风力发电机组的电气控制Word格式.docx

风力发电机组的电气控制Word格式.docx

《风力发电机组的电气控制Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《风力发电机组的电气控制Word格式.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

最后介绍一种新型风力发电机组—锥形转子机组（柔性发电）的设想，据估计可以节省约30%投资。

2风力涡轮机特性

风力发电机组输出给电网的是电功率，在制定控制策略前，需要知道原动机功率与什么有关。

风力涡轮机的输出功率是风速、转速和桨叶倾角的三维非线性函数。

在桨叶倾角β固定为最小值条件下，输出功率P/PN与涡轮机转速n/nN的关系示于图1。

从图1中看中，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应的转速越高。

如果能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。

图1P/PN=f（n/nN）

涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角β有关，关系曲线示于图2，图中横坐标为桨叶尖速度比λ，纵坐标为输出功率系数CP。

λ＝ωmR／V

（1）

式中:

ωm是涡轮机角速度，R是桨叶半径，ωmR是桨叶尖线速度，V是风速。

图2CP=f（λ）

在图2中，每个倾角对应一条CP=f（λ）曲线，倾角β越大，曲线越靠左下方。

每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，λ加大，CP减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点），它是工作区段。

在工作区段中，倾角β越大，λ和CP越小。

3恒速发电和变速发电

现在使用的风力发电技术有两大类:

恒速发电和变速发电。

（1）恒速发电

恒速发电采用笼形异步电机，其动力系统和电机的机械特性示于图3。

图3恒速发电系统和笼形电机的机械特性

发电时涡轮机拖动异步发电机转动，转速略超过同步转速后，转差率S和转矩Te变负，电机工作于发电状态。

由于只工作在机械特性的线性区，转差率很小（S<

5%），风速变化时转速基本恒定，所以称恒速发电。

随风速变化，通过调整桨叶倾角（pitchangle）β来控制输出功率和转速。

恒速发电的特点:

电气系统简单，适合在野外、缺少维护的环境工作。

由图1知，由于转速不变，涡轮机只能在某一风速下工作于最大出力点，风速变化时，将偏离最大点，降低发电效率。

转速不变，输出功率和转速的控制全靠倾角控制完成，要求倾角控制响应快，动作次数多，调节机构易疲劳损坏。

强阵风来时，转速不变，机械承受应力大，要求坚固，所以又称“刚性”风力发电。

综合上述特点，恒速发电适合用于小功率，通常不大于600kW。

（2）变速发电

变速发电采用同步发电机或双馈发电机（绕线异步机），风速变化时，转速也随之变化，通过电力电子变换器，使电机接入恒频（50Hz）、恒压电网发电。

通常转速在±

33%范围内变化，风速小时调转速，强风来时调桨叶倾角β。

由于采用了电力电子变换器，变速发电的电气系统较复杂，但能取得如下好处:

在不同风速下，涡轮机都工作在最高效率点，提高出力10%。

强阵风来时，转速适当升高，部分风能贮存于机械惯量中（风力发电机组机械惯量很大），减小电机电磁转矩脉动和机械承受的应力，减轻机械强度要求，所以又称“弹性”风力发电。

由于电磁转矩脉动小，发出电力的波动小，提高发电质量。

风速小时调转速，倾角维持最小值不变，倾角控制器不工作。

在强风来时倾角控制器才工作，且响应可以减缓，动作次数减少，机构寿命延长。

综合上述特点，变速发电适合用于大功率，通常大于1000kW。

4两种变速发电系统

有两种变速发电系统:

采用同步发电机的直接在线系统和采用双馈电机（绕线异步机）的双馈系统。

（1）同步发电机的直接在线系统

直接在线系统示于图4，同步电动机输出的频率和电压随转速变化的交流电，经一台单象限IGBT电压型交-直-交变频器接至恒压、恒频（50Hz）电网。

图4同步发电机的直接在线系统

直接在线系统的特点:

发电机发出的全部电功率都通过变频器，变频器容量需按100％功率选取，比双馈系统容量大，投资和损耗大，谐波吸收麻烦。

可以使用永磁发电机，电机轻，效率高，变换器增加的投资可以从机械结构的节约中得到补偿。

变频器中的交－直变换可以用二极管整流+直流斩波，简单。

（2）采用双馈电机（绕线异步机）的双馈系统

双馈系统示于图5，绕线异步机的定子直接联电网，转子经四象限IGBT电压型交-直-交变频器接电网。

图5采用双馈电机的双馈系统

转子电压和频率比例于电机转差率，随转速变化而变化，变频器把转差频率的转差功率变换为恒压、恒频（50Hz）的转差功率，送至电网。

由图5

P=Ps-PR;

PR=SPs;

P=（1-S）Ps

（2）

P是送至电网总功率，Ps和PR分别是定子和转子功率。

转速高于同步速时，转差率S<

0，转差功率流出转子，经变频送至电网，电网收到的功率为定、转子功率之和，大于定子功率;

转速低于同步速时，S>

0，转差功率从电网，经变频器流入转子，电网收到的功率为定、转子输出功率之差，小于定子功率。

双馈系统的特点:

在变频器中仅流过转差功率，其容量小，通常按发电总功率的25％左右选取（转速变化范围±

33％），投资和损耗小，发电效率提高2-3％，谐波吸收方便。

由于要求双方向功率流过变频器，它必须是四象限双PWM变频器，由两套IGBT变换器构成，价格约是同容量单象限变频器的一倍。

只能使用双馈电机，比永磁电机重，效率低。

综上，两种变速发电系统都有应用，其中以双馈系统应用较多。

5变速发电的控制

变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。

（1）三段控制要求

低风速段（n<

NN），按输出最大功率要求进行变速控制

联接不同风速下涡轮机功率-转速曲线的最大值点，得TARGET=f（n）关系，把PTARGET作为变频器的给定量，通过控制，使风力发电实际输出功率P=PTARGET。

图6是风速变化时的调速过程示意图。

设开始工作于A2点，风速增大至V2后，由于惯性影响，转速还没来得变，工作点从A2移至A1，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于V2的曲线向A3移动，最后稳定于A3点。

风速减小至V3时的转速下降过程也类似，将沿B2-B1-B3轨迹运动。

图6调速过程示意图

中风速段为过渡区段，电机转速己达额定值（n=nN），而功率尚未达到额定值（P<

PN）。

倾角控制器投入工作，风速增加时，控制器限制转速升，而功率则随风速增加上升，直至P=PN。

高风速段为功率和转速均被限制区段（n=nN，P=PN），风速增加时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制PTARGET值）。

（2）双馈系统的变频器控制

双馈系统变频器由电机侧PWM变换器和电网侧PWM变换器两部分组成，控制框图示于图7和图8，其中图8是图7中电网侧PWM变换器的控制框图。

图7双馈系统变流器控制框图

图8电网侧PWM变换器控制框图

双馈系统电机侧PWM变换器控制的输入给定量为送至电网的总有功功率设定PGset和总无功功率设定QGset。

PGset按PTARGET=f（n）曲线设定（含最大值限制），QGset根据电网所需无功量设定，也可设为零（功率因数=1）。

经有功功率及无功功率两个PI调节器的总有功电流和无功电流给定值，计及式

（2）关系，得定子电流和转子电流的有功和无功分量给定值，通过基于矢量变换的电流控制（解耦和旋转模块），使定、转子电的有功和无功分量实际值（iSdq和iRdq）分别等于其给定值。

旋转模块所需之角度信号φVS是定子电压向量VS的相位角（用三相电压信号计算得到），φVS－φr是φVS角与用编码器测得的转子位置角φr之差。

电网侧PWM变换器控制的输入给定量为直流母线电压给定信号VDCset，经直流电压PI调节器，输出该变换器输入电流iGC的有功分量给定iGCpset。

通常设定iGC的无功分量给定iGCqset=0。

通过由两个直流电流PI调节器和两个旋转模块构成的基于矢量变换的电流控制，使变换器输入电流iGC的有功和无功分量实际值分别等于其给定值。

旋转模块所需之角度信号也是定子电压向量VS的相位角φVS。

若转速高于同步速，转差率S<

0，iGCpset<

0，表示有功电流从变换器流入电网，这時如果风速增大，更多功率从电机转子流出，直流母线电压VDC将升高，iGCpset的数值将加大（更负），更多的有功电流经电网侧变换器流向电网，VDC回落，直至返回设定值VDCset。

（3）桨叶倾角控制

桨叶倾角控制通过液压执行机构来实现，它在变速控制中的任务是:

在转速随风速增加升至额定转速后，通过加大倾角β来维持转速不变。

由于倾角与涡轮机功率、转速之间存在非线性关系，宜采用非线性或智能控制器，但目前工程上使用的仍大多是线性PID控制器。

要用线性控制器去控制非线性对象，必须使闭环控制限于小信号，输出量的大范围变化宜通过改变开环设定量实现。

系统框图示于图9。

图9桨叶倾角控制系统框图

图9中倾角β主要由开环给定量βref所决定，βref从维持n=nN要求出发，通过用风速信号和涡轮机特性计算得到。

闭环系统的给定是额定角速度ωref=（2πnN）/60，反馈量是角速度实际值ωr，PID控制器的输出是倾角给定的校正量Δβ，通过闭环校正开环给定误差，使转速实际值维持在其额定值附近不变。

在低风速段，控制器输出置零（Δβ=0），βref设置到最小值，倾角被固定在最小位置。

为防止机件疲劳损坏，需减少执行机构的动作次数，因此在控制器中设置了不灵敏区，偏差小于设定值时，执行机构不动作。

6试验结果

德国SEG公司生产的1500kW双馈式变速风力发电机组运行波形示于图10，从图10中看出:

图101500kW变速发电机组运行波形

（1）在转速n<

min到后，倾角控制才开始工作，维持输出功率在1500kw和转速在1800rmin期间，倾角控制不工作;

在n达1800r>

（2）在t=450s附近，一股强阵风突然吹来，风速达17m/s，转速短期升至约1940r/min，把部分风能贮存在机组转子的惯量中，输出功率和转矩仅很小波动，这就是变速发电的“弹性”效果。

7一个设想—锥形转子（coningrotor）风力发电机

锥形转子（coningrotor）风力发电机是一种新型风力发电技术的设想，有可能在近期实现，其外形示于图11。

图11锥形转子风力发电机外形

锥形转子风力发电机的特点是:

（1）桨叶向后倾斜，呈锥形，随风力加大，倾斜角度越大，受力减少，结构强度和重量减小;

（2）塔体由圆筒结构改为用牵索拉紧的桁架结构;

（3）采用直接驱动的低速风冷永磁同步发电机，取消增速箱，简化机构，可靠（图12）。

（双馈电机常用风-水冷却，1500r/min，需要增速箱）;

图12旋转部分示意

（4）若维持倾角液压系统适当压力不变，根据仿真结果，有可能省去倾角闭环控制;

（5）变速发电,永磁同步发电机通过一套单象限变频器接至电网,电机侧变换器为二极管整流+直流斩波,简单;

（6）由于风力发电中机械部分的价格占80％以上，估计锥形转子风机可节省投资30％左右。

变频器的主电路示于图13，由带直流斩波的整流器（电机侧变换器）和DC-AC逆变器（电网侧变换器）两大部分构成。

控制框图示于图14，其中变频器中电网侧变换器控制同图8，本图中不再画出。

图13变频器主电路

图14变频器控制框图

由图14，有功功率（PG）调节器输出直流电流（iDC）给定值，经斩波器电流控制，使PG和iDC的实际值分别等于它们的给定值。

无功功率（QG）调节器输出电网侧无功电流（iGCq）给定值，送至电网侧变换器（逆变器）控制系统（图8），使QG和iGCq的实际值分别等于它们的给定值。

8结束语

（1）变速发电适合用于1000kW以上机组，是当今主流;

（2）变速发电有同步发电机和双馈异步发电机两个方案;

（3）变速发电机组的控制有变流器控制和倾角控制两大部分:

低风速，变流器功率-转速控制;

高风速，倾角控制;

（4）锥形转子风力发电机组可能是发展方向。