南京工业大学风力发电原理 第六章

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：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、控制技术风的随机性风电并网最佳风能利用及安全发电机控制风力发电机控制技术风力机控制系统参数检测安全保护一、控制技术1、基本控制要求控制对象：风轮和发电机目标：风力机最佳风力利用效率和额定功率运行及安全阶段：停机状态低于额定风速状态高于额定风速状态极限风速的停机状态一、控制技术控制基本构型一、控制技术风轮控制：桨距角(输入)，转速(输出)发电机控制：励磁电流、转差速率等(输入)，电压、频率、功率等(输出)兆瓦级发电机组：普通异步发电机、双馈式异步发电机、直驱式永磁发电机普通异步发电机：控制发电机的并网与脱网，补偿电容器的切换控制双馈式异步发电机直驱式永磁发电机发电机的并网与脱网，变流器变频基本控制参数一、控制技术发电机控制构型普通异步发电机双馈式异步发电机直驱式永磁发电机一、控制技术变流器：电子器件组成的交-直-交变频器，实现交流电的频率变化双馈异步发电机：转子电流频率与电网频率存在差别，需进变流器实现与电网频率同步直驱永磁发电机：定子电流频率与电网频率存在差别对电机的控制通过对变流器的控制实现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，平稳并网，脱网时机组不能超速、安全停机实时对风，解缆各部件温度控制故障报警和停机安全链系统一、控制技术控制系统基本功能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风电场运行具有远程通信功能抗干扰和防雷保护措施一、控制技术2、控制系统结构双馈风力发电机组控制系统底部变流器柜：双馈发电机的并网及发电机发电过程控制塔筒控制柜：风力发电机组的控制、显示操作和通信机舱控制柜：机组制动、偏航及液压系统、变速箱等温度调节，各参数、风速、风向检测一、控制技术单台风力发电机通过网络与中央监控系统通信，实现风电场监控一、控制技术3、控制过程无人值守、自动起动、并网、发电、停机待机状态、起动状态、欠功率运行状态、额定功率运行状态、正常停机状态、紧急停机状态待机状态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，叶尖扰流器收回，处于顺桨状态一、控制技术起动过程风速增加，风轮转速增加到一定转速，为并网做好准备10min电网电压及频率正常，风速超过3.5m/s，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。定桨距风力发电机起动在电动机提高转速(发电机)机组并网过程机组转速达到额定转速，合闸开关接入电网普通异步发电机：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。一、控制技术直驱发电机：控制全功率变流器完成并网。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、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。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。双馈异步发电机转差速率±25%，直驱发电机10~22r/min，普通异步发电机不可调一、控制技术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。风速波动双馈异步发电机：调整转差速率调整风力机转速，存储多余风能，达到稳定输出功率。

定桨距：依靠失速特性实现稳定输出功率。停机状态正常停机：桨叶顺桨发电机脱离电网机械制动,(自动重新启动)紧急停机：快速顺桨，发电机脱网并机械制动(安全链动作，人工重新启动)二、风力机控制风的随机性风电并网最佳风能利用及安全发电机控制风力发电机控制技术风力机控制系统参数检测安全保护二、风力机控制1、空气动力学原理风速变化，叶尖速比变化，功率系数变化，对应唯一的最大风能捕获控制：风速变化，发电机功率<额定功率，调节风轮转速和桨距角，追踪最佳功率曲线，获得最大风能系数恒功率控制：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出功率，维持额定功率附近二、风力机控制负攻角小攻角大攻角主动失速变桨距控制：减小桨距角，叶片失速限制总距主动变桨距控制：增大桨距角，减小攻角，减小升力实现功率限制改变攻角，改变升阻比，实现风力机转矩控制起动阶段：改变合适攻角，获得最大起动力矩恒功率阶段：二、风力机控制2、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定桨距风力机风速增加升力增加升力变缓升力下降阻力增加叶片失速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必须解决问题：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风力发电机组突甩电网，机组安全停机二、风力机控制叶片自动失速性能：叶片翼型设计实现叶片制动能力：叶尖扰流器和机械制动实现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通过叶片失速特性和叶尖扰流器实现功率控制，优点：控制系统简单，性能可靠，缺点：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不适合大型风力发电机组二、风力机控制变桨距风力机3、变桨距风力机控制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<定桨定桨：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，叶片失速，功率下滑变桨：通过变桨距角，低风速最大利用系数，高风速，恒定额定功率兆瓦级采用二、风力机控制变桨距控制特性：运行工况随风速变化切换起动并网阶段：条件：风速达到切入风速并保持一定时间目标：风力发电机组的升速和并网任务：发电机快速平稳升速，恒定转速最大风能捕获阶段：条件：风速<额定风速，功率<额定功率目标：最大限度利用风能任务：最大风能利用角度，励磁调节转速恒定功率控制阶段：条件：风速>额定风速，功率>额定功率目标：功率≈额定功率，<功率极限任务：调节桨距角使功率恒定二、风力机控制超风速切出阶段：条件：风速>切出风速目标：机组安全停机任务：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极端，采用开环顺序控制第一、三阶段为连续控制第一阶段可采用开环和闭环控制功率控制首要控制目标：功率控制控制目标：低于额定风速实现最优功率曲线(最大风能捕获)高于额定风速控制功率额定值(恒功率控制)二、风力机控制低于额定风速：动量理论：最佳功率与转速三次方成正比，消除转速控制对风速的依赖和风速测量不可靠性变桨距功率控制方式：主动失速控制：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变桨距控制：向小攻角方向变桨，是大型风力机功率控制的主要方式桨距角处于最佳风能吸收效率角度(2°~3°)根据风速调整发电机转速保持最佳叶尖速比二、风力机控制功率控制特点风速<额定风速，

1最大风能捕获，转速升高

2转速达到极限，功率<额定，恒转速控制风速>额定风速，恒功率控制升转速控制、并网控制、恒Cp控制、恒转速控制、恒功率控制多扰动因素：雷诺数(5%)，叶片沉积物(20%),电网、风速(最大影响)变桨距执行系统的大惯性与非线性：液压和电机气动非线性：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工况频繁切换：一、控制技术控制系统结构特点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，接近变距的延迟性风速<切入速度：调整桨距角控制转速，起动阶段升速并网风速<额定风速：桨距角保持最优位置，控制发动机转速保持最大Cp转速=极限转速：控制转速恒定，调整桨距角风速>额定风速：减小桨距角，恒定功率风速>切出风速：顺桨三、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1、发电机控制要求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：风速<额定风速：风能最大捕获风速>额定风速：额定功率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=电网频率发电机电压幅值=电网电压幅值，波形一致发电机电压相序=电网电压相序发电机电压相位=电网电压相位同期条件三、发电机控制技术2、异步发电机控制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双速异步发电机控制定桨距风力机组中较为普遍，通过改变极对数解决低风速下效率偏低问题。平均风速高于气动风速时，机组起动，先小发电机并网，风速继续升高，大发电机并网。三、发电机控制技术风速>切入风速风力机起动转速≈同步转速小发电机并网风速增加转速增加小发电机功率=P1小发电机脱网转速升高转速≈大发电机并网转速大发电机并网大发电机并网风速降低转速降低功率减小=P2转速降低小发电机大发电机大发电机小发电机大发电机脱网转速增加小发电机并网三、发电机控制技术转差可调异步发电机控制目标：调节运行转速，保持功率恒定，避免桨距机构频率起动和功率波动原理：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。过程：额定功率TemN，对应转子电阻R1风速增加，转矩增大，点a点b功率>额定功率电阻R1R2，转子电流减小，转矩减小到TemN,功率=额定功率转差速率s1s2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电机三、发电机控制技术转差可调异步发电机结构通过PWM脉冲宽度调制器控制IGBT的导通和关断调节外接电阻值电阻值变化范围：转子自身最小电阻值~转子绕组+外接电阻最大值转差率：0.6%~10%三、发电机控制技术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，需配合转差可调异步发电机控制器A:

变桨距控制；控制器B:

发电机转子电流调节风速<额定风速：控制器A执行变桨到最大攻角，控制器B根据实际功率与给定功率比较调节转子电流，实现最佳叶尖速比调节风速>额定风速：控制器A执行发电机输出功率恒定攻角，控制器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调节；转差控制风速变化高频分量三、发电机控制技术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、电压下降问题并网方式：直接并网：要求：发电机相序与电网相序相同执行：同步转速(90%~100%),空气开关合闸

问题：并网瞬间三相短路现象，电流+4~5倍，电压瞬时下降

适用：发电机组容量较小，电网容量较大准同期并网：要求：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

问题：冲击电流小，但必须控制在转矩范围内，防网上飞车

适用：电网容量较小三、发电机控制技术降压并网：要求：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变压器，减低并网瞬间冲击电流和电网电压下降幅值

问题：电阻等消耗功率，经济性差，并网后切除

适用：电网容量适中晶闸软管并网：要求：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

适用：电网容量大双向晶闸管目的：发电机并网瞬间冲击电流控制在允许限度内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三、发电机控制技术晶闸软管并网并网过程：风力机发电机组起动命令检查发电机相序与电网相序发电机起动转速增加≈同步转速双向晶闸管180°0°,导通角0°180°,转速升高转差率0晶闸管全通并入电网并网开关合晶闸管失效并入补偿电容提高功率因素并网完成三、发电机控制技术3、双馈发电机控制双馈异步风力发电机特点：亚同步、超同步、同步状态均高效发电原因：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转子变流器：交-直-交电压型强迫换流变流器：亚同步超同步平稳过渡，但转子电流方波，电机产生低次谐波转矩交-交变流器：亚同步超同步平稳过渡，但需较多晶闸管，低次谐波转矩脉宽调制(PWM)控制的IGBT交-直-交变流器：正弦转子电流，无低次谐波转矩，兆瓦级普遍采用三、发电机控制技术PWM控制基本原理基本思想：对脉冲宽度进行调制，等效获得所需波形理论基础：面积等效原则：冲量(面积)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(输出响应波形)正弦波=正弦变化窄度的方型脉冲三、发电机控制技术网侧变化器：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背靠背变流器PWM变流器基本结构目的：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三、发电机控制技术双馈异步发电机优越性控制发电机转差，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，电能质量高功率因子可调风力机独立和联网运行变流器容量小。三、发电机控制技术4、直驱发电机控制风力发电机的主要机型之一，效率高、控制效果好变速恒频控制：发电机定子侧实现频率变化方式：交流三相桥式整流器直流逆变器恒频交流电网侧变流器：控制直流侧电压和电网发电功率，有功和无功功率解耦控制发电机侧变流器：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5、各发电机控制比较转差异步发电机双馈异步发电机直驱发电机目的方式控制形式变流器功率调节增速器变速恒频变速恒频变速恒频定子串接电阻电流恒定转子交流励磁定子三相整流有有无PWM调节电阻值PWM交流频率、电压、相位独立励磁三相桥式交-直-交整流无转子侧小功率定子侧全功率有功、无功独立有功、无功独立有功四、信号检测1、风速及风向信号检测风速与风向是重要的风况参数风速：功率计算及风力机控制的重要参考量，误差5%(±0.5m/s)，风杯风速计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风向：偏航控制的主要参考量，误差<5°,风向标圆筒遮光罩——光电管结构：通过遮光罩是否遮挡光电管检测风向光电感应传感器(光电编码器)：通过格雷码盘转动，精度简单，可靠四、信号检测2、转速信号检测控制系统重要测量参数：风轮转速和发电机转速要求：精度和准确度高霍尔传感器基本原理：霍尔效应：带电半导体置于磁力线和电流方向垂直的磁场中，半导体产生电压发电机和风轮转轴需增加专用测速齿轮，齿轮与磁极之间磁阻随齿轮转动交替改变，产生交变电压。优点：精度高，实时性好缺点：易收外界电磁干扰四、信号检测增量式光电编码器原理：通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量主信号：产生角度分割脉冲信号，反应电机转速零信号：错误计数的检测和每周原点使用旋转方向信息五、执行机构执行机构：变桨系统、偏航系统和液压制动系统1、制动保护系统风力机组具备：空气动力制动和机械制动空气动力制动：叶尖扰流器变桨距的顺桨转速减低到一定，不能为0机械制动：盘式制动，安装在高速轴上，减小制动力矩，齿轮箱承受制动力矩制动系统设计原则：失效保护原则，失电或液压系统失效时处于制动五、执行机构2、变桨距系统工作状态：切入风速~切出风速，变桨距至最佳风能利用系数和额定功率

>切出风速：顺桨减速液压执行机构：响应速度快、转矩大、失电自动保护电机执行机构：结构简单、叶片单独控制，需蓄电池桨距控制设定上、下限幅，限制执行行程五、执行机构3、偏航系统基本结构基本功能：1跟踪风向；2自动解除电缆缠绕五、执行机构偏航控制系统解缆操作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。六、风机安全保护控制系统任务：1风力发电机组发电运行控制

2机组的安全保护1、安全保护系统设计三级保护：正常