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1、精品风力发电技术-第三章：双馈式变速变桨风电机组运行控制 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第三章第三章双馈型变速变桨风力发电系统双馈型变速变桨风力发电系统运行控制运行控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉纵览纵览n机组主结构及控制系统n运行区域及控制目标n总体控制方案n励磁变换器结构及原理nDFIG控制（机侧变换器控制）n网侧变换器控制n变桨机构及其控制n偏航机构及其控制n其他机构及控制、保护第三章：双馈型变速变桨风力发电系统第
2、三章：双馈型变速变桨风力发电系统 运行控制运行控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉一一.机组主结构及控制系统机组主结构及控制系统机组主结构：主要的机电设备机组主结构：主要的机电设备控制系统：微机控制软、硬件控制系统：微机控制软、硬件第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（一）机组主结构（一）机组主结构风轮系统
3、风轮系统传动链系统传动链系统发电机系统发电机系统偏航偏航/解缆系统解缆系统刹车系统刹车系统辅助系统辅助系统2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制机组主结构示意图机组主结构示意图2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制1.风轮系统风轮系统l桨叶桨叶l轮毂轮毂l变距（桨矩）机构变距（桨矩）机构2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2.传动链系统传
4、动链系统l低速轴低速轴l齿轮箱齿轮箱多级变速，变比较大（接近多级变速，变比较大（接近100）采用行星齿轮和正（斜）齿轮实现多级变速采用行星齿轮和正（斜）齿轮实现多级变速 润滑油冷却或加温机构润滑油冷却或加温机构 l高速轴高速轴l联轴器联轴器2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制n通用标准型膜片联轴器通用标准型膜片联轴器连接齿轮箱和发电机连接齿轮箱和发电机补偿轴向、径向和角度偏补偿轴向、径向和角度偏差差易于装拆维护易于装拆维护实现电绝缘实现电绝缘力矩限定力矩限定2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院
5、刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l传动链系统布局传动链系统布局2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制3.发电机系统发电机系统lDFIG发电机本体发电机本体冷却系统冷却系统保护系统保护系统l励磁变流器励磁变流器四象限运行能力、输入、输出特性优良四象限运行能力、输入、输出特性优良设计容量为机组容量设计容量为机组容量30 IGBT器件，器件，PWM调制技术调制技术动作频率为数动作频率为数kHz-十几十几kHzl并网机构并网机构2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院
6、 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制4.偏航偏航/解缆系统解缆系统l偏航机构偏航机构风向标风向标偏航饲服电机（或液压马达）偏航饲服电机（或液压马达）减速装置减速装置偏航液压制动器偏航液压制动器偏航行星齿轮偏航行星齿轮l对风对风/解缆操作解缆操作根据风向标控制对风根据风向标控制对风计算机控制的自动解缆计算机控制的自动解缆 纽缆开关控制的安全链动作报警及人工解缆纽缆开关控制的安全链动作报警及人工解缆2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l偏航的作用偏航的作用对风，获取最大发
7、电量对风，获取最大发电量减少斜风给机组带来的不平衡载荷减少斜风给机组带来的不平衡载荷2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制5.刹车系统刹车系统l机械抱闸刹车机械抱闸刹车*液压驱动和电气驱动液压驱动和电气驱动n通过制定卡钳和连轴器上制动盘配对实现，一般在气通过制定卡钳和连轴器上制动盘配对实现，一般在气动刹车后转速降低后采用动刹车后转速降低后采用n安装位置：安装位置：高速轴高速轴，低速轴，低速轴l气动刹车气动刹车变桨控制变桨控制 变桨控制系统控制桨距角为变桨控制系统控制桨距角为90度度偏航控制偏航控制 l电磁刹车
8、电磁刹车 通过控制发电机电磁阻转矩实现通过控制发电机电磁阻转矩实现2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制6.辅助系统辅助系统l塔架塔架l机舱罩机舱罩l机舱底盘机舱底盘l变压器变压器l防雷系统及电气保护装置防雷系统及电气保护装置 2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l冷却系统冷却系统l发热部件发热部件l
9、液压系统液压系统l齿轮箱齿轮箱l发电机发电机l变频器变频器l冷却方式：空气冷却，液体冷却，混合冷却冷却方式：空气冷却，液体冷却，混合冷却l其他部分其他部分2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）控制系统（二）控制系统1.概述概述l与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综与一般工业控制过程不同，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运行参数，合性控制系统。它不仅要监视电网风况和机组运行参数，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，而且还要根据风速与风向的变化，
10、对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。以提高机组的运行效率和发电量。l比较普遍采用的是分布式控制系统。信号处理通常有两个比较普遍采用的是分布式控制系统。信号处理通常有两个独立的计算机或高速数字信号处理芯片。主控制器在地面独立的计算机或高速数字信号处理芯片。主控制器在地面控制室的开关柜内控制室的开关柜内,从机设在机舱内。主控制器监控风轮从机设在机舱内。主控制器监控风轮所有的运行状态。主控制器和从控制器间通过光纤达到可所有的运行状态。主控制器和从控制器间通过光纤达到可靠快速地交换信息。靠快速地交换信息。2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机
11、组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2.结构与功能结构与功能l结构结构n硬件系统和软件系统硬件系统和软件系统n主控制器和从控制器主控制器和从控制器l功能功能n运行控制运行控制u变桨距控制、偏航控制、刹车控制、变桨距控制、偏航控制、刹车控制、变流器（发电机）控制变流器（发电机）控制u本地控制与远程控制本地控制与远程控制n信号采集与监视信号采集与监视u采集量：电压、电流、频率、功率、转速、油温、压力采集量：电压、电流、频率、功率、转速、油温、压力u本地监视与远程监视本地监视与远程监视2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速
12、风电机组控制3.主从分布式控制系统主从分布式控制系统l主控制器（主控制器（PLC,PID控制算法）控制算法）n变桨控制变桨控制n偏航控制偏航控制n制动控制制动控制n参数监视与远程通讯参数监视与远程通讯n系统级控制协调系统级控制协调2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制n主控制器实现案例主控制器实现案例2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控
13、制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l从控制器（从控制器（DSP，矢量动态控制算法），矢量动态控制算法）n机侧变流器控制机侧变流器控制n网侧变流器控制网侧变流器控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制n从控制器实现案例从控制器实现案例2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉英国英国EU-ENERGY WIND公司公司SEG1250型风机变频器控制系统型风机变频器控制系统第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉
14、二二.运行区域及控制目标运行区域及控制目标主要运行区域主要运行区域各运行区域的控制目标各运行区域的控制目标第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（一）主要运行区域（一）主要运行区域1.运行区域的划分运行区域的划分一般按照风速和机组运行特性分为一般按照风速和机组运行特性分为五大运行区域：五大运行区域：l并网区并网区lMPPT区区l转速限制区（过渡区）转速限制区（过渡区）l功率限制区功率限制区l切出停机区切出停机区2008.6.20华北电力大学电
15、气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制并网控制区域转速控制区域最大风能追踪区域功率控制区域不同不同运行区域的功率特性运行区域的功率特性2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制 (a)最大风能追踪区；(b)转速限制区域；(c)功率限制区域。2.不同运行区域的风能系数不同运行区域的风能系数2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）各运行区域的控制目标（二）各运行区域的控制目标
16、并网区在合适速度下控制发电机端电压符合并网条件并并网并网控制额定风速切入风速切出风速追踪风速变化，保持最佳叶尖速比，转换最大风能MPPT区MPPT控制转速限制区限制机组转速不超过极限转速限制极限转速限制机组输出功率等于机组额定功率限制额定功率功率限制区输出功率降为零并切出停机切出停机切出停机区2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉三三.总体控制方案总体控制方案总体控制方案主要内容总体控制方案主要内容几种典型总体控制方案几种典型总体控制方案优选总体方案及其优越性优选总体方案及其优越性第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大
17、学电气与电子工程学院 刘其辉（一）（一）.总体控制方案主要内容总体控制方案主要内容l总体控制方案指在不同运行区域内主、从总体控制方案指在不同运行区域内主、从控制器间的分工与协调控制方法。控制器间的分工与协调控制方法。l不同运行区域指并网区、不同运行区域指并网区、MPPT区、转速区、转速限制区、功率限制区、切出停机区。限制区、功率限制区、切出停机区。l主控制器中主要讨论变桨控制部分，从控主控制器中主要讨论变桨控制部分，从控制器即指发电机控制。制器即指发电机控制。第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉（二）（二）
18、.几种典型总体控制方案几种典型总体控制方案l典型总体控制方案概述典型总体控制方案概述l不同方案中各运行区域的不同方案中各运行区域的划分标准和实现措施划分标准和实现措施一致。一致。l在并网区、切出停机区内各总体控制方案基本一致。在并网区、切出停机区内各总体控制方案基本一致。l在在MPPT区内，各总体控制方案变桨控制一致（桨距角区内，各总体控制方案变桨控制一致（桨距角固定为零），发电机控制则体现为具有不同的固定为零），发电机控制则体现为具有不同的MPPT策策略，大致可分为直接转速控制和间接转速控制两种模略，大致可分为直接转速控制和间接转速控制两种模式。式。l转速限制区为（由转速限制区为（由MPPT
19、区到功率限制区的）过渡区域，区到功率限制区的）过渡区域，可由变桨控制或发电机控制限速。可由变桨控制或发电机控制限速。l功率控制器内变桨控制和发电机控制同时起作用，该功率控制器内变桨控制和发电机控制同时起作用，该区域内两个控制功能间的协调非常重要，协调方案众区域内两个控制功能间的协调非常重要，协调方案众多构成了总体控制方案的多样性。多构成了总体控制方案的多样性。第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉l几种典型总体控制方案几种典型总体控制方案 第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2
20、008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉n方案一方案一*第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适转速；发电机控制空载电压，符合并网条件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固定为零；发电机控制功率实现MPPTMPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制限制极限转速；发电机控制功率输出限制极限转速变桨控制合适转速；发电机控制功率实现额定功率输出限制额定功率功率限制区变桨控制顺桨实现启动刹车，发电机控制离网切出停机切出停机区2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉n方案二方案二 第三章：双馈式变桨变速风电机组
21、控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适转速；发电机控制空载电压，符合并网条件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固定为零；发电机控制转矩实现MPPTMPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制限制极限转速；发电机控制功率（或转矩）输出限制极限转速变桨控制合适转速；发电机控制功率实现额定功率输出限制额定功率功率限制区变桨控制顺桨实现启动刹车，发电机控制离网切出停机切出停机区2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉n方案三方案三第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适转速；发电机控制空载电压，符合并网条
22、件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固定为零；发电机控制转速实现MPPT(检测风速)MPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制桨距角固定为零；发电机控制转速限制转速越限限制极限转速变桨控制功率实现机组额定功率输出；发电机控制合适转速限制额定功率功率限制区变桨控制顺桨实现启动刹车，发电机控制离网切出停机切出停机区2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉n方案四方案四*第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适转速；发电机控制空载电压，符合并网条件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固定为零；发电机
23、控制转速实现MPPT(不检测风速)MPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制桨距角固定为零；发电机控制转速限制转速越限限制极限转速变桨控制功率实现机组额定功率输出；发电机控制合适转速限制额定功率功率限制区变桨控制顺桨实现启动刹车，发电机控制离网切出停机切出停机区2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉l几种方案的比较几种方案的比较l第一种方案前四个运行区域内变桨控制和发电第一种方案前四个运行区域内变桨控制和发电机控制的控制目标分别是转速和功率，运行区机控制的控制目标分别是转速和功率，运行区域改变时不需控制目标的切换，控制器设计简域改变时不需控制目标的切换，控制器设计简单。需要设计
24、发电机功率控制器。该方案的一单。需要设计发电机功率控制器。该方案的一大优点：发电机大优点：发电机有功、无功控制器有功、无功控制器设计一致。设计一致。l第二种方案变桨控制器控制目标不变，但发电第二种方案变桨控制器控制目标不变，但发电机控制目标在机控制目标在MPPT区、转速限制区内为转矩，区、转速限制区内为转矩，在功率限制区内为功率，存在控制目标切换问在功率限制区内为功率，存在控制目标切换问题。需要设计发电机转矩和功率控制器。题。需要设计发电机转矩和功率控制器。第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l第三种方案变桨控制存在控制目标的变换问题，第三种方案变桨控制存在控制
25、目标的变换问题，发电机在发电机在MPPT区、转速限制区、功率限制区区、转速限制区、功率限制区内进行转速控制，需要设计转速控制器。发电内进行转速控制，需要设计转速控制器。发电机控制在并网区和机控制在并网区和MPPT区内存在控制目标切区内存在控制目标切换问题。在换问题。在MPPT区内需要风速检测，造成区内需要风速检测，造成MPPT效果下降。效果下降。l第四种方案变桨控制存在控制目标的变换问题，第四种方案变桨控制存在控制目标的变换问题，发电机在发电机在MPPT区、转速限制区、功率限制区区、转速限制区、功率限制区内进行转速控制，需要设计转速控制器。发电内进行转速控制，需要设计转速控制器。发电机控制在并
26、网区和机控制在并网区和MPPT区内存在控制目标切区内存在控制目标切换问题。在换问题。在MPPT区内需要风速检测，造成区内需要风速检测，造成MPPT效果下降。效果下降。第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l需要解决的问题需要解决的问题l并网区和功率限制区内的并网区和功率限制区内的“合适转速合适转速”如何选如何选择？择？l第一种方案的转速限制区内发电机如何进行功第一种方案的转速限制区内发电机如何进行功率控制？率控制？第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（三）（三）.优
27、选总体方案及其优越性优选总体方案及其优越性 暂定第一种方案暂定第一种方案2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉德国德国AERODYN公司公司GD77/82(1.5MW)机组控制算法机组控制算法第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉四四.励磁变换器结构及原理励磁变换器结构及原理DFIG转子励磁电源的要求转子励磁电源的要求双双PWM变流器的结构和特点变流器的结构和特点第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章
28、：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制DFIGDFIG转子励磁电源的要求转子励磁电源的要求转子励磁电源的要求转子励磁电源的要求工作状态可逆，能量可以双向流动工作状态可逆，能量可以双向流动工作状态可逆，能量可以双向流动工作状态可逆，能量可以双向流动输入、输出特性优良，对电网的造成的谐波污染小输入、输出特性优良，对电网的造成的谐波污染小输入、输出特性优良，对电网的造成的谐波污染小输入、输出特性优良，对电网的造成的谐波污染小在不降低电网功率因数条件下，具备一定的产生无功功率的能力在不降低电网功率因数条件下，具备一定的产生无功功率的能力在不降低电网功率因数条件下，具备一定的产生
29、无功功率的能力在不降低电网功率因数条件下，具备一定的产生无功功率的能力（一）（一）DFIG转子励磁电源的要求转子励磁电源的要求2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）双（二）双PWM变流器的结构和特点变流器的结构和特点采用高频全控器件采用高频全控器件采用高频全控器件采用高频全控器件IGBTIGBTIGBTIGBT、SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM调制方式，消除了低次谐波调制方式，消除了低次谐波调制方式，消除了低次谐波调制方式，消除了低次谐波直流环节具有电容，具备产生一定无功功率的能力直流环节具有电
30、容，具备产生一定无功功率的能力直流环节具有电容，具备产生一定无功功率的能力直流环节具有电容，具备产生一定无功功率的能力2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制由两个结构和功能相对独立的由两个结构和功能相对独立的由两个结构和功能相对独立的由两个结构和功能相对独立的PWMPWMPWMPWM变换器组成变换器组成变换器组成变换器组成2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制两个两个两个两个PWMPWMPWMPWM变换器运行状态可控，可实现
31、可逆运行，能量可双向流变换器运行状态可控，可实现可逆运行，能量可双向流变换器运行状态可控，可实现可逆运行，能量可双向流变换器运行状态可控，可实现可逆运行，能量可双向流2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制全控器件变换器全控器件变换器全控器件变换器全控器件变换器拓扑及调制波形拓扑及调制波形拓扑及调制波形拓扑及调制波形（三）双（三）双PWM变流器的原理变流器的原理2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制基本调制技术基本调制技术基本
32、调制技术基本调制技术SPWMSPWMSPWMSPWM（正弦（正弦（正弦（正弦PWMPWMPWMPWM）技术）技术）技术）技术2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM（空间矢量（空间矢量（空间矢量（空间矢量PWMPWMPWMPWM）技术）技术）技术）技术SASBSC三相线电压（*udc）三相相电压（*udc）00000000010010-12/3-1/3-1/311001-11/31/3-2/3010-110-1/32/3-1/3011-101-2/31/31/30010-
33、11-1/3-1/32/31011-101/3-2/31/31110000002008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉五五.DFIG控制（机侧变换器控制）控制（机侧变换器控制）DFIG的特性及数学模型的特性及数学模型DFIG功率解耦控制策略功率解耦控制策略DFIG并网控制策略并网控制策略第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉(一一).DFIG的特性及数学模型的特性及数学模型第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制DFIGDFIG优势优势优势优势转子励磁电流幅值、相位
34、、频率均可调转子励磁电流幅值、相位、频率均可调转子励磁电流幅值、相位、频率均可调转子励磁电流幅值、相位、频率均可调有功功率、无功功率均可调有功功率、无功功率均可调有功功率、无功功率均可调有功功率、无功功率均可调可实现变速恒频运行，适用于风力、潮汐等绿色发电领域可实现变速恒频运行，适用于风力、潮汐等绿色发电领域可实现变速恒频运行，适用于风力、潮汐等绿色发电领域可实现变速恒频运行，适用于风力、潮汐等绿色发电领域可实现与电网的柔性并网，并网特性优良可实现与电网的柔性并网，并网特性优良可实现与电网的柔性并网，并网特性优良可实现与电网的柔性并网，并网特性优良2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学
35、院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制VSCFVSCF实现原理实现原理实现原理实现原理2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制DFIGDFIGDFIGDFIG有功功率关系有功功率关系有功功率关系有功功率关系结论：DFIG转子侧的有功功率流向与发电机运行区域有关DFIG亚同步运行时，功率由电网流入转子；超同步运行时，由转子流入电网DFIGDFIG功率特性功率特性功率特性功率特性2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：
36、双馈式变桨变速风电机组控制DFIGDFIG数学模型数学模型数学模型数学模型坐标关系及变换坐标关系及变换坐标关系及变换坐标关系及变换3S/2S 3S/2S 3S/2S 3S/2S 或或或或 2S/3S 2S/3S 2S/3S 2S/3S2S/2R 2S/2R 2S/2R 2S/2R 或或或或 2R/2S 2R/2S 2R/2S 2R/2S3S/2R 3S/2R 3S/2R 3S/2R 或或或或 2R/3S 2R/3S 2R/3S 2R/3S2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制定子电压方程:转子电压方程:定子磁
37、链方程:转子磁链方程:转矩方程:运动方程:同步旋转坐标系中同步旋转坐标系中同步旋转坐标系中同步旋转坐标系中DFIGDFIGDFIGDFIG数学模型数学模型数学模型数学模型坐标变换坐标变换坐标变换坐标变换2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）（二）.DFIG功率解耦控制策略功率解耦控制策略l基于基于DFIG功率控制的功率控制的MPPTlDFIG参考功率的计算参考功率的计算l基于定子磁链定向矢量控制的功率解耦基于定子磁链定向矢量控制的功率解耦2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双
38、馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制1.基于基于DFIG功率控制的功率控制的MPPTlMPPT控制的机理控制的机理l由风力机特点知道，其风能转换系由风力机特点知道，其风能转换系数数Cp与叶尖速比与叶尖速比和桨距角和桨距角有关，有关，为后两者非线性函数。改变为后两者非线性函数。改变和和均能调节均能调节Cp，控制吸收风能的多少。，控制吸收风能的多少。l单独调节单独调节或单独调节或单独调节虽然均会虽然均会使使Cp提高，但是只有两者共同参与提高，但是只有两者共同参与调节才使可能调节才使可能Cp最大，实现真正意最大，实现真正意义上的义上的MPPT。2008.6.20华北电力大学电气
39、与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制lMPPT控制的策略控制的策略l由变桨控制桨距角由变桨控制桨距角实现，常用于恒速机组，实现，常用于恒速机组，变桨变速机组较少采用。非真正意义变桨变速机组较少采用。非真正意义MPPT。n恒速机组转速不能改变，因此风速变化时叶尖速比恒速机组转速不能改变，因此风速变化时叶尖速比不受控，很难调整到最佳叶尖速比。不受控，很难调整到最佳叶尖速比。n风速变化时通过风速变化时通过桨距角桨距角调整调整风能转换系数风能转换系数Cp，可，可使使Cp得到一定程度的提高，但很难提高到最佳状态。得到一定程度的提高，但很难提高到最佳状
40、态。2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l桨距角固定为零，由发电机控制转速（保持最桨距角固定为零，由发电机控制转速（保持最佳叶尖速比佳叶尖速比）实现。变速机组常用。真正意）实现。变速机组常用。真正意义义MPPT。直接转速控制模式直接转速控制模式n检测风速方式检测风速方式n不检测风速方式，如爬山法不检测风速方式，如爬山法间接转速控制模式间接转速控制模式n功率控制模式功率控制模式n转矩控制方式转矩控制方式2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨
41、变速风电机组控制基于基于DFIG功率控制的功率控制的MPPT机理机理l双馈变桨变速机组能量转换关系双馈变桨变速机组能量转换关系 2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制考虑单质块风机模型且不考虑机械损耗时机组功率平衡方程为 Pk为动态（加速、减速）功率Pk小于、等于和大于零时机组分别减速、恒速和加速运行。在某特定风速下通过DFIG功率控制可改变,从而调整机组至最佳转速，实现MPPT。2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l由由
42、DFIG功率控制实现功率控制实现MPPT的原理及方法的原理及方法 若DFIG的电磁功率控制规律取为则机组动态功率为2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制DFIG交流励磁变速恒频风力发电机矢量控制 系统 功率指令计算最佳功率曲线机组转速2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2.DFIG参考功率参考功率计计算算l 参考有功功率参考有功功率计计算算 根据前面可得到DFIG参考电磁功率Pe，但由于DFIG定子输出有功功率P1意义更明
43、确且易于检测，通常作为直接控制对象。根据DFIG功率特性（Pe和P1 关系）分析，可得实现MPPT的DFIG定子输出参考有功功率2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l 参考无功功率参考无功功率计计算算 参考无功功率的参考无功功率的计计算原算原则则有很多：有很多：n电电网网电压电压或无功最或无功最优优控制控制n发电发电机运行最机运行最优优化化以以发电发电机机损损耗最小化耗最小化为为目目标标的参考无功功率的参考无功功率计计算公式算公式 2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变
44、速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l 参考无功功率参考无功功率计计算模型算模型 基于最大风能追踪和发电机损耗最小的DFIG参考有功功率和参考无功功率计算模型2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制3.基于定子磁基于定子磁链链定向矢量控制的功率解耦定向矢量控制的功率解耦lDFIG功率控制的功率控制的结结构构2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l基于定子磁基于定子磁链链定向矢量控制的定向矢量控制的DFIG功率解耦功
45、率解耦实现实现 对DFIG的控制目的：一是实现发电机的变速恒频运行；二是实现P、Q解耦控制，进而实现最大风能追踪。为此，将矢量变换技术移植到DFIG控制上，推导基于定子磁链定向的DFIG矢量控制策略。在定子磁链定向下有：根据DFIG数学模型得到其中2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制 由前面发电机的电压和磁链方程可以进一步导出 其中 前者是分别与Ii2it2具有一阶微分关系的解耦分量，后者为补偿分量。由此可设计出基于定子磁链定向的DFIG的P、Q解耦矢量控制策略，如下图所示。定子磁链定向下发电机的功率方程为
46、 定子磁链定向 可以看出，有功功率无功功率分别与定子电流在m、t轴上的分量成正比，调节转矩电流分量it1和励磁电流分量im1可分别独立调节有功和无功功率。2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制(三三).DFIG并网控制策略并网控制策略恒速恒频恒速恒频恒速恒频恒速恒频变速恒频变速恒频变速恒频变速恒频刚性连接刚性连接刚性连接刚性连接柔性连接柔性连接柔性连接柔性连接转速控制转速控制转速控制转速
47、控制整步，同步整步，同步整步，同步整步，同步不限转速不限转速不限转速不限转速励磁控制励磁控制励磁控制励磁控制复杂复杂复杂复杂简单简单简单简单矢量控制矢量控制矢量控制矢量控制DFIGDFIGDFIGDFIG并网控制并网控制并网控制并网控制移植移植移植移植空载并网空载并网空载并网空载并网负载并网负载并网负载并网负载并网2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制 空载并网技术的实质是提取电网的电压信息，采用矢量变换技术对发电机进行控制，调节其空载电压使其满足并网条件。空载时DFIG定子电流为零，即，代入DFIG一般数学
48、模型，得到空载数学模型：定、转子电压方程：2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制定、转子磁链方程：整合电压方程与磁链方程得到：转矩、运动方程：仍然采用定子磁链定向，将m轴定在定子磁链矢量的方向，忽略定子电阻。此时有：成立。2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制 由上式知，工频下磁链定向时的发电机定子磁链为定值，端电压U1正比于定子磁链1。发电机空载时，定子电流为零，即im1=it1=0，可由发电机电压磁链方程得到 将上面的式
49、子代入发电机转子电压方程得到 根据上面分析可建立交流励磁变速恒频风力发电机空载并网控制策略，如下图所示。2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉六六.网侧变换器控制网侧变换器控制网网侧变换器数学模型侧变换器数学模型电网电压定向矢量控制策略电网电压定向矢量控制策略第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉（一）（一）.网侧变换器数学模型网侧变换器数学模型第三章：双馈式变桨变速风
50、电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制3S/3R变换2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2S/2R变换考率到为网侧变换器交流侧电压，上式变换为上式可改写为其中2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双