湿度; 3). 阳光辐射; 雨、冰雹、雪和冰;4). 5). 化学活性物质; 机械活动微粒;6). 盐雾。风电材料设备7). 近海环境需要考虑附加特殊条件。8). 应根据典型值或可变条件的限制,确定设计用的气候条件。选择设计值时,应考虑几 气候条件的变化应在与年轮周期相对应的正常限制范围内,种气候条件同时出现的可能性。不影响所设计的风力发电机组偏航系统的正常运行。 1.2. 电缆 必须使电缆有足够为保证机组悬垂部分电缆不至于产生过度的纽绞而使电缆断裂失效, 电缆悬垂量的多少是根据电缆所允许的扭转角度确定的悬垂量,在设计上要采用冗余设计。的。阻尼1.3. 偏航系统在机组为避免风力发电机组在偏航过程中产生过大的振动而造成整机的共振, 阻尼力矩的大小要根据机舱和风轮质量总和的惯性力矩来偏航时必须具有合适的阻尼力矩。只有在其基本的确定原则为确保风力发电机组在偏航时应动作平稳顺畅不产生振动。确定。阻尼力矩的作用下,机组的风轮才能够定位准确,充分利用风能进行发电。 1.4. 解缆和纽缆保护 偏航系统的偏航动解缆和纽缆保护是风力发电机组的偏航系统所必须具有的主要功能。 所以在偏航系统中应设置与方向有关的计数作会导致机舱和塔架之间的连接电缆发生纽绞,检测装置或类一般对于主动偏航系统来说,装置或类似的程序对电缆的纽绞程度进行检测。对于被动偏航系统检测装置或类似似的程序应在电缆达到规定的纽绞角度之前发解缆信号;偏航系并进行人工解缆。的程序应在电缆达到危险的纽绞角度之前禁止机舱继续同向旋转,一般与偏航圈统的解缆一般分为初级解缆和终极解缆。初级解缆是在一定的条件下进行的,这个装置的控制逻纽缆保护装置是风力发电机组偏航系统必须具有的装置,数和风速相关。辑应具有最高级别的权限,一旦这个装置被触发,则风力发电机组必须进行紧急停机。偏航转速 1.5. 1 对于并网型风力发电机组的运行状态来说,风轮轴和叶片轴在机组的正常运行时不可避免的产生陀螺力矩,这个力矩过大将对风力发电机组的寿命和安全造成影响。为减少这个力矩对风力发

变桨距风力发电机组的运行状态

变桨距风力发电机组的运行状态 从空气动力学角度考虑。当风速过高时,只有通过调整桨叶节距,改变气流对叶片的角度,从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩,才能使功率输出保持稳定。同时,风力机在启动过程中也需要通过变距来获得足够的启动转矩。 变桨距风力发电机组根据边距系统所起的作用可分为三种运行状态,即风力发电机组的启动状态(转速控制)、欠功率状态(不控制)和额定功率状态(功率控制)。 1)启动状态变距风轮的桨叶在静止时,节距角为90°,这时气流对桨叶不产生转矩,整个桨叶实际上是一块阻尼板。当风速达到启动风速时,桨叶向0°方向转动,直接到气流对桨叶产生一定的攻角,风轮开始启动。在发电机并入电网以前,变桨距系统的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按照一定的速度上升斜率给出速度参考值,变桨距系统根据给定的速度参考值,调整节距角,进行所谓的速度控制。为了确保并网平稳,对电网产生尽可能小的冲击,变桨距系统可以在一定时间内保持发电机的转速在同步转速附近,寻找最佳时机并网。虽然在主电路中也采用了软并网技术,但由于并网过程的时间短,冲击小,可以选用容量较小的晶闸管。 为了使控制过程比较简单,早期的变桨距风力发电机在转速达到发电机同步转速前对桨叶节距并不加以控制。在这种情况下,桨叶节距只是按所设定的变桨距速度,将节距角向0°方向打开,直到发电机转速上升到同步转速附近,变桨距系统才开始投入工作。转速控制的给定值是恒定的,即同步转速。转速反馈信号与给定值进行比较。当转速超过同步转速时,桨叶节距就迎风面积小的方向转动一个角度,反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。当转速在同步转速附近保持一定时间后发电机即并入电网。 2)欠功率状态欠功率状态是指发电机并入电网后,由于风速低于额定风速,发电机在额定功率以下的低功率状态下运行。与转速控制道理相同,在早期的变桨距风力发电机组中,对欠功率状态不加控制。这时的变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相同,其功率输出完全取决于桨叶的气动性能。 3)额定功率状态当风速达到或超过额定风速后,风力发电机组进入

《风力发电机组电动变桨系统基本原理》试题及答案

1.变桨系统与风机主控通讯的部件是?(6.0分) A.变桨控制器 B.变桨驱动器 C.变桨电机 D.备用电源 我的答案:A√答对 2.变桨系统的驱动执行机构是?(6.0分) A.变桨控制器 B.变桨驱动器 C.变桨电机 D.备用电源 我的答案:C√答对 3.变桨系统调节桨叶的主要作用是什么?(6.0分) A.调节风机机头对风 B.使风机跟踪最大风能 C.解除扭揽 D.将风能变换成电能 我的答案:B√答对 4.风电变桨系统是用于调节风机的那个部位?(6.0分) A.A桨叶

C.机舱 D.塔筒 我的答案:A√答对 5.下列哪个部件不属于变桨系统?( 6.0分) A.变桨电机 B.轴控柜 C.限位开关 D.轴承润滑泵 我的答案:D√答对 1.变桨电机有以下哪几种形式?(8.0分)) A.永磁电机 B.感应电机 C.直流电机 D.直线电机 我的答案:ABC√答对 2.用于变桨系统温湿度控制的设备有?(8.0分)) A.温控开关 B.湿控开关 C.加热器

我的答案:AB×答错 3.按动力类型分类变桨系统有以下哪几种?(8.0分)) A.电磁型 B.液压型 C.电动型 D.蒸汽型 我的答案:BC√答对 4.变桨系统的备用电源主要有哪几种形式?(8.0分)) A.超级电容 B.铅酸蓄电池 C.飞轮储能 D.锂离子电池 我的答案:ABD√答对 5.变桨系统电磁兼容防护的主要形式有哪几种?(8.0分)) A.加热器 B.雷击浪涌保护器 C.电抗器和滤波器 D.接地防护 我的答案:BC×答错

1.变桨系统的供电电压是400VAC(6.0分) 我的答案:正确√答对 2.变桨系统是安装在风机的机舱中(6.0分) 我的答案:错误√答对 3.变桨系统不会高原上使用(6.0分) 我的答案:错误√答对 4.安全链中的任何一个环节故障都会导致整个系统保护(6.0分) 我的答案:正确√答对 5.在感应电机、直流电机、永磁电机三种电机中,永磁同步电机的功率密度最高( 6.0分) 我的答案:正确√答对

风力发电机结构介绍

风力发电机结构介绍 风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。该机组通过风力推动叶轮旋转,再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电,有效的将风能转化成电能。风力发电机组结构示意图如下。 1、叶片 2、变浆轴承 3、主轴 4、机舱吊 5、齿轮箱 6、高速轴制动器 7、发电机 8、轴流风机 9、机座 10、滑环 11、偏航轴承 12、偏航驱动 13、轮毂系统 各主要组成部分功能简述如下 (1)叶片叶片是吸收风能的单元,用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。由叶片、轮毂、变桨系统组成。每个叶片有一套独立的变桨机构,主动对叶片进行调节。叶片配备雷电保护系统。风机维护时,叶轮可通过锁定销进行锁定。 (2)变浆系统变浆系统通过改变叶片的桨距角,使叶片在不同风速时处于最佳的吸收风能的状态,当风速超过切出风速时,使叶片顺桨刹车。 (3)齿轮箱齿轮箱是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机,并使其得到相应的转速。 (4)发电机发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。明阳se

机组采用是带滑环三相双馈异步发电机。转子与变频器连接,可向转子回路提供可调频率的电压,输出转速可以在同步转速±30%范围内调节。 (5)偏航系统偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式,与控制系统相配合,使叶轮始终处于迎风状态,充分利用风能,提高发电效率。同时提供必要的锁紧力矩,以保障机组安全运行。 (6)轮毂系统轮毂的作用是将叶片固定在一起,并且承受叶片上传递的各种载荷,然后传递到发电机转动轴上。轮毂结构是3个放射形喇叭口拟合在一起的。 (7)底座总成底座总成主要有底座、下平台总成、内平台总成、机舱梯子等组成。通过偏航轴承与塔架相连,并通过偏航系统带动机舱总成、发电机总成、变浆系统总成。 se型风电机组主要技术参数如下: (1)机组: 机组额定功率:1500kw 机组起动风速:3m/s 机组停机风速: 25m/s 机组额定风速: m/s (2)叶轮: 叶轮直径: 叶轮扫掠面积:5316m2 叶轮速度: 叶轮倾角: 5o 叶片长度: 叶片材质:玻璃纤维增强树脂 (3)齿轮箱: 齿轮箱额定功率:1663kw 齿轮箱转速比: (4)发电机: 发电机额定功率:1550kw

风力发电机组变桨距

随着国家新能源发展战略的提出和实施,我国风电产业进入跨越式发展的阶段。本文从分析我国风力发电的现状出发,在总结分析风力发电技术发展的基础上,对我国风电发展过程中存在的主要问题进行了探讨分析,提出了相关建议。 关键词:风力发电;现状;技术发展 能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主,它不仅资源有限,而且造成了严重的大气污染。因此,对可再生能源的开发利用,特别是对风能的开发利用,已受到世界各国的高度重视。风电是可再生、无污染、能量大、前景广的能源,大力发展风电这一清洁能源已成为世界各国的战略选择。我国风能储量很大、分布面广,开发利用潜力巨大。近年来我国风电产业及技术水平发展迅猛,但同时也暴露出一些问题。总结我国风电现状及其技术发展,对进一步推动风电产业及技术的健康可持续发展具有重要的参考价值。 1我国风力发电的现状 2005年2月,我国国家立法机关通过了《可再生能源法》,明确指出风能、太阳能、水能、生物质能及海洋能等为可再生能源,确立了可再生能源开发利用在能源发展中的优先地位。2009年12月,我国政府向世界承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%,把应对气和变化纳入经济社会发展规划,大力发展包括风电在内的可再生能源与核能,争取到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右。 随着新能源产业成为国家战略新兴产业规划的出台,风电产业迅猛发展,有望成为我国国民经济增长的一个新亮点。 我国自上世纪80年代中期引进55kW容量等级的风电机投入商业化运行开始,经过二十几年的发展,我国的风电市场已经获得了长足的发展。到2009年底,我国风电总装机容量达到2601万kW,位居世界第二,2009年新增装机容量1300万kW,占世界新增装机容量的36%,居世界首位[1,2]。可以看出,我国风电产业正步入一个跨越式发展的阶段,预计2010年我国累计装机容量有望突破4000万kW。 从技术发展上来说,我国风电企业经过“引进技术—消化吸收—自主创新”的三步策略也日益发展壮大。随着国内5WM容量等级风电产品的相继下线,以及国内兆瓦级机组在风电市场的普及,标志我国已具备兆瓦级风机的自主研发能力。同时,我国风电装备制造业的产业集中度进一步提高,国产机组的国内市场份额逐年提高。目前我国风电机组整机制造业和关键零部件配套企业已能已能基本满足国内风电发展需求,但是像变流器、主轴轴承等一些技术要求较高的部件仍需大量进口。因此,我国风电装备制造业必须增强技术上的自主创新,加强风电核心技术攻关,尤其是加强风电关键设备和技术的攻关。 2风力发电的技术发展 风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。目前在风能发电领域,研究难点和热点主要集中在风电机组大型化、风力发电机组的先进控制策略和优化技术等方面。 2.1风力发电机组机型及容量的发展 现代风力发电技术面临的挑战及发展趋势主要在于如何进一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作为提高风能利用率和发电效率的有效途径,风力发电机单机容量不断向大型化发展。从20世纪80年代中期的55kW容量等级的风电机组投入商业化运行开始,至1990年达到250kW,1997年突破1MW,1999年即

第5章-风力发电机组机械传动系统-答案

风力发电技术与风电场工程 第五章练习题 习题答案 一、填空题 1、风力发电机组机械传动系统是指将风轮获得的空气动力以机械方式传递到发电机的整个轴系及其组成部分,由主轴、齿轮箱、联轴器、制动器和过载安全保护装置等组成。 2、传统的采用齿轮箱增速的风力发电机组传动系统形式按照主轴轴承的支撑方式,以及主轴与齿轮箱的相对位置来区分,主要有两点式、三点式、一点式和内置式四种。 3、直驱型风力发电机组的发电机分为外转子和内转子两种形式。 4、半直驱指采用比传统机组齿轮增速比较小的齿轮增速装置,使发电机的技术减少,从而缩小发电机的尺寸,便于运输和吊装。 5、主轴支撑风轮并将风轮的扭矩传递给齿轮箱,将轴向推力、气动弯矩传递给底座。 6、作用在主轴的载荷除了与风轮传来的外载荷有关外,还与风轮(主轴)的支撑形式的相对位置有关。 7、联轴器用于连接两传动轴,一般由两个半联轴节及连接件组成。 8、联轴器除了能传递所需的转矩外,还应具有补偿两轴线的相对位移或位置偏差,从而减小振动与噪声以及保护机器等性能。 9、常用的联轴器有刚性联轴器和弹性联轴器两种。 10、主轴与齿轮箱输入轴(低速轴)连接处应用刚性联轴器,在发电机与齿轮箱输出轴(高速轴)连接处应采用弹性联轴器。 11、机组制动包括机械制动、气动制动和发电机制动。 12、在风力发电机组中,最常用的机械制动器为液压盘式制动器。 13、常见的轮齿失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形等。 14、在标准条件下齿轮箱的机械效率应达到大于97%。 15、齿轮箱的润滑方式有飞溅式、压力强制润滑式或混合式。 16、为了提高承载能力,齿轮一般都采用优质合金钢制造。 17、齿轮箱第一次换油应在首次投入运行500小时后进行,齿轮箱应每半年检修一次。 18、齿轮箱常见的故障有齿轮损伤、轴承损坏、断轴和油温高等。 19、齿轮箱油温最高不应超过80℃,不同轴承间的温差不得超过15℃。 20、偏航系统有被动偏航系统和主动偏航系统两种。 21、机舱可以两个方向旋转,旋转方向由接近开关进行检测。 22、偏航系统一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、纽缆保护装置、偏航液压装置等部件组成。 23、目前变桨系统执行机构主要有液压变桨距和电动变桨距两种,按其控制方式可分为统一变桨和独立变桨两种。 24、目前变桨距机组大多采用三个桨叶统一控制的方式,即三个桨叶变换是一致

风力发电机偏航系统控制

题目:风力发电机偏航系统控制 风力发电机偏航系统控制 摘要 本文介绍了风力机的偏航控制机构、驱动机构的基础上,采用PLC作为主控单元,设计了风电机组的偏航控制系统。系统根据风向、风速传感器采集的数据,采取逻辑控制主动对风,实现了对风过程可控。论文给出了基于风向标、风速仪的偏航控制系统的软硬件设计结果。 关键词:

Wind turbine yaw control system Abstract In this paper, the wind turbine yaw control mechanism, drive mechanism, based on the use of single-chip PLC as the main control unit, designed for wind turbine yaw control system. Systems based on wind direction, wind speed data collected by sensors, logic control to take the initiative on the wind, to achieve controllability of the wind process. Papers are given based on the wind direction, wind speed sensor yaw control system hardware and software design. Key words:Wind turbine ;Yaw control system;

探究大型风力发电机组变桨后备电源管理系统设计120

探究大型风力发电机组变桨后备电源管理系统设计 摘要:当今我国风力发电技术变得愈加成熟,在大型风力发电机组变桨系统当中,为了保障整个系统的安全性与可靠性,通常都要配置变桨后备电源,这就需 要做好后备电源管理系统设计工作,提高风力发电机组运行的有效性。基于此, 本文首先提出蓄电池在变桨控制系统中的应用,进而从软硬件两个方面提出后备 电源管理系统设计。 关键词:大型风力发电机组;后备电源;管理系统;变桨;设计 引言 工业的不断发展,虽然经济有所提升,但是资源、能源紧缺问题却愈加严重。为了能够实现可持续发展道路的战略,加强可再生能源的研究与研究已经成为了 必然趋势,降低对传统能源的依赖性。风力发电是继火力发电、水利发电的又一 大发展体系,是当今电力领域研究的热点话题。风力发电技术作为当今能源领域 的新研究方向,已经从最初的几十千瓦逐渐升到了兆瓦级。但总体上来说,我国 风力发展技术还有很大的发展空间,特别是对于大型风力发电机组变桨问题来说,为了保证风力发电系统运行安全,需要全面加强后备电源管理工作,因此加强后 备电源管理系统设计尤为重要。 1蓄电池在变桨控制系统中的应用原理 结合能量守恒的原理,在能源转化当中,会在数量、时间、物质形态产生一 定差异。储能技术就是一种能量转化的“中介”,通过能量存储与释放,从而提高 能量转化与应用的灵活性。蓄电池作为化学储能的一种,具有易存储、易运输的 优势,在当今风电领域中的应用十分广泛。 为了可以提高大型风力发电系统的可靠性,变桨控制系统电源通常要设置备 用方案。后备电源主要是起到了紧急收浆的作用。如果大型风力发电机组产生了 故障问题,一组蓄电池可以为紧急变桨控制提供动力,在直流母线上并联电池组,之后统一安装到变频器上,在风电机正常运行当中,只需要通过浮点来保持电压 即可,假如在运行当中因为故障断电,系统会自动将直流电传输给变频器,变频 器通电之后即可实现相应功能,带动伺服电机运行实现收浆。 2硬件系统设计 2.1电源电路设计 (1)电池组串充电源 电源作为风电机的重要驱动装置,保证电源运行质量可以确保设备运行效率 以及运行安全性。这就需要保证电源电路设计的科学性。大部分电源管理系统都 是采用了4节电池组串充方法,电压为52VDC,因此主要的电源电路中需要融入 +52V电源电路。在实践应用当中需要采用MC34063芯片,包含了DC/DC变换器 各种功能,由单片机统一控制电路。 (2)其他电源 +15V电源,电路由MC34063芯片产生+15V电源,相比+52V电源,+15V电 源主要是采用了MC34063降压变换器形式;+5V电源,主要是采用了稳压块 7808芯片,之后通过+15V电源转化而来;+12V电源当中,主要是通过VOLTREG7812稳压块来实现相关功能,由+15V电源驱动。运行稳压7812模块过 程中,输入电源要比输出电源更大一些,通常为2V以上。 2.2 LED显示系统 LED驱动系统应用DIP-8开关和单片机I/O输出端口连接,个女警单片机实际

风力发电机变桨系统

风力发电机变桨系统 1 综述 变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。 变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速,进而控制风机的输出功率,并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。 风机的叶片(根部)通过变桨轴承与轮毂相连,每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。 风机正常运行期间,当风速超过机组额定风速时(风速在12m/s到25m/s之间时),为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间(变桨角度根据风速的变化进行自动调整),通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置(执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置)。 变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作(比如变桨系统的主电源供电失效后),因此变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机(叶片顺桨到91度限位位置)。此外还需要一个冗余限位开关(用于95度限位),在主限位开关(用于91度限位)失效时确保变桨电机的安全制动。 由于机组故障或其他原因而导致备用电源长期没有使用时,风机主控就需要检查备用电池的状态和备用电池供电变桨操作功能的正常性。 每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在电机的非驱动端(电机尾部),还配有一个冗余的绝对值编码器安装在叶片根部变桨轴承内齿旁,它通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动记录变桨角度。 风机主控接收所有编码器的信号,而变桨系统只应用电机尾部编码器的信号,只有当电机尾部编码器失效时风机主控才会控制变桨系统应用冗余编码器的信号。 2 变浆系统的作用 根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发电机有一个恒定转速;利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90°与风向平行,使风机停机。 3 主要部件组成

风力发电机偏航系统控制

摘要 能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。风力发电作为一种可持续发展的新能源,不仅可以节约常规能源,而且减少环境污染,具有较好的经济效益和社会效益,越来越受到各国的重视。 由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点,风力发电机组是复杂多变量非线性不确定系统,因此,控制技术是机组安全高效运行的关键。偏航控制系统成为水平轴风力发电机组控制系统的重要组成部分。风力发电机组的偏航控制系统,主要分为两大类:被动迎风偏航系统和主动迎风系统。前者多用于小型的独立风力发电系统,由尾舵控制,风向改变时,被动对风。后者则多用大型并网型风力发电系统,由位于下风向的风向标发出的信号进行主动对风控制。本文设计是大型风力发电机组根据风速仪、风向标等传感器数据,对风、制动、开闸并确定起动,达到同步转速一段时间后,进行并网操作,开始发电。 本文介绍了风力机的偏航控制机构、驱动机构的基础上,采用PLC作为主控单元,设计了风电机组的偏航控制系统。系统根据风向、风速传感器采集的数据,采取逻辑控制主动对风,实现了对风过程可控。论文给出了基于风向标、风速仪的偏航控制系统的软硬件设计结果。 关键词:风力发电机;风向标;偏航控制系统;驱动机构

目录 第1章绪论 (2) 1.1 课题的背景和意义 (2) 1.2 国内风力发电的发展 (3) 第2章风力发电机组系统组成及功能简介 (5) 2.1 风力机桨叶系统 (5) 2.2 风力机齿轮箱系统 (6) 2.3 发电机系统 (7) 2.4 偏航系统 (8) 2.6 刹车系统 (8) 2.8 控制系统 (8) 第3章偏航控制系统功能和原理 (10) 3.1 偏航控制机构 (10) 3.1.1 风向传感器 (10) 3.1.2 偏航控制器 (12) 3.1.3 解缆传感器 (12) 3.2 偏航驱动机构 (13) 3.2.2 偏航驱动装置 (15) 3.2.3 偏航制动器 (16) 第4章偏航控制系统设计及结果分析 (18) 4.1 偏航系统控制过程分析 (18) 4.1.1 自动偏航 (18) 4.1.2 90度侧风控制 (19) 4.1.3 人工偏航控制 (20) 4.1.4 自动解缆 (20) 4.1.5 阻尼刹车 (21) 4.2 偏航控制系统总体设计结构与思想 (22) 4.3 偏航控制系统设计各组成器件简介、选型及原理 (22) 总结与展望 (23) 参考文献 (24) 致谢 (24)

新能源风力发电机组传动系统

风力发电机齿轮箱简介 摘要 随着全球经济的迅速发展和人类生活水平的日益提高,对能源的需求越来越大,环境的破坏也渐趋严重,新能源的开发及利用是当今社会发展的必然趋势。风能作为一种清洁环保的绿色能源受到世界各国的青睐,而将风能转化为电能的装置--风力发电机的研究也是现在的一大热门主题。本文主要介绍了风力发电机传动系统的主要部分--齿轮箱,对其设计要求、结构类型、零部件进行了介绍,同时结合自身专业知识进对其工作环境、存在的失效故障问题进行了简单研究。 关键词:新能源;风力发电机;齿轮箱;工作环境;失效问题 ABSTRACT With the rapid development of global economy and the increasing of human living standard, the demand for energy is more and more large, the destruction of the environment is also becoming more serious, thedevelopment of new energy and utilization is the inevitable trend of social development.Wind power as a kind of clean and environmental protection green energy is favored by countries around the world, and the device which changes wind energy into electrical energy--wind turbine, theresearch of it is now a hot topic. The paper mainly introduced the drive system of wind turbines--gearbox, the design requirements, structure types and main components of it are introduced. At the same time, according to the own professional knowledge,the work environment and the existing questionabout fault has been simply studied by according to the own professional knowledge. Keywords:new energy sources;wind turbine;gear box;the work environment;the failure problems

风电场风力发电机组调试作业指导书

附件9 中国国电集团公司 风电场风力发电机组调试作业指导书 1目的 本作业指导书是为规范风力发电机组的现场调试工作编制,主要包含了风力发电机组现场调试工作的项目、步骤和记录,为保证调试工作的标准化提供了参考依据。 2 范围 本作业指导书适用于中国国电集团公司全资或控股建设的风力发电机组的现场调试工作,各项目公司应参照本指导书要求,结合风力发电机组型号,分别编制对应机型的调试作业指导书。 现场具体机型的调试作业指导书应包括但不限于本作业指导书中涉及到的技术内容。 3引用标准和文件 《风力发电机组通用试验方法》GB/T 19960.2-2005 《风力发电机组功率特性试验》GB/T 18451.2-2003,IEC61400-12:1998 《风力发电机组控制器试验方法》GB/T 19070-2003 《风力发电机组齿轮箱》GB/T 19073-2003 《风力发电机组验收规范》GB/T 20319-2006 《电能质量公用电网谐波》GB/T 14549-93 《风力发电机组异步发电机试验方法》JB/T 19071.2-2003 《风力发电场安全规程》DL 796-2001 《风力发电机组偏航系统第2部分试验方法》JB/T 10425.2-2004 《风力发电机组制动系统第2部分试验方法》JB/T 10426.2-2004 《风力发电机组一般液压系统》JB/T 10427-2004 《风力机术语》JB/T 7878-1995 4 术语和定义 本作业指导书中的术语及定义均参照《风力机术语》使用。 根据风力发电机组不同机型具体调试内容的差异,本指导书所涉及的特定术语的指示或有不同,宜根据调试的具体机型编制适用的术语和定义。 5 调试前的准备 调试前须确认风力发电机组、配电变压器等相关设备安装工作已通过验收,无遗留缺陷;检查基础接地报告检测数据合格;风力发电机组已具有紧急情况下能够使用的安全设备(安全带、安全绳、安全滑轨等)、灭火器、急救装置等。 5.1技术文件准备 (1)调试方案。 (2)调试技术手册:各零部件说明书及接线图,必要的电气、液压、机械图纸、机组通讯连接拓扑图等。 (3)对应机组的参数列表。

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