收稿日期:2007212211.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50577018);高等学
校学科创新引智计划(B08013);长江学者和创新团队发展计划(IRT0515);华北电力大学重大项目预研基金资助项目.
变速恒频风力发电机组输出特性分析
胡冬良,赵成勇
(华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室,河北保定071003)
摘要:以变速恒频风力发电系统为研究对象,依据发电机数学模型和交流电机矢量变换控制原理,设计了交流励磁变速恒频(VSCF )发电机定子磁链定向的矢量变换控制系统,对转子侧变换器建立了外环定功率控制内环定电流控制的双闭环控制结构,实现双馈发电机定子有功P 和无功Q 的解耦控制,从而获得最大风能捕获的高效发电运行。并在PSCAD/EM TDC 仿真环境下建立了变速恒频风力发电机组的整体动态数学模型。以渐变风和阵风为例,对由5台单机容量为2MVA 双馈感应电机(DFIG )组成的风电场并网前后的运行特性进行仿真研究,通过仿真分析,揭示了风电场并网运行的动态特性,并验证了数学模型和控制策略的正确性和有效性。
关键词:变速恒频发电机组;双馈感应电机;矢量变换控制;最大风能捕捉
中图分类号:TM614;TP391 文献标识码:A 文章编号:1007-2691(2008)04-0001-06
The output characteristic analysis of variable 2speed
constant 2frequency wind generating set
HU Dong 2liang ,ZHAO Cheng 2yong
(K ey Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under
Ministry of Education ,North China Electric Power University ,Baoding 071003,China )
Abstract :The system of variable s peed constant frequency (VSCF )wind power generation is taken as study object in this paper.According to the generator mathematical models and the control principle of vector 2oriented ,the control system of AC excitation VSCF generator is designed based on stator flux orientation.The rotor converter ado pts double locked loops control https://www.doczj.com/doc/6f6969525.html,ly ,the external 2loop is controlled by constant power and the inner 2loop is con 2trolled by constant current ,which implement the decoupling control of active power P and reactive power Q to the stator.Consequently ,the maximal energy capture is obtained to operate with high 2active power generation.Moreover ,a whole dynamic model of double fed induction generator (DFIG )is presented using PSCAD/EM TDC.Then the ram p change of wind speed and gust are taken for example.The operation characteristic of wind farm interconnected net 2work ,which is composed by five DFIG with 2MVA capacity ,is simulated.The interconnecting dynamic performance of wind farm is validated by simulation experiment.The results also show the mathematic model and control strate gy is exact and effective.
K ey w ords :variable speed constant frequency (VSCF );double fed induction generator (DFIG );vector transform control ;maximal energy capture
0 引 言
风力发电以其清洁、可再生、技术成熟、风
力资源丰富等优势,日益受到人们的重视,并得
到许多国家能源政策的支持。近年来,随着电力发电技术的发展,变速恒频风力发电机组已逐步成为MW 级风力发电机组的主流机型。变速恒频风力发电机组与恒速恒频风力发电机组相比有显著的优越性[1]:低风速时它能够根据风速变化,在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能;高风速时利用风轮转速的变化,存储或释放部分能
第35卷第4期2008年7月
华北电力大学学报Journal of
North China Electric Power University
Vol 135,No 14
J ul 1,2008
量,提高传动系统的柔性,使功率输出更加平稳。
变速恒频发电机目前主要采用双馈感应电机(Double Fed Induction G enerator,DFIG),它由绕线转子异步发电机和在转子电路上带交流励磁变频器组成。发电机向电网输出的功率由直接从定子输出的功率和通过变频器从转子输出的功率两部分组成。目前用于双馈感应发电机交流励磁的装置中,交-交变频器中晶闸管采用自然换流方式,变频器始终吸收无功功率,输入侧功率因数很低,输出电压中含有大量谐波,对电网和发电机造成了严重的谐波污染,在风力发电领域的应用受到一定的限制[2～3]。矩阵式变换器可使输出电压和输入电流均为正弦波,输出频率不受电网频率的限制,能量可双向流动,可实现四象限运行,不需要通过直流环节而直接实现变频,效率较高,且省去了直流侧大电容,容易实现集成化和功率模块化[4]。但控制方法较复杂,在换流时既不允许有重叠,也不允许有间隙,实现起来比较困难,且最大输出电压能力不高[5～6]。交直交双PWM变换器以其良好的传输特性、功率因数高、网侧电流谐波小、能量双向流动等特点而受到广泛关注[7～9]。文献[10]建立了在主从控制方式下应用功率平衡联合控制策略的双PWM控制模型,该模型可以对转子侧和网侧两个PWM 变换器进行协调控制,使得整流部分充分利用了逆变部分的信息,提高了直流母线电压的动态控制性,并减少了对变换器中电解电容容量的要求,同时也加快了机组的响应速度。文献[11]在忽略电子器件的换相重叠、损耗,并只考虑变频器直流电容放电的动态过程的前提下,提出基于定子磁链旋转坐标系统下的变速恒频风电机组电气控制部分的控制策略并设计响应的PI控制器,保证了变速恒频风电机组的稳定运行。文献[12]提出将电网故障励磁控制与正常运行时的风能跟踪控制相结合,在发生故障的情况下保证了发电机迅速恢复有功输出,从而提高整个电力系统在故障切除后的运行稳定性。文献[13]基于定子电压矢量控制,引进了电流内模控制,有效地抑制了转子过电流。在变速风力发电机组的研究中,也有采用适应性控制技术的方案,比较成功的是带非线性卡尔曼滤波器的状态空间模型参考适应性控制器的应用[14]。但是其计算量大,实用性仍在进一步探讨。
本文对DFIG采用交流励磁控制,突破了机电系统必须严格同步的传统观念,使原动机转速不受发电机输出频率的限制,而发电机输出电压(或电流)的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响,实现了机电系统之间的柔性连接,从而提高了发电机的稳定性和电网运行的可靠性。按照捕获最大风能的要求,在风速变化的情况下实时地调节风力机转速,使之运行在最佳转速上,从而提高发电机组发电效率。在PSCAD/EM TDC仿真环境下实现了风电场并网运行系统的电磁暂态仿真,分析由DFIG组成的风电场的运行特性,研究风电场接入电网后由于风速的波动对电网的电压稳定性及电压质量的影响,仿真结果验证了数学模型和控制策略的正确性和有效性,揭示了风电场并网运行的动态特性。
1 交流励磁变速恒频发电原理
交流励磁变速恒频发电是在异步发电机转子中施加三相低频交流电流实现励磁,通过调节励磁电流的幅值、相位、相序,实现发电机输出功率恒频恒压。
DFIG在结构上类似绕线式异步电机,定子与一般的交流电机一样,布有三相分布式绕组,转子与一般的发电机不同
,它也布有三相分布式绕组。定子绕组直接接入电网,转子和电网之间通过变频器连接,因为在变换器中能量可以双向地流动,所以称为双馈电机,如图1所示。
P gen:发电机发出功率
S pgen:经变频器流动的转差功率
图1 系统结构图
Fig11 Structure frame of the system
设转子的转速为n,转子绕组通过变频器提供的励磁电流在转子绕组上产生的旋转磁场相对于转子的转速为n2。当风速变化引起转速n变化时,应利用变频器调节转子的励磁电流频率f2以改变转子磁场的旋转速度n2,使得在定子上感
2华北电力大学学报 2008年
应出对应同步转速n 1的工频电压,其关系表达式为
n 1=n ±n 2
f 2=
pn 2
60
=s ?f 1=s ?
pn 1
60
(1)
式中:s 为转差率;p 为极对数;f 1为工频频率。
转子侧三相电流的相序取决于(n 1-n )的符号,当n 1>n 时,s >0,发电机处于亚同步运行状态,此时转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子机械旋转方向相同,定子向电网馈送能量,电网向转子馈入能量;当n 1 2 变速恒频风力发电机控制策略 211 最大风能捕获 风电机组以风作为原动力,风速直接决定了风电机组的动态特性。风电机组的输出功率主要 受3个因素的影响:风速V w ,桨距角β和叶尖速比λ。根据贝兹定理,风力机产生的机械功率 P w 为 P w =015?C p (β,λ)ρπr 2v 3w T w =P w /ωw λ= ωR v w = 2 πrn 60v w C p = (0144-010167β )sin [π(λ-3) 15-013β ]- 0100184(λ-3)β (2) 式中:ρ为空气密度;ω为风力机角速度;R 为风轮半径;T W 为输出机械转矩;C p (β,λ)为能量利用系数,一般为014～0159。 由式(2)可见,在风速给定的情况下,风能获得的功率取决于功率系数C p ,如果在任何风速下,风力机都能在C p ,max 点运行,便可增加其输出功率。在任何风速下,只要使得风能的叶尖速比为最佳叶尖速比[1](λ=λopt ),就可以维持风力机在 C p ,max 下运行,因此,在风速变化时,只要调节风轮 转速保持叶尖速比不变,就可以获得最佳的功率系数。 从理论上讲,输出功率是无限的,它是风速立方的函数。但实际上,由于机械强度和其他物理性能的限制,输出功率是有限的。因此,在额定风速以下时,对应DFIG 亚同步运行,风力机按照固 定的桨距角运行,由发电机控制系统来控制转速,调节风力机的叶尖速比,从而实现最优功率曲线的跟踪和最大风能的捕获;在额定风速以上时,DFIG 超同步运行,通过偏航控制和失速控制来控制风电机组的转速和功率,以避免风电机组超出转速极限和功率极限运行。 由DFIG 的功率关系可知: P 1=P e -P cul -P fel P e =P W -P m 1-S =P m 1-S = P r ±P ′r S (3) 式中:P 1,P cul ,P fel 分别为发电机定子输出功率、铜 耗、铁耗;P e 为发电机电磁功率;P w ,P ′m ,P m 分别为发电机输入机械功率,机械损耗和吸收的净机械功率;P r ,P ′r 为发电机转子功率和转子损耗。 在式(3)中,令P max =P w =k ω3,从而有:P 1=P max 1-S -ΔP =k ω31-S -ΔP ΔP =P cul +P fel + P ′m 1-S (4) 在变速发电运行中,通过检测转子角速度,按照式(4)计算出P 1作为发电机的有功参考值P ref ,实现最大风能的追踪和捕获。212 DFIG 的数学模型及等值电路 双馈电机定转子均为三相对称绕组,它均匀分布在电机圆周内,气隙均匀,电路、磁路呈对称分布。作如下假定[15]:(1)只考虑定转子电流的基波分量,忽略谐波分量;(2)只考虑转子空间磁动势基波分量;(3)忽略磁滞损耗和铁耗;(4)变频电源可为转子提供能满足幅值、频率及功率因素要求的电源,不计其阻抗与损耗。 定子正方向按发电机惯例定义,转子方正方向按电动机惯例定义。DFIG 等值电路如图2所示: 图2 DFIG 等值电路 Fig 12 Equivalent circuit of DFIG 图中:U s ,R s ,L σs ,Ψs 分别为定子电压、电阻、漏 抗、磁通;U r ,R r ,L σr ,Ψr 分别为转子电压、电阻、漏抗、磁通;I s ,I r 分别为定子电流和转子电流;L m 为激磁电抗。 3 第4期 胡冬良,等:变速恒频风力发电机组输出特性分析 将定子转子上的电压和磁通转换到同步旋转坐标dq0坐标系上。 dq0坐标系下电压方程为 U d s=-R s I d s-ωsΨq s+dΨd s/d t U q s=-R s I q s+ωsΨd s+dΨq s/d t U d r=R r I d r-(ωs-ωr)Ψq r+dΨd r/d t U q r=R r I q r+(ωs-ωr)Ψd r+dΨq r/d t (5) dq0坐标系下磁链方程为 Ψ d s =-L s I d s+L m I d r Ψ q s =-L s I q s+L m I q r Ψ d r =-L s I d s+L r I d r Ψ q r =-L m I q s+L r I q r (6) 式中:下标s和r分别表示定子侧和转子侧;d,q 分别代表直轴和交轴;L s=L m+Lσs,L r=L m+ Lσr。定子电阻很小,可以忽略。作如下规定:定子磁链矢量方向与同步旋转坐标系中的d轴方向一致,则Ψd s=Ψs,U q s=U s,Ψq s=U d s=0。将其代入式(5)、式(6),可得: U s=ω1Ψs dΨs d t =0 I d r= I s L m I d s+ Ψ s L m I q r=L s L m I q s (7) 式中:U s,Ψs分别为定子电压和磁链的幅值。 发电机发出的有功和无功如下: P s=U q s I q s+U d s I d s Q s=U q s I d s-U d s I q s (8) 将U d s=0,U q s=U s代入式(8)得: P s=U q s I q s=U s I q s Q s=U q s I d s=U s I d s (9) 由式(7)和式(9)可以看出,I d r∝I d s,I q r∝I q s, 可以通过调节转子电流的直轴和交轴分量实现有 功和无功的解耦控制。 将式(9 )代入式(5): U d r=R r I d r-(ωs-ωr)Ψq r+dΨd r/d t= (R r I d r+σL r d I d r d t )-ωs rσL r I q r= U′d r+U″d r U q r=R r I q r+(ωs-ωr)Ψd r+dΨd r/d t= (R r I q r+σL r d I q r d t )+ωs r(σL r I d r+C1Ψs)= U′q r+U″q r (10) 式中:σ=1-L2m/L s L r,C1=L m/L s,ωs r=ωs-ωr 213 定子磁链定向矢量控制系统 在定子磁链定向矢量控制方法下DFIG控制 图如图3所示。 图3 DFIG控制框图 Fig13 Control block graph of DFIG 通过定子电压电流可以计算出有功P1,Q1, 由式(4)得到的有功参考值P s,ref,Q s,ref与P1,Q1 的偏差通过PI调节得到定子q轴和d轴电流分 量的参考值,再由式(7)、式(10)可得到转子励磁 参考电压q轴和d轴分量U q,ref,U d,ref。本文将转 子侧逆变器等效为受控电压源,其参考电压为转 子励磁参考电压q轴和d轴分量U q,ref,U d,ref经坐 标变换得到转子励磁电压三相参考分量。 3 DFIG组成的风电场输出特性仿 真分析 在PSCAD/EM TDC仿真环境下,以渐变风和 阵风为例,对由5台单机容量为2MVA双馈感应 电机(DFIG)组成的风电场并网前后的运行特性进 行仿真分析,采用风力机的参数如下。 风力机:风轮半径R=3614m;最佳叶尖速比 λ opt =10135;空气密度ρ=1125kg/m3;额定风速 13m/s。DFIG:额定功率2MVA;定子绕组电阻 R s=0;转子电阻R s=01019p.u.;定子和转子漏 抗Lσs=01257p.u.;Lσs=01295p.u.;激磁电抗 L m=6192p.u.。 风速变化如图4(a)示,在1s时从额定风速 13m/s经1s渐变到1117m/s,在215s时出现阵 风,其幅值213m/s,持续时间115s。并网前风力4华北电力大学学报 2008年 发电机机端电压和电网A 相电压及它们之间的误差如图4(b ),风电场输出功率、母线电压、以及单台风电机定子转子电流以及系统频率如图4(c )～(g ) 。 (a )风速的变化V w (b )并网前A 相机端电压E a 和 电网电压U a0及二者误差 error (c )单台风力发电机输出的有功P s 和 无功Q s 及有功参考值P sref (d )风电场母线电压E as (e )发电机定子A 相电流I as (f )转子侧励磁电流I ar , I br ,I cr (g )定子电压频率f 图4 风电机组输出特性 Fig 14 Output characteristics of wind generator 风电场在t =018s 时刻并网,从图4(b ) 和(g )中可以看出,发电机A 相电压的相位一致,误差很小,频率满足±012Hz 误差范围,满足并网条件。由图(c )～(g )知,在发电机由亚同步向超同步运行状态,风电场出口电压产生轻微的波动;有功功率可以快速地跟踪参考值的变化,无功功率不受有功的影响,实现了有功无功的解耦控制;定子电流也能较好地跟随有功功率而变化,随着最大风能的跟踪控制对有功参考值进行调节;在整个过程中频率基本保持不变,实现DFIG 的变速恒频运行。 4 结 论 在分析风力机运行特性、最大风能追踪、DFIG 数学模型及定子磁链矢量定向控制的基础上,推导了DFIG 定子有功功率和无功功率的解耦控制策略。在各种风速下,满足在任何转速下 5 第4期 胡冬良,等:变速恒频风力发电机组输出特性分析 的并网条件,实现了在超同步和亚同步运行状态下的稳定运行,通过仿真,验证了控制策略的正确性,实现了有功、无功独立解耦控制,研究了DFIG有功、无功、定子电压、电流等输出量的响应特性,为VSC2HVDC用于风电场联网的研究打下基础。 参考文献: [1]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机 械工业出版社,2006. 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[15]孙秋霞.双馈感应风力发电系统的基础理论研究与 仿真分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006. 作者简介:胡冬良(1982-),男,硕士研究生,主要研究方向为高压直流输电及柔性交流输电;赵成勇(1964-),男,教授,博士生导师,主要研究方向为高压直流输电与FACTS,电能质量分析与控制,电力系统RTDS建模等。 6华北电力大学学报 2008年 桨距 螺旋桨的桨叶都与旋转平面有一个倾角。 假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转，那么螺旋桨每转一圈，就会向前进一个距离，连续旋转就形成一段螺旋。 同一片桨叶旋转一圈所形成的螺旋的距离，就称为浆距。显然，桨叶的角度越大，浆距也越大，角度与旋转平面角度为0，浆距也为0。 这个“距”，就是桨叶旋转形成的螺旋的螺距。 桨距指的是直升机的旋翼或固定翼的螺旋桨旋转一周360 度，向上或向前行走的距离（理论上的）。就好比一个螺丝钉，您拧一圈后，能够拧入的长度。桨距越大前进的距离就越大，反之越小！然而要测量实际桨距的大小是比较困难的，所以一般固定翼飞机使用桨距不变的螺旋桨上都会标明其直径和桨距的大小（单位以英寸居多），以便于和合适的发动机配套使用。绝大多数的固定桨距的直升机桨一般是专为某一级别的飞机定制的，所以只标明直径。可变桨距直升机可以非常容易的通过测量桨叶的攻角（迎风角度）大小来体现桨距的大小，和变化幅度。 l 定桨距失速调节型风力发电机组 定奖距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速69 ，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/ 小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶县有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。 失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。其缺点是叶片重晏大（与变桨距风机叶片比较），桨叶、轮载、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。 2 变桨距调节型风力发电机组 变奖距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45”，当转速达到一定时，再调节到0“， 直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。 随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用 OptitiP 技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。 变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的吸收风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。 3 主动失速调节型风力发电机组 Safety is the goal, prevention is the means, and achieving or realizing the goal of safety is the basic connotation of safety prevention. （安全管理） 单位：___________________ 姓名：___________________ 日期：___________________ 风力发电机组的运行维护技术 (新编版) 风力发电机组的运行维护技术(新编版)导语：做好准备和保护，以应付攻击或者避免受害，从而使被保护对象处于没有危险、不受侵害、不出现事故的安全状态。显而易见，安全是目的，防范是手段，通过防范的手段达到或实现安全的目的，就是安全防范的基本内涵。 随着科技的进步，风电事业的不断发展。风能公司下属的达坂城风力发电场的规模也日益扩大，单机容量从30kW逐渐升至600kW，风机也由原来的引进进口设备，发展到了如今自己生产、设计的国产化风机。伴随着风机种类和数量的增加，新机组的不断投运，旧机组的不断老化，风机的日常运行维护也是越来越重要。现在就风机的运行维护作一下探讨。 一．运行 风力发电机组的控制系统是采用工业微处理器进行控制，一般都由多个CPU并列运行，其自身的抗干扰能力强，并且通过通信线路与计算机相连，可进行远程控制，这大大降低了运行的工作量。所以风机的运行工作就是进行远程故障排除和运行数据统计分析及故障原因分析。 1．远程故障排除 风机的大部分故障都可以进行远程复位控制和自动复位控制。风 机的运行和电网质量好坏是息息相关的，为了进行双向保护，风机设置了多重保护故障，如电网电压高、低，电网频率高、低等，这些故障是可自动复位的。由于风能的不可控制性，所以过风速的极限值也可自动复位。还有温度的限定值也可自动复位，如发电机温度高，齿轮箱温度高、低，环境温度低等。风机的过负荷故障也是可自动复位的。 除了自动复位的故障以外，其它可远程复位控制故障引起的原因有以下几种： （1）风机控制器误报故障； （2）各检测传感器误动作； （3）控制器认为风机运行不可靠。 2．运行数据统计分析 对风电场设备在运行中发生的情况进行详细的统计分析是风电场管理的一项重要内容。通过运行数据的统计分析，可对运行维护工作进行考核量化，也可对风电场的设计，风资源的评估，设备选型提供有效的理论依据。 每个月的发电量统计报表，是运行工作的重要内容之一，其真实可靠性直接和经济效益挂钩。其主要内容有：风机的月发电量，场用 变速恒频双馈风力发电机的原理和优点研究 变速恒频发电技术 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。这一调速系统和变桨距调节技术环节结合起来，就构成了变速恒频风力发电系统。其调节方法是：起动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后在额定风速以下，调节发电机的转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上，采用失速与桨距双重调节、减少桨距调节的频繁动作，限制风力机获取的能量，保证发电机功率输出的稳定性和良好的动态特性，提高传动系统的柔性。上述方式目前被公认为最优化的调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。其主要优点是可大范围调节转速，使风能利用系数保持在最佳值；能吸收和存储阵风能量，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，减小噪声；还可控制有功功率和无功功率，改善电能质量。尽管变速系统与恒速系统相比，风电转换装置中的电力电子部分比较复杂和昂贵，但成本在大型风力发电机组中所占比例并不大，因而大力发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。 目前，采用变速恒频技术的风力发电机组，由于采用不同类型的发电机，并辅之相关的电力电子变流装置，配合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的变速恒频风力发电系统。主要有以下几类：鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统、绕线式异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、双馈发电机变速恒频风力发电系统。其中，由双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。基于诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。 变速变桨距风力发电机组控制策略改进与仿真 刘 军,何玉林,李 俊,黄 文 (重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆市400030) 摘要:在分析变速变桨距风力发电机组基本控制策略的基础上,提出一种扩大过渡区的改进控制策略,用来消除额定功率运行点附近切换造成的功率波动及突变载荷等不利影响。依据改进的控制策略设计了3个控制器平滑过渡方案,实现对该策略的最佳跟踪。运用MAT LAB 仿真平台模拟了改进控制策略下的风力发电机组运行特性,结果表明了改进控制策略的正确性及控制器设计的有效性。 关键词:风力发电机组;变速变桨距;控制策略;扩大过渡区;平滑控制 收稿日期:2010 06 23;修回日期:2010 10 09。重庆市科技攻关重点项目(CST C2007A A3027)。 0 引言 风力发电机组的控制技术由原来单一的定桨距失速控制转向变桨距变速控制,目的是为了防止风能转换系统承受的载荷过重,从风场中最大限度地捕获能量以及为电网提供质量较好的电能。然而,风力发电机组作为一种复杂的、多变量、强耦合、非线性的系统,要想减小风力机载荷以延长其使用寿命,抑制功率波动以降低对电网的不利影响,控制策略的选取及控制器的设计至关重要[1 6]。 本文通过对变速变桨距风力发电机组基本控制策略的分析,针对过渡区运行过程中出现的功率波动大及突变载荷强等情况,提出一种改进的控制策略来减缓此种影响。为最佳跟踪改进的控制策略,设计了3个控制器以实现3个运行区间的平滑过渡。同时应用M ATLAB 仿真平台对变速变桨距风力发电机组运行特性进行了仿真,结果表明了所提出方案的合理性和可行性。 1 基本的变速变桨距控制策略 如图1所示,在转速 转矩平面图中,曲线A BC 描述了变速变桨距风力发电机组的基本控制策略。在低风速区,风电机组从切入风速为V in 的A 点到风速为V N 的B 点,沿着C pmax 曲线轨迹运行,此区间称为恒C p 运行区。由于在B 点发电机转速达到了其上限值 N ,当风速从V N 上升到V N 时,转速将恒定在 N ,提升发电机转矩使风电机组达到其额定功率,在图1中为BC 段,也称为恒转速区或过渡区。当风速超过额定风速V N 时,变桨距系统将开 始工作,通过改变桨距角保持功率的恒定,风电机组将持续运行在C 点,直到风速超过切出风速V out ,此区间称为恒功率区,而此区间内桨距角控制方式采用统一桨距控制,它是指风力机所有桨距角均同时 改变相同的角度[7 8] 。在此需要注意的是:若最大功率P N 曲线与C pmax 曲线的相交点在额定转速极限值左侧,就会造成风电机组在未达到额定转速时,已进入失速状态,相应的A B 区间将被缩小,这时就需 对整个风电机组额定点进行重新选取。 图1 变速变桨距风力发电机组控制策略Fig.1 C ontrol strategy of the variable speed pitch controlled wind turbine driven generator system 从图1可以看出,3个区间工作点的划分非常明显,而控制器的设计与工作点的选取有着必然的联系,因此,基本的变速变桨距风电机组通常会设计2个独立的控制器,一个用来跟踪参考速度,另一个用来跟踪额定功率。由于2个控制器都有各自的控制目标,在运行过程中相互独立,然而在工作点附近,2个控制器又相互制约,这种制约就会导致风电机组在C 点控制系统的调节能力下降,在突遇阵风 82 第35卷 第5期2011年3月10日Vo l.35 N o.5M ar.10,2011 1.风力发电机组如何对叶片进行防雷保护 通过安装在叶尖上的雷电接收器并借助于叶尖扰流器作为传导系统来实现。 2.风力发电机组如何进行防雷保护 ①桨叶上安装雷电接收器并借助叶尖扰流器传导。电刷和低速轴制动盘连接着叶轮和机舱底座。电刷将电流不经主轴承转移到机舱底座 ②机舱底座通过电刷与塔架相连，塔架与地面控制柜通过电缆与埋入基础的接地系统相连，使电流接地。无与机舱底座项链的部件可与接地电缆相连。在机舱体后部安装避雷针，高度在风速风向仪之上。传动系统采用绝缘联轴器，发电机外壳接地，齿轮箱外壳不接地。 ③塔筒直径大于3米，从地基引出至少3根引出接入塔筒。动力系统地电缆通过该扁钢接入电网 3.定桨距风力发电机组调整桨叶安装角的依据是什么 在一定范围内，桨叶节距角越小，气流对桨叶的失速点越高，其最大输出功率也越高 4.风力发电机组的主要温度监测点有哪些 1）齿轮油温及高速轴承温度 2）发电机绕组及其轴承温度 3）主轴承温度 4）发电机驱动器（交流器、软并网装置、变桨驱动器等）温度 5）控制器环境温度 5.风力发电机组的工作状态包括哪几种 运行状态、暂停状态、停机状态、紧急停机状态 6.列举5种风电场有功控制模式 限值模式、调整模式、斜率控制模式。差值模式和调频模式 7.风力发电机组的特性主要包括哪几方面 风力机特性、传动系统特性、发电机特性、变流器特性变距系统特性和偏航系统特性 8.风力发电机组的润滑对象主要有哪些 变桨轴承、主轴、发电机轴承、偏航轴承 9.变速恒频风力发电机组的基本控制目标是什么 在额定风速以下运行时尽可能提高能量转换效率，在额定风速之上时变桨控制可有效调节风机吸收的能量，同时控制叶轮上的载荷以限定在安全设计值以内 1）减小传动链的转矩峰值 2）通过动态阻尼来一直传动链振动 3）避免过量的变桨动作和发电机转矩调节 4）通过控制风电机组塔架的振动尽量减小塔架基础的负载 5）避免轮毂和叶片的突变负载 10.风力发电机组的传动轴系包括哪三大部分 1）低速转动的主轴、主轴承以及轴承座 2）增速齿轮箱以及弹性支撑 3）高速联轴器、发电机及其弹性支撑 11.风力发电机组上，振动分析的传感器主要用于哪些部件的状态监测 齿轮箱的齿轮和轴承、发电机轴承和主轴承的运行状态 12.电动变桨系统为什么要配备后备电源？后备电源有哪些类型？ 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 华能东营河口风力发电有限公司技术标准 运行技术标准 风力发电机组运行规程Q/HNDYHK.YX.DQ.2010 1 主题内容与适用范围 本规程规定了华能东营河口风电场设备和运行人员的要求及正常运行、维护的内容和方法与事故处理的原则和方法等。 本规程适用于华能东营河口风电场的风力发电机组的运行及日常维护。 2 引用标准 DL/T666—1999 《风力发电场运行规程》 华锐风电科技有限公司《SL1582/70风机操作手册》 华锐风电科技有限公司《SL1500系列风力发电机维护与维修手册》 3 运行规程说明 本手册提供的内容可供用户进行以下工作： ?快速熟悉风机的性能 ?安全地进行与风机有关的工作 ?操作风机 ?修复故障要获得风机的可靠运行，延长其使用寿命，防止发生停机停产，必须要遵照本手册的要求。因此，风机中必须留有本操作手册。本操作手册不能代替培训，但是可起到补充培训的作用。 3.1 符号 本手册中重要的信息都附有以下各项符号表示：3.1.1 人员防护装备符号 戴安全帽！ 戴耳罩！ 穿防护服！ 戴安全手套！ 系安全带！ 穿防护鞋！ 3.1.2 危险符 表示对生命和健康有直接危险 表示电流危险 表示悬挂载荷造成的危险 表示有绊倒的危险 高温危险 3.1.3 警示符号 未经许可禁止入内！ 上字和符号表示该区域未经许可禁止入内。 禁止吸烟！ 基本原则之一是整个设备内禁止吸烟。 严禁明火！ 在有此标记的作业过程中禁止明火。 3.1.4 指示符号 表示如此可迅速、安全地完成任务。 4．技术说明 SL1582/70 机型额定功率为1500kW，风轮直径为82米的华锐风机。 4.1部件说明 SL1582/70风机用在固定的位置，将风能转换为电能并按照供电公司的指标为其电网供电。风机主要包括以下部件： ?发动机舱（1），含发电机（5），齿轮箱（7）和轮毂（10）?塔筒（2） ?风轮叶片（3） 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 变速恒频风力发电机组的无功功率极限 申洪，王伟胜，戴慧珠 （中国电力科学研究院，北京100085） 摘 要：根据变速恒频风电机组的工作原理，建立了变速恒频风电机组的稳态数学模型，该模型考虑了风力机、双馈电机及其转速控制的稳态特性。在此模型的基础上，提出了计算变速恒频风电机组无功功率极限的方法，并对一变速恒频风电机组进行了计算分析，验证了所提方法的可行性。 关键词：变速恒频风电机；双馈电机；无功功率极限 1 引言 近年来世界风力发电发展迅速，风电装机容量平均每年以高于20%的速度增长。截止到2002年底，全世界风力发电装机容量约为31128MW，其中我国风电装机容量达468.42MW。目前，兆瓦级风力发电机组已逐渐取代600kW级的机组，成为国际上风力发电机市场的主力机型，风电机组正向着大型化、变桨距和变速恒频的方向不断发展和完善。 虽然变速恒频风电机组与固定转速的风电机组相比在性能上有较大改善，但由于风速变化的随机性，变速恒频风电机组的并网运行对电力系统而言仍然是一种波动的冲击功率，因而必须对这种风电机组的并网运行特性进行研究。变速恒频风电机组的发电机采用双馈感应电机，文献[1]~[3]对它的稳态模型进行了研究，建立了基于与定子磁场同步旋转的dq坐标系的数学模型。因为双馈发电机的转速和定子侧的无功功率都可以调节，所以转速控制规律和无功功率控制规律对变速恒频风电机组的稳态特性也有很大的影响。文献[1]、[2]介绍了转速控制和无功功率控制的基本思想，其中转速控制的目标是使风力机的功率系数最优，而无功功率控制则根据其接入的电力系统的实际运行方式可以设定为功率因数恒定或端电压恒定两种控制方式。 风电机组发出的有功功率主要取决于风速的大小，而无功功率则取决于风电机组的无功控制方案。一般风电场位于偏远地区，电网结构薄弱，当无功功率控制的设定值达到风电机组的无功功率极限时，一方面转子绕组发热将导致风电机组停机，另一方面由于不能向系统中提供或吸收足够的无功功率，将导致端电压降低或升高，严重时将导致系统电压失稳。因而研究变速恒频风电机组的无功功率极限是很有必要的。文献[4]对此问题进行了一定的研究，但它只讨论了发电机定子绕组中有功功率和无功功率的稳态运行域问题，并没有解决整个风电机组注入系统的有功功率和无功功率的稳态运行域问题。另外，该文献没有考虑转速控制规律的影响。 浅谈金风风力发电机组的振动 姓名：张玉博 入职时间：2013年5月 部门：哈密总装厂 目录 摘要: (2) 一、引言 (3) 二、状态监测与故障诊断 (4) （一）、振动监测方式 (4) （二）、国内外发展现状 (4) （三）、振动故障诊断 (4) 三、金风风力发电机组振动故障案例 (6) （一）、石碑山A0701机组 (6) （二）、石碑山B1004机组 (7) 四、金风风力发电机组减振措施与保护 (8) （一）、对中概念 (8) （二）、造成不对中的原因 (8) （三）、不对中对风机的影响 (9) （四）、金风风力发电机组的减振措施 (9) （五）、独立于系统的硬件保护 (11) 五、小结 (11) 参考文献 (12) 浅谈金风风力发电机组的振动 摘要: 振动是自然界和工程界常见的现象。振动的消极方面是：影响仪器设备功能，降低机械设备的工作精度，加剧构件磨损，甚至引起结构疲劳破坏；振动的积极方面是：有许多需利用振动的设备和工艺（如振动传输、振动研磨、振动沉桩等）。振动分析的基本任务是讨论系统的激励（即输入，指系统的外来扰动，又称干扰）、响应（即输出，指系统受激励后的反应）和系统动态特性（或物理参数）三者之间的关系。20世纪60年代以后，计算机和振动测试技术的重大进展，为综合利用分析、实验和计算方法解决振动问题开拓了广阔的前景。 风力发电机组中减少振动很重要的一个举措就是对中。金风风力发电机组为了减少振动带来的消极影响，做了许多积极措施。从S43/600Kw机组的机械对中到S48/750Kw的激光对中等都有了质的飞跃。 关键词： 振动；振动分析；对中 编订：__________________ 单位：__________________ 时间：__________________ 风力发电机组的运行维护 技术 Deploy The Objectives, Requirements And Methods To Make The Personnel In The Organization Operate According To The Established Standards And Reach The Expected Level. Word格式 / 完整 / 可编辑 文件编号：KG-AO-6351-59 风力发电机组的运行维护技术 使用备注：本文档可用在日常工作场景，通过对目的、要求、方式、方法、进度等进行具体、周密的部署，从而使得组织内人员按照既定标准、规范的要求进行操作，使日常工作或活动达到预期的水平。下载后就可自由编辑。 随着科技的进步，风电事业的不断发展。风能公司下属的达坂城风力发电场的规模也日益扩大，单机容量从30kW逐渐升至600kW，风机也由原来的引进进口设备，发展到了如今自己生产、设计的国产化风机。伴随着风机种类和数量的增加，新机组的不断投运，旧机组的不断老化，风机的日常运行维护也是越来越重要。现在就风机的运行维护作一下探讨。 一．运行 风力发电机组的控制系统是采用工业微处理器进行控制，一般都由多个CPU并列运行，其自身的抗干扰能力强，并且通过通信线路与计算机相连，可进行远程控制，这大大降低了运行的工作量。所以风机的 运行工作就是进行远程故障排除和运行数据统计分析及故障原因分析。 1．远程故障排除 风机的大部分故障都可以进行远程复位控制和自动复位控制。风机的运行和电网质量好坏是息息相关的，为了进行双向保护，风机设置了多重保护故障，如电网电压高、低，电网频率高、低等，这些故障是可自动复位的。由于风能的不可控制性，所以过风速的极限值也可自动复位。还有温度的限定值也可自动复位，如发电机温度高，齿轮箱温度高、低，环境温度低等。风机的过负荷故障也是可自动复位的。 除了自动复位的故障以外，其它可远程复位控制故障引起的原因有以下几种： （1）风机控制器误报故障； 变速恒频风力发电关键技术研究 发表时间：2018-06-07T10:41:35.750Z 来源：《电力设备》2018年第1期作者：李琳[导读] 摘要：本文主要对风力发电技术进行研究，首先从传统的恒速恒频发电入手与变速恒频发电做对比，展示了变速恒频发电在性能方面的突出优点,再分析变速恒频发电机组的工作原理和机组中的两种发电系统：交流励磁双馈发电系统和无刷双馈发电系统，分别对两种系统的工作原理、控制方式、优点及缺点等方面作出了阐述。 （大唐新能源黑龙江公司 150038）摘要：本文主要对风力发电技术进行研究，首先从传统的恒速恒频发电入手与变速恒频发电做对比，展示了变速恒频发电在性能方面的突出优点,再分析变速恒频发电机组的工作原理和机组中的两种发电系统：交流励磁双馈发电系统和无刷双馈发电系统，分别对两种系统的工作原理、控制方式、优点及缺点等方面作出了阐述。 关键词：变速恒频；风力发电；技术研究前言：根据我国目前生态建设和可持续发展的需要，大力开发可再生能源已经成为了当下应用能源的新型趋势，而风能正是符合这一需求的可再生绿色能源。风力发电技术早在上个世纪就开始进行研究和应用，但是在一定程度上机组性能尚不完善，关键技术的研发未有突破，导致了风能利用率较低。在近些年逐步发展的变速恒频风力发电技术在一定程度上可以对此改善，在技术研究上也有了新突破。 1.风力发电的技术分析 1.1恒速恒频风力发电机组分析 恒速恒频风力发电机组是一种运行后叶轮不能根据风速的变化而发生变化的，是由电网频率决定的风轮转速和电能频率在运行时基本保持不变的风电机组。主要发展于上世纪八十年代和九十年代之间，曾经被我国广泛应用于风力发电，并在此期间不断被研究者优化的一种风力发电形式。恒速恒频风力发电机组最开始的容量只有几十千瓦级，逐步发展为兆瓦级，并且有着一系列优点，例如：性能稳定、操作简便等，但仍属于非智能操作系统。 在恒速恒频风力发电机组中，由两种较为常用的控制方式：主动失速控制和定桨距失速控制。其中，主动失速控制是应用于大容量机组的一种控制方式，这种控制方式可以使机组具有稳定的输出功率，也会有部分机组采用定桨距失速控制，但是，该方式的输出功率不稳定还会造成一定程度上的齿轮箱磨损。 在恒速恒频风力发电系统中，由于外界风速变化无常，但风力发电机本身的转速不会改变，就会造成数据的不准确，风机效率低下等状况。在风力发电中，要提高风力发电系统的发电效率是首要任务，在整个过程中捕获最大风能是要点，所以发电系统一直在向着目标改进发展。随着科学技术的发展，在风力发电方面也有了明显的突破，正如近年来慢慢发展并强大的变速恒频风力发电系统。 1.2变速恒频与恒速恒频的对比分析 变速恒频风力发电机组是当今的主流风力发电机组，是二十世纪末期发展起来的一种高效的风力发电方式。与恒速恒频风力发电机组相比，变速恒频风力发电机组有明显的优势。变速恒频风电机组可以应对不同风速大小，在不同风速下进行自身调节，最大化捕捉风能，提高风能的利用率。恒速恒频发电机组在遇到较大风力时，自身产生的较大电流会使自身结构遭到损害。变速恒频风力发电机组本身可以根据外界风速的变化进行自身调节，减少因力的相互作用而导致装置内部结构遭到破坏的现象，从而大大延长了机组的使用寿命。不仅如此，变速恒频风力发电机组主要是通过对内部转子交流励磁电流幅值、频率以及相位的控制，实现在变速下对于频率的恒定控制，，这种控制方式还可以达到对输出功率的控制，使装置运行更加灵活，以便于整个机组的运作。 2.变速恒频风力发电的关键技术分析 2.1变速恒频风力发电工作原理 在变速恒频风力发电机组中，主要的三个部，分是风力机、发电机和辅助构件。变速恒频风力发电的基本工作原理是风力机构件中的叶轮吸收风能，在风能的作用下发生转动，使之转化为机械能，而后，叶轮的转动带动齿轮箱工作，产生机械能，再将产生的机械能通过发电机转化为电能，并经过一定转化输入电网，再由电网对各个用户进行传输。 目前的变速风力发电系统完全实现了机械自动化，属于智能运作系统，不需要人工调节，可以根据风速风力进行自身调节，适应外界变化。对于变速恒频发电机组而言，在额定风速以上运行时，可以使叶轮上的载荷控制在安全值内，并且，有效的调节风电机组吸收的能量。风力机的叶轮由于质量较大，具有较大的惯性，在变桨控制产生作用时，叶轮不会及时发生变化，通常情况下会滞后一定时间才能有所表现，这一情况很容易使功率有大幅度的波动。所以，在额定风速上运行时，需要用发电机转矩来进行快速的调节，来保证输出稳定的能量。当机组处于额定风速以下时，可以通过提高对发电机转矩的控制，使机组变速运行，以达到提高能量转换率的目的。 2.2变速恒频发电系统 交流励磁双馈发电系统：这种发电系统内部的主要结构有叶轮、齿轮箱、发电机、四象限变频器、交流励磁控制器、检测装置以及风力发电控制器等，其内部还存在滑环和电刷。馈电方式为装置内部转子绕组通过交流—交流的方式或是交流—直流—交流方式的变频器提供相关数据可以调节的电源，定子绕组接电网。交流励磁控制器还可以通过对于转子变频器输出的电压、幅值、相位以及频率的控制来调节转矩和定子的无功功率。在装置中，变频器提供给转子低频旋转磁场，且满足公式：ω1=ωs±ωr。其中ω1代表定子磁场同步转速，ωs代表整个磁场旋转速度，ωr代表转子机械旋转速度。 无刷双馈发电系统：这种电力系统的深入研究始于上世纪七十年代末，在此期间的几十年中，主要由美国Wisconsin大学、Ohio州立大学等高等院校对无刷双馈发电系统进行深入研究。其内部结构主要有电网、功率绕组、控制绕组、变频器、无刷电机、风力机等。在其内部定子上，一般有两套三相对称绕组，一个为主绕组，一个为副绕组。一般由工频交流电源直接为主绕组供电，如果副绕组短路，系统能够在异步运行方式下运作。无刷双馈发电系统内部的转子一般分为磁阻转子和笼形转子两类，其中，磁阻转子以ALA型较为常见，笼形以笼形短路绕组转子较为常见。 在风力发电系统的研究中表明，无电刷和滑环的发电转子在应用中更为稳定耐用，可靠性强。并且，发现在所有的发电系统研究中双馈型有刷及无刷的变速恒频控制在性能上都较为优越，较为常用，可以在此结论的基础上进一步对于双馈型变速恒频空间展开研究，进一步发展我国变速恒频风力发电的应用。 3.结语 恒速恒频风力发电系统的数学模型 为了研究风电场对电力系统的影响，需要建立合理的风电场数学模型，为进一步仿真分析奠定基础。按照本课题研究的要求，我们先后建立了异步发电机的稳态数学模型和动态数学模型，其中动态数学模型包括风速模型风轮机、传动机构和异步发电机的模型。本文以恒速恒频风力发电系统为研究对象，它主要由风力机和异步风力发电机等主要元件组成。我们着重于风电场与系统相互影响问题的研究，与之密切相关的环节，其数学模型将详细地描述。数学模型的建立为研究风电场的运行特性和风电场并网运行带来的稳定问题以及研究电力系统接入一定规模的风电场的可行性提供了基本的工具。 2.1 风电场及风力发电机组简介 风力发电场是将多台并网风力发电机安装在风力资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电，简称风电场。风力发电形式可分为“离网型”和“并网型”“离网型”有：(1)单机小型风力发电机；(2)并联的小型或大型孤立的风力发电系统；(3)与其它能源发电技术联合的发电技术，如风力／柴油发电机联合供电系统。“并网型”的风力发电是规模较大的风力发电场，容量大约为几兆瓦到儿百兆瓦，由于十台甚至成百上千台风电机组构成。并网运行的风力发电场可以得大大电网的补偿和支撑，更加充分的开发可利用的风力资源，也是近儿年来风电发展的主要趋势。在日益开放的电力市场环境下，风力发电的成本也将不断降低，如果考虑到环境等因素带来的间接效益，则风电在经济上也具有很大的吸引力。 风电场的发电设备为风力发电机组，发电机经过变压器升压与电力系统连接，如图2．1 图2-1风电场与电力系统连接图 在风场内，风机与变电所之间的连接有两种方式：场地布置相对集中时用电缆直埋；场地布置相对分散时用架空lOkV 线路。一般有两种供电方式如图2-2：一是采用一台风机经一台箱式变电站就近升压；二是采用两台或多台风机经一台箱式变电站就近升压。 2.2 异步发电机的稳态数学模型 为了研究风电场对电力系统的影响，需要建立合理的风电场数学模型，为进一步仿真分析奠定基础。按照本课题研究的要求，我们先后建立了异步发电机的稳态数学模型和动态数学模型，其中动态数学模型包括风速模型、风轮机、传动机构和异步发电机的模型。首先异步发电机与异步电动机在能量转换过程中各功率损耗之间的关系不同，如图2-11。步发电机的功率转换是将输入的机械功率己转换为输出电功率，它的特点在于其转子的转速比定子产生的旋转磁场的转速更高。自然风吹动风轮机叶片，将风能转化为机械能，由此获得的机械功率只扣除掉机械损耗Pm 。和附加损耗mc P 后即为传递到异步发电机转子可转换的机械功率mec P 。在等效电路中对应可变电阻(1-s)／s(s<0)上的电功率，扣除转子铜耗1cu P 和铁心损耗fe P ，得到输入定子绕阻的电磁功率me P ，再扣除定子铜耗1cu P ,即得到注入电网的电功率Pe 。上述功率流向可表达为 ad me mec m P P P p ++= (2-1) 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 收稿日期:2007212211. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50577018);高等学 校学科创新引智计划(B08013);长江学者和创新团队发展计划(IRT0515);华北电力大学重大项目预研基金资助项目. 变速恒频风力发电机组输出特性分析 胡冬良,赵成勇 (华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室,河北保定071003) 摘要:以变速恒频风力发电系统为研究对象,依据发电机数学模型和交流电机矢量变换控制原理,设计了交流励磁变速恒频(VSCF )发电机定子磁链定向的矢量变换控制系统,对转子侧变换器建立了外环定功率控制内环定电流控制的双闭环控制结构,实现双馈发电机定子有功P 和无功Q 的解耦控制,从而获得最大风能捕获的高效发电运行。并在PSCAD/EM TDC 仿真环境下建立了变速恒频风力发电机组的整体动态数学模型。以渐变风和阵风为例,对由5台单机容量为2MVA 双馈感应电机(DFIG )组成的风电场并网前后的运行特性进行仿真研究,通过仿真分析,揭示了风电场并网运行的动态特性,并验证了数学模型和控制策略的正确性和有效性。 关键词:变速恒频发电机组;双馈感应电机;矢量变换控制;最大风能捕捉 中图分类号:TM614;TP391 文献标识码:A 文章编号:1007-2691(2008)04-0001-06 The output characteristic analysis of variable 2speed constant 2frequency wind generating set HU Dong 2liang ,ZHAO Cheng 2yong (K ey Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under Ministry of Education ,North China Electric Power University ,Baoding 071003,China ) Abstract :The system of variable s peed constant frequency (VSCF )wind power generation is taken as study object in this paper.According to the generator mathematical models and the control principle of vector 2oriented ,the control system of AC excitation VSCF generator is designed based on stator flux orientation.The rotor converter ado pts double locked loops control https://www.doczj.com/doc/6f6969525.html,ly ,the external 2loop is controlled by constant power and the inner 2loop is con 2trolled by constant current ,which implement the decoupling control of active power P and reactive power Q to the stator.Consequently ,the maximal energy capture is obtained to operate with high 2active power generation.Moreover ,a whole dynamic model of double fed induction generator (DFIG )is presented using PSCAD/EM TDC.Then the ram p change of wind speed and gust are taken for example.The operation characteristic of wind farm interconnected net 2work ,which is composed by five DFIG with 2MVA capacity ,is simulated.The interconnecting dynamic performance of wind farm is validated by simulation experiment.The results also show the mathematic model and control strate gy is exact and effective. K ey w ords :variable speed constant frequency (VSCF );double fed induction generator (DFIG );vector transform control ;maximal energy capture 0 引 言 风力发电以其清洁、可再生、技术成熟、风 力资源丰富等优势,日益受到人们的重视,并得 到许多国家能源政策的支持。近年来,随着电力发电技术的发展,变速恒频风力发电机组已逐步成为MW 级风力发电机组的主流机型。变速恒频风力发电机组与恒速恒频风力发电机组相比有显著的优越性[1]:低风速时它能够根据风速变化,在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能;高风速时利用风轮转速的变化,存储或释放部分能 第35卷第4期2008年7月 华北电力大学学报Journal of North China Electric Power University Vol 135,No 14 J ul 1,2008定距桨变距桨与风力发电机组
风力发电机组的运行维护技术(新编版)
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