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1、华北电力大学 刘其辉风力发电技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2011.5.3 风力发电技术风力发电基本知识 双馈式风电机组运行与控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章 双馈式风力发电系统运行与控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20纵览n机组主结构及控制系统n运行区域及控制目标n总体控制方案n励磁变换器结构及原理nDFIG控制（机侧变换器控制）n网侧变换器控制n变桨机构及其控制n偏航机构及其控制n其他机构及控制、保护第二章：双馈式风电机组运行与控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.2
2、0一.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、硬件第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制（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华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制机组主结构示意图华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制1. 风轮系统l
3、桨叶l轮毂l变距（桨矩）机构华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制2. 传动链系统l低速轴l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 l高速轴l联轴器华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制n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华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制l传动链系统布局华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.
4、6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制3. 发电机系统lDFIG发电机本体冷却系统保护系统l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kHzl并网机构华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制4.偏航/解缆系统l偏航机构风向标偏航饲服电机（或液压马达）减速装置偏航液压制动器偏航行星齿轮l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华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制
5、l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华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制 5.刹车系统l机械抱闸刹车 *液压驱动和电气驱动n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n安装位置：高速轴，低速轴l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 l电磁刹车通过控制发电机电磁阻转矩实现华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制6.辅助系统l塔架l机舱
6、罩l机舱底盘l变压器l防雷系统及电气保护装置 华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制l冷却系统l发热部件l液压系统l齿轮箱l发电机l变频器l冷却方式：空气冷却，液体冷却，混合冷却l其他部分华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）控制系统1. 概述l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。l比较普遍采用的是分布式控制系统。信号处理通常有两个 独立
7、的计算机或高速数字信号处理芯片。主控制器在地面 控制室的开关柜内,从机设在机舱内。主控制器监控风轮 所有的运行状态。主控制器和从控制器间通过光纤达到可 靠快速地交换信息。华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制2. 结构与功能l结构n硬件系统和软件系统n主控制器和从控制器l功能n运行控制u变桨距控制、偏航控制、刹车控制、变流器（发电机）控制u本地控制与远程控制n信号采集与监视u采集量：电压、电流、频率、功率、转速、油温、压力u本地监视与远程监视华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制3. 主从分
8、布式控制系统l主控制器（PLC, PID控制算法）n变桨控制n偏航控制n制动控制n参数监视与远程通讯n系统级控制协调华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制n主控制器实现案例华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制l变流控制器（DSP，矢量动态控制算法）n机侧变流器控制n网侧变流器控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制n变流控制器实现案例（硬件配置）华
9、北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制n变流控制器实现案例（软件算法）华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20英国EU-ENERGY WIND公司SEG1250型风机变频器控制系统第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20二. 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第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制（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：
10、 l并网区 lMPPT区 l转速限制区（过渡区） l功率限制区 l切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制并网控制区域转速控制区域最大风能追踪区域功率控制区域不同运行区域的功率特性华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制(a)最大风能追踪区；(b)转速限制区域；(c)功率限制区域。 2. 不同运行区域的风能系数华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）各运行区域的控制目标并网区在合适速度下 控制发电机端 电压符合并网 条件并并网并网
11、控制额定风速切入风速切出风速追踪风速变化，保 持最佳叶尖速比， 转换最大风能MPPT区MPPT控制转速限制区限制机组转速不超 过极限转速限制极限转速限制机组输出功率 等于机组额定功率限制额定功率功率限制区输出功率降 为零并切出 停机切出停机切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20三. 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第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20（一）. 总体控制方案主要内容l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。l不同运行区域指并网区、
12、MPPT区、转速 限制区、功率限制区、切出停机区。l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。第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20（二）.几种典型总体控制方案l典型总体控制方案概述l不同方案中各运行区域的划分标准和实现措施一致。l在并网区、切出停机区内各总体控制方案基本一致。l在MPPT区内，各总体控制方案变桨控制一致（桨距角 固定为零），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。l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。l功率控制
13、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。第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20l几种典型总体控制方案第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20n方案一 *第二章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适 转速；发电机 控制空载电压 ，符合并网条 件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固 定为零；发电机控 制功率实现MPPTMPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制限制极限 转速；发电机控制 功率输
14、出限制极限转速变桨控制合适转速 ；发电机控制功率 实现额定功率输出限制额定功率功率限制区变桨控制顺 桨实现启动 刹车，发电 机控制离网切出停机切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20n方案二 第二章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适 转速；发电机 控制空载电压 ，符合并网条 件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固 定为零；发电机控 制转矩实现MPPTMPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制限制极限 转速；发电机控制 功率（或转矩）输 出限制极限转速变桨控制合适转速 ；发电机控制功率 实现额定功率输出限制额定功率功率限制区变桨控制顺 桨
15、实现启动 刹车，发电 机控制离网切出停机切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20n方案三第二章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适 转速；发电机 控制空载电压 ，符合并网条 件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固 定为零；发电机控 制转速实现MPPT( 检测风速)MPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制桨距角固 定为零； 发电机控 制转速限制转速越 限限制极限转速变桨控制功率实现 机组额定功率输出 ；发电机控制合适 转速限制额定功率功率限制区变桨控制顺 桨实现启动 刹车，发电 机控制离网切出停机切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院
16、刘其辉2008.6.20n方案四*第二章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适 转速；发电机 控制空载电压 ，符合并网条 件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固 定为零；发电机控 制转速实现MPPT( 不检测风速)MPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制桨距角固 定为零； 发电机控 制转速限制转速越 限限制极限转速变桨控制功率实现 机组额定功率输出 ；发电机控制合适 转速限制额定功率功率限制区变桨控制顺 桨实现启动 刹车，发电 机控制离网切出停机切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20l几种方案的比较l第一种方案前四个运行区域内变桨控制和发电 机控制的控制目标分别是转速和功率，运行区 域改变时不需控制目标的切换，控制器设计简 单。需要设计发电机功率控制器。该方案的一
