风力发电技术
华北电力大学电气与电子工程学院
刘其辉
第三章
双馈型变速变桨风力发电系统
运行控制
第三章：双馈型变速变桨风力发电系统
运行控制
纵览
?机组主结构及控制系统
?运行区域及控制目标
?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：双馈式变桨变速风电机组控制一.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
（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
机组主结构示意图
1. 风轮系统
●桨叶
●轮毂
●变距（桨矩）机构
2. 传动链系统
●低速轴
●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
●高速轴
●联轴器
?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
传动链系统布局
3. 发电机系统
●DFIG
?发电机本体
?冷却系统
?保护系统
●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
●并网机构
4.偏航/解缆系统
●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
●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
●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
5.刹车系统
●机械抱闸刹车*
?液压驱动和电气驱动
?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
?安装位置：高速轴，低速轴
●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
●电磁刹车
变速恒频风电机组额定风速以上恒功率控制 2007-4-13 15:50:35 【文章字体：大中小】打印收藏关闭 风能作为一种取之不尽、清洁无污染的可再生能源，它的开发利用已经受到了世界各国的普遍重视。作为风力资源丰富的国家之一，我国在风力发电机组的国产化方面取得了较快的进展，“九五”期间实现了600kW风力发电机组96％的国产化率，成功开发了600kW失速型风力发电机组控制系统这一关键技术。目前，我们承担了国家863“兆瓦级变速恒频风力发电机组电气控制系统”的研制攻关任务，研制工作正在积极有效地开展中。 变速恒频风力发电机组与失速型风力发电机组相比，其中一个很大的优点是额定风速以上输出功率平稳。变速恒频风力发电机组运行在额定风速以上时，既要使额定功率点以上输出功率平稳，避免波动，又要使发电机组传动系统具有良好的柔性，同时还要考虑对风电机组实现有效保护。目前我们研制的兆瓦级变速恒频风电机组主要采用了变桨距控制技术。变桨距控制技术是在风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片功角，从而改变风电机组获得的空气动力转距，使机组功率输出保持稳定。本控制策略采用了功率反馈闭环控制系统，来实现变速恒频机组额定风速以上的控制目标。变桨距机构介绍变桨距执行机构是由机械和液压系统组成，它沿着风机的纵向轴调节风机的桨叶。因为桨叶的惯量很大，且变桨距执行机构不应该消耗大量的功率，所以执行机构具有的限制能力，其动态特性是在桨距角和桨距速率上均具有饱和限制的非线性动态，当桨距角和桨距速率小于饱和限度时，桨距动态呈线性。变桨执行机构如图1所示。 执行机构的模型描述了来自控制器的桨距角指令到该指令的激励之间的动态。其数学模型可以描述成如下的一阶系统
双馈感应异步风电机组的撬杠保护（Crowbar） 双馈感应风力发电机的定子绕组与电网直接相连，因而只能通过对转子侧变流器的控制实现对发电机的部分控制。当因电网短路故障或雷击造成风电机组接入点发生电压跌落时，将引起转子电流增大，严重时将引起转子侧变流器过流或变流器直流侧电容过压。由于四象限变流器中的电力电子器件的耐压和过流能力相对较小，为防止过压或过流对转子侧变流器所造成的危害，通常在转子侧安装撬杠（Crowbar）保护电路对变流器进行保护[1]。 Crowbar的基本原理为：当检测到转子绕组电流超过所整定阈值时，Crowbar保护动作，将短接双馈感应发电机的转子绕组，切除转子侧变流器，达到保护转子变流器的目的。此时双馈感应发电机将从双馈调速运行状态过渡到笼形异步电机不可控运行状态[1]。 Crowbar保护电路可以分为被动式保护电路和主动式保护电路[1]。 1.被动式Crowbar保护电路 对图4-17a所示的被动式Crowbar保护电路采用两个晶闸管反并联形成晶闸管对的形式，当电网发生故障引起转子电路过电流或过电压时，通过触发晶闸管使其导通，使双馈电机转子构成封闭的回路，此时转子侧变流器停止工作，起到保护变流器的作用。同样，晶闸管Crowbar保护电路也可以通过二极管整流桥与直流短路晶闸管共同构成，如图4-17b所示。 通过晶闸管的触发使其导通，同样可以获得等效短路双馈电机转子电路，以起到对双馈电机转子侧变流器进行保护的功能。有时也在晶闸管Crowbar保护短路回路中串入电阻以加速双馈电机转子电流的衰减，缩短过渡过程所需的时间。 对于图4-17b所示的晶闸管被动式Crowbar保护电路，由于双馈电机多运行于同步转速附近，转子侧频率通常较低，一旦Crowbar保护动作则难以关断，因此这种基于晶闸管的被动式Crowbar保护电路，通常需要双馈电机的定子从电网脱开且等双馈电机转子电流衰减殆尽后，晶闸管恢复到其阻断状态，待条件允许的情况下双馈电机重新执行并网操作。 a) b) 图4-17 被动式Crowbar保护电路 a)反并联式b)整流桥式 2.主动式Crowbar保护电路 主动式Crowbar保护电路如图4-18所示。图4-18a为通过可关断器件的反并联连接，在电网发生故障需要保护转子侧变流器时将转子回路经过旁路电阻Rc短路。图4-18b所示主动式Crowbar保护电路，在需要对转子变流器进行保护时，通过二极管整流桥和可关断器件将旁路电阻Rc等效接入双馈感应发电机转子回路中。
双馈式风力发电机 【摘要】随着地球能源的日益紧缺，环境污染的日益加重，风能作为可再生绿色能源越来越被人们重视，风力发电技术成为世界各国研究的重点。变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。通过调节发电机转子电流的大小、频率和相位，从而实现转速的调节。而其中双馈发电机构成的风力发电系统已经成为目前国际上风力发电的必然趋势。 关键词：风能风力发电变速恒频双馈式发电机 一、风力发电 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。 风力发电：把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；中国也在西部地区大力提倡。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。 风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13~25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。 风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）
变桨距风力发电机组的运行状态 从空气动力学角度考虑。当风速过高时，只有通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的角度，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，才能使功率输出保持稳定。同时，风力机在启动过程中也需要通过变距来获得足够的启动转矩。 变桨距风力发电机组根据边距系统所起的作用可分为三种运行状态，即风力发电机组的启动状态（转速控制）、欠功率状态（不控制）和额定功率状态（功率控制）。 1）启动状态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。当风速达到启动风速时，桨叶向0°方向转动，直接到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始启动。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。转速控制器按照一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速度参考值，调整节距角，进行所谓的速度控制。为了确保并网平稳，对电网产生尽可能小的冲击，变桨距系统可以在一定时间内保持发电机的转速在同步转速附近，寻找最佳时机并网。虽然在主电路中也采用了软并网技术，但由于并网过程的时间短，冲击小，可以选用容量较小的晶闸管。 为了使控制过程比较简单，早期的变桨距风力发电机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，桨叶节距只是按所设定的变桨距速度，将节距角向0°方向打开，直到发电机转速上升到同步转速附近，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。当转速超过同步转速时，桨叶节距就迎风面积小的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。当转速在同步转速附近保持一定时间后发电机即并入电网。 2）欠功率状态欠功率状态是指发电机并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率以下的低功率状态下运行。与转速控制道理相同，在早期的变桨距风力发电机组中，对欠功率状态不加控制。这时的变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相同，其功率输出完全取决于桨叶的气动性能。 3）额定功率状态当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入
双馈风电机组与永磁直驱机组对比 发表时间：2019-03-14T16:13:57.780Z 来源：《建筑模拟》2018年第34期作者：李兵[导读] 清洁能源在电力系统中的大规模利用，使得风电机组在电网中的占比日益扩大，其运行特性极大地影响电力系统的运行稳定性.本文分析了双馈变速与直驱同步风电机组的结构特点。 李兵 辽宁大唐国际新能源有限公司辽宁沈阳 110000 摘要：清洁能源在电力系统中的大规模利用，使得风电机组在电网中的占比日益扩大，其运行特性极大地影响电力系统的运行稳定性.本文分析了双馈变速与直驱同步风电机组的结构特点。 关键词：电力系统；风力机组；永磁直驱机 风力发电机组主要包括变频器、控制器、齿轮箱，发电机、主轴承、叶片等部件，在这些部件中发电机目前国产化程度最高，它的价格约占机组的10%左右。发电机主要包括两种机型：永磁同步发电机和异步发电机。永磁同步发电机低速运行时，不需要庞大的齿轮箱，但机组体积和重量都很大，1.5MW的用词直驱发电机机舱会达到5米，整个重量达80吨。同时，永磁直驱发电机的单价较贵，技术复杂，制造困难，但是这种机型的优点是少了个齿轮箱，也就少了个故障点。异步发电机是由风机拖动齿轮箱，在带动异步发电机运行，因为叶片速度很低，齿轮箱可以变速100倍，以让风机在额定转速下运行，目前流行的是双馈异步发电机，主要有1.25MW\1.5MW\2MW三种机型，异步发电机组的机组单价低，技术成熟，国产化高。 一、双馈风力发电系统 双馈风力发电机组的控制核心是通过变流器对双馈发电机转子电流（频率、幅值、相位）的控制，以达到与风电机组机械部分运行特性匹配、提高风能的利用效率及改善供电质量的目的。 1、双馈变速恒频型风力发电机组的风轮叶片桨距角可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒压电能； 2、在低于额定风速时，他通过改变转速和叶片桨距角使风力发电机组在最佳叶尖速比下运行，输出最大的功率； 3、在高风速时通过改变叶片桨距角使风力发电机组功率输出稳定在额定功率。 双馈风力发电系统主要由叶片、增速齿轮箱、双馈发电机、双向变流器和控制器组成。双馈式风力发电机组将风轮吸收的机械能通过增速机构传递到发电机，发电机将机械能转化为电能，通过发电机定子、转子传送给电网。发电机定子绕组直接和电网连接，转子绕组和变频器相连。变频器控制电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态。在超同步发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送能量，双馈式风力发电机在亚同步和超同步转速下都可发电。故称双馈技术主要特点 发电机采用绕线式异步电机，定子直接与电网相连，转子侧通过变流器与电网相连。当双馈发电机的负载和转速变化时，通过调节馈入转子绕组的电流，不仅能保持定子输出的电压和频率不变，而且还能调节双馈发电机的功率因数。 1发电机转子侧变流器功率仅需要25%～30%的风机额定功率，大大降低了变流器的造价； 2发电机体积小、运输安装方便、成本低； 3可承受电压波动范围：额定电压±10%； 4网侧及直流侧滤波电感、电容功率相应缩小，电磁干扰也大大降低； 5可方便地实现无功功率控制。 主要缺点 1需要采用双向变频器，变速恒频控制回路多，控制技术复杂，维护成本高 2发电机需安装集电环和刷架系统，且须定期维护、检修或更换随着风电机组单机容量的增大，双馈型风电系统中齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是没有齿轮箱而将主轴与低速多极同步发电机直接连接的直驱式布局应运而生；从中长期来看，直驱型和半直驱型传动系统将逐步在大型风电机组中占有更大比例，另外，在传动系统中采用集成化设计和紧凑型结构是未来大型风电机组的发展趋势。在大功率变流技术和高性能永磁材料日益发展完善的背景下，大型风电机组越来越多地采用pmsg（无功控制和低电压穿越能力），pmsg不从电网吸收无功功率，无需励磁绕组和直流电源，也不需要滑环碳刷，结构简单且技术可靠性高，对电网运行影响小。Pmsg与全功率变流器结合可以显著改善电能质量，减轻对低压电网的冲击，保障风电并网后的电网可靠性和安全性，与双馈型机组相比，全功率变流器更容易实现低电压穿越等功能，更容易满足电网对风电并网日益严格的要求。 二、直接驱动型风力发电系统 典型的永磁直驱型变速恒频风力发电系统，包括永磁同步发电机（pmsg）和全功率背靠背双pwm变流器，无齿轮箱。Pmsg通过全功率变流器直接与电网连接，通常极对数较多，低转速，大转矩，径向尺寸较大，轴向尺寸较小，呈圆环状；由于省去了齿轮箱，从而简化了传动链，提高了系统效率，降低了机械噪声，减小了维修量，提高了机组的寿命和运行可靠性；发电机通过变流器与电网隔离，因此其应对电网故障的能力更强，但是变流器容量较大，损耗较大，变流器的成本较高。
风力发电机组变桨系统介绍
一．概述 双馈风机
风轮：风轮一般由叶片、轮毂、盖板、连接螺栓组件和导流罩组成。风轮是风力机最关键的部件，是它把空气动力能转变成机械能。大多数风力机的风轮由三个叶片组成。叶片材料有木质、铝合金、玻璃钢等。风轮在出厂前经过试装和静平衡试验，风轮的叶片不能互换，有的厂家叶片与轮毂之间有安装标记，组装时按标记固定叶片。组装风轮时要注意叶片的旋转方向，一般都是顺时针。固定扭矩要符合说明书的要求。 风轮的工作原理：风轮产生的功率与空气的密度成正比。风轮产生的功率与风轮直径的平方成正比；风轮产生的功率与风速的立方成正比；风轮产生的功率与风轮的效率成正比。风力发电机风轮的效率一般在0.35—0.45之间(理论上最大值为0.593)。贝兹（Betz）极限 风机四种不同的控制方式: 1.定速定浆距控制(Fixed speed stall regulated) 发电机直接连到恒定频率的电网,在发电时不进行空气动力学控制 2.定速变浆距控制(Fixed speed pitch regulated) 发电机直接连到恒定频率的电网,在大风时浆距控制用于调节功率 3.变速定浆距控制(Variable speed stall regulated) 变频器将发电机和电网去耦(decouples),允许转子速度通过控制发电机的反力矩改变.在大风时,减慢转子直到空气动力学失速限制功率到期望的水平. 4.变速变浆距控制(Variable speed pitch regulated) 变频器将发电机和电网去耦(decouples), 允许通过控制发电机的反力矩改变转子速度.在大风时,保持力矩, 浆距控制用于调节功率.
随着国家新能源发展战略的提出和实施，我国风电产业进入跨越式发展的阶段。本文从分析我国风力发电的现状出发，在总结分析风力发电技术发展的基础上，对我国风电发展过程中存在的主要问题进行了探讨分析，提出了相关建议。 关键词：风力发电；现状；技术发展 能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用，已受到世界各国的高度重视。风电是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展风电这一清洁能源已成为世界各国的战略选择。我国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。近年来我国风电产业及技术水平发展迅猛，但同时也暴露出一些问题。总结我国风电现状及其技术发展，对进一步推动风电产业及技术的健康可持续发展具有重要的参考价值。 1我国风力发电的现状 2005年2月，我国国家立法机关通过了《可再生能源法》，明确指出风能、太阳能、水能、生物质能及海洋能等为可再生能源，确立了可再生能源开发利用在能源发展中的优先地位。2009年12月，我国政府向世界承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%，把应对气和变化纳入经济社会发展规划，大力发展包括风电在内的可再生能源与核能，争取到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右。 随着新能源产业成为国家战略新兴产业规划的出台，风电产业迅猛发展，有望成为我国国民经济增长的一个新亮点。 我国自上世纪80年代中期引进55kW容量等级的风电机投入商业化运行开始，经过二十几年的发展，我国的风电市场已经获得了长足的发展。到2009年底，我国风电总装机容量达到2601万kW，位居世界第二，2009年新增装机容量1300万kW，占世界新增装机容量的36%，居世界首位[1,2]。可以看出，我国风电产业正步入一个跨越式发展的阶段，预计2010年我国累计装机容量有望突破4000万kW。 从技术发展上来说，我国风电企业经过“引进技术—消化吸收—自主创新”的三步策略也日益发展壮大。随着国内5WM容量等级风电产品的相继下线，以及国内兆瓦级机组在风电市场的普及，标志我国已具备兆瓦级风机的自主研发能力。同时，我国风电装备制造业的产业集中度进一步提高，国产机组的国内市场份额逐年提高。目前我国风电机组整机制造业和关键零部件配套企业已能已能基本满足国内风电发展需求，但是像变流器、主轴轴承等一些技术要求较高的部件仍需大量进口。因此，我国风电装备制造业必须增强技术上的自主创新，加强风电核心技术攻关，尤其是加强风电关键设备和技术的攻关。 2风力发电的技术发展 风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。目前在风能发电领域，研究难点和热点主要集中在风电机组大型化、风力发电机组的先进控制策略和优化技术等方面。 2.1风力发电机组机型及容量的发展 现代风力发电技术面临的挑战及发展趋势主要在于如何进一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作为提高风能利用率和发电效率的有效途径，风力发电机单机容量不断向大型化发展。从20世纪80年代中期的55kW容量等级的风电机组投入商业化运行开始，至1990年达到250kW，1997年突破1MW，1999年即
一种双馈型风电机组整机控制系统，其特征在于：包括机舱控制子系统17和塔基子系统18组成，两个子系统之间主要利用以太网交换机14和15通过以太网(光纤介质)进行信息交换，并与SCADA远程监控系统19之间通过Internet(光纤介质)进行信息交换。在机舱控制子系统17和塔基子系统18中均设有界面一致的操作控制屏，操作控制屏通过RS232接口与控制器进行信息交换，以方便各系统的功能调试和整机在现场的运行维护。 权利要求书 1.一种双馈型风电机组整机控制系统，其特征在于：包括机舱控制子系统和塔基子系统组成，两个子系统之间主要利用以太网交换机通过以太网进行信息交换，并与远程监控系统之间通过Internet进行信息交换；在机舱控制子系统和塔基子系统中均设有界面一致的操作控制屏，操作控制屏通过RS232接口与控制器进行信息交换。 2.如权利要求1所述的双馈型风电机组整机控制系统，其特征在于：所述的机舱控制子系统
内有机舱控制器；机舱控制器通过以太网分别与塔基控制子系统和远程监控系统进行数据交换；另外，机舱控制器还分别通过RS485或RS232接口与风速仪和操作控制屏通信，并通过直接的I/O通道与现场传感器和控制设备接口；在机舱控制器旁还通过CS31总线与扩展I/O模块通信；机舱控制器通过Ethernet与太网交换机通信连接。 3.如权利要求2所述的双馈型风电机组整机控制系统，其特征在于：所述的塔基控制子系统实现塔基状态信号的采集与监视，并通过以太网与机舱控制子系统进行数据交换；塔基控制子系统通过以太网交换机与机舱控制子系统和SCADA远程监控系统相连；通过RS232接口与操作控制屏通信；在塔基控制子系统内分别设有塔基控制器和路由器防火墙，塔基控制器和路由器防火墙均通过Ethernet与以太网交换机通信连接；塔基控制器通过RS232接口与显示器进行信息交换，并通过直接的I/O单元场传感器和控制设备接口；路由器防火墙通过Modem与Internet进行信息交换。 4.如权利要求1所述的双馈型风电机组整机控制系统，其特征在于：所述的远程监控系统包括一个城市办公室和一个风电场控制室，城市办公室通过Internet与塔基控制子系统的Modem 通信，进行信息交换；风电场控制室也是通过Internet与塔基控制子系统的Modem通信，进行信息交换。 5.如权利要求1所述的双馈型风电机组整机控制系统，其特征在于：在以太网交换机设有接口，可以直接与手提电脑进行通信。 说明书 一种双馈型风电机组整机控制系统 技术领域 本技术新型涉及一种风力发电机的整机控制，尤其是指一种基于AC500控制器的兆瓦级双馈型风电机组整机控制系统，主要用来对兆瓦级双馈型风力发电机组进行整机控制。
1.引言： 风力发电机组主要包括变频器，控制器，齿轮箱（视机型而定），发电机，主轴承，叶片等等部件，在这些部件中发电机目前国产化程度最高，它的价格约占机组的10%左右。发电机主要包 括2种机型：永磁同步发电机和异步发电机。永磁同步发电机低速运行时，不需要庞大的齿轮箱，但是机组体积和重量都很大，1.5MW 的永磁直驱发电机机舱会达到5米，整个重量达80吨。同时，永磁直驱发电机的单价较贵，技术复杂，制造困难，但是这种机型的优点是少了个齿轮箱，也就少了个故障点。异步发电机是由风机拖动齿轮箱，再带动异步发电机运行，因为叶片速度很低，齿轮箱可以变速100倍，以让风机在1500RPMF运行，目前流行的是双馈异步发电机，主要有1.25MV Y 1.5MV y 2MW三种机型，异步发电机的机组单价低，1KW大概需6000元左右，而且技术成熟，国产化高。 2.双馈异步发电机的原理： 所谓双馈，可以理解为定子、转子同时可以发出电能, 发电机原理理论上说只要有动力带动电动机，在电动机的定子侧就能直接发出电能。现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转矩（即风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。双馈发电机正是由叶片通过齿轮箱
变速，带动电机高速旋转，同时转子接变频器，通过变频器PW M控制以达到定子侧输出相对完美正弦波，同时在额定转速下，转子侧也能同时发出电流，以达到最大利用风能效果。通俗的讲，就是要变频器控制转子电流，反馈到定子上面，保证定子发出相对完美的正弦无谐波电能，同时在额定转速下，转子也能发出功率出来。有个大致感觉是 1.5MW 发电机的定子发电量大概1200KV，转子大约300KV，转子侧发出的功率要在30%以下，总之越少越好这样可以让变频器功率小点。 3.双馈异步发电机的设计难点： 结构设计难点：因机舱封闭体积，风机运行环境非常恶劣，需要气温-30?55度之间正常运行，希望电机尺寸尽量小，风机对发电机重量有严格要求，部分厂家对转子转动惯量也有要求。发电机需要高速运行，但振速要小，通常要小于 2.8mm/s。此外对于水冷的电机入水温度较高，需要考虑维修和维护问题！比如轴承自动加油等！还有就是，整个发电机是倾斜运行的，大概4?5度的倾斜角度，这个在结构设计时候需要考虑??大家看到发电机的轴承就知道了。 电气设计难点：风机需要效率97%以上，由于转子绕组接变频 器，接变频器就会引发谐波电流，会引起铜耗，铁耗等！此外 定子转子承受很大冲击电压，提高绕组温升问题是优先考虑， 转子电流非常大，上千安培，滑环设计也是难点！电机会有轴 电流，需要考虑绝缘问题！同时高空运行需要防雷处理！转子 绕组线规非常大，成型困难！尽量控制转子输出功率尽量小于 30%，以缩小变频器的功率。
Introduction “变浆距风力机+双馈发电机”作为新型风力发电机组，是目前研究的热点，国内对双馈发电机的研究主要集中在单机建模、空载并网、柔性并网、并网后有功功率和无功功率的解耦控制、低电压穿越运行。风电场协调控制等方面。 双馈异步发电机其结构与绕线式异步电机类似，定子绕组接电网(或通过变压器接电网)，交流励磁电源给转子绕组提供频率、相位、幅值都可调节的励磁电流，从而实现恒频输出。交流励磁电源只需供给转差功率，大大减少了容量的需求。由于发电机的定、转子均接交流电（双向馈电），双馈发电机由此得名，其本质上是具有同步发电机特性的交流励磁异步发电机，双馈风力发电系统中转子侧交直交变流单元功率仅需要25％一40％的风力机额定功率，大大降低了功率变流单元的造价；双馈异步风力发电机体积小，运输安装方便，发电机成本较低。但双馈发电机由于使用定转子两套绕组，增加了发电机的维护工作量，还降低了发电机的运行可靠性。转子绕组承受较高的dv ／dt ，转子绝缘要求较高。对于有刷电机，当电网电压突然降低时，电流迅速升高，扭矩迅速增大，需经常更换发电机碳刷、滑环等易损耗部件。 1 变速恒频风力发电机组系统结构 1.1 风轮 风轮是吸收风能并将其转化成机械能的部件。风以一定速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变成机械能。自然界的风速不是恒定的，风力机获得的机械能是随风速的变化而不断变化。 由风力机的空气动力学特性可知，风力机输出机械功率的为P wt ,产生的气动转矩为T wt [1]。 231(,)2 wt p p C R v λβρπ= 230.5()wt wt T l p T v R C πρλ==Ω 其中，ρ为空气密度（kg/m 3），一般为1.25 kg/m 3；R 为风力机叶片的半径（m ）；v 为风速（m/s ）；l Ω为叶片旋转速度；C p 为风力机的功率系数，也称风能利用系数，是评价风力机效率的重要参数，C T 为风力机的转矩系数，由贝兹理论可知，一般C p =1/3 2/5，其理论极限值为0.593。它与风速、叶片转速、叶片直径、浆叶节距角均有关系，是叶尖速比λ和浆距角β的函数。 p T C C λ=
双馈风力发电机组 一前言 风力发电作为清洁、丰富、可再生能源，日益受到全世界广泛重视，特别是在近年得到了迅猛发展。当风流过风力机叶片，带动风力机转动时，风能转化为机械能，风力机又拖动发电机转子旋转，发电机向电网供电，机械能转化为电能。采用双馈绕线型异步发电机的变速恒频风力发电系统与传统的恒速恒频风力发电系统相比具有显著优势：风能利用系数高，不但能吸收由风速突变所产生的能量波动且避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力，还可以自由调整有功和无功功率，改善系统的功率因数，可实现对频率和电压的方便调节等。目前，双馈风力发电技术是应用最为广泛的风力发电技术之一。 二双馈绕线型异步风力发电系统的组成 变速恒频VSCF(Variable Speed Constant Frequency)双馈绕线型异步风力发电系统主要由风力机、增速齿轮箱、双馈绕线型异步发电机 DFIG(Doubly-fed Induction Generator)、双向变频器和控制单元等组成。双馈发电机定子绕组接工频电网，转子绕组接“交—交”、“交—直—交”或“矩阵式”双向变频器，该变频器可实现对转子绕组的频率、相位、幅值和相序等调节控制。控制系统采用正弦波脉宽调制技术SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)和绝缘栅双极晶体管控制技术IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，可四象限运行，变速运行围一般在同步转速的±35 %左右。
费用低； (2)省去了增速用齿轮箱或仅需一级低速齿轮箱； (3)永磁同步发电机无需集电环和刷架系统，维护更加方便。
风力发电机变桨系统 1 综述 变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。 变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。 风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。 风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置（执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置）。 变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作（比如变桨系统的主电源供电失效后），因此变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机（叶片顺桨到91度限位位置）。此外还需要一个冗余限位开关（用于95度限位），在主限位开关（用于91度限位）失效时确保变桨电机的安全制动。 由于机组故障或其他原因而导致备用电源长期没有使用时，风机主控就需要检查备用电池的状态和备用电池供电变桨操作功能的正常性。 每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在电机的非驱动端（电机尾部），还配有一个冗余的绝对值编码器安装在叶片根部变桨轴承内齿旁，它通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动记录变桨角度。 风机主控接收所有编码器的信号，而变桨系统只应用电机尾部编码器的信号，只有当电机尾部编码器失效时风机主控才会控制变桨系统应用冗余编码器的信号。 2 变浆系统的作用 根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90°与风向平行，使风机停机。 3 主要部件组成
主讲人：aser 关键词：双馈异步风力发电机 协助讨论： Edwin_Sun lidb856 pat baizengchen g zslzsl xfq7111 wayne 会议摘要： 1. 引言： 风力发电机组主要包括变频器，控制器，齿轮箱（视机型而定），发电机，主轴承，叶片等等部件，在这些部件中发电机目前国产化程度最高，它的价格约占机组的10%左右。发电机主要包括2种机型：永磁同步发电机和异步发电机。永磁同步发电机低速运行时，不需要庞大的齿轮箱，但是机组体积和重量都很大，1.5MW的永磁直驱发电机机舱
会达到5米，整个重量达80吨。同时，永磁直驱发电机的单价较贵，技术复杂，制造困难，但是这种机型的优点是少了个齿轮箱，也就少了个故障点。异步发电机是由风机拖动齿轮箱，再带动异步发电机运行，因为叶片速度很低，齿轮箱可以变速100倍，以让风机在1500RPM下运行，目前流行的是双馈异步发电机，主要有1.25MW，1.5MW，2MW三种机型，异步发电机的机组单价低，1KW大概需6000元左右，而且技 术成熟，国产化高。 2.双馈异步发电机的原理： 所谓双馈，可以理解为定子、转子同时可以发出电能，发电机原理理论上说只要有动力带动电动机，在电动机的定子侧就能直接发出电能。现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转矩（即风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速
到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。双馈发电机正是由叶片通过齿轮箱变速，带动电机高速旋转，同时转子接变频器，通过变频器PWM控制以达到定子侧输出相对完美正弦波，同时在额定转速下，转子侧也能同时发出电流，以达到最大利用风能效果。通俗的讲，就是要变频器控制转子电流，反馈到定子上面，保证定子发出相对完美的正弦无谐波电能，同时在额定转速下，转子也 能发出功率出来。有个大致感觉是 1.5MW发电机的定子发电量大概1200KW，转子大约300KW，转子侧发出的功率要在30%以下，总之越少越好这样可以让变频器功率小点。 3. 双馈异步发电机的设计难点： 结构设计难点：因机舱封闭体积，
学号14113502505 毕业设计 题目：直驱式风力发电机组变桨距系统设计 作者李炳男届别2015届 系别机械工程学院专业机械电子工程指导教师郭洪澈职称副教授 完成时间 2015年5月17日 摘要
现在，市场上应用最好的就是采用独立变桨距控制的发电机组，它最主要的特点就是能够用风力机叶片轴心处的风俗对各个叶片进行同步控制。但是由于风力发电机的容量在增长中，所以风力机的叶片也会越来越长，因此风力机上的叶片载荷会越来越大，而实际上，由于与地面之间会存在摩擦，而且风速也会随着高度的变化而变化，风力机风轮扫略的风速随着高度的变化而变化，这些个问题都会影响到风力机的使用寿命。 本文将会使风力机的独立变桨距控制部分分成两个部分：一部分是集中变桨距控制的部分；第二部分是修正变桨距控制部分。本文采用非线性PID控制来对集中变桨距控制器进行设计，以使的风力发电机组的输出功率始终维持在一定的范围内；再通过采用状态反馈控制以及极点配置的方法来设计修正变桨距控制器，来减小风力机叶片上的载荷。然后，通过把各个叶片上的集中变桨距角和修正变桨距角之和来作为叶片的独立变桨距角输入风力机，这样便可以对风力机进行控制。我们在阶跃的风速和随机的风速下对风力发电机进行数字仿真的研究，结果表明独立变桨距控制能够减少风力机叶片上的载荷，从而有助于增加风力机的使用寿命，而且具有非常好的动态性能和静态误差。 状态反馈在风力机发电机的节点位置具有非常好的调节作用，但是如果对系统的动态特性需要非常高的要求时，基于状态反馈的独立变桨距控制系统的设计就难以达到要求。 关键词：变桨距；节距角；发电机
Abstract At present ,variable pitch control with turbine is widespread in the market. This wind turbine uses the wind speed on the axis of the blade as the reference wind speed of wind blade synchronous control. In fact , because of the existing of ground friction,the wind speed if changing with the height and the wind speed in the surface of revolution of the wind blades. With the increasing of the wind turbine capacity,the difference of the blade wind speed with different spin high degree is gradually increasing,making the loads of the blades tend to gradually increase,this problem has seriously affected the wind turbine life. The state feedback control has a good regulating effect in the vicinity of a wind turbine stable point,but if the system is required relatively high of dynamic performance, it is difficult for the independent variable pitch control based on the feedback to achieve the design intention. The amended pitch plus the collective pitch is the independent pitch. Through the simulation of the wind turbine under the step and the random wind ,it follows that the independent variable pitch control of wind power generation system can reduce the loads of blade and extend service life of wind turbine, on condition that the output power is kept stable . Keywords: Variable pitch ；Pitch Angle； generator
风力发电机组控制系统
风力发电机组控制系统功能研究 风力发电机组控制系统简介 风力发电机组由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，其相当于风电系统的神经。因此控制系统的质量直接关系到风力发电机组的工作状态、发电量的多少以及设备的安全性。 自热风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的并网和退出电网、输入功率的限制、风轮的主动对封以及运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是边远地区或是海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程控制，这就对风力发电机组的控制系统的自动化程度和可靠性提出了很高的要求。与一般的工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。他不仅要监视电网、风况和机组运行参，对机组进行控制。而且还要根据风速和风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率。 控制系统的组成 风力发电机由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于风电系统的神经。因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。目前风力发电亟待研究解决的的两个问题：发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。对此国内外学者进行了大量的研究，取得了一定进展，随着现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的研究提供了技术基础。 风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：这就是保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。 控制系统组成主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最
2MW风力双馈异步电动机的研究设计 摘要 对一个2 MW商业风力发电机的设计,验证了以两种连接方式为标准的双馈异步电机，它能使其低速范围向下延伸到80%，在电子变换器额定功率没有增加的情况下下滑。这远远超出了正常的30%的下限。较低的速度连接被称作异步发电机模式而机器的操作是在短路定子绕组转动和所有的功率流在转子回路中的情况下进行的。有两个回路逆变器控制系统方案已经被设计完毕并且在各自的模式中已调整性能。本文的目的是演示仿真结果,说明该控制器的动态性能均为 2 MW异步风力发电涡轮机的连接方法。当设计这样的先进的控制策略时，一个简单的对转子和对双馈连接模式电压的分析在演示时应作为一个优势部分被考虑进去。 关键词:双馈电机、异步发电机、风力发电设备 列出的重要标志 vrdq 直交和正交转子电压 irdq 直交和正交转子电流 λsdq 直交和正交定子磁链 Ps 定子有功功率 Qs 定子无功功率 pfs 定子功率因数 Te 转矩 p 微分算子 Lm 电抗引入 Rr 转子电阻 Lr 转子电抗引入 σ总漏电感 ωsf 频率 ‘s’定子简称 ‘r’转子简称 ‘*’参考值 1、介绍
对风力涡轮机的兴趣还在持续,尤其是那些拥有一个额定功率为许多兆瓦的。这个之所以流行主要是既环保,也有可用的化石燃料。所谓的立法鼓励减少碳足迹的地方,所以目前正在感兴趣的可再生能源。风力涡轮机仍然被看作是一种建立完善的技术,已形成从定速风力涡轮机,现在流行的调速技术基于双馈异步发电机(DFIGs)。一个双馈异步风力涡轮发电机的速度的变化与被控制的转子变频器的速度变化一致，使转子电压相位和大小得以调整以保持最佳扭矩和必要的定子功率因数。双馈异步发电机是目前技术发达,常用的风力涡轮机。一个双馈异步发电机的定子直接连接到有一个电力电子的转子变换器的高压电网上,该变换器在转子的转动和高压电网之间得到应用。这个变量速度范围与转子转换器的速率是成正比的因此其调速范围被限制在±30%。转子转换器只需要双馈异步发电机发出能量总量的30%的就能全面控制全部的发电机输出功率。这能导致显著的节省转子转换器的成本。滑动环连接,但必须保持转子绕组,性能安全可靠。电源发电机为2 MW风力汽轮机其速度特性如图1所示。 对于一个商业发电机来说其速度随风速变化,然而这种关系是设定的某一特定地点。当风速下降从风中提取的能量比损失在发电机和变频器中的少时，发电机的输出功率减少直至关闭，因此机器速度也会下降。一种操作模式已经由一个风力涡轮机制造者提出,他宣称延伸速度范围以便在较低的风速中提取的能量是比损
第七章双馈风力发电机工作原理 我们通常所讲的双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。双馈电机虽然属于异步机的范畴，但是由于其具有独立的励磁绕组，可以象同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机，也有称为异步化同步电机。 同步电机由于是直流励磁，其可调量只有一个电流的幅值，所以同步电机一般只能对无功功率进行调节。交流励磁电机的可调量有三个：一是可调节的励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位。这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量。 通过改变励磁频率，可改变发电机的转速，达到调速的目的。这样，在负荷突变时，可通过快速控制励磁频率来改变电机转速，充分利用转子的动能，释放或吸收负荷，对电网扰动远比常规电机小。 改变转子励磁的相位时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置上有一个位移，这就改变了发电机电势与电网电压相量的相对位移，也就改变了电机的功率角。这说明电机的功率角也可以进行调节。所以交流励磁不仅可调节无功功率，还可以调节有功功率。 交流励磁电机之所以有这么多优点，是因为它采用的是可变的交流励磁电流。但是，实现可变交流励磁电流的控制是比较困难的，本章的主要内容讲述一种基于定子磁链定向的矢量控制策略，该控制策略可以实现机组的变速恒频发电而且可以实现有功无功的独立解耦控制，当前的主流双馈风力发电机组均是采用此种控制策
略。 一、 双馈电机的基本工作原理 设双馈电机的定转子绕组均为对称绕组，电机的极对数为p ，根据旋转磁场理论，当定子对称三相绕组施以对称三相电压，有对称三相电流流过时，会在电机的气隙中形成一个旋转的磁场，这个旋转磁场的转速1n 称为同步转速，它与电网频率 1f 及电机的极对数p 的关系如下： p f n 1 160= （3-1） 同样在转子三相对称绕组上通入频率为2f 的三相对称电流，所产生旋转磁场相对于转子本身的旋转速度为： p f n 2 260= （3-2） 由式3-2可知，改变频率2f ，即可改变2n ，而且若改变通入转子三相电流的相序，还可以改变此转子旋转磁场的转向。因此，若设1n 为对应于电网频率为50Hz 时双馈发电机的同步转速，而n 为电机转子本身的旋转速度，则只要维持 常数==±12n n n ，见式3-3，则双馈电机定子绕组的感应电势，如同在同步发电机 时一样，其频率将始终维持为1f 不变。 常数==±12n n n （3-3） 双馈电机的转差率1 1n n n S -=，则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率应为： S f pn f 12 260 == （3-4）