第三章_双馈风力发电机运行控制.doc

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第三章

双馈型变速恒频风力发电系统运行控制

􀂄机组主结构及控制系统

􀂄运行区域及控制目标

􀂄总体控制方案

􀂄励磁变换器结构及原理

􀂄DFIG控制（机侧变换器控制）

􀂄网侧变换器控制

􀂄变桨机构及其控制

􀂄偏航机构及其控制

􀂄其他机构及控制、保护

一.机组主结构及控制系统

􀂾机组主结构：

主要的机电设备

􀂾控制系统：

微机控制软、硬件

（一）机组主结构

􀂾风轮系统

􀂾传动链系统

􀂾发电机系统

􀂾偏航/解缆系统

􀂾刹车系统

􀂾辅助系统

􀂾机组主结构示意图

1.风轮系统

􀁺桨叶

􀁺轮毂

􀁺变距（桨距）机构

2.传动链系统

􀁺低速轴

􀁺齿轮箱

􀂅多级变速，变比较大（接近100）

􀂅采用行星齿轮和正（斜）齿轮实现多级变速

􀂅润滑油冷却或加温机构

􀁺高速轴

􀁺联轴器

􀂄通用标准型膜片联轴器

􀂅连接齿轮箱和发电机

􀂅补偿轴向、径向和角度偏差

􀂅易于装拆维护

􀂅实现电绝缘

􀂅力矩限定

􀁺传动链系统布局

3.发电机系统

􀁺DFIG

􀂅发电机本体

􀂅冷却系统

􀂅保护系统

􀁺励磁变流器

􀂅四象限运行能力、输入、输出特性优良

􀂅设计容量为机组容量30％

􀂅IGBT器件，PWM调制技术

􀂅动作频率为数kHz-十几kHz

􀁺并网机构

4.偏航/解缆系统

􀁺偏航机构

􀂅风向标

􀂅偏航伺服电机（或液压马达）

􀂅减速装置

􀂅偏航液压制动器

􀂅偏航行星齿轮

􀁺对风/解缆操作

􀂅根据风向标控制对风

􀂅计算机控制的自动解缆

􀂅纽缆开关控制的安全链动作报警及人工解缆

􀁺偏航的作用

􀂅对风，获取最大发电量

􀂅减少斜风给机组带来的不平衡载荷

5.刹车系统

􀁺机械抱闸刹车

􀂅液压驱动和电气驱动

􀂄通过制定卡钳和连轴器上制动盘配对实现，一般在气动刹车后转速降低后采用

􀂄安装位置：

高速轴，低速轴

􀁺气动刹车

􀂅变桨控制

变桨控制系统控制桨距角为90度

􀂅偏航控制

􀁺电磁刹车

通过控制发电机电磁阻转矩实现

6.辅助系统

􀁺塔架

􀁺机舱罩

􀁺机舱底盘

􀁺变压器

􀁺防雷系统及电气保护装置

􀁺冷却系统

􀁺发热部件

􀁺液压系统

􀁺齿轮箱

􀁺发电机

􀁺变频器

􀁺冷却方式：

空气冷却，液体冷却，混合冷却

􀁺其他部分

（二）控制系统

1.概述

􀁺与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。

它不仅要监视电网风况和机组运行参数，

而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。

不要小看风力发电控制，它是高科技，曾经的国家级科技攻关计划，沈阳工业大学曾经申请过863计划。

为什么是高科技？

主要是由几个方面：

①风的随机性

②风电机组工作环境恶劣，对控制系统可靠性要求较高

③叶片设计制造技术需要很高的空气动力学基础

④高功率大容量的变频器具有很高的工艺和控制难度。

􀁺比较普遍采用的是分布式控制系统。

分为三个控制柜

①塔底柜

②变流柜

③机舱柜

一般情况下，塔底柜和变流柜都位于塔筒内部，而机舱柜在机舱内。

塔底柜和机舱柜通过光线通信，变流柜和塔底柜则一般是工业Ethernet网联络。

2.结构与功能

􀁺结构

􀂄硬件系统和软件系统

􀂄主控制器和从控制器

􀁺功能

􀂄运行控制

􀂋变桨距控制、偏航控制、刹车控制、变流器（发电机）控制

􀂋本地控制与远程控制

􀂄信号采集与监视

􀂋采集量：

电压、电流、频率、功率、转速、油温、压力

􀂋本地监视与远程监视

3.主从分布式控制系统

􀁺主控制器（PLC,PID控制算法）

􀂄变桨控制

􀂄偏航控制

􀂄制动控制

􀂄参数监视与远程通讯

􀂄系统级控制协调

􀂄主控制器实现案例

􀁺从控制器（DSP，矢量动态控制算法）

􀂄机侧变流器控制

􀂄网侧变流器控制

􀂄从控制器实现案例

二.运行区域及控制目标

􀂾主要运行区域

􀂾各运行区域的控制目标

（一）主要运行区域

1.运行区域的划分

一般按照风速和机组运行特性分为

五大运行区域：

􀁺并网区

􀁺MPPT（maximumpowerpointtrack）区

􀁺转速限制区（过渡区）

􀁺功率限制区

􀁺切出停机区

不同运行区域的功率特性

2.不同运行区域的风能系数

（二）各运行区域的控制目标

三.总体控制方案

􀂾总体控制方案主要内容

􀂾几种典型总体控制方案

􀂾优选总体方案及其优越性

（一）.总体控制方案主要内容

􀁺总体控制方案指在不同运行区域内主、从控制器间的分工与协调控制方法。

􀁺不同运行区域指并网区、MPPT区、转速限制区、功率限制区、切出停机区。

􀁺主控制器中主要讨论变桨控制部分，从控制器即指发电机控制。

（二）.几种典型总体控制方案

􀁺典型总体控制方案概述

􀁺不同方案中各运行区域的划分标准和实现措施一致。

􀁺在并网区、切出停机区内各总体控制方案基本一致。

􀁺在MPPT区内，各总体控制方案变桨控制一致（桨距角固定为接近零度），发电机控制则体现为具有不同的MPPT策略，大致可分为直接转速控制和间接转速控制两种模式。

􀁺转速限制区为（由MPPT区到功率限制区的）过渡区域，可由变桨控制或发电机控制限速。

􀁺功率控制器内变桨控制和发电机控制同时起作用，该区域内两个控制功能间的协调非常重要，协调方案众多构成了总体控制方案的多样性。

􀁺几种典型总体控制方案

德国AERODYN公司GD77/82（1.5MW）机组控制算法

四.励磁变换器结构及原理

􀂾DFIG转子励磁电源的要求

􀂾双PWM变流器的结构特点

（一）DFIG转子励磁电源的要求

工作状态可逆，能量可以双向流动输入、输出特性优良，对电网的造成的谐波污染小在不降低电网功率因数条件下，具备一定的产生无功功率的能力

（二）双PWM变流器的结构和特点

采用高频全控器件IGBT、SVPWM调制方式，消除了低次谐波

直流环节具有电容，具备产生一定无功功率的能力

由两个结构和功能相对独立的PWM变换器组成

两个PWM变换器运行状态可控，可实现可逆运行，能量可双向流

全控器件变换器

拓扑及调制波形

（三）双PWM变流器的原理

基本调制技术SPWM（正弦PWM）技术

SVPWM（空间矢量PWM）技术

五.DFIG控制（机侧变换器控制）

􀂾DFIG的特性及数学模型

􀂾DFIG功率解耦控制策略

􀂾DFIG并网控制策略

（一）.DFIG的特性及数学模型

DFIG优势

转子励磁电流幅值、相位、频率均可调，有功功率、无功功率均可调

可实现变速恒频运行，适用于风力、潮汐等绿色发电领域

可实现与电网的柔性并网，并网特性优良

VSCF实现原理

DFIG功率特性

DFIG有功功率关系

结论：

􀂾DFIG转子侧的有功功率流向与发电机运行区域有关

􀂾DFIG亚同步运行时，功率由电网流入转子；超同步运行时，由转子流入电网

DFIG数学模型

（二）.DFIG功率解耦控制策略

􀁺基于DFIG功率控制的MPPT

􀁺DFIG参考功率的计算

􀁺基于定子磁链定向矢量控制的功率解耦

1.基于DFIG功率控制的MPPT

􀁺MPPT控制的机理

􀁺由风力机特点知道，其风能转换系

数Cp与叶尖速比λ和桨距角β有

关，为后两者非线性函数。

改变λ

和β均能调节Cp，控制吸收风能的

多少。

􀁺单独调节λ或单独调节β虽然均会

使Cp提高，但是只有两者共同参与

调节才使可能Cp最大，实现真正意

义上的MPPT。

􀁺MPPT控制的策略

􀁺由变桨控制桨距角β实现，常用于恒速机组，变桨变速机组较少采用。

非真正意义MPPT。

􀂄恒速机组转速不能改变，因此风速变化时叶尖速比λ不受控，很难调整到最佳叶尖速比。

􀂄风速变化时通过桨距角β调整风能转换系数Cp，可使Cp得到一定程度的提高，但很难提高到最佳状态。

􀁺桨距角固定为零，由发电机控制转速（保持最佳叶尖速比λ）实现。

变速机组常用。

真正意义MPPT。

􀂅直接转速控制模式

􀂄检测风速方式

􀂄不检测风速方式，如爬山法

􀂅间接转速控制模式

􀂄功率控制模式

􀂄转矩控制方式

基于DFIG功率控制的MPPT机理

􀁺双馈变桨变速机组能量转换关系

风力机轴上输入的净机械功率（扣除损耗后）为，发电机定子向电网输出的电磁功率为，转子输入/输出的电磁功率为，s为转差率，转子转速小于同步转速时为正，反之为负。

又称为转差功率，它与定子的电磁功率存在如下关系（数值关系）

如果将定义为转子吸收的电磁功率，那么将有

此处s可正可负，即若，则，转子从电网吸收电磁功率，若，则，转子向电网馈送电磁功率。

下面考虑发电机超同步和亚同步两种运行状态下的功率流向

（1）超同步运行状态，顾名思义，超同步就是转子转速超过电机的同步转速时的一种运行状态，我们称之为正常发电状态。

（因为对于普通的异步电机，当转子转速超过同步转速时，就会处于发电机状态。

）

图（3-5）超同步运行时双馈电机的功率流向

根据图中的功率流向和能量守恒原理：

流入的功率等于流出的功率

因为发电机超同步运行，所以，上式可以进一步写成

将上述式子归纳得：

超同步速，，

图（3-6）超同步速时双馈电机的功率流向示意图

（2）亚同步运行状态，即转子转速低于同步转速时的运行状态，我们可以称之为补偿发电状态（在亚同步转速时，正常应为电动机运行，但可以在转子回路中通入励磁电流使其工作于发电状态）

图（3-7）亚同步运行时双馈电机的功率流向

根据图中（3-7）以及能量守恒原理，流入的功率等于流出的功率

由于亚同步运行时，所以上式可以化成

将上述式子归纳得到：

亚同步速，，

图（3-8）亚同步运行时双馈电机的功率流向示意图

综合超同步和亚同步两种运行状态可以得到下面的一般关系

与的关系为

与的关系为

超同步时有，亚同步时有

以上推导的是稳态的机械功率与电磁功率的关系，但是在实际的风况中，风力机都是处于动态中，Pmech和（1-s）P1在动态中会不相等，这就使得风力机的转速发生变化。

在某特定风速下通过DFIG功率控制可改变发电机的电磁转矩,从而调整机组至最佳转速，实现MPPT。

􀁺由DFIG功率控制实现MPPT的原理及方法

DFIG的电磁功率控制规律取为

2.DFIG参考功率计算

􀁺参考有功功率计算

根据前面可得到DFIG参考电磁功率Pe，但由于DFIG定子输出有功功率P1意义更明确且易于检测，通常作为直接控制对象根据DFIG功率特性（Pe和P1关系）分析，可得实现MPPT的DFIG定子输出参考有功功率

􀁺参考无功功率计算

参考无功功率的计算原则有很多