风电机组控制与优化运行

1、长沙理工大学 能源与动力工程学院第第1章章 绪论绪论风力发电机组的控制目标、风力发电机组的控制目标、任务及要求任务及要求风力发电机组控制系统的主风力发电机组控制系统的主要内容和基本组成要内容和基本组成风力发电机组控制技术发展风力发电机组控制技术发展趋势趋势1.1 风力发电机组的控制目标、任务及要求风力发电机组的控制目标、任务及要求 风力发电机组控制系统是机组正常运行的核心，其控制技术是风力发电机组的关键技术之一，与风力发电机组的其他部分关系密切，其精确的控制、完善的功能将直接影响机组的安全与效率。 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、风况和机组的运行参数，在各种正常或故障

2、情况下脱网停机，以确保运行的安全性和可靠性；还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以保证机组稳定、高效地运行。一、一、 风力发电机组的控制目标风力发电机组的控制目标 由于风力发电的特点，风力发电机组是一个复杂、多变量、非线性系统复杂、多变量、非线性系统，且有不确定性和多不确定性和多干扰干扰等特点。 风力发电系统的控制目标分为三个层次：保证风力发电机组的安全可靠运行保证风力发电机组的安全可靠运行获取最大能量获取最大能量提供高质量的电能提供高质量的电能二、二、 风力发电机组的控制任务及要求风力发电机组的控制任务及要求在运行的风速范围内，确保系统的稳定；低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风

3、能；高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组的输出功率为额定值；减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械应力和输出功率的波动，避免共振；减小功率传动链的暂态响应；控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅；确保机组输出电压和频率的稳定。1.2 风力发电机组控制系统的主要内容风力发电机组控制系统的主要内容和基本组成和基本组成 控制系统贯穿到风力发电系统的每个部分，相当于神经系统。因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机组的工作状态、发电量多少以及设备的安全。对于不同类型的风力发电机组，控制单元有所不同（尤其是转速和功率控制系统），这主要是因为发电机的结构或类型不同而使得控制方法和手段也不相

4、同，从而形成多种结构和控制方案。一、一、 风力发电机组控制系统的主要内容风力发电机组控制系统的主要内容风力发电机组的转速和功率控制风力发电机组的偏航控制和解缆控制风力发电机组并网控制风力发电机组全自动启动/停机控制风力发电机组运行状态监测补偿电容投切控制风力发电机组故障诊断液压与制动系统远程通信二、二、 风力发电机组控制系统的基本组成风力发电机组控制系统的基本组成 风力发电机组控制系统由传感器、执行机构和软/硬件处理器系统组成。传动系统制动装置发电机换流器开关电网风补偿电容各传感器各执行机构软/硬件处理器系统风力发电机组控制系统风力发电机组控制系统二、二、 风力发电机组控制系统的基本组成风力发

5、电机组控制系统的基本组成（一）（一） 传感器传感器 风速仪、风向标风速仪、风向标 转速传感器转速传感器 电量采集传感器电量采集传感器 桨距角位置传感器桨距角位置传感器 各种限位开关各种限位开关 振动传感器振动传感器 温度和油位传感器温度和油位传感器 液压系统压力传感器液压系统压力传感器 操作开关、按钮等操作开关、按钮等 传感器负责采集反映风力发电系统工作状态的各个模拟量、数字量等工作参数信息。一般包括如下装置：二、二、 风力发电机组控制系统的基本组成风力发电机组控制系统的基本组成（二）（二） 执行机构执行机构 执行机构是控制系统的执行部件。一般包括液压驱液压驱动装置或电动变桨距执行机构动装置或

6、电动变桨距执行机构、发电机转矩控制器发电机转矩控制器、发发电机接触器电机接触器、刹车装置刹车装置、偏航电机偏航电机等。(祥见教材第7章)（三）（三） 软软/硬件处理器系统硬件处理器系统 处理器系统负责处理传感器的输入信号，并发出输出信号控制执行机构的动作。 处理器系统通常由计算机或微型控制器和可靠性很高的硬件安全链组成，以实现风力机运行过程中的各种控制功能，同时必须满足当发生严重故障时，能够保障风力发电机组处于安全的状态。二、二、 风力发电机组控制系统的基本组成风力发电机组控制系统的基本组成1.3 风力发电机组控制技术的发展趋势风力发电机组控制技术的发展趋势一、一、 风力发电机组控制技术发展现

7、状风力发电机组控制技术发展现状 20世纪80年代中期开始使用风力发电场的定桨距恒定桨距恒速风力发电机组速风力发电机组，主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网技术软并网技术、空空气动力刹车技术气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本问题。 20世纪90年代开始，风电机组的可靠性已经大大提高，变桨距风电机组开始进入风力发电市场。采用变桨距的风力发电机组，起动时可以对转速进行控制起动时可以对转速进行控制，并网并网后可以对功率进行控制后可以对功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著的改善。变桨距

8、闭环控制系统的应用使风力发电机组控制系统的水平提高到一个新的阶段。一、一、 风力发电机组控制技术发展现状风力发电机组控制技术发展现状 20世纪90年代中期，基于变桨距技术的各种变速风力发电机组开始进入风电场。变速风电机组的控制系统与定速风电机组控制系统的根本区别在于：变速风电机变速风电机组是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和组是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率控制的功率控制的。 变速风电机组的主要特点是：低于额定风速时，它能跟踪最佳功率曲线，使风电机组具有最高的风能转换效率；高于额度风速时，它增加了传动系统的柔性，使功率输出更加稳定。特别是解决了高次谐波与功率因数等问

9、题后，使供电效率、质量有所提高。 目前的控制方法是：当风速变化时通过调节发电机电磁转矩或风力机桨距角使叶尖速比保持最佳值，实现风能的最大捕获。一、一、 风力发电机组控制技术发展现状风力发电机组控制技术发展现状 基于线性化模型的最佳叶尖速比的跟踪控制以及利用风速测量值或电功率测量值进行的反馈控制，这些传统的控制方法在随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统会产生较大误差。 一些新的控制理论开始应用于风电机组控制系统： 模糊逻辑控制 神经网络智能控制 鲁棒控制 二、二、 风力发电机组控制技术发展趋势风力发电机组控制技术发展趋势 随着计算机、电力电子以及控制技术的快速发展，国内外大型风力发电机

10、组的控制方式正朝以下方向发展： 由定桨距向变桨距发展 由恒速恒频向变速恒频发展 由常规由常规PID控制向智能控制方向发展控制向智能控制方向发展 风力发电系统的控制策略根据控制器的不同可分为两大类： 以数学模型为基础的传统控制方法 模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的智能控制 二、二、 风力发电机组控制技术发展趋势风力发电机组控制技术发展趋势 由于风力发电机组是一个复杂的、强耦合、多变量的非线性系统，具有不确定性和多干扰等特点，所以传统控制方法在风力发电系统中难以取得好的控制效果。而智能控制可充分利用非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服系统的参数时变与非线性因素，因此各种智能控制方案已开始

11、应用于风电机组控制领域。二、二、 风力发电机组控制技术发展趋势风力发电机组控制技术发展趋势 风力发电机控制系统除了控制发电机“获取最大能量”外，还要使发电机向电网提供高品质的电能。因此要求控制系统： 尽可能产生较低的谐波电流； 能够控制功率因数； 使发电机输出电压适应电网电压的变化； 向电网提供稳定的功率。 目前国内外兆瓦级以上技术较先进的、有发展前景的风力发电机组主要是双馈型异步发电机双馈型异步发电机和永磁直驱型同步发电永磁直驱型同步发电机机，两者各有优缺点。项目双馈型风力发电机组永磁直驱型风力发电机组电控系统价格中高电控系统体积中大电控系统维护成本较高低电控系统平均效率较高高变流单元IGBT，单管额定电流小，技术难度大IGBT，单管额定电流大，技术难度小变流容量仅需要全功率的1/4全功率变流系统稳定性中高电网电压突然降低的影响电机端电流迅速升高电机扭矩迅速增大电流维持稳定扭矩保持不变电机滑环需每半年更换碳刷，每2年更换滑环无表表1-1 双馈型风力发电机组与永磁直驱型风力发电机组的综合比较双馈型风力发电机组与永磁直驱型风力发电机组的综合比较项目双馈型风力发电机组永磁直驱型风力发电机组电压变化率电压变化率高时需进行电压滤波无高电压变化电机电缆的电磁释放有，需要屏蔽线无电磁释放电机造价低高电机尺寸小大电机重量轻重塔架内电缆工作电流类型高频非正弦波，具有较大谐波分