风力发电设备技术及产业.pptx

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1、1机械工业出版社第1页/共129页2机械工业出版社 本章主要内容本章主要内容3.1 3.1 风的特性及风能利用风的特性及风能利用3.2 3.2 风力发电机组及工作原理风力发电机组及工作原理3.3 3.3 风力发电机组的控制策略风力发电机组的控制策略3.4 3.4 风力发电机组的并网运行和功率补偿风力发电机组的并网运行和功率补偿3.5 3.5 风力发电的经济技术性评价风力发电的经济技术性评价第2页/共129页3机械工业出版社 绪 论在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、电机和控制技术等领域。风力发电是在大量利用风力提水的基

2、础上发展起来的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。20世纪70年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是21世纪中发展最快的一种可再生能源。第3页/共129页4机械工业出版社感性认识：各式风机感性认识：各式风机第4页/共129页5机械工业出版社第5页/共129页6机械工业出版社第6页/共129页7机械工业出版社第7页/共129页8机械工业出版社3.1 3.1 风的特性及风能利用风的特性及风能利用风的产生风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热和地球自转

3、、公转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。图3-1 地球上风的运动第8页/共129页9机械工业出版社风的特性与风能风的特性与风能1、随机性2、风随高度的变化而变化不同高度风速的表达式：式中距地面高度为h处的风速（ms）；0高度为h0处的风速（ms），一般取h0为10m；k修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约为0.1250.5。第9页/共129页10机械工业出版社风的表示及应用风的表示及应用1 1、风向、风向 风向一般用16个方位表示，也可以用角度表示。图示方向方位图图3-2 风向方位图第10页/共129页11机械工业出版社2 2、风速、风速 由于风时有时无、时大时小，每一

4、瞬时的速度都不相同，由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。3 3、风力、风力 风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为风级，从静风到飓风共分为1313个等级。个等级。风力等级与风速的关系：式中VNN级风的平均风速(m/s)；N风的级数。第11页/共129页12机械工业出版社4 4、风能、风能 （1 1）

5、风能密度风能密度，空气在一秒钟内以速度空气在一秒钟内以速度流过单位面积产生的流过单位面积产生的动能。动能。表达式为：表达式为：（2）风能，空气在一秒钟时间内以速度流过面积为S截面的动能。表达式为：（3）风能利用，风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量。第12页/共129页13机械工业出版社风能转换及应用情况如图所示。图3-5 风能转换与应用情况第13页/共129页14机械工业出版社3.2 3.2 风力发电机组及工作原理风力发电机组及工作原理风力发电机组的结构及分类风力发电机组的结构及分类 1、风力发电机组的分类风力发电机组的分类一般有3种，如下表所示。第14页/共129页

6、15机械工业出版社按风轮轴的安装型式按风力发电机的功率按运行方式水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组微型（额定功率501000W）、小型（额定功率1.010kW）、中型（额定功率10100kW）和大型（额定功率大于100kW）独立运行和并网运行第15页/共129页16机械工业出版社2 2、风力发电机组的结构、风力发电机组的结构 风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应

7、用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。水平轴风力发电机组的结构。第16页/共129页17机械工业出版社（1 1）独立运行的风力发电机组独立运行的风力发电机组水平轴独立运行的风力发电机组主要由风轮(包括尾舵)、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要结构见右图。图3-6 水平轴独立运行的风力发电机组主要结构第17页/共129页18机械工业出版社并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结构如右图所示（2）并网运行的风力发电机组图3-7 并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图第18页/共129页19机械工业出版

8、社并网运行的大型风力发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成，结构如右图。（3）大型风力发电机组图3-8 大型风力发电机组的基本结构第19页/共129页20机械工业出版社风力机风力机 风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。1 1、水平轴风力机：、水平轴风力机：a.a.荷兰式荷兰式 b.b.农庄式农庄式 c.c.自行车式自行车式 d.d.桨叶式桨叶式 图3-9 水平轴风力机第20页/共129页21机械工业出版社2 2、垂直轴风力机：、垂直轴

9、风力机：a.a.萨窝纽斯式萨窝纽斯式 b.b.达里厄式达里厄式 c.c.旋翼式旋翼式图-10 垂直轴风力机第21页/共129页22机械工业出版社水平轴垂直轴第22页/共129页23机械工业出版社风力机的气动原理风力机的气动原理 风力发电机组中的风轮之所以能将风能转化为机械能，原因是因为风力机具有特殊的翼型。图示为现代风力机叶片的翼型及翼型受力分析图。图3-11 风力机的叶片翼型及受力第23页/共129页24机械工业出版社 现分析风轮不动时受到风吹的情况：现分析风轮不动时受到风吹的情况：当风以速度矢量当风以速度矢量 吹向叶片时，在翼型的上表面，风速吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，形成低压区

10、，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，减小，形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成压差，产生垂直于翼弦的力上下表面间形成压差，产生垂直于翼弦的力 F F，力，力 F F 可以分可以分解为与相对风速方向平行的阻力解为与相对风速方向平行的阻力 F FD D 和垂直于风向的升力和垂直于风向的升力 F FL L，升力使风力机旋转，实现能量的转换。，升力使风力机旋转，实现能量的转换。第24页/共129页25机械工业出版社风力机的输出功率风力机的输出功率 当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机械能，风力机的当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机械

11、能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：机械输出功率可用式子表示为：第25页/共129页26机械工业出版社 对应于最大的风力机利用系对应于最大的风力机利用系C CPmPm有一个叶尖速比有一个叶尖速比m m，因风速经，因风速经常变化，为实现风能的最大捕获，风力机应变速运行，以维持叶尖速常变化，为实现风能的最大捕获，风力机应变速运行，以维持叶尖速比比m m不变。不变。在桨距角一定时，在桨距角一定时，C CP P与叶尖速比与叶尖速比的关系如下图所示。的关系如下图所示。图3-13 风力机的利用系数与叶尖速比的关系第26页/共129页27机械工业出版社风力发电机风力发电机 在由机械能转换为电能的过程中，

12、发电机及其控制器是整个系统的核心。独立运行的风力发电机组中所用的发电机主要有直流发电机、永磁式交流发电机、硅整流自励式交流发电机及电容式自励异步发电机。并网运行的风力发电机机组中使用的发电机主要有同步发电机、异步发电机、双馈发电机、低速交流发电机、无刷双馈发电机、交流整流子发电机、高压同步发电机及开关磁阻发电机等。第27页/共129页28机械工业出版社1 1、独立运行风力发电机组中的发电机独立运行风力发电机组中的发电机 独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给。独立运行的交流风力发电器配合实现直流

13、电和交流电的持续供给。独立运行的交流风力发电系统结构如下图所示。系统结构如下图所示。图3-14 独立运行的交流风力发电机系统结构第28页/共129页29机械工业出版社（1 1）直流发电机）直流发电机 直流发电机从磁场产生（励磁）直流发电机从磁场产生（励磁）的角度来分，可分为永磁式直流发电的角度来分，可分为永磁式直流发电机和电磁式直流发电机，典型结构如机和电磁式直流发电机，典型结构如图示。直流发电机可直接将电能送给图示。直流发电机可直接将电能送给蓄电池蓄能，可省去整流器，随着永蓄电池蓄能，可省去整流器，随着永磁材料的发展及直流发电机的无刷化，磁材料的发展及直流发电机的无刷化，永磁直流发电机的功率

14、不断做大，性永磁直流发电机的功率不断做大，性能大大提高，是一种很有发展前途的能大大提高，是一种很有发展前途的发电机。发电机。图3-15 电磁式直流发电机结构第29页/共129页30机械工业出版社（2 2）永磁式交流同步发电机）永磁式交流同步发电机 永磁式交流同步发电机的转子永磁式交流同步发电机的转子上没有励磁绕组，因此无励磁绕上没有励磁绕组，因此无励磁绕组的铜损耗，发电机的效率高；组的铜损耗，发电机的效率高；转子上无集电环，发电机运行更转子上无集电环，发电机运行更可靠；采用钕铁硼永磁材料制造可靠；采用钕铁硼永磁材料制造的发电机体积小，重量轻，制造的发电机体积小，重量轻，制造工艺简便，因此广泛应

15、用于小型工艺简便，因此广泛应用于小型及微型风力发电机中。及微型风力发电机中。图3-17 凸极式永磁发电机结构示意图1定子齿 2定子轭 3永磁体转子 4转子轴 5气隙 6定子绕组第30页/共129页31机械工业出版社（3 3）硅整流自励式交流同步发电机）硅整流自励式交流同步发电机 如下图，硅整流自励式交流同步发电机电路原理图。如下图，硅整流自励式交流同步发电机电路原理图。硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节励磁电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电励磁电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变

16、化对发电机端电压的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。机端电压的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。图3-18硅整流自励式交流同步发电机电路原理图第31页/共129页32机械工业出版社（4 4）电容自励式异步发电机）电容自励式异步发电机 电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电电容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路示意图如下图所示。路示意图如下图所示。图3-19 电容自励式异步发电机电路原理第32页/共129页33机械工业出版社并网

17、运行的风力发电机组中所用的发电机并网运行的风力发电机组中所用的发电机 （1）异步发电机风力异步发电机并入电网运行时，只要发电机转速接近同步转速就可以并网，对机组的调速要求不高，不需要同步设备和整步操作。异步发电机的输出功率与转速近似成线性关系，可通过转差率来调整负载。（2）同步发电机当发电机的转速一定时，同步发电机的频率稳定，电能质量高；同步发电机运行时可通过调节励磁电流来调节功率因数，既能输出有功功率，也可提供无功功率，可使功率因数为1，因此被电力系统广泛接受。第33页/共129页34机械工业出版社第34页/共129页35机械工业出版社（3 3）双馈异步发电机）双馈异步发电机 双馈异步发电机

18、是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交交变一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交交变频器、交直交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构频器、交直交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。如下图所示。图3-25 双馈异步发电机的系统结构第35页/共129页36机械工业出版社第36页/共129页37机械工业出版社 双馈异步发电机工作原理：双馈异步发电机工作原理：异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，异步发电机中定、转子电流

19、产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：频率关系可表示为：式中式中 f f1 1定子电流的频率（定子电流的频率（HzHz），），f f1 1=pnpn1 1/60/60，n n1 1 为同步转速；为同步转速；p p发电机的极对数；发电机的极对数；n n转子的转速（转子的转速（r/minr/min）；）；f f2 2转子电流的频率（转子电流的频率（HzHz），因），因f f2 2=sfsf1 1，故，故f f2 2又称为转差频又称为转差频率。率。第37页/共129

20、页38机械工业出版社根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态：状态：1 1）亚同步运行状态。此时）亚同步运行状态。此时n n 00，频率为，频率为f f2 2的转子电流产的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如图所示。生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如图所示。第38页/共129页39机械工业出版社2 2）超同步运行状态。此时）超同步运行状态。此时n n n n1 1，转差率，转差率s s00，转子中的电流相序发生了，转子中的电流相序发生了改变，频率为改变，频率为f f2 2的转

21、子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率流向如图所示。功率流向如图所示。3 3）同步运行状态。此时）同步运行状态。此时n n=n n1 1，f f2 2=0=0，转子中的电流为直流，与同步发，转子中的电流为直流，与同步发电机相同。电机相同。第39页/共129页40机械工业出版社 双馈异步发电机的转子通过双向变频器与电网连接，可实双馈异步发电机的转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率的双向流动，功率变换器的容量小，成本低；既可以亚同现功率的双向流动，功率变换器的容量小，成本低；既可以亚同步运行，也可以超同步运行，因此调速范围宽；可跟踪最佳

22、叶尖步运行，也可以超同步运行，因此调速范围宽；可跟踪最佳叶尖速，实现最大风能捕获；可对有功功率和无功功率进行控制，提速，实现最大风能捕获；可对有功功率和无功功率进行控制，提高功率因数；能吸收阵风能量，减小转矩脉动和输出功率的波动，高功率因数；能吸收阵风能量，减小转矩脉动和输出功率的波动，因此电能质量高，是目前很有发展潜力的变速恒频发电机。因此电能质量高，是目前很有发展潜力的变速恒频发电机。第40页/共129页41机械工业出版社（4 4）无刷双馈异步发电机）无刷双馈异步发电机 无刷双馈异步发电机无刷双馈异步发电机(Brushless Doubly(Brushless DoublyFed Mach

23、ineFed Machine，简称简称BDFM)BDFM)的基本原理与双馈异步发电机相同，不同之外是取消了的基本原理与双馈异步发电机相同，不同之外是取消了电刷和集电环，系统运行的可靠性增大，但系统体积也相应增大，电刷和集电环，系统运行的可靠性增大，但系统体积也相应增大，常用的有级联式和磁场调制型两种类型。常用的有级联式和磁场调制型两种类型。图3-27 级联式无刷双馈异步发电机图3-28 磁场调制型无刷双馈异步发电机第41页/共129页42机械工业出版社（5 5）开关磁阻发电机）开关磁阻发电机 开关磁阻发电机又称为双凸开关磁阻发电机又称为双凸极式发电机（简称极式发电机（简称SRGSRG），定、）

24、，定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，定子极数一般比转子的极而成，定子极数一般比转子的极数多，转子上无绕组，定子凸极数多，转子上无绕组，定子凸极上安放有彼此独立的集中绕组，上安放有彼此独立的集中绕组，径向独立的两个绕组串联起来构径向独立的两个绕组串联起来构成一相。成一相。图3-29 三相（6/4极）开关磁阻发电机结构 第42页/共129页43机械工业出版社 开关磁阻发电机用作为风力发电机时，其系统一般由风力机、开关磁阻发电机用作为风力发电机时，其系统一般由风力机、开关磁阻发电机及其功率变换器、控制器、蓄电池、逆变器、负载以开关磁阻发电机及其功率变换器、控制器、蓄电

25、池、逆变器、负载以及辅助电源等组成，其系统构成如图所示。及辅助电源等组成，其系统构成如图所示。开关磁阻发电机的结构简单，控制灵活，效率高而且转矩密度大，在风力发电系统中可用于直接驱动、变速运行，有一定的开发、研究价值。图3-30 开关磁阻风力发电机系统的构成第43页/共129页44机械工业出版社3.3 3.3 风力发电机组的控制策略风力发电机组的控制策略与一般工业控制系统不同，风力发电机组的控制系统是一个综合性复杂控制系统。尤其是对于并网运行的风力发电机组，控制系统不仅要监视电网、风况和机组运行数据，对机组进行并网与脱网控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，还需要根据风速和风向的变化，对机组进

26、行优化控制，以提高机组的运行效率和发电质量，而这正是风力发电机组控制中的关键技术，现代风力发电机组一般都采用微机控制，如下图所示。第44页/共129页45机械工业出版社2A/D转换模块 3风向标 4风速计 5频率计 6电压表 7电流表 8控制机构 9执行机构 10液压调速油缸 11调向电机 12其他传感器 图3-32 风力发电机组的微机自控原理框图第45页/共129页46机械工业出版社风力发电的特点及控制要求风力发电的特点及控制要求风力发电系统控制的目标主要有四个：风力发电系统控制的目标主要有四个：保证系统的可靠运行、能量利用率最大、电能质量高、机组寿命延保证系统的可靠运行、能量利用率最大、电

27、能质量高、机组寿命延长。长。风力发电系统常规的控制功能有七个：风力发电系统常规的控制功能有七个：在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行；在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行；低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能；低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能；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；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；波动，避免共振；第46页/共129页47机械工业出版社减小功率传动链的暂态响应；减小

28、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；控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅；调节机组的功率，确保机组输出电压和频率的稳定。调节机组的功率，确保机组输出电压和频率的稳定。为实现上述所要求的部分或全部控制功能，风力发电机组的控制技术经历了三个主要发展阶段：从最初的定桨距失速恒频控制到后来的变桨距恒速恒频控制，目前主要发展变桨距或定桨距变速恒频控制。第47页/共129页48机械工业出版社并网型风力发电机的功率调节控制并网型风力发电机的功率调节控制 风力机的功率调节方式有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种。1、定桨距失速调节定桨距失速调节一般用于恒速

29、控制，其风力机的结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。在风速超过额定风速后利用桨叶翼型本身的失速特性，维持发电机组的输出功率在额定值附近。第48页/共129页49机械工业出版社 定桨距失速控制的优点是失速调节简单可靠，由风速变化引定桨距失速控制的优点是失速调节简单可靠，由风速变化引起的输出功率的控制只通过桨叶的被动失速调节实现，没有功率反起的输出功率的控制只通过桨叶的被动失速调节实现，没有功率反馈系统和变桨距机构，使控制系统大为简化，整机结构简单、部件馈系统和变桨距机构，使控制系统大为简化，整机结构简单、部件小、造价低。其缺点是叶片重量

30、大、成形工艺复杂，桨叶、轮毂、小、造价低。其缺点是叶片重量大、成形工艺复杂，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。2、变桨距风力发电机组的调节与控制 变桨距风力机的整个叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片的攻角在一定范围（090）变化，变桨距调节是指通过变桨距机构改变安装在轮毂上的叶片桨距角的大小，使风轮叶片的桨距角随风速的变化而变化，一般用于变速运行的风力发电机，主要目的是改善机组的起动性能和功率特性。第49页/共129页50机械工业出版社 （1 1）根据其作用可分为三个控制过程：起动时的转速控制，额定转速以）根据其作用可分为三个控制过程：起

31、动时的转速控制，额定转速以下（欠功率状态）的不控制和额定转速以上（额定功率状态）的恒功率下（欠功率状态）的不控制和额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制。控制。a.a.起动时的转速控制起动时的转速控制 变距风轮的桨叶在静止时，桨距角变距风轮的桨叶在静止时，桨距角为为9090，当风速达起动风速，当风速达起动风速时，桨叶向时，桨叶向0 0方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风力机获得方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风力机获得最大的起动转矩，实现风力发电机的起动最大的起动转矩，实现风力发电机的起动 b.b.额定转速以下（欠功率状态）的控制额定转速以下（欠功率状态）的控制 为了改善低风速

32、时的桨叶性能，近几年来，在并网运行的异步发为了改善低风速时的桨叶性能，近几年来，在并网运行的异步发电机上，利用新技术，根据风速的大小调整发电机的转差率，使其尽量电机上，利用新技术，根据风速的大小调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。第50页/共129页51机械工业出版社 c.c.额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制 当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，使桨距角使桨距角 向迎风面积减小的方向转动一个角度，向迎风面积减

33、小的方向转动一个角度，增大，功角增大，功角 减小，如图所示。从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使功减小，如图所示。从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使功率输出保持在额定值附近，这时风力机在额定点的附近具有较高的风率输出保持在额定值附近，这时风力机在额定点的附近具有较高的风能利用因数。能利用因数。第51页/共129页52机械工业出版社a）变桨距风力发电机组的功率曲线b）定桨距风力发电机组的功率曲线由图可见，在额定风速以下，两者相似，但在额定风速以上，变桨距风力发电机的输出功率维持恒定，而定桨距风力发电机组的输出功率由于风力机的失速当风速增大时而减小。第52页/共129页53机械工业出

34、版社 3 3、变桨距风力发电机组的控制系统、变桨距风力发电机组的控制系统 传统的变桨距风力发电机组的控制系统框图如图所示。在起动时实传统的变桨距风力发电机组的控制系统框图如图所示。在起动时实现转速控制，由速度控制器起作用，起动结束后，在额定风速以下，转现转速控制，由速度控制器起作用，起动结束后，在额定风速以下，转速环开环，系统不进行控制。当风速达到或超过额定风速时，切换到功速环开环，系统不进行控制。当风速达到或超过额定风速时，切换到功率控制，功率控制器根据给定与反馈的功率信号比较后进行功率控制，率控制，功率控制器根据给定与反馈的功率信号比较后进行功率控制，以维持额定功率不变。以维持额定功率不变

35、。图3-38 传统的变桨距风力发电机组的控制系统框图第53页/共129页54机械工业出版社 新型控制系统与传统控制系统的主要区别是采用了两个速度新型控制系统与传统控制系统的主要区别是采用了两个速度控制器及增加了转子电流的控制。其中一个速度控制器的作用与传统控制器及增加了转子电流的控制。其中一个速度控制器的作用与传统的速度控制器相同，既起动时和同步转速附近的转速控制。的速度控制器相同，既起动时和同步转速附近的转速控制。另一个速度控制器的作用是在并网后，和功率控制器一起通过转子电流的控制实现电机转差即转速的控制。带转子电流控制器的绕线转子异步发电机的系统结构如图所示。图3-39 带转子电流控制器的

36、绕线转子异步发电机的系统结构第54页/共129页55机械工业出版社 转子电流控制器安装在绕线转子异步发电机的转子轴上，转子电流控制器安装在绕线转子异步发电机的转子轴上，通过集电环与转子电路相连，转子电路中外接三相电阻，通过一通过集电环与转子电路相连，转子电路中外接三相电阻，通过一组电力电子器件来调整转子回路电阻，从而调节发电机的转差率，组电力电子器件来调整转子回路电阻，从而调节发电机的转差率，实现调速的目的，其控制系统原理如下图所示。实现调速的目的，其控制系统原理如下图所示。图中的开关图中的开关S S代表机组启动并网前的控制方式，为转速闭环代表机组启动并网前的控制方式，为转速闭环控制；开关控制

37、；开关R R代表机组并网后的控制方式，为功率闭环控制；代表机组并网后的控制方式，为功率闭环控制；RCCRCC为异步发电机的转子电流控制器。为异步发电机的转子电流控制器。第55页/共129页56机械工业出版社图3-40 转差可调异步发电机控制原理框图 第56页/共129页57机械工业出版社 变速恒频风力发电机组的调节与控制变速恒频风力发电机组的调节与控制 1 1、原理、原理 变速恒频是指发电机的转速随风速变化，通过适当的控制得到输变速恒频是指发电机的转速随风速变化，通过适当的控制得到输出频率恒定的电能。出频率恒定的电能。2 2、特点、特点 1.1.可大范围的调节转速，使功率系数保持在最佳值，从而

38、最大限可大范围的调节转速，使功率系数保持在最佳值，从而最大限度地吸收风能，系统效率高；度地吸收风能，系统效率高；2.2.能吸收和存贮阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲能吸收和存贮阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减少噪声；劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减少噪声；3.3.可以控制有功功率和无功功率，电能质量高。可以控制有功功率和无功功率，电能质量高。第57页/共129页58机械工业出版社3 3、调节控制过程、调节控制过程 (1)(1)起动时通过调节桨距控制发电机的转速，使发电机转速在同步转速附近，寻找最起动时通过调节桨距控制发

39、电机的转速，使发电机转速在同步转速附近，寻找最佳时机并网；佳时机并网；(2)(2)并网后，在额定风速以下，通过调节发电机的电磁制动转矩使发电机转子的转速并网后，在额定风速以下，通过调节发电机的电磁制动转矩使发电机转子的转速跟随风速的变化，保持最佳叶尖速比，确保风能的最大捕获，表现为跟踪控制问题；跟随风速的变化，保持最佳叶尖速比，确保风能的最大捕获，表现为跟踪控制问题；(3)(3)在额定风速以上，采用发电机转子变速和桨叶节距双重调节，利用风轮转速的变在额定风速以上，采用发电机转子变速和桨叶节距双重调节，利用风轮转速的变化，存贮或释放部分能量，限制风力机获取能量，提高传动系统的柔性，使风力发电机化

40、，存贮或释放部分能量，限制风力机获取能量，提高传动系统的柔性，使风力发电机保持在额定值下发电，保证发电机输出功率的更加平稳。保持在额定值下发电，保证发电机输出功率的更加平稳。第58页/共129页59机械工业出版社4 4、变速恒频风力发电机的基本结构和主要类型、变速恒频风力发电机的基本结构和主要类型 (1)(1)笼型异步发电机变速恒频风力发电系统笼型异步发电机变速恒频风力发电系统 不足：系统的成本和体积较大，在大容量发电机组中难以实现；需加电容补偿装置，其电压和功率因数的控制较难。第59页/共129页60机械工业出版社 (2)(2)同步发电机变速恒频风力发电系统同步发电机变速恒频风力发电系统 特

41、点：变频器容量较大，但其控制比笼型异步发电机简单，可通过转子励磁电流的控制来实现转矩、有功功率和无功功率的控制。第60页/共129页61机械工业出版社(3)(3)双馈异步发电机变速恒频风力发电系统双馈异步发电机变速恒频风力发电系统 特点：大大降低了变频器的成本和控制难度；定子直接上网，系统具有很强的抗干扰性和稳定性；通过改变转子电流的相位和幅值来调节有功功率和无功功率。缺点是发电机仍有电刷和集电环，工作可靠性受影响。图3-45 双馈异步发电机变速恒频风力发电系统 第61页/共129页62机械工业出版社(4)(4)无刷双馈异步发电机变速恒频风力发电系统无刷双馈异步发电机变速恒频风力发电系统 特点

42、：变频器的容量较小；除实现变速恒频控制外，还可以实现有功功率和无功功率的灵活控制，以补偿电网的功率因数；发电机上无电刷和集电环，系统运行的可靠性增大。但发电机结构和控制器较复杂 图3-46 无刷双馈异步发电机变速恒频风力发电系统 第62页/共129页63机械工业出版社5 5、变速恒频风力发电系统的控制策略、变速恒频风力发电系统的控制策略 变速恒频风力发电系统的基本控制策略一般确定为：变速恒频风力发电系统的基本控制策略一般确定为：低于额定风速时，跟踪最大风能利用系数，以获得最大能量；低于额定风速时，跟踪最大风能利用系数，以获得最大能量；高于额定风速时，跟踪最大功率，并保持输出功率稳定。高于额定风

43、速时，跟踪最大功率，并保持输出功率稳定。第63页/共129页64机械工业出版社(1)(1)转速控制策略转速控制策略 一般通过控制发电机的电磁转矩实现转速的控制，图为最佳一般通过控制发电机的电磁转矩实现转速的控制，图为最佳转矩转速曲线。转矩转速曲线。第64页/共129页65机械工业出版社 为实现对最佳转矩为实现对最佳转矩转速曲线的跟踪，一般有间接速度控制转速曲线的跟踪，一般有间接速度控制和直接速度控制两种方法，分别如下图所示。和直接速度控制两种方法，分别如下图所示。图3-48 a)间接速度控制策略第65页/共129页66机械工业出版社图3-48 b)直接速度控制策略第66页/共129页67机械工

44、业出版社 (2)(2)功率控制策略功率控制策略 一般采用两种方法：一般采用两种方法：控制发电机的电磁转矩来改变发电机的转速，从而改变风轮的叶控制发电机的电磁转矩来改变发电机的转速，从而改变风轮的叶尖速比，维持功率不变；尖速比，维持功率不变；改变桨叶节距角来改变空气动力转矩；或将两种方法结合起来，改变桨叶节距角来改变空气动力转矩；或将两种方法结合起来，以改善性能。以改善性能。第67页/共129页68机械工业出版社图3-49 功率控制系统总框图第68页/共129页69机械工业出版社图3-50 改变桨叶节距角的控制系统图第69页/共129页70机械工业出版社6 6、双馈异步发电机变速恒频风力发电系统

45、的控制、双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的控制 实现变速恒频的方法很多，其中双馈异步发电机的方案最实现变速恒频的方法很多，其中双馈异步发电机的方案最具优势。双馈异步发电机系统中的变频器采用双具优势。双馈异步发电机系统中的变频器采用双PWMPWM变频器，发电变频器，发电机根据风力机转速的变化调节转子励磁电流的频率，实现恒频输机根据风力机转速的变化调节转子励磁电流的频率，实现恒频输出；再通过矢量变换控制实现发电机的有功和无功功率的独立调出；再通过矢量变换控制实现发电机的有功和无功功率的独立调节，进而控制发电机组的转速实现最佳风能的捕获。采用矢量控节，进而控制发电机组的转速实现最佳风能的捕获。采用

46、矢量控制技术的双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的结构图如图所制技术的双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的结构图如图所示，图中示，图中DFIGDFIG为双馈异步发电机的简称。为双馈异步发电机的简称。第70页/共129页71机械工业出版社图3-51 采用矢量控制技术的双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的结构第71页/共129页72机械工业出版社图3-52 由IGBT电力电子器件组成的双PWM变频器的主电路 第72页/共129页73机械工业出版社7 7、风力发电系统的智能控制、风力发电系统的智能控制 (1)(1)模糊控制模糊控制 模糊控制可将专家的经验和知识表示为语言规划用于控模糊控制可将专家的经

47、验和知识表示为语言规划用于控制器的设计，不需要被控对象精确的数学模型，能克服非线制器的设计，不需要被控对象精确的数学模型，能克服非线性因素的影响，对被控对象的参数具有较强的鲁棒性，非常性因素的影响，对被控对象的参数具有较强的鲁棒性，非常适用于风力发电系统的控制。适用于风力发电系统的控制。对于变速恒频控制的风力发电对于变速恒频控制的风力发电系统，可针对机组的不同状态设计相应的模糊控制器，以达系统，可针对机组的不同状态设计相应的模糊控制器，以达到最大风能捕获和功率稳定的控制，图为模糊逻辑控制器框到最大风能捕获和功率稳定的控制，图为模糊逻辑控制器框图。图。第73页/共129页74机械工业出版社图3-

48、57 模糊逻辑控制器框图R给定值 E偏差 U控制器 Y被控制量第74页/共129页75机械工业出版社(2)(2)模型参考自适应控制模型参考自适应控制 针对风力发电系统的复杂性、不确定性、不稳定性和模型很难建立的特点，采用模针对风力发电系统的复杂性、不确定性、不稳定性和模型很难建立的特点，采用模型参考自适应控制，型参考自适应控制，通过参考模型的建立和自适应机构进行控制器参数的适时修正来通过参考模型的建立和自适应机构进行控制器参数的适时修正来降低不确定性对系统的影响，实现风力发电机组的转速和功率的控制。降低不确定性对系统的影响，实现风力发电机组的转速和功率的控制。模型参考自适应控制系统的结构如图所

49、示，模型参考自适应控制系统的结构如图所示，第75页/共129页76机械工业出版社图3-58 模型参考自适应控制系统 opt为希望转速，为发电机的实际转速，w为风力机的转速，为风速，*为参考转速，e为参考转速与发电机实际转速之间的偏差第76页/共129页77机械工业出版社 除了上述的二种智能控制方法外，还有神经网络控制、滑模变结构控制、除了上述的二种智能控制方法外，还有神经网络控制、滑模变结构控制、HH控控制等新型的智能控制方法在风力发电系统的控制中也有一定的应用研究，随着新技术的制等新型的智能控制方法在风力发电系统的控制中也有一定的应用研究，随着新技术的发展和人们对风力发电的重视，风力发电的控

50、制技术会得到更大的发展。发展和人们对风力发电的重视，风力发电的控制技术会得到更大的发展。第77页/共129页78机械工业出版社(3)(3)神经网络控制神经网络控制 人工神经网络具有可任意逼近任何非线性模型的非线性映射能力，利用其学习和自收敛性可设计自适应控制器，可提高系统的控制精度，增强系统对环境的适应能力，因此在风力发电系统中也有相应的应用研究。神经网络控制还可以与模糊控制相结合，设计成模糊神经网络控制器来控制风力发电机组。除了上述的三种智能控制方法外，还有滑模变结构控制、H控制等新型的智能控制方法在风力发电系统的控制中也有一定的应用研究，随着新技术的发展和人们对风力发电的重视，风力发电的控