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1、1版本1.0纵览机组主结构及控制系统运行区域及控制目标总体控制方案励磁变换器结构及原理DFIG控制（机侧变换器控制）网侧变换器控制变桨机构及其控制偏航机构及其控制其他机构及控制、保护第三章：双馈型变速变桨风力发电系统 运行控制第1页/共138页2版本1.0一.机组主结构及控制系统机组主结构：主要的机电设备控制系统：微机控制软、硬件第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第2页/共138页3版本1.0第3页/共138页4版本1.0第4页/共138页5版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（一）机组主结构风轮系统传动链系统发电机系统偏航/解缆系统刹车系统辅助系统第5页/共138页6版本1.0第三章
2、：双馈式变桨变速风电机组控制机组主结构示意图第6页/共138页7版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制1.风轮系统l桨叶l轮毂l变距（桨矩）机构第7页/共138页8版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2.传动链系统l低速轴l齿轮箱多级变速，变比较大（接近100）采用行星齿轮和正（斜）齿轮实现多级变速 润滑油冷却或加温机构 l高速轴l联轴器第8页/共138页9版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制通用标准型膜片联轴器连接齿轮箱和发电机补偿轴向、径向和角度偏差易于装拆维护实现电绝缘力矩限定第9页/共138页10版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l传动链系统布局第10页
3、/共138页11版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制3.发电机系统lDFIG发电机本体冷却系统保护系统l励磁变流器四象限运行能力、输入、输出特性优良设计容量为机组容量30 IGBT器件，PWM调制技术动作频率为数kHz-十几kHzl并网机构第11页/共138页12版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制4.偏航/解缆系统l偏航机构风向标偏航饲服电机（或液压马达）减速装置偏航液压制动器偏航行星齿轮l对风/解缆操作根据风向标控制对风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第12页/共138页13版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l偏航的作用对风，获取最大发
4、电量减少斜风给机组带来的不平衡载荷第13页/共138页14版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制5.刹车系统l机械抱闸刹车*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，一般在气动刹车后转速降低后采用n安装位置：高速轴，低速轴l气动刹车变桨控制 变桨控制系统控制桨距角为90度偏航控制 l电磁刹车 通过控制发电机电磁阻转矩实现第14页/共138页15版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第15页/共138页16版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制6.辅助系统l塔架l机舱罩l机舱底盘l变压器l防雷系统及电气保护装置 第16页/共138页17版本1.0第三章：双馈式变
5、桨变速风电机组控制l冷却系统l发热部件l液压系统l齿轮箱l发电机l变频器l冷却方式：空气冷却，液体冷却，混合冷却l其他部分第17页/共138页18版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）控制系统1.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，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,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靠快
6、速地交换信息。第18页/共138页19版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2.结构与功能l结构n硬件系统和软件系统n主控制器和从控制器l功能n运行控制u变桨距控制、偏航控制、刹车控制、变流器（发电机）控制u本地控制与远程控制n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u本地监视与远程监视第19页/共138页20版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制3.主从分布式控制系统l主控制器（PLC,PID控制算法）n变桨控制n偏航控制n制动控制n参数监视与远程通讯n系统级控制协调第20页/共138页21版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制主控制器实现案例第21
7、页/共138页22版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第22页/共138页23版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l从控制器（DSP，矢量动态控制算法）n机侧变流器控制n网侧变流器控制第23页/共138页24版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制从控制器实现案例第24页/共138页25版本1.0英国EU-ENERGY WIND公司SEG1250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25页/共138页26版本1.0二.运行区域及控制目标主要运行区域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26页/共138页27版本1.0第三章：双馈式变桨变速
8、风电机组控制（一）主要运行区域1.运行区域的划分一般按照风速和机组运行特性分为五大运行区域：l并网区lMPPT区l转速限制区（过渡区）l功率限制区l切出停机区第27页/共138页28版本1.0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运行区域的功率特性第28页/共138页29版本1.0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第29页/共138页30版本1.0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并网区在合适速度下控制发电机端电压符合并网条件并
9、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第30页/共138页31版本1.0三.总体控制方案总体控制方案主要内容几种典型总体控制方案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31页/共138页32版本1.0（一）.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、MPPT区、转速限制区、功率限制区、切出停机区。l主控
10、制器中主要讨论变桨控制部分，从控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32页/共138页33版本1.0（二）.几种典型总体控制方案l典型总体控制方案概述l不同方案中各运行区域的划分标准和实现措施一致。l在并网区、切出停机区内各总体控制方案基本一致。l在MPPT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MPPT策略，大致可分为直接转速控制和间接转速控制两种模式。l转速限制区为（由MPPT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。l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，协调方案众多构
11、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33页/共138页34版本1.0l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34页/共138页35版本1.0方案一*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第35页/共
12、138页36版本1.0方案二 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第36页/共138页37版本1.0方案三第三章：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
13、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第37页/共138页38版本1.0方案四*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
14、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第38页/共138页39版本1.0l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，控制器设计简单。需要设计发电机功率控制器。该方案的一大优点：发电机有功、无功控制器设计一致。l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MPPT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
15、组控制第39页/共138页40版本1.0l第三种方案变桨控制存在控制目标的变换问题，发电机在MPPT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。发电机控制在并网区和MPPT区内存在控制目标切换问题。在MPPT区内需要风速检测，造成MPPT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，发电机在MPPT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。发电机控制在并网区和MPPT区内存在控制目标切换问题。在MPPT区内需要风速检测，造成MPPT效果下降。第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第40页/共138页41版本1.0l需要解决的问题l并网区和功率限制区内的
16、“合适转速”如何选择？l第一种方案的转速限制区内发电机如何进行功率控制？第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第41页/共138页42版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（三）.优选总体方案及其优越性 暂定第一种方案第42页/共138页43版本1.0德国AERODYN公司GD77/82(1.5MW)机组控制算法第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第43页/共138页44版本1.0四.励磁变换器结构及原理DFIG转子励磁电源的要求双PWM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44页/共138页45版本1.0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
17、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（一）DFIG转子励磁电源的要求第45页/共138页46版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）双PWM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IGBTIGBTIGBTIGBT、SVPWMSVPWMSVPWMSVPWM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
18、能力直流环节具有电容，具备产生一定无功功率的能力第46页/共138页47版本1.0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PWMPWMPWMPWM变换器组成变换器组成第47页/共138页48版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制两个两个PWMPWMPWMPWM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，能量可双向流第48页/共138页49版本1.0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拓扑及调制波形拓扑及调制波形（三）双PWM变流器的原理第49页/共138页50版本1.0第三章：
19、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SPWMSPWMSPWMSPWM（正弦（正弦PWMPWMPWMPWM）技术）技术第50页/共138页51版本1.0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PWMPWMPWMPWM）技术）技术SASBSC三相线电压（*udc）三相相电压（*udc）00000000010010-12/3-1/3-1/311001-11/31/3-2/3010-110-1/32/3-1/3011-101-2/31/31/30010-11-1/3-1/32/31011-101/3-2/31/3111000000第5
20、1页/共138页52版本1.0五.DFIG控制（机侧变换器控制）DFIG的特性及数学模型DFIG功率解耦控制策略DFIG并网控制策略第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第52页/共138页53版本1.0(一).DFIG的特性及数学模型第三章：双馈式变桨变速风电机组控制DFIGDFIG优势优势转子励磁电流幅值、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，并网特性优良第53页/共138页5
21、4版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制VSCFVSCF实现原理实现原理第54页/共138页55版本1.0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功率特性功率特性第55页/共138页56版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制DFIGDFIG数学模型数学模型坐标关系及变换坐标关系及变换3S/2S 3S/2S 3S/2S 3S/2S 或或 2S/3S2S/3S2S/3S2S/3S2S/2R 2S/2
22、R 2S/2R 2S/2R 或或 2R/2S2R/2S2R/2S2R/2S3S/2R 3S/2R 3S/2R 3S/2R 或或 2R/3S2R/3S2R/3S2R/3S第56页/共138页57版本1.0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DFIGDFIGDFIGDFIG数学模型数学模型坐标变换坐标变换第57页/共138页58版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）.DFIG功率解耦控制策略l基于DFIG功率控制的MPPTlDFIG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
23、第58页/共138页59版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制1.基于DFIG功率控制的MPPTlMPPT控制的机理l由风力机特点知道，其风能转换系数Cp与叶尖速比和桨距角有关，为后两者非线性函数。改变和均能调节Cp，控制吸收风能的多少。l单独调节或单独调节虽然均会使Cp提高，但是只有两者共同参与调节才使可能Cp最大，实现真正意义上的MPPT。第59页/共138页60版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制lMPPT控制的策略l由变桨控制桨距角实现，常用于恒速机组，变桨变速机组较少采用。非真正意义MPPT。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。风
24、速变化时通过桨距角调整风能转换系数Cp，可使Cp得到一定程度的提高，但很难提高到最佳状态。第60页/共138页61版本1.0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（保持最佳叶尖速比）实现。变速机组常用。真正意义MPPT。直接转速控制模式n检测风速方式n不检测风速方式，如爬山法间接转速控制模式n功率控制模式n转矩控制方式第61页/共138页62版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制基于DFIG功率控制的MPPT机理l双馈变桨变速机组能量转换关系 第62页/共138页63版本1.0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
25、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。第63页/共138页64版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l由DFIG功率控制实现MPPT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第64页/共138页65版本1.0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第65页/共138页66版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2.DFIG参考功率计算l 参考有功功率计算 根据
26、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第66页/共138页67版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l 参考无功功率计算 参考无功功率的计算原则有很多：n电网电压或无功最优控制n发电机运行最优化以发电机损耗最小化为目标的参考无功功率计算公式 第67页/共138页68版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l 参考无功功率计算模型 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第68页/共1
27、38页69版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制3.基于定子磁链定向矢量控制的功率解耦lDFIG功率控制的结构第69页/共138页70版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l基于定子磁链定向矢量控制的DFIG功率解耦实现 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数学模型得到其中第70页/共138页71版本1.0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I
28、i2it2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 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。第71页/共138页72版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第72页/共138页73版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制(三).DFIG并网控制策略恒速恒频恒速恒频变速恒频变速恒频刚性连接刚性连接柔性连接柔性连接转速控制转速控制整步，同步整步，同步不限转速不限转速励磁
29、控制励磁控制复杂复杂简单简单矢量控制矢量控制DFIGDFIGDFIGDFIG并网控制并网控制移植移植空载并网空载并网负载并网负载并网第73页/共138页74版本1.0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一般数学模型，得到空载数学模型：定、转子电压方程：第74页/共138页75版本1.0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
30、时有：成立。第75页/共138页76版本1.0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。第76页/共138页77版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第77页/共138页78版本1.0六.网侧变换器控制网侧变换器数学模型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78页/共138页79版本1.0（一）.网侧变换器
31、数学模型第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第79页/共138页80版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第80页/共138页81版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制3S/3R变换第81页/共138页82版本1.0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第82页/共138页83版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制 为简化控制算法，可采用电网电压定向矢量控制，将同步速旋转dq坐标系的d轴定向于电网电压矢量方向上。此时网侧变换器的数学模型变为网侧变换器的从电网吸收的有功功率和无功功率为因此，控制id与iq可分别控制
32、有功和无功功率，从而控制直流环节电压和交流侧功率因数。（二）.电网电压定向矢量控制策略第83页/共138页84版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第84页/共138页85版本1.0七.变桨机构及其控制变桨风力机的特性变桨执行机构变桨控制策略变桨控制器实现案例第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第85页/共138页86版本1.0（一）变桨风力机的特性1.风力机叶片空气动力学分析l风力机的风轮由轮毂及均匀分布安装在轮毂上的若干桨叶组成。在安装这些桨叶时，必须对每支桨叶的翼片按同一旋转方向，桨叶围绕自身轴心线转过一个给定的角度，即使每个叶片的翼弦与风轮旋转平面形成一个角度，称为安装角也就是桨叶
33、节距角。下图是风力机起动时受力分析。第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第86页/共138页87版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第87页/共138页88版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l设风轮的中心轴位置与风向一致（由偏航系统控制）当气流以速度v流经风轮时，在桨叶和桨叶上将产生气动力F和F。将它们分解成沿气流方向的阻力和垂直气流方向的升力。阻力形成对风轮的正面压力，而升力则对风轮中心轴产生转动力矩，从而使风轮转动起来。l从上面的受力分析可以看出，阻力随着功角的减小而增大，而阻力是对风轮正面的压力，当风过大时风轮承受的压力过大可能会被吹倒，变桨机组可以通过适当增大桨距角来减
34、少压力，这是变桨相对于定桨的优势之一第88页/共138页89版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2.风力机的风能转换系数l风能利用系数Cp定义：表示风力机从自然风能中吸收能量的大小程度P风力机实际获取的轴功率S风轮旋转面的面积 p 空气密度V风速第89页/共138页90版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l对于变桨距风力机，风能利用系数Cp与叶尖速比和桨叶的节距角成非线关系。第90页/共138页91版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l对于某一固定桨叶节距角下，存在唯一的风能利用系数最大值Cpmaxl对于任意的叶尖速比，桨叶节距角=0下的风能利用系数Cp相对最大。随着桨
35、叶节距角增大，风能利用系数Cp明显减小。第91页/共138页92版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l以上分析为变速变桨距控制提供了理论基础：在低于额定风速时，桨叶节距角固定为=0，通过发电机控制（直接转速控制、间接转速控制）使风能利用系数恒定在Cpmax，捕获最大风能；在高于额定风速时，变桨控制和发电机控制进行协调控制保持机组输出额定功率不变。第92页/共138页93版本1.03.变桨变速机组的功率特性第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l输出功率特性变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能
36、。当功率在额定功率以下时。控制器将叶片节距角置于0附近，可认为等同于定桨距风力发电机组。当功率超过额定功率时。变桨距机构开始工作，调整叶片节距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。第93页/共138页94版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制 由于变桨风力发电机组的桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的。它不受气流密度变化的影响，无沦是出于温度变化还是海拔引起空气密度变化，变桨距系统都能通过调整叶片角度，使之获得额定功率输出。这对于功率输出完全依靠桨叶气功性能的定桨距风力发电机组来说，具有明显的优越性。第94页/共138页95版本1.0n变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组
37、功率曲线比较第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第95页/共138页96版本1.0l起动性能与制动性能 变桨距风力发电机组在低风速时，桨叶节距可以转动到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩，从而使变桨距风力发电机组比定桨距风力发电机组更容易起动。在变桨距风力发电机组中一般不再设计电动机起动的程序 当风力发电机组需要脱离电网时，变桨距系统可以先转动叶片使之减小功率，在发电机与电网断开之前，功率减小至0这意味着当发电机与电网脱开时，没有转矩作用于风力发电机组，避免了在定桨距风力发电机组上每次脱网时所要经历的突甩负载的过程。第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第96页/共138页97版本1.0第三章：双
38、馈式变桨变速风电机组控制（二）变桨执行机构l变桨机构的作用风机切入、切出减少冲击超过额定风速时限制功率气动刹车第97页/共138页98版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l变桨机构的类型饲服电机齿轮传动变桨 每一桨叶都具有饲服电机（PMSM），减速器和齿轮副 控制复杂，机构位于轮毂内使其重量增加液压马达驱动变桨独立变桨三个液压缸，三套曲柄滑块机构位于轮毂内，分别驱动三桨叶同步变桨一个液压缸（位于机舱），一套曲柄滑块机构，同步驱动叶片第98页/共138页99版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制典型电动型桨距调整机构第99页/共138页100版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组
39、控制液压型桨距调整机构（英国EU-ENERGY WIND公司SEG1250型风机）第100页/共138页101版本1.0比例阀原理比例阀是在普通液压阀基础上，用比例电磁铁取代阀的调节机构及普通电磁铁构成的。采用比例放大器控制比例电磁铁就可实现对比例阀进行远距离连续控制从而实现对液压系统压力、流量、方向的无级调节。比例控制技术基本工作原理是：根据输入电信号电压值的大小，通过放大器将该输入电压信号(一般在-10V一十10V之间)转换成相应的电流信号送入比例电磁铁，从而产生和输入信号成比例的输出量力或仿移。该力或位移又作为输入量加给比例阀后者产生一个与前者成比例的流量或压力。l液压变桨机构的原理第三
40、章：双馈式变桨变速风电机组控制第101页/共138页102版本1.0闭环控制比例阀系统原理框图第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第102页/共138页103版本1.0液压变桨机构原理比例阀驱动液压装置实现变桨比例阀由变桨控制器控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第103页/共138页104版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（三）变桨控制策略变桨控制的区域及模式各区域内的变桨控制转速控制策略第104页/共138页105版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l变桨控制的区域及模式 根据前述的总体控制方案知：n并网区：转速控制模式nMPPT区：不控模式（桨距角固定为零）n转速限制区
41、：转速控制模式或不控模式n功率限制区：转速控制模式或功率控制模式n切出停机区：刹车控制模式（顺桨）第105页/共138页106版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l各区域内的变桨控制各区域内的桨距角控制规律第106页/共138页107版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区 变距风轮的桨叶在静止时，节距角为90，这时气流对桨叶不产生转矩，整个桨叶实际上是一块阻尼板。当风速达到起动风速时，桨叶向0方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始起动。在发电机并入电网以前，变桨距系统的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按定的速度上升斜率给出速度参考值，变桨距系统根据给定的
42、速度参考值，调整节距角，进行所谓的速度控制。第107页/共138页108版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制 为了使控制过程比较简单变桨距风力发电机组在转速达到发电机同步转速前对桨叶节距并不加以控制。在这种情况下，桨叶节距只是按所没定的变距速度将节距角向0方向打开。直到发电机转速上升到同步速附近，变桨距系统才开始投入工作。转速控制的给定值是恒定的。即同步转速。转速反馈信号与给定值进行比较当转速超过向步转速时，桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方问转动一个角度。当转速在同步转速附近保持定时间后发电机即并入电网。第108页/共138页109版本1.0第三章：
43、双馈式变桨变速风电机组控制MPPT区 此时变距机构只需将节距角固定在0即可，即使Cp=Cpmax,其余的由发电机控制。第109页/共138页110版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制转速限制区和功率限制区 变桨控制采用功率控制模式或转速控制模式。第110页/共138页111版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l转速控制策略n采用液压变桨机构的速度控制策略第111页/共138页112版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制液压调节器原理第112页/共138页113版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制电动调节器原理第113页/共138页114版本1.0第三章：双馈式变桨
44、变速风电机组控制（四）.变桨控制器实现案例 一种电动变桨控制器实现案例第114页/共138页115版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第115页/共138页116版本1.0八.偏航机构及其控制偏航机构控制系统第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第116页/共138页117版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（一）.偏航机构l偏航的作用对风，获取最大发电量减少斜风给机组带来的不平衡载荷第117页/共138页118版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l偏航机构风向标偏航饲服电机（或液压马达）减速装置偏航液压制动器偏航行星齿轮第118页/共138页119版本1.0第三章：双馈式
45、变桨变速风电机组控制偏航机构第119页/共138页120版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制风向标风向标和风速计安装在风力发电机组的玻璃钢机舱罩上的固定支架上，可随风力发电机组同步旋转。两个光敏传感器安装在风向标里，OPT1为0度角传感器，OPT2为90度角传感器。其工作原理是：一个半圆形桶罩有风向标驱动，当传感器OPT1或OPT2没有被半圆筒罩挡住时，传感器输出信号是高电平，反之是低电平。以下就几种情况加以讨论第120页/共138页121版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第121页/共138页122版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l偏航系统工作原理 偏航系统的一
46、般工作原理是：风向标作为感应元件将风向的变化用电信号到偏航电机控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同联轴接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对当对风结束后，风向标失去电信号，电机停止转动，偏航过程结束。第122页/共138页123版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）.偏航控制系统l控制系统原理第123页/共138页124版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l控制系统的控制过程偏航系统主要的动作有：n风向标控制的自动偏航n风向标控制的90度偏航n人工偏航n自动解缆n阻尼刹车
47、第124页/共138页125版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制n风向标控制的自动偏航为了使风力发电机吸收的功率最大，发挥最大效能，机舱必须准确对风；因此必须使叶轮法线方向与风向基本一致。当风向改变，超过允许误差范围时，系统计算机发出自动偏航指令，传感器和偏航电机组成的对风系统执行校正动作，使机舱准确对风。第125页/共138页126版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制n风向标控制的90度偏航90度侧风是在外界环境对风电机组有较大影响的情况下（例如出现特大强风），为了保证风电机组的安全所实施的措施，所以在90度侧风时，应当使机舱走最短路径，且屏蔽自动偏航指令；在侧风结束后应当抱
48、紧偏航闸，同时当风向变化时，继续追踪风向的变化，确保风力发电机组的安全。第126页/共138页127版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制n人工偏航人工偏航是指在自动偏航失败、人工解缆或者是在需要维修时，通过人工指令来进行的风力发电机偏航措施。第127页/共138页128版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制n自动解缆由于风向的不确定性，风力发电机就需要经常偏航对风，而且偏航的方向也是不确定的，由此引起的后果是电缆会随风力发电机的转动而扭转。如果风力发电机多次向同一方向转动，就会造成电缆缠绕，绞死，甚至绞断，因此必须设法解缆。不同的风力发电机需要解缆时的缠绕圈数都有其规定。当达到其
49、规定的解缆圈数时，系统应自动解缆，此时启动偏航电机向相反方向转动缠绕圈数解缆，将机舱返回电缆无缠绕位置。若因故障，自动解缆未起作用，风力发电机也规定了一个极值圈数，在纽缆达到极值圈数左右时，纽缆开关动作，报纽缆故障，停机等待人工解缆。自动解缆包括计算机控制的凸轮自动解缆和纽缆开关控制的安全链动作计算机报警两部分，以保证风电机组安全。第128页/共138页129版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制n阻尼刹车由于现代风力发电机的容量越来越大，总体质量也越来越大，由此风力发电机的转动惯量也越来越大。因此为了保证调向较平稳，我们应该限制一下调向的速度，现代风力发电机的偏航系统都带有刹车阻尼机构
50、。通过电磁阀控制的液压机构的开关状态，来控制钳式刹车闸从而实现刹车阻尼的效果。第129页/共138页130版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l偏航控制器接口关系第130页/共138页131版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l偏航控制软件框图第131页/共138页132版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制八.其他机构及控制、保护第132页/共138页133版本1.0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l刹车控制器接口关系第133页/共138页134版本1.0附录l风力发电机的四种运行状态：n运行状态1）机械刹车松开2）允许机组并网发电3）机组自动调向4）液压系统保持工作