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1、风力发电原理谭剑锋第六章 风力发电机组的控制及安全第六章 风力发电机组的控制需要掌握：需要掌握：风力发电机的控制技术风力机控制发电机控制风力发电机组检测风力发电机组安全保护一、控制技术一、控制技术 风的随机性风的随机性风电并网风电并网最最佳佳风风能能利利用用及及安安全全发电机控制发电机控制风风力力发发电电机机控控制制技技术术风力机控制风力机控制系统参数检测系统参数检测安全保护安全保护一、控制技术一、控制技术 1 1、基本控制要求、基本控制要求l控制对象：风轮和发电机控制对象：风轮和发电机l目目 标：风力机最佳风力利用效率和额定功率运行及标：风力机最佳风力利用效率和额定功率运行及安全安全l阶阶
2、段：段：停机状态停机状态低于额定风速状态低于额定风速状态高于额定风速状态高于额定风速状态极限风速的停机状态极限风速的停机状态一、控制技术一、控制技术 n控制基本构型控制基本构型一、控制技术一、控制技术 l风轮控制：桨距角风轮控制：桨距角(输入输入)，转速，转速(输出输出)l发电机控制：励磁电流、转差速率等发电机控制：励磁电流、转差速率等(输入输入)，电压、频率、功，电压、频率、功率等率等(输出输出)兆瓦级发电机组：普通异步发电机、双馈式异步发电机、直驱兆瓦级发电机组：普通异步发电机、双馈式异步发电机、直驱式永磁发电机式永磁发电机l普通异步发电机：控制发电机的并网与脱网，补偿电容器的普通异步发电
3、机：控制发电机的并网与脱网，补偿电容器的切换控制切换控制l双馈式异步发电机双馈式异步发电机l直驱式永磁发电机直驱式永磁发电机发电机的并网与脱网，变流器变频发电机的并网与脱网，变流器变频n基本控制参数基本控制参数一、控制技术一、控制技术 n发电机控制构型发电机控制构型l普通异步发电机普通异步发电机l双馈式异步发电机双馈式异步发电机l直驱式永磁发电机直驱式永磁发电机一、控制技术一、控制技术 l变流器：电子器件组成的交变流器：电子器件组成的交-直直-交变频器，实现交流电的频率变化交变频器，实现交流电的频率变化l双馈异步发电机：转子电流频率与电网频率存在差别，需进变流双馈异步发电机：转子电流频率与电网
4、频率存在差别，需进变流器实现与电网频率同步器实现与电网频率同步l直驱永磁发电机：定子电流频率与电网频率存在差别直驱永磁发电机：定子电流频率与电网频率存在差别l对电机的控制通过对变流器的控制实现对电机的控制通过对变流器的控制实现n控制系统基本要求控制系统基本要求发电机并网与脱网，并网时对电网和机组的冲击最小，平稳并发电机并网与脱网，并网时对电网和机组的冲击最小，平稳并网，脱网时机组不能超速、安全停机网，脱网时机组不能超速、安全停机实时对风，解缆实时对风，解缆各部件温度控制各部件温度控制故障报警和停机故障报警和停机安全链系统安全链系统一、控制技术一、控制技术 n控制系统基本功能控制系统基本功能根据
5、风速信号自动进入起动状态或从电网自动切除根据风速信号自动进入起动状态或从电网自动切除根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制根据风向信号自动对风根据风向信号自动对风根据电网和输出功率要求自动进行功率因素调整根据电网和输出功率要求自动进行功率因素调整当发电机脱网时，能确保机组安全停机当发电机脱网时，能确保机组安全停机实时监测和记录，并自行判断和采取保护措施实时监测和记录，并自行判断和采取保护措施风电场运行具有远程通信功能风电场运行具有远程通信功能抗干扰和防雷保护措施抗干扰和防雷保护措施一、控制技术一、控制技术 2 2、控制系统结构、控制系统结构双馈风力发电
6、机组控制系统双馈风力发电机组控制系统l底部变流器柜：双馈发电机的并网底部变流器柜：双馈发电机的并网 及发电机发电过程控制及发电机发电过程控制l塔筒控制柜：塔筒控制柜： 风力发电机组的控制、风力发电机组的控制、 显示操作和通信显示操作和通信l机舱控制柜：机舱控制柜： 机组制动、偏航及机组制动、偏航及 液压系统、变速箱等液压系统、变速箱等 温度调节，各参数、温度调节，各参数、 风速、风向检测风速、风向检测一、控制技术一、控制技术 单台风力发电机通过网络与中央监控系统通信，实现风电场监单台风力发电机通过网络与中央监控系统通信，实现风电场监控控一、控制技术一、控制技术 3 3、控制过程、控制过程l无人
7、值守、自动起动、并无人值守、自动起动、并网、发电、停机网、发电、停机l待机状态、起动状态、欠待机状态、起动状态、欠功率运行状态、功率运行状态、额定功率运行状态、正常停额定功率运行状态、正常停机状态、紧急停机状态机状态、紧急停机状态n待机状态待机状态机组运行部件均检测正常，风速低于机组运行部件均检测正常，风速低于3.5m/s。执行机构和信号处于实时监控状态，制动盘松开，执行机构和信号处于实时监控状态，制动盘松开，叶尖扰流器收回，处于顺桨状态叶尖扰流器收回，处于顺桨状态一、控制技术一、控制技术 n起动过程起动过程风速增加，风轮转速增加到一定转速，为并网做好准备风速增加，风轮转速增加到一定转速，为并
8、网做好准备10min电网电压及频率正常，风速超过电网电压及频率正常，风速超过3.5m/s，控制器、，控制器、执行机构和检测信号正常，桨距从顺桨转至合适角度。执行机构和检测信号正常，桨距从顺桨转至合适角度。定桨距风力发电机起动在定桨距风力发电机起动在电动机电动机提高转速提高转速(发电机发电机)n机组并网过程机组并网过程机组转速达到额定转速，合闸开关接入电网机组转速达到额定转速，合闸开关接入电网l普通异步发电机：机组转速接近同步转速，晶闸管开始触发普通异步发电机：机组转速接近同步转速，晶闸管开始触发导通，导通角随转速增加而增大，当转速达到同步转速，晶导通，导通角随转速增加而增大，当转速达到同步转速
9、，晶闸管完全导通，超过同步转速进入发电，旁路接触器闭合，闸管完全导通，超过同步转速进入发电，旁路接触器闭合，晶闸管停止触发晶闸管停止触发l双馈发电机：控制交流器控制转子交流励磁完成，控制励双馈发电机：控制交流器控制转子交流励磁完成，控制励磁电压幅值、频率、相位、相序实现，容易并网。磁电压幅值、频率、相位、相序实现，容易并网。一、控制技术一、控制技术 l直驱发电机：直驱发电机：控制全功率变流器控制全功率变流器完成并网。首先起动网侧变流完成并网。首先起动网侧变流器调制单元给直流母线预充电，接着起动电机侧变流器调制单器调制单元给直流母线预充电，接着起动电机侧变流器调制单元并检测机组转速，跟踪电网电压
10、、电流波形与相位。电机达元并检测机组转速，跟踪电网电压、电流波形与相位。电机达到一定转速，全功率变流器控制功率模块和变流器网侧电抗器、到一定转速，全功率变流器控制功率模块和变流器网侧电抗器、电容器使系统输出电压、频率等于电网电压和频率，检测电网电容器使系统输出电压、频率等于电网电压和频率，检测电网电压与变流器网侧电压相位差，相等时并网。电压与变流器网侧电压相位差，相等时并网。n欠功率运行状态欠功率运行状态风速低于额定风速，调整桨距角至最大风能处，通过发电机励风速低于额定风速，调整桨距角至最大风能处，通过发电机励磁控制调整机组转速追踪最佳叶尖速比，达到最大风能捕捉。磁控制调整机组转速追踪最佳叶尖
11、速比，达到最大风能捕捉。双馈异步发电机转差速率双馈异步发电机转差速率25%，直驱发电机，直驱发电机1022r/min，普，普通异步发电机不可调通异步发电机不可调一、控制技术一、控制技术 n额定功率运行状态额定功率运行状态风速高于额定风速，变桨距角保持输出功率在额定功率附近。风速高于额定风速，变桨距角保持输出功率在额定功率附近。风速波动风速波动 双馈异步发电机：双馈异步发电机：调整调整转差速率转差速率调整风力机转速，存储多调整风力机转速，存储多余风能，达到稳定输出功率。余风能，达到稳定输出功率。 定桨距：定桨距： 依靠依靠失速特性失速特性实现稳定输出功率。实现稳定输出功率。n停机状态停机状态正常
12、停机：桨叶顺桨正常停机：桨叶顺桨 发电机脱离电网发电机脱离电网 机械制动机械制动, (自动重自动重新启动新启动)紧急停机：快速顺桨，发电机脱网并机械制动紧急停机：快速顺桨，发电机脱网并机械制动 (安全链动作，安全链动作，人工重新启动人工重新启动)二、风力机控制二、风力机控制 风的随机性风的随机性风电并网风电并网最最佳佳风风能能利利用用及及安安全全发电机控制发电机控制风风力力发发电电机机控控制制技技术术风力机控制风力机控制系统参数检测系统参数检测安全保护安全保护二、风力机控制二、风力机控制 1 1、空气动力学原理、空气动力学原理风速变化，叶尖速比变化，功率系数变化，风速变化，叶尖速比变化，功率系
13、数变化， 对应唯一对应唯一的的l最大风能捕获控制最大风能捕获控制：风速变化，发电机功率：风速变化，发电机功率额定功率，调额定功率，调节风轮转速和桨距角，追踪最佳功率曲线，获得最大风能系数节风轮转速和桨距角，追踪最佳功率曲线，获得最大风能系数l恒功率控制恒功率控制：风速增加到额定风速，发电机的输出功率达到：风速增加到额定风速，发电机的输出功率达到额定功率附近，风速机械增加，通过增大桨距角减小发电机输额定功率附近，风速机械增加，通过增大桨距角减小发电机输出功率，维持额定功率附近出功率，维持额定功率附近二、风力机控制二、风力机控制 负攻角小攻角大攻角l主动失速变桨距控制主动失速变桨距控制：减小桨距角
14、，叶片失速限制总距：减小桨距角，叶片失速限制总距l主动变桨距控制主动变桨距控制： 增大桨距角，减小攻角，减小升力实现增大桨距角，减小攻角，减小升力实现功率限制功率限制改变攻角，改变升阻比，实现风力机转矩控制改变攻角，改变升阻比，实现风力机转矩控制起动阶段：改变合适攻角，获得最大起动力矩起动阶段：改变合适攻角，获得最大起动力矩恒功率阶段：恒功率阶段：二、风力机控制二、风力机控制 2 2、定桨距风力机控制、定桨距风力机控制控制风能吸收方式：叶片失速和主动变桨距控制风能吸收方式：叶片失速和主动变桨距n 定桨距风力机定桨距风力机风风速速增增加加升升力力增增加加升升力力变变缓缓升升力力下下降降阻阻力力增
15、增加加叶叶片片失失速速桨叶与轮毂固定连接，叶片安装角不变桨叶与轮毂固定连接，叶片安装角不变失速区域从根部扩展至尖部失速区域从根部扩展至尖部必须解决问题：必须解决问题：l风速高于额定风速时，叶片失速能桨功率限制在额定功风速高于额定风速时，叶片失速能桨功率限制在额定功率附近率附近l风力发电机组突甩电网，机组安全停机风力发电机组突甩电网，机组安全停机二、风力机控制二、风力机控制 叶片自动失速性能叶片自动失速性能：叶片翼型设计实现：叶片翼型设计实现叶片制动能力叶片制动能力：叶尖扰流器和机械制动实现：叶尖扰流器和机械制动实现n 定桨距控制定桨距控制桨距角不变，普遍采用普通异步发电机，转速不可调，最桨距角
16、不变，普遍采用普通异步发电机，转速不可调，最大功率系数对应转速固定大功率系数对应转速固定双速发电机提高低风速和高风速风能利用系数双速发电机提高低风速和高风速风能利用系数通过叶片失速特性和叶尖扰流器实现功率控制，通过叶片失速特性和叶尖扰流器实现功率控制，l优点：优点：控制系统简单，性能可靠，控制系统简单，性能可靠，l缺点：缺点：叶片重量较大，轮毂、塔架受力较大，不容易起动，叶片重量较大，轮毂、塔架受力较大，不容易起动，必须配备专门起动程序必须配备专门起动程序不适合大型风力发电机组不适合大型风力发电机组二、风力机控制二、风力机控制 n 变桨距风力机变桨距风力机3 3、变桨距风力机控制、变桨距风力机
17、控制叶片与轮毂通过变距机构连接叶片与轮毂通过变距机构连接相同额定功率点，变桨对应风速相同额定功率点，变桨对应风速定桨定桨l定桨定桨：低风速利用系数较高，接近额：低风速利用系数较高，接近额定点时，利用系数大幅下滑，超过额定点时，利用系数大幅下滑，超过额定点，叶片失速，功率下滑定点，叶片失速，功率下滑l变桨变桨：通过变桨距角，低风速最大利：通过变桨距角，低风速最大利用系数，高风速，恒定额定功率用系数，高风速，恒定额定功率兆瓦级采用兆瓦级采用二、风力机控制二、风力机控制 n 变桨距控制变桨距控制特性特性：运行工况随风速变化切换：运行工况随风速变化切换起动并网阶段：起动并网阶段：l条件：风速达到切入风
18、速并保持一定时间条件：风速达到切入风速并保持一定时间l目标：风力发电机组的升速和并网目标：风力发电机组的升速和并网l任务：发电机快速平稳升速，恒定转速任务：发电机快速平稳升速，恒定转速最大风能捕获阶段：最大风能捕获阶段：l条件：风速条件：风速额定风速，功率额定风速，功率额定风速，功率额定风速，功率额定功率额定功率l目标：功率目标：功率额定功率，额定功率，切出风速切出风速l目标：机组安全停机目标：机组安全停机l任务：叶片顺桨任务：叶片顺桨第二、四阶段桨距分别为最佳风能吸收角度和顺桨角度的第二、四阶段桨距分别为最佳风能吸收角度和顺桨角度的极端，采用开环顺序控制极端，采用开环顺序控制第一、三阶段为连
19、续控制第一、三阶段为连续控制第一阶段可采用开环和闭环控制第一阶段可采用开环和闭环控制n 功率控制功率控制首要控制目标：功率控制首要控制目标：功率控制控制目标：控制目标：l低于额定风速实现最优功率曲线低于额定风速实现最优功率曲线(最大风能捕获最大风能捕获)l高于额定风速控制功率额定值高于额定风速控制功率额定值(恒功率控制恒功率控制)二、风力机控制二、风力机控制 低于额定风速：低于额定风速：动量理论：动量理论：最佳功率与最佳功率与转速三次方成正比转速三次方成正比，消除转速控制对风速的依赖和，消除转速控制对风速的依赖和风速测量不可靠性风速测量不可靠性变桨距功率控制方式：变桨距功率控制方式：l主动失速
20、控制主动失速控制：向失速方向变桨距，失速状态气动特性精度：向失速方向变桨距，失速状态气动特性精度预测难，叶片负载和功率波动预测难，叶片负载和功率波动l变桨距控制变桨距控制：向小攻角方向变桨，是大型风力机功率控制的：向小攻角方向变桨，是大型风力机功率控制的主要方式主要方式l桨距角处于最佳风能吸收效率角度桨距角处于最佳风能吸收效率角度(23)l根据风速调整发电机转速保持最佳叶尖速比根据风速调整发电机转速保持最佳叶尖速比二、风力机控制二、风力机控制 n 功率控制特点功率控制特点风速风速额定风速，额定风速， 1最大风能捕获，转速升高最大风能捕获，转速升高 2转速达到极限，功率转速达到极限，功率额定风速
21、，额定风速， 恒功率控制恒功率控制升转速控制、并网控制、恒升转速控制、并网控制、恒Cp控制、恒转速控制、恒功率控制控制、恒转速控制、恒功率控制l多扰动因素：雷诺数多扰动因素：雷诺数(5%)，叶片沉积物，叶片沉积物(20%),电网、风速电网、风速(最大影响最大影响)l变桨距执行系统的大惯性与非线性：液压和电机变桨距执行系统的大惯性与非线性：液压和电机l气动非线性：变桨距系统的主要特性是风力机气动特性，风能气动非线性：变桨距系统的主要特性是风力机气动特性，风能利用系数曲线是桨距角和叶尖速比的非线性函数利用系数曲线是桨距角和叶尖速比的非线性函数l工况频繁切换：工况频繁切换：一、控制技术一、控制技术
22、n 控制系统结构特点控制系统结构特点变桨距控制系统工作方式：变桨距控制系统工作方式：并网前转速控制和并网后功率控制并网前转速控制和并网后功率控制采用经典采用经典PI控制算法，通过转速吸收和释放风速波动，接近变控制算法，通过转速吸收和释放风速波动，接近变距的延迟性距的延迟性l风速风速切入速度：调整桨距角控制转速，起动阶段升速并网切入速度：调整桨距角控制转速，起动阶段升速并网l风速风速额定风速：减小桨距角，恒定功率额定风速：减小桨距角，恒定功率l风速风速切出风速：顺桨切出风速：顺桨三、发电机控制技术三、发电机控制技术 发电机形式：普通异步发电机、双馈式发电机、直驱发电机发电机形式：普通异步发电机、
23、双馈式发电机、直驱发电机1 1、发电机控制要求、发电机控制要求l与变桨距控制系统协调，风力发电机组处于最佳运行状态与变桨距控制系统协调，风力发电机组处于最佳运行状态控制要求：控制要求：风速风速额定风速：额定功率额定风速：额定功率l并网控制限制发电机并网时的瞬变电流，保证机组安全并网控制限制发电机并网时的瞬变电流，保证机组安全发电机频率发电机频率=电网频率电网频率发电机电压幅值发电机电压幅值=电网电压幅值，波形一致电网电压幅值，波形一致发电机电压相序发电机电压相序=电网电压相序电网电压相序发电机电压相位发电机电压相位=电网电压相位电网电压相位同期条件三、发电机控制技术三、发电机控制技术 2 2、
24、异步发电机控制、异步发电机控制普通异步发电机转速变化小，效率低普通异步发电机转速变化小，效率低笼型双速异步发电机和转子转差可调异步发电机笼型双速异步发电机和转子转差可调异步发电机n 双速异步发电机控制双速异步发电机控制定桨距风力机组中较为普遍，定桨距风力机组中较为普遍，通过改变极对数解决低风速通过改变极对数解决低风速下效率偏低问题。下效率偏低问题。平均风速高于气动风速时，平均风速高于气动风速时，机组起动，先小发电机并网，机组起动，先小发电机并网，风速继续升高，大发电机并风速继续升高，大发电机并网。网。三、发电机控制技术三、发电机控制技术 风速风速 切入风速切入风速风力机起动风力机起动转速转速同
25、步转速同步转速小发电小发电机并网机并网风速增加风速增加转速增加转速增加小发电机小发电机功率功率=P1=P1小发电机脱网小发电机脱网转速升高转速升高转速转速大发电机大发电机并网转速并网转速大发电机并网大发电机并网大发电机并网大发电机并网风速降低风速降低转速降低转速降低功率减小功率减小=P2=P2转速降低转速降低l小发电机小发电机 大发电机大发电机l大发电机大发电机 小发电机小发电机大发电机脱网大发电机脱网转速增加转速增加小发电小发电机并网机并网三、发电机控制技术三、发电机控制技术 n 转差可调异步发电机控制转差可调异步发电机控制目标：目标：调节运行转速，保持功率恒定，避免桨距机构频率起动调节运行
26、转速，保持功率恒定，避免桨距机构频率起动和功率波动和功率波动原理：原理：风速变化，转速变化，转子感应电流变化，功率波动，风速变化，转速变化，转子感应电流变化，功率波动，增加可变电阻，恒定转子电流，发电机功率输出恒定。增加可变电阻，恒定转子电流，发电机功率输出恒定。过程：过程：额定功率额定功率TemNTemN，对应转子电阻，对应转子电阻R1R1风速增加，转矩增大，点风速增加，转矩增大，点a a 点点b b 功率功率 额定功率额定功率电阻电阻R1 R1 R2 R2， 转子电流减小，转子电流减小， 转矩减小到转矩减小到TemN, TemN, 功率功率= =额定功率额定功率转差速率转差速率s1 s1
27、s2 s2转子电流控制：转子电流控制：调节转子回路的串接电阻值维持转子电流恒定调节转子回路的串接电阻值维持转子电流恒定可实现变转速运行，功率消耗在转子回路，可实现变转速运行，功率消耗在转子回路，效率低于双馈异步发效率低于双馈异步发电机电机三、发电机控制技术三、发电机控制技术 n 转差可调异步发电机结构转差可调异步发电机结构通过通过PWM脉冲宽度调制器控制脉冲宽度调制器控制IGBT的导通和关断调节外接电阻值的导通和关断调节外接电阻值电阻值变化范围电阻值变化范围： 转子自身最小电阻值转子自身最小电阻值转子绕组转子绕组+外接电阻最大值外接电阻最大值转差率转差率：0.6%10%三、发电机控制技术三、发
28、电机控制技术 n 转差可调异步发电机功率调节转差可调异步发电机功率调节变桨距调节不利于风速变化频率的功率波动，需配合转差可调变桨距调节不利于风速变化频率的功率波动，需配合转差可调异步发电机异步发电机控制器控制器A: 变桨距控制；变桨距控制； 控制器控制器B: 发电机转子电流调节发电机转子电流调节l风速风速额定风速：控制器额定风速：控制器A执行发电机输出功率恒定攻角，控制执行发电机输出功率恒定攻角，控制器器B根据额定功率判断功率波动，改变转子电流瞬间值，利用风轮根据额定功率判断功率波动，改变转子电流瞬间值，利用风轮存储和释放功率，恒定输出功率存储和释放功率，恒定输出功率变桨距控制针对平均风速变化
29、调节；转差控制风速变化高频分量变桨距控制针对平均风速变化调节；转差控制风速变化高频分量三、发电机控制技术三、发电机控制技术 n异步发电机并网方式异步发电机并网方式并网条件低于同期条件，无需同步和整步，但存在电流冲击、并网条件低于同期条件，无需同步和整步，但存在电流冲击、电压下降问题电压下降问题p并网方式：并网方式：直接并网：直接并网：要求要求：发电机相序与电网相序相同：发电机相序与电网相序相同 执行：同步转速执行：同步转速(90%100%), 空气开关合闸空气开关合闸 问题问题：并网瞬间三相短路现象，电流：并网瞬间三相短路现象，电流+45 倍，电压瞬时下降倍，电压瞬时下降 适用适用：发电机组容
30、量较小，电网容量较大：发电机组容量较小，电网容量较大准同期并网：准同期并网：要求要求：发电机电压、频率、相位与电网相同：发电机电压、频率、相位与电网相同 执行：转速接近，需整步和调校执行：转速接近，需整步和调校 问题问题：冲击电流小，但必须控制在转矩范围：冲击电流小，但必须控制在转矩范围 内，防网上飞车内，防网上飞车 适用适用：电网容量较小：电网容量较小三、发电机控制技术三、发电机控制技术 降压并网：降压并网：要求要求：发电机相序与电网相序相同：发电机相序与电网相序相同 执行：在发电机与电网串接电阻或电抗或自耦执行：在发电机与电网串接电阻或电抗或自耦 变压器，减低并网瞬间冲击电流和电网变压器，
31、减低并网瞬间冲击电流和电网 电压下降幅值电压下降幅值 问题问题：电阻等消耗功率，经济性差，并网后切除：电阻等消耗功率，经济性差，并网后切除 适用适用：电网容量适中：电网容量适中晶闸软管并网：晶闸软管并网：要求要求：发电机相序与电网相序相同：发电机相序与电网相序相同 执行：定子与电网间双向晶闸管连接执行：定子与电网间双向晶闸管连接 适用适用：电网容量大：电网容量大双向晶闸管目的双向晶闸管目的：发电机并网瞬间冲击电流控制在允：发电机并网瞬间冲击电流控制在允许限度内许限度内大型风力发电普遍采用的并网技术大型风力发电普遍采用的并网技术：晶闸管软切入并网方法：晶闸管软切入并网方法三、发电机控制技术三、发
32、电机控制技术 p晶闸软管并网并网过程：晶闸软管并网并网过程：风力机发电机风力机发电机组起动命令组起动命令检查发电机相检查发电机相序与电网相序序与电网相序发电机起动发电机起动转速转速增加增加同步同步转速转速双向晶闸管双向晶闸管1801800,0,导通导通角角00180,180,转速转速升高升高转差率转差率0 0晶闸管晶闸管全通全通并入并入电网电网并网开并网开关合关合晶闸管晶闸管失效失效并入补并入补偿电容偿电容提高功提高功率因素率因素并网并网完成完成三、发电机控制技术三、发电机控制技术 3 3、双馈发电机控制、双馈发电机控制双馈异步风力发电机双馈异步风力发电机特点特点：亚同步、超同步、同步状态均高
33、效发电：亚同步、超同步、同步状态均高效发电原因原因：可控转子交流励磁技术：可控转子交流励磁技术优越性：矢量控制，定子输出有功功率与无功功率的独立解耦控制优越性：矢量控制，定子输出有功功率与无功功率的独立解耦控制n转子变流器：转子变流器：交交-直直-交电压型强迫换流变流器：亚同步交电压型强迫换流变流器：亚同步超同步平稳过超同步平稳过 渡，但转子电流方波，电机产生低次谐波转矩渡，但转子电流方波，电机产生低次谐波转矩交交-交变流器：亚同步交变流器：亚同步超同步平稳过渡，但需较多晶闸超同步平稳过渡，但需较多晶闸 管，低次谐波转矩管，低次谐波转矩脉宽调制脉宽调制(PWM)控制的控制的IGBT交交-直直-
34、交变流器：正弦转子电交变流器：正弦转子电 流，无低次谐波转矩，兆瓦级普遍采用流，无低次谐波转矩，兆瓦级普遍采用三、发电机控制技术三、发电机控制技术 nPWM控制基本原理控制基本原理基本思想基本思想：对脉冲宽度进行调制，等效获得所需波形：对脉冲宽度进行调制，等效获得所需波形理论基础理论基础：面积等效原则：冲量：面积等效原则：冲量(面积面积)相等而形状不同的相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上，效果基本相同窄脉冲加在具有惯性环节上，效果基本相同(输出响应波形输出响应波形)正弦波正弦波 = 正弦变化窄度的方型脉正弦变化窄度的方型脉冲冲三、发电机控制技术三、发电机控制技术 l网侧变化器：电网交流侧
35、单元功率因素控制和保持直流环节电网侧变化器：电网交流侧单元功率因素控制和保持直流环节电 压稳定，保证转子侧变换器和发电机励磁系统可靠性压稳定，保证转子侧变换器和发电机励磁系统可靠性l转子侧变换器：根据发电机矢量控制系统指令变化需要的励磁转子侧变换器：根据发电机矢量控制系统指令变化需要的励磁 电压电压背靠背变流器背靠背变流器nPWM变流器基本结构变流器基本结构目的：目的：电网三相工频电压变化成频率、幅值、相位均可变电网三相工频电压变化成频率、幅值、相位均可变的励磁电压实现转子交流励磁的励磁电压实现转子交流励磁三、发电机控制技术三、发电机控制技术 n双馈异步发电机优越性双馈异步发电机优越性控制发电
36、机转差，减小桨距调节控制发电机转差，减小桨距调节减低风力发电机噪声水平减低风力发电机噪声水平减低机组转矩剧烈起伏，减小旋转部件机械应力，减低机组转矩剧烈起伏，减小旋转部件机械应力，减轻风力机质量减轻风力机质量最优化效率运作，发电效率高最优化效率运作，发电效率高发电机起伏平滑功率输出，电能质量高发电机起伏平滑功率输出，电能质量高功率因子可调功率因子可调风力机独立和联网运行风力机独立和联网运行变流器容量小。变流器容量小。三、发电机控制技术三、发电机控制技术 4 4、直驱发电机控制、直驱发电机控制 风力发电机的主要机型之一，效率高、控制效果好风力发电机的主要机型之一，效率高、控制效果好变速恒频控制变
37、速恒频控制：发电机定子侧实现：发电机定子侧实现频率变化方式频率变化方式：交流：交流 三相桥式整流器三相桥式整流器直流直流逆变器逆变器恒频恒频交流交流l电网侧变流器电网侧变流器：控制直流侧电压和电网发电功率，有功和无功：控制直流侧电压和电网发电功率，有功和无功 功率解耦控制功率解耦控制l发电机侧变流器发电机侧变流器：调节发动机转速，实现最大功率和效能利用：调节发动机转速，实现最大功率和效能利用l调节发电机的电磁转矩，影响永磁同步发电机的机械转速调节发电机的电磁转矩，影响永磁同步发电机的机械转速三、发电机控制技术三、发电机控制技术 5 5、各发电机控制比较、各发电机控制比较转差异步发电机转差异步发
38、电机双馈异步发电机双馈异步发电机直驱发电机直驱发电机目的目的方式方式控制控制形式形式变流器变流器功率功率调节调节增速器增速器变速恒频变速恒频变速恒频变速恒频变速恒频变速恒频定子串接电阻定子串接电阻电流恒定电流恒定转子交流励磁转子交流励磁定子三相整流定子三相整流有有有有无无PWM调节调节电阻值电阻值PWM交流频率、交流频率、电压、相位独立电压、相位独立励磁励磁三相桥式交三相桥式交-直直-交整流交整流无无转子侧转子侧小功率小功率定子侧定子侧全功率全功率有功、无功有功、无功独立独立有功、无功有功、无功独立独立有功有功四、信号检测四、信号检测 1 1、风速及风向信号检测、风速及风向信号检测风速与风向风
39、速与风向是重要的风况参数是重要的风况参数风速：风速：功率计算及风力机控制的重要参功率计算及风力机控制的重要参考量，误差考量，误差5%(0.5m/s)，风杯风速计，风杯风速计风杯与四极磁铁相连，低阻抗线圈产生与风风杯与四极磁铁相连，低阻抗线圈产生与风速成比例的交流信号，频率大小即可得转速速成比例的交流信号，频率大小即可得转速风向：风向：偏航控制的主要参考量，误差偏航控制的主要参考量，误差切出风速：顺桨减速切出风速：顺桨减速l液压执行机构液压执行机构：响应速度快、转矩大、失电自动保护：响应速度快、转矩大、失电自动保护l电机执行机构电机执行机构：结构简单、叶片单独控制，需蓄电池：结构简单、叶片单独控
40、制，需蓄电池桨距控制设定上、下限幅，限制执行行程桨距控制设定上、下限幅，限制执行行程五、执行机构五、执行机构 3 3、偏航系统、偏航系统n 基本结构基本结构基本功能：基本功能：1跟踪风向；跟踪风向； 2自动解除电缆缠绕自动解除电缆缠绕五、执行机构五、执行机构 n 偏航控制系统偏航控制系统n 解缆操作解缆操作偏航系统具备扭揽保护功能偏航系统具备扭揽保护功能偏航齿轮安装独立的记数传感器，记录转过齿数偏航齿轮安装独立的记数传感器，记录转过齿数电缆进入塔筒内，安装行程开关，电缆扭转超过设置值拉动电缆进入塔筒内，安装行程开关，电缆扭转超过设置值拉动行程开关，安全停机。行程开关，安全停机。六、风机安全保护
41、六、风机安全保护 控制系统任务：控制系统任务：1 风力发电机组发电运行控制风力发电机组发电运行控制 2 机组的安全保护机组的安全保护1 1、安全保护系统设计、安全保护系统设计三级保护：三级保护：l正常保护等级：机组执行正常停机正常保护等级：机组执行正常停机l快速保护等级：机组执行快速停机快速保护等级：机组执行快速停机l紧急保护等级：机组执行紧急停机紧急保护等级：机组执行紧急停机自动重启自动重启手动复位安全链手动复位安全链六、风机安全保护六、风机安全保护 五、执行机构五、执行机构 2 2、安全链系统、安全链系统紧急保护等级即为安全链系统保护紧急保护等级即为安全链系统保护(最后一道保护最后一道保护
42、)，独立于计，独立于计算机系统的软硬件保护措施，反逻辑设计，严重损害环节串联算机系统的软硬件保护措施，反逻辑设计，严重损害环节串联一个回路，其中一个出问题，系统进入闭锁状态。一个回路，其中一个出问题，系统进入闭锁状态。设计原则和要求：设计原则和要求：l机组出现故障，参数超过极限，控制系数失效等，起动机组出现故障，参数超过极限，控制系数失效等，起动安全保护系统安全保护系统l以失效以失效-安全为原则安全为原则l执行独立于控制系统执行独立于控制系统五、执行机构五、执行机构 3 3、防雷保护、防雷保护雷击部位：叶片、机舱、尾翼雷击部位：叶片、机舱、尾翼方法：减小雷电导入设备的电流方法：减小雷电导入设备
43、的电流n 叶片防雷叶片防雷雷击损坏的机理：叶片结构温度急剧升高，分解气体高温雷击损坏的机理：叶片结构温度急剧升高，分解气体高温膨胀，压力上升造成爆裂破坏膨胀，压力上升造成爆裂破坏叶片全绝缘并不减少被雷击危险，而会增加损害次数叶片全绝缘并不减少被雷击危险，而会增加损害次数被雷击区域：大部分在叶片背面被雷击区域：大部分在叶片背面解决方法：叶尖安装接闪器解决方法：叶尖安装接闪器叶片防雷、机舱防雷、电叶片防雷、机舱防雷、电控系统防雷、接地保护控系统防雷、接地保护五、执行机构五、执行机构 n 机舱防雷机舱防雷叶片防雷可对机舱的直击雷防护，但机舱也应设立避雷针。叶片防雷可对机舱的直击雷防护，但机舱也应设立
44、避雷针。通过钢架基础或电缆导电，通过钢架基础或电缆导电，减速器与发电机应绝缘连接减速器与发电机应绝缘连接n 电控系统防雷电控系统防雷防雷保证主要部位：配电变压器、电源、信号电路及通信线路防雷保证主要部位：配电变压器、电源、信号电路及通信线路l电源：防止电网传入发电机电源：防止电网传入发电机l配电变压器：防止变压器破坏，雷电通过变压器传配电变压器：防止变压器破坏，雷电通过变压器传入建筑内电源入建筑内电源l通信：机组之间采用光缆，系统内为电缆，防止感通信：机组之间采用光缆，系统内为电缆，防止感应暂态过电压应暂态过电压l信号电路：泄流环节信号电路：泄流环节(旁路泄放暂态大电流，大部分旁路泄放暂态大电
45、流，大部分暂态能量暂态能量)；钳位环节；钳位环节(暂态电压限制到耐受程度暂态电压限制到耐受程度)五、执行机构五、执行机构 n 接地保护接地保护金属棒阵列减小接地电阻金属棒阵列减小接地电阻多机组接地保护相连减小接地电阻多机组接地保护相连减小接地电阻接地电阻接地电阻4欧欧小结小结 l风力发电机组的基本控制要求风力发电机组的基本控制要求l风力发电机组的控制系统基本结构风力发电机组的控制系统基本结构l风力发电机组的六种运行控制状态风力发电机组的六种运行控制状态l定桨距风力机控制系统原理定桨距风力机控制系统原理l变桨距风力机控制系统原理及四种控制工况变桨距风力机控制系统原理及四种控制工况l发电机并网基本
46、要求发电机并网基本要求l双速异步发电机、转差可调异步发电机、双馈发电机并网双速异步发电机、转差可调异步发电机、双馈发电机并网及控制方式及控制方式lPWM控制基本原理控制基本原理l机组信号检测基本原理机组信号检测基本原理l机组安全保护等级和方法机组安全保护等级和方法 思考题思考题1 1风力发电机组运行过程的工作状态？风力发电机组运行过程的工作状态？2 2变桨距风力机的四个典型运行阶段？变桨距风力机的四个典型运行阶段？3 3低于额定风速和高于额定风速的控制方式？低于额定风速和高于额定风速的控制方式？4. 4. 各种发电机控制方式和优缺点？各种发电机控制方式和优缺点？5. 5. 风力机组安全链系统设计原则？风力机组安全链系统设计原则？
