风电机组控制课件

风电机组控制高军强2013年3月7日风电机组控制高军强1主要内容风机理论和特性风力发电系统的分类双馈异步风力发电控制系统的原理和实现网侧PWM整流矢量控制原理和实现主要内容风机理论和特性2风机的理论根据风机的贝兹理论，风机能得到的输出功率式中：ρ——空气密度，kg/m3。

V——风速，m／s；S——风轮截面。风机的理论根据风机的贝兹理论，风机能得到的输出功率3风机特性曲线功率系数Cp－叶尖速比曲线（固定桨距时）尖速比一般在6-8为最佳，计算公式为：λ=Rω/V

风机特性曲线功率系数Cp－叶尖速比曲线（固定桨距时）4风机特性曲线

风机特性曲线

受风轮机的机械强度和发电机容量的限制，当风速超过某一个临界数值时，风轮机的转速和输出功率不再增加，并保持恒定。

nP(kW)

功率

最优功率m/s

12m/s

10m/s

8m/s

6m/s

4）（发电机转速r/min

（不同桨距时）风机特性曲线风机特性曲线nP(kW)功率最优功率5风力发电系统的要求风能的转换效率高，即风机的输出功率大（例如低速时,按最优功率曲线运行)风功率输出的稳定性、可靠性、安全性高(例如高速时,在转速和功率限制条件下,按恒功率曲线运行)性能价格比高风力发电系统的要求风能的转换效率高，即风机的输出功率大6风力发电系统分类恒速恒频风力发电系统双速鼠笼电机风力发电系统变速恒频风力发电系统双馈异步变速恒频发电系统直驱同步变速恒频发电系统风力发电系统分类恒速恒频风力发电系统7风机的分类定桨矩失速控制或者主动失速控制风机功率调节依靠叶片的气动特性一般采用双速鼠笼发电机代表产品有丹麦NEGMicon的NM2000等变桨矩控制风机功率调节依靠与叶片相匹配的叶片攻角改变一般使用双馈发电机或者同步电机代表产品有丹麦Vestas公司的V80等风机的分类定桨矩失速控制或者主动失速控制风机8发电机系统分类永磁同步发电机系统，Lagerway公司电励磁同步发电机系统，Enercon公司发电机系统分类永磁同步发电机系统，Lagerway公司9发电机系统分类鼠笼异步风力发电系统绕线式Optislip结构(RCC)，Vestas公司双馈异步风力发电系统，Gamesa公司发电机系统分类鼠笼异步风力发电系统10双馈发电系统变频电路分类交交变频器适合作为双馈电机转子绕组的变频器电源没有直流环节，变频效率高功率因数低，高次谐波多，输出频率低使用元件数量多矩阵变换器无直流环节，输出由三个电平组成，谐波含量小输入功率因数可控，可在四象限工作最大输出电压能力低，器件承受电压高

输入输出不解耦

输入端滤波电容是交流电容体积并不小双馈发电系统变频电路分类交交变频器11双馈发电系统变频电路综述电流型交直交变频器直流侧电感比较昂贵过同步速时需要换流电路低转差频率的条件下性能比较差电压型交直交变频器结构简单、谐波含量少定转子功率因数可调直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离

双馈发电系统变频电路综述电流型交直交变频器12双馈异步风力发电励磁控制系统主回路拓扑交直交电压型逆变器控制算法矢量控制主要内容：电气图工作原理数学模型定子磁链定向矢量控制功率关系控制策略双馈异步风力发电励磁控制系统主回路拓扑13双馈异步风力发电机的电气图电气图380VD4RCK1D1D2D3K2电感690V电机变速箱风机变压器变压器10KV10KV双馈异步风力发电机的电气图电气图380VD4RCK1D1D214双馈异步风力发电机的工作原理当转子绕组通过三相低频电流时，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度（n2）与转子的机械转速（nr）相叠加，使其等于定子的同步转速n1，即

从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。对应的频率关系

当风速变化时，转速nr随之而变化。在nr变化的同时，相应改变转子电流的频率和旋转磁场的速度n2，以补偿电机转速的变化，保持输出频率恒定不变双馈异步风力发电机的工作原理当转子绕组通过三相低频电流时，在15双馈异步风力发电机的工作原理双馈异步发电机在稳态运行时候，定子气隙旋转磁场和转子电流产生的旋转磁场在同一空间上保持相对静止。当定子旋转磁场以同步速旋转时，转子旋转磁场相对于转子以转差角频率旋转。当转子转速低于/高于同步速时，转子旋转磁场旋转方向和转子转向相同/相反。双馈电机转子绕组连接变频器，其调速的基本思想就是要在转子回路中串入附加电势，通过调节附加电势的大小、相位和相序来实现双馈调速。独立调节转子侧附加电势的幅值和相角，就可以控制双馈电机的有功功率和无功功率。双馈异步风力发电机的工作原理双馈异步发电机在稳态运行时候，定16双馈异步风力发电机的控制策略起步阶段：发电机转速从静止上升到切入速度，发电机没工作变速运行区（即Cp恒定区）：跟踪Cpmax曲线，发电机按对应的最优功率曲线输出，不调桨距。恒速运行区：发电机转速达到最大限值，但其输出功率继续增大功率恒定区：发电机的输出功率达到最大限值，控制转速随风速增大而下降，Cp下降，可结合调桨距控制双馈异步风力发电机的控制策略起步阶段：发电机转速从静止上升到17最大功率点跟踪控制策略电流控制:把电机输出的有功功率（或有功电流）和无功功率（或无功电流）作为控制目标，通过风机的最大功率捕捉曲线获得有功指令。速度控制:把电机的转速和无功功率（或者无功电流）作为控制目标，通过风机的最大功率捕捉曲线获得转速指令。nP(kW)

功率

最优功率m/s

12m/s

10m/s

8m/s

6m/s

4）（发电机转速r/min

风机特性曲线

最大功率点跟踪控制策略电流控制:把电机输出的有功功率（或有功18双馈发电机软并网和解列控制

并网准备阶段：转子侧变流器投入工作，控制定子绕组的空载端电压在幅值、相位、相序以及频率上跟随电网电压。并网阶段：发电机空载并网后，应根据实际的风速和电网的要求动态调节发电机输出的有功功率和无功功率与并网过程相反，正常解列时，可通过风轮机和发电机的控制，逐步卸去发电机的负载，使发电机在接近空载