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1、风电场电气工程,华北电力大学,第4章 风电机组的输出特性与运行控制,章节设置 4.1 风电机组运行原理 4.2 笼型感应风电机组的运行特性与控制 4.3 双馈感应风电机组的运行特性与控制 4.4 直驱式永磁同步风电机组的运行特性,第4章 风电机组的输出特性与运行控制,教学目标： 理解风力机的运行特性与发电机的基本运行原理，以及风电 机组并网换流器的电路结构和工作原理，掌握鼠笼型感应风 电机组、双馈感应式风电机组和直驱式永磁同步风电机组的 输出特性和控制原理，了解三种风电机组的基本运行操作。,第4章 风电机组的输出特性与运行控制,知识点 风力机的运行特性； 三种发电机的运行原理； 鼠笼型感应风电
2、机组的输出特性与控制原理； 双馈感应式风电机组的输出特性与控制原理； 直驱式永磁同步风电机组的运行特性与控制原理； 三种风电机组的运行操作。,4.1 风电机组运行原理,4.1.1 风力机的运行特性 4.1.2 发电机的运行原理 4.1.3 并网换流器的结构和原理,4.1.1 风力机的运行特性,风力机的机械功率可用下式表达： Cp为风能利用系数，是可以控制的 。根据Bet，风力 机Cp的理论最大值是0.59，实际值通常在0.47左右。 叶尖速比，常用表示为： 风能利用系数Cp与叶尖速比的关系大致如下图所示： 为了使Cp维持最大值，当风速变化时，风力机转速也需要随 之变化，使之运行于最佳叶尖速。,
3、4.1.1 风力机的运行特性 不同风速下（风速v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v6）风力机 的输出功率特性，如下图：,4.1.2 发电机的运行原理,1.同步发电机 同步发电机的工作原理示意图： 从而在定子绕组中产生感应电动势。若定子绕组接有外部闭 合回路，就会有电流从定子绕组流入外电路，或者说有功率 送到外电路。,同步发电机的转子绕组中要通入直流励磁电流，形成相对于转子静止的恒定磁场。当转子在风力机的驱动下以转速n旋转时，转子磁场将随着转子一起以转速n旋转。,1.同步发电机 定子旋转磁场的转速n1由定子绕组中流过的交流电流的频率 f1决定，还与定子铁心的磁极对数p有关，其关系为 同步发
4、电机的定子电流主要是感应出来的，事实上，定子电 流的频率反过来是由转子的转速（在同步机中，转子转速n 等于同步速n1）决定的，即,2.异步发电机 异步发电机的工作原理下图所示：,异步机的定子绕组与外电路相连，当绕组中流过对称的三相电流时，就会形成同步旋转磁场。仍假设定子旋转磁场的转速为n1，当异步机的转子在风力机的驱动下，以转速n旋转时，转子绕组的导体与定子旋转磁场之间有n-n1的转速差。该转速差造成转子绕组与定子磁场之间相对运动，因而会在转子绕组中感应出电动势，同时在闭合的转子绕组回路中产生电流。,2.异步发电机 异步电机转子中感应电流的频率应为 转子磁场相对于定子绕组的转速为 转子磁场相对
5、于定子绕组的转速为 定子绕组中电流的频率f1 为 转差率的定义为,3.交流励磁式发电机 交流励磁式发电机，是在转子绕组中通入低频交流励磁电流。 励磁电流是外部提供的，因而可以进行准确控制，从而影响 到发电机中的相对运动速度。 当转子以转速n旋转时，如果能够控制转子绕组励磁电流的、 频率f2，使得转子磁场相对于转子本身的转速n2（可以与转 子旋转方向相同或相反）始终满足 则可以在发电机转速n发生变化的情况下，仍能保持定子输 出电压频率恒定。,4.1.3 并网换流器的结构和原理,目前，应用于风力发电中的电力电子换流器主要是基于全控 型电力电子器件的交-直-交（AC-DC-AC）电压源型变流器（ V
6、oltage Source Converter,VSC）。 4.1.3.1 三相电压源型变流器的基本工作原理 三相电压源型变流器（VSC）的原理结构如下图：,4.1.3.1 三相电压源型变流器的基本工作原理 以A相输出控制为例，分析电压源型变流器的工作原理：当 可关断器件VT1开通、VT2处于关断状态时，正向直流端和交 流侧A相连，相对于直流侧电源假想中点的交流输出电压跳 变为Udc/2。当可关断器件VT1关断、VT2开通时，负向直流 端和交流侧A相连，相对于直流侧电源假想中点的交流输出 电压跳变为-Udc/2。 具体波形见下图： 表达式为：,4.1.3.2 背靠背四象限电压源型变流器联网运行
7、特性 背靠背电压源型变流器是由两个结构相同的电压源型变流器 以背靠背方式、通过中间的直流环节耦合而成。如下图： VSC1、VSC2分别通过断路器与交流电网相联，相关接线如 下：,4.2 笼型感应风电机组的运行特性与控制,4.2.1 笼型感应风电机组的运行原理 4.2.2 笼型感应风电机组的风速-功率特性 4.2.3 笼型感应风电机组的运行控制,4.2 笼型感应风电机组的运行特性与控制,4.2.1 笼型感应风电机组的运行原理 笼型感应电机等效电路图 ：,上图：笼型感应电机T型等效电路,下图： 笼型感应电机型等效电路,4.2.1 笼型感应风电机组的运行原理 根据型等效电路图 ，可得： 发电机发出的
8、有功功率Ps： 其中： 发电机组发出的无功功率为 笼型感应电机运行于发电状态时，s0。 运行于电动状态（s0），还是发电状态（s0），笼型电机 发出的无功功率都小于零，即需要外部电源提供无功。,4.2.2 笼型感应风电机组的风速-功率特性 下图为金风公司750kW笼型感应恒速恒频风电机组的风速- 功率曲线，切入风速为4m/s，额定风速为15m/s，切出风速 为25m/s。,1.风速高于切入风速时，随着风速的逐渐增大，风电机组输出功率也随之增大，直到风速达到额定风速时，风电机组输出功率也达到额定值；,2.当注入风速进一步增加、超过额定风速时，定桨距风力机叶片的气动特性开始发生变化而失速，导致风轮
9、的风能捕获效率降低，限制叶片吸收过大的风能，风力机所捕获的风功率维持在额定值附近，达到限制功率的目的，从而使发电机组的输出功率也维持在额定值附近。,4.2.2 笼型感应风电机组的风速-功率特性 下图为笼型感应发电机的有功-无功曲线：,随着风电机组出力的增加，发电机组从电网吸收的无功功率也随之增加。,故通常需要在发电机定子侧安装一定容量的电容器以进行无功功率补偿，改善风电机组的联网运行性能。,因此，多台笼型风电机组联网运行需要从电网吸收大量的无功功率，而容易导致风电机组接入点电压下降。,4.2.3 笼型感应风电机组的运行控制 笼型感应风电机组的运行控制主要包括机组起动控制、待机 检测并网控制、发
10、电时的电容器投切控制、定桨距失速控制 和停机控制。 1.机组起动控制 （1）电动机起动 风力发电机组在静止状态时，先把发电 机用作电动机，将机组起动到额定转速。 （2）风力机自起动 风力机自起动是指风力发电机组在风速 超过切入风速时，由风力机将机组起动到某一设定转速（额 定转速附近）。,4.2.3 笼型感应风电机组的运行控制 2.待机检测并网控制 笼型感应风力发电系统中的并网方法主要有以下三种。 （1）直接并网 在并网时发电机的相序与电网的相序相同， 当风力驱动的笼型感应发电机转速接近同步转速时即可自动 并入电网。 （2）降压并网 在异步电机与电网之间串接电阻或电抗器或 者接入自耦变压器，以达
11、到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值 及电网电压下降的幅度。 （3）通过晶闸管软并网 在异步发电机定子与电网之间，通 过基于双向晶闸管的软启动器并网。,4.2.3 笼型感应风电机组的运行控制 3.电容器投切控制 通常在笼型感应发电机端口安装一定容量的电容器（机组额 定容量的20%，以减小发电机组对电网无功功率的需求。 4.定桨距失速控制 当风速变化并且超过额定速度时，风力机叶片失速，效率降 低，限制叶片吸收过大的风能，风力机所捕获风功率维持恒 定，即定桨距失速。 5.停机控制 当检测到风速持续超过切出速度时，为了保证风电机组的运 行安全，风力机制动，风力机停止旋转；同时，发电机组并 网开关断开，机组
12、退出电网运行。,4.3 双馈感应风电机组的运行特性与控制,4.3.1 双馈感应风电机组的功率传输特性 4.3.2 双馈感应风电机组的运行控制原理 4.3.3 双馈感应异步风电机组的运行操作 4.3.4 双馈感应异步风电机组的撬杠保护*（选修）,4.3.1 双馈感应风电机组的功率传输特性 双馈感应风电系统的原理图如下：,双馈感应式发电机是交流励磁式发电机。,背靠背四象限变流器，用于为转子绕组提供频率可调的交流励磁电流。,4.3.1 双馈感应风电机组的功率传输特性 忽略电机定转子绕组铜耗时，双馈感应发电机的功率具有 如下关系 （1）亚同步发电状态(00，由双馈发电机定子绕组馈入电网。转差功率Ps0
13、，双馈发电机转子需要馈入能量，由电网通过“背靠背”四象限变流器提供给双馈发电机转子绕组，双馈发电机实际发电功率为(1-s)Pem。,4.3.1 双馈感应风电机组的功率传输特性 （2）超同步发电状态(s0，由电机定子绕组馈入电网；转差功率Ps0，由转子绕组经变流器将其馈入电网，电机实际发电功率为(1+|s|)Pem，即除定子向电网馈送电能外，转子也经过背靠背四象限变流器向电网馈送一部分电能。 （3）同步发电状态（s=0）此时Pem=Pmec，机械能全部转化为电能并通过定子绕组馈入电网，转子绕组仅提供较小容量的直流励磁功率。,4.3.2 双馈感应风电机组的运行控制原理 如果风力机的运行控制策略是在
14、不同的风速下追求最大输出 功率（Popt），由于转速r与风速成比例，则功率就随着3 和r3增加，转矩随着2和r2增加。 用于控制策略的发电机转矩-转速特性曲线，如下图所示。,AB点之间，风电机组运行在几乎恒定的转速下,BC在最大功率跟踪阶段，转矩-转速特性曲线符合公式Topt=Koptr2。,DE段断风速继续增加，风力机转矩超过其额定值，此时电磁转矩恒定。,4.3.3 双馈感应异步风电机组的运行操作 当风速超过切入风速时，并持续一段时间之后，控制系统发 出机组起动命令。机组开始起动时，风力机桨距角不调节， 风力机叶片处于最有利于风能捕获方向位置。 背靠背四象限变流器控制系统将完成以下控制任务：
15、 （1）“背靠背”四象限变流器的并网过程操作 （2）双馈感应发电机的并网操作,4.3.4 双馈感应异步风电机组的撬杠保护*（选修） 为防止过压或过流对转子侧变流器所造成的危害，通常在转 子侧安装撬杠（Crowbar）保护电路对变流器进行保护。 Crowbar的基本原理为：当检测到转子绕组电流超过所整定 阈值时，Crowbar保护动作，将短接双馈感应发电机的转子 绕组，切除转子侧变流器，达到保护转子变流器的目的。 1.被动式Crowbar保护电路,4.3.4 双馈感应异步风电机组的撬杠保护*（选修） 2.主动式Crowbar保护电路,主动式Crowbar保护和被动式Crowbar保护的基本保护原
16、理相同。两者的不同点之处在于：被动式Crowbar保护电路主要采用不可控电力电子元件作为投切控制开关，不能按电网要求在任何需要的时候马上恢复转子侧变流的正常工作。,4.4 直驱式永磁同步风电机组的运行特性,4.4.1 永磁同步发电机的外特性 4.4.2 直驱式永磁同步风电机组的运行控制原理 4.4.3 直驱式永磁同步风电机组的运行操作,4.4.1 永磁同步发电机的外特性 永磁同步发电机的稳态等效电路图,永磁同步发电机定子绕组的电压可以表示为,当电机负载运行时，由于永磁同步发电机励磁不可调，故定子电枢绕组电流所产生的磁动势将影响气隙磁场的分布和大小，使得机端电压将随负载变化而变化。,固有电压调整率来描述负载对发电机端电压的影响：,4.4.2 直驱式永磁同步风电机组的运行控制原理 直驱式永磁同步风电机组的运行控制，主要包括风力机桨距 角控制、永磁同步发电机组发电控制和接口变流器联网运行 控制。 采用背靠背四象限变流器的永磁同步风电机组网接线如下：,4.4.3 直驱式永
