风力发电机组的电气控制Word格式.docx

1、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1 P/PN=f（n/nN）涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角有关，关系曲线示

2、于图2，图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系数C P。m RV （1） 式中:m是涡轮机角速度，R是桨叶半径，mR是桨叶尖线速度，V是风速。图2 C P=f（）在图2中，每个倾角对应一条C P=f（）曲线，倾角越大，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，加大，C P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，倾角越大，和C P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

3、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（S5%），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（pitch angle）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，

4、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。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

5、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

6、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5P=Ps-PR ; PR=SPs ; P=（1-S）Ps （2

7、）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S0，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

8、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（nNN），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

9、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= n N），而功率尚未达到额定值（PP N）。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=P N。高风速段为功率和转速均被限制区段（n=n N，P= P N），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

10、输入给定量为送至电网的总有功功率设定PG set和总无功功率设定QG set。PG set按PTARGET=f（n）曲线设定（含最大值限制），QG set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（iS dq 和iR dq）分别等于其给定值。旋转模块所需之角度信号VS是定子电压向量VS的相位角（用三相电压信号计算得到），VS r是VS角与用编码器测得的转子位置角r之差。电网侧PWM

11、变换器控制的输入给定量为直流母线电压给定信号VDC set，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iGC p set。通常设定iGC的无功分量给定iGC q set =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VS。若转速高于同步速，转差率S0，iGC p set0，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，iGC p set的数值将加大（更负），更多的有功电流经电网侧变

12、换器流向电网，VDC回落，直至返回设定值VDC set。（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中倾角主要由开环给定量ref所决定，ref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ref=（

13、2nN）/60，反馈量是角速度实际值r，PID控制器的输出是倾角给定的校正量，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（=0），ref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10 1500kW变速发电机组运行波形（1） 在转速n （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

14、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（coning rotor）风力发电机锥形转子（coning rotor）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

15、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（iGC q ）给定值，送至电网侧变换器（逆变器）控制系统（图8），使QG和iGC q 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。