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1、交流励磁变速恒频风力发电技术,浙江大学 贺益康 教授,到2006年底，全球装机容量达到7422万 kW。 在最近的5年内，风力发电以约30的增长率逐年递增。,全球风力发电的概况,风力发电的发展现况,全球风电的总容量和年装机容量的变化情况,风电机组单机容量的增长情况,风力发电的发展现况,现代化的风力发电，已不只是一台风力机和一台发电机的简单组合，而是一个高度集成了空气动力学、机械学、电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学以及电力系统分析、继电保护技术、先进控制技术和数据通讯等各方面知识为一体的复杂的机电能量转换系统。,风力发电技术的发展概况,发展趋势,MW级单机容量的发电系统运行,风力机的变桨
2、距功率调节方式,发电机的变速恒频发电方式,风力机与发电机直接驱动方式,从陆地到海洋拓展,电网故障下风电系统的不间断运行方式,风力发电技术的发展概况,风力发电技术的分类,风力发电技术的发展概况,变速恒频发电方式,风力发电技术的发展概况,类型,全功率变换变速恒频风力发电系统,转差功率变换变速恒频风力发电系统,全功率变换的变速恒频风力发电系统（含齿轮箱）,风力发电技术的发展概况,全功率变换的变速恒频风力发电系统 （永磁直驱型）,风力发电技术的发展概况,转差功率变换（双馈异步发电机 (DFIG ) ） 变速恒频风力发电系统,风力发电技术的发展概况,关键技术研究,变速恒频双馈发电技术,DFIG基本运行控
3、制,交流励磁电源,电网故障下DFIG风电系统运行与控制,变速恒频双馈风力发电对励磁电源的要求,电网电压对称故障下DFIG风电系统不间断运行,电网电压不对称故障下DFIG风电系统控制策略,讨论,VSCF的实现机理,DFIG运行控制,恒定,nm,f2,DFIG的优势,双馈异步发电机 (DFIG )运行控制,VSCF风力发电 系统运行区域,最大风能追踪机理,风力机运行特性,风力机输入风能，输出机械能。其输出功率为：,其中Cp为风能转换系数，与叶尖速比、浆叶节距角有关。 wRw/v。,风力机最佳功率为：,最大风能追踪机理,1.实现最大风能追踪，本质就是在风速发生变化时调节机组转速，保持最佳叶尖速比。
4、2.实现最大风能追踪，可以通过风力机控制实现，也可以通过发电机控制实现。 3.实现最大风能追踪，可以检测风速，也可以不检测风速。 采用不需要检测风速、通过发电机功率控制实现最大风能追踪的方案。其原理是：通过控制发电机输出功率来控制机组转速，以求在风速变化时保持最佳叶尖速比，实现最大风能追踪。,最大风能追踪实现,最大风能追踪机理,DFIG 的P、Q解耦矢量控制策略,DFIG的控制目的：实现P、Q解耦控制，进而实现最大风能追踪 将矢量变换技术移植到DFIG控制上，导出基于定子磁链定向的DFIG矢量控制策略。,最大风能追踪机理,须建立M-T同步旋转坐标系中DFIG数学模型,DFIG的数学模型,DFI
5、G运行控制,DFIG 的P、Q解耦矢量控制策略,在定子磁链定向下：,其中,最大风能追踪机理,根据DFIG数学模型得,最大风能追踪机理,最大风能追踪机理基于定子磁链定向的DFIG的P、Q解耦矢量控制,最大风能追踪机理,交流励磁变速恒频风力发电实验系统结构图,最大风能追踪捕获实验,最大风能追踪机理,实验装置,P、Q解耦变速恒频运行实验结果,最大风能追踪机理,nm=850r/min,nm=1000r/min,nm=1100r/min,各运行区域下且P1=3000W、Q1=2000Var时DFIG定子电压、电流,最大风能追踪机理,各运行区域下且P1=2000W、Q1=0Var时DFIG定、转子电流及转
6、子电流频谱,nm=850r/min,nm=1000r/min,nm=1100r/min,最大风能追踪机理,DFIG输出变化时定子电压&定子电流，定子电流&转子电流,P1=0to2000W,Q1=0Var,P1=0,Q1=-2000Var to 2000Var,P1=1000w,Q1=2000Var to -2000Var,最大风能追踪机理,最大风能追踪控制实验结果,追踪阶跃式最大风能过程中DFIG定、转子电流,最大风能追踪机理,最大风能追踪过程中机组转速、风速；输出功率,最大风能追踪机理,P、Q解耦实验波形,最大风能追踪机理,柔性并网技术,空载并网实质是提取电网的电压信息，采用矢量变换技术对发
7、电机进行控制，调节其空载电压使其满足并网条件。,AC-VSCF风力发电机空载并网控制,空载时DFIG定子电流为零，即,，代入DFIG一般数学模型，得到空载数学模型：,定、转子电压方程：,柔性并网技术,柔性并网技术,柔性并网技术,柔性并网技术,空载并网控制结构原理图,nm=850r/min 亚同步,nm=1000r/min 同步速,nm=1100r/min 超同步,并网前，DFIG定子电压和转子励磁电流,空载并网控制实验,柔性并网技术,电网电压与DFIG定子电压,并网瞬间定、转子电流无冲击,1100r/min,850r/min,柔性并网技术,并网过程，DFIG定子电压和转子励磁电流,交流励磁电源
8、,DFIG转子励磁电源的要求,工作状态可逆，能量可以双向流动,输入特性优良，对电网的造成的谐波污染小,输出特性良好，以确保DFIG定子侧发出的电能符合电网的要求,输出电压控制能力强，以增强整个系统的故障不间断运行能力,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,成本低,目前可供选择的几种变换器,交流励磁电源,贺益康, 何鸣明，赵仁德.双馈风力发电机交流励磁用变频电源拓扑浅析. 电力系统自动化，2006, 30(4):105-112.,两电平电压型双PWM变换器,交流励磁电源,交流励磁电源,电压型双PWM变换器结构分析,不足,交流励磁电源,DFIG的有功功率关系,DFIG转子侧的有
9、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。 转子变频器须有功率双向流动能力,交流励磁电源,亚同步运行,超同步运行,双PWM型变换器结构特点,由两个结构和功能相对独立的PWM变换器组成,交流励磁电源,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,交流励磁电源,网侧变换器控制实验,DFIG输出变化时网侧变换器直流环节电压和交流侧电流,交流励磁电源,网侧变换器工作状态的切换和能量的双向流动,交流励磁电源,整流,逆变,整流,逆变,nm=1000r/min 同步速,nm=850r/min 亚同步,nm=1100r/min 超同
10、步,交流励磁电源,DFIG定子电流（上）、转子励磁电流（下）,优良的变速恒频励磁特性,电网故障下DFIG风电系统运行,DFIG风电机组能够在电网出现连续对称或不对称故障时 仍保持不脱网穿越运行（Fault-Ride Through， FRT）！,非理想电网条件下 （电网电压对称跌落、不平衡等故障）,风机单机容量 增加（ MW级）,研 究 背 景,电网故障下DFIG风电系统运行,转子侧变换器,网侧变换器,考虑到两变换器的控制方式,电网故障下DFIG风电系统运行,不同电网故障下DFIG的控制策略,在研国家自然科学基金项目（50577056 ）和国家高技术研究发展计划（863计划） （20077AA
11、05Z419） 专题课题,小值电网电压不对称故障，采用基于SFO、SVO的新型不对称控制策略；,大值 电压跌落或严重电压不平衡时，以保护有限容量变换器 不过流和直流环节无过电压为目标的快速短接保护(Crowbar)技术。,适用于德国电网的低电压穿越标准EON 规定了：在电网电压跌落到某一幅值时，风力发电机能否跳机， 以及与电网维持连接多长时间方可跳机。,电网故障下DFIG风电系统运行,DFIG低电压穿越运行的控制目标： (1) 保持电网故障期间不脱网运行，以防发电机从电网解列引发弱电网更大的后继故障； (2) 保持连续、稳定地提供无功功率以协助电网电压恢复，减小电网电压崩溃的可能； (3) 释
12、放故障能量，抑制短路电流，保护励磁变频器和直流母线电容； (4) 保持电磁转矩瞬态幅值在转轴和齿轮可承受范围之内(约22.5倍额定转矩)； (5) 延缓转速上升，防止飞车。,电网故障下DFIG风电系统运行,带 Crowbar 保护的变速恒频双馈异步风力发电系统 示意图,电网故障下DFIG风电系统运行,提出新型双dq PLL 解决电网电压不对称故障下电压同步信号的有效检测. 将电网电压向量Us分解为正序向量Us+和负序向量Us-，分别变换到正向同步旋转d+q+坐标系和反向同步旋转dq坐标系中，以实现正、负序间的解耦；再通过分相序调节，获得正序和负序分量的频率、相位和幅值，为风电机组的故障运行提供
13、依据。,电网故障下DFIG风电系统运行,工作展望 后续研应集中在真实电网条件下的运行控制, 包括 电网电压跌落下的低电压穿越以及电网不对称故障下的 运行控制, 以获得具有自主知识产权的关鍵技术。,构建适用于广义低电压穿越（LVRT）运行的DFIG风电机组 控制模型。即电网故障、电压不平衡下，包括DFIG本体、 转子侧变换器、网侧变换器在内完整的DFIG风电机组 正、负序d-q轴控制模型，以形成整个DFIG风电系统故障 穿越运行分析、控制方案设计的依据。,DFIG风电系统后续研究工作展望,DFIG风电机组的运行控制主要是功率控制，因此电网故障 不平衡电压下正序、负序、有功、无功功率指令的控制算法
14、、 根据功率指令形成的正、负序d-q轴电流的快速有效调节、以及 如何综合分量电流最终形成实际电流控制指令而又保证转子侧 变流器不过流是实现风电系统广义低电压穿越的 技术核心和实现基础。,DFIG风电系统后续研究工作展望,研究快速短接保护装置的 优化电路结构 投入和切除时间的选择 网侧变换器的无功补偿控制 对形成大值电网电压故障下DFIG风电机组的有效 保护、有利于电网故障后电网电压的快速恢复 十分关键。,DFIG风电系统后续研究工作展望,风电机组的运行控制多采用电网电压定向的矢量控制, 为获得 控制基准, 常采用鎖相环对电网电压频率、相位进行检测。 电网故障下电压不对称, 包含负序分量及各类谐
15、波, 必须研究 故障电网条件下的全新锁相环技术, 以构成不对称电网条件下 正、负序系统分解的基础和实施有效控制的前提。,DFIG风电系统后续研究工作展望,故障电网条件下的全新锁相环技术研究已获得初步成果并已申请专利保护.,电网故障时不平衡电压系统向正、负序对称分量系统的 无时延控制是实现电网故障下DFIG有效动态控制、 实现电网故障穿越运行的技术前提， 须从理论、技术、实现诸方面深入研究和解决。,电网故障时不平衡电压系统向正、负序对称分量系统的无时延控制技术研究已获得初步成果并已申请专利保护.,DFIG风电系统后续研究工作展望,Question and Answer,Thank you for your listening,
