风力发电机组及其控制系统.ppt

同步发电机
机侧 变流器
DC
网侧 变流器
主回路 断路器
变流控制器
主轴承 同步发电机
制动器
变桨 机构
风机主控器
10...24 kV, f = 50 Hz
变压器
开关设备
并网运行风力发电机组中的发电机
双馈异步发电机
结构： 由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成
原理：定、转子电流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，发电机的转子的转速和定、转子电流的频 率关系可表示为：
由于风向经常变化，为了有效的利用风能，在风机上装有 迎风装置。 迎风装置根据风向传感器测得的风向信号， 由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮相啮合的小 齿轮转动，使机舱始终对准风向方向。
风力机的气动原理
风车简化为一维流管：
一维动量方程，风轮轴向推力：
T U U w A d U d
额定转速以上的恒功率控制 当风速过高时，通过调节桨叶角，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。
并网型风力发电机组功率调节控制
传统变桨距风力发电机组的控制系统
功率给定 转速给定
发电机功率Fra bibliotek功率控制器
节距
变距
控制器
机构

速度

控制器

发电机转速
风轮
增速 齿轮箱
dU d2pd
1 2W U W 2pW1 2dU d2pd
TA *p d p d
U dU U W 2
风力机的气动原理
风机损失的能量：
轴向诱导因子 风轮处速度
ava U
U dU 1a
风轮尾流速度
U WU 12a
发电机
双馈异步发电机
主回路断路器
齿轮箱
制动器 异步发电机
机侧 变流器
网侧 变流器
主轴承
变桨 机构
变流控制器
10...24 kV, f = 50 Hz or 60 Hz
变压器 开关设备
风机主控器
风力发电机组的控制策略
控制目标： 保证系统的可靠运行 能量利用率最大 电能质量高 机组寿命长 常规控制功能： 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，获取最大能量 高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组输出的功率为额定值 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的功率波
f1

pn 60

f2
当发电机的转速 n变化时，可通过调节 f2 来维持 f1 不变，以保证与 电网频率相同，实现变速恒频控制。
并网运行风力发电机组中的发电机
三种运行状态
a) 亚同步 n n1 s0
b) 超同步 c) 同步 功率分析
n n1 s0 n n1 f2 0
不计损耗时： p 1p em (1 s)p em sep m
风力机的气动原理（叶素理论）
作用在叶素上的合力流速为： W U 2(1 a )2 2 r2(1 a ')2
其中是合力流与旋转平面的夹角，可以称之为入流角。
sinU(1a)
W
cosr(1a')
W
风力机的气动原理（叶素理论）
攻角 可表示为：

Ta
感应
Te*
*
滞后
Tm



控制器
Te*
变流器 及发电机
转速
r / v
传动系统 动态特性
Tm Te

风速
K
opt
控制系统设计
控制系统设计原则
安全、可靠 最大功率追踪 控制器易于扩展 便于维护
控制系统
塔底柜 机舱柜 变距系统 变流器 滑环 水冷系统
结构：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，维持发电机的输出功率在额定值附件。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，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高 一些发电机的运行效率。 优点：失速调节简单可靠，没有变距机构。 缺点：叶片形成工艺复杂，机组整体效率低。
作用在单位圆环径向宽上的升力分量r ，与合力流方向垂直，
表达式为：
L12W2cCLrr
阻力分量与合力流W方向平行，表达式为：
D12W2cCdrr
发电系统基础理论
独立运行风力发电机组中的发电机
直流发电机
永磁式直流发电机： 定子采用永磁体 电磁式直流发电机： 定子采用励磁绕组，通以直流电
opt
K
风速
气动 Ta
转矩
r / v
感应 Tm
滞后
Te
其中 Ta12C T,r3v2
Te Te*B
传动系统 动态特性
转速
变流器及
Te*
发电机

Te* K 2
变速恒频风力发电机组的控制策略
直接速度控制
气动 转矩

传动轴转矩
1
* (Tm / K 2 )
并网运行风力发电机组中的发电机
异步发电机
结构：定子为三相绕组，采用星形或角形链接，转子为笼型或绕线形， 定子绕组并连电容器来提供无功电流建立磁场，一般为4极或6极。
原理： 同步转速：
n1

60 f1 P
转差率：
s n1 n n1
当 n n1 时，电机工作在电动状态
当 n n1 时，电机运行在发电状态（一般 0.0 2s 0.0）5
轮毂内 ，3个 滑环 ，RS 485 通讯 塔底控制柜
电量采集 风场通讯
监控系统
液压系统
功能： 控制偏航刹车和机械转子主动刹车。
组成： 油箱：液位指示 油泵：柱塞泵、电机 滤油单元 转子刹车阀组 偏航刹车阀组
并网型风力发电机组功率调节控制
定桨距风力发电机组的控制。 高风速用4极大发电机,低风速用6极小发电机。依据平均或瞬时功率 做切换条件。
定桨距风力发电机组的控制系统结构
并网型风力发电机组功率调节控制
变桨距风力发电机组的调节与控制 通过变桨距机构改变叶片桨距角的大小，改善气动性能和功率特性。 变桨距调节的3个过程：启动时的转速控制、额定转速以下的控制、 额定转速以上的控制。
并网运行风力发电机组中的发电机
同步发电机
结构：定子由定子铁心和三相定子绕组组成，转子由转子铁心、转子 绕组、集电环和转子轴组成，转子上的励磁绕组经集电环、电刷与直 流电源相连，通以直流励磁电流来建立磁场，转子分凸极式和隐极式
原理：同步发电机在风力机的拖动下，转子以转速 n旋转，旋转的转
全功率变流器
3000kW 690V +/-0.975 水冷 2460X2300X640 IP54 2500kg Canopen
滑环
信号列表：变距系统电源、通讯、 控制信号 耐压、电流冲击电气性能等； 防护等级：IP54 设计寿命：7000万转
主控系统
机舱控制柜
传感器等
ACS 867
以太光纤 EtherCan 通讯
一维不可压缩流的连续方程：
V * A const.
伯努力方程：
1U2pghcon. st
2
T U U w A d U d
风力机的气动原理
在风机上游： 在风机下游： 风机上获得的推力： 风轮盘面气流速度：
1
2
U 2p1 2
动，避免共振 减小功率传动链的暂态响应 控制器简单，控制代价小 调节机组功率，确保机组输出成电压和频率稳定
并网型风力发电机组功率调节控制
风力机的功率调节 风力机的调节是气动功率调节技术，其方式有定桨失速调节、变桨调 节、主动失速调节。
定桨距失速风力发电机组的调节与控制 定桨距失速调节
启动时的转速控制 在发电机并入电网前，变桨距系统的桨距角给定值由发电机的转速信 号控制，转速调节器按一定的速度上升斜率给出速度参考值。变桨系 统根据给定的速度参考值与反馈信号比较来调整桨距角，进行速度闭 环控制。
额定转速以下的控制 在发电机并王后，当风速低于额定风速时，发电机在欠功率状态下运 行，通过调节功率给定值来调整风机转速。
子磁场切割定子上的三相对称绕组，在定子绕组中产生频率为 f1 的三 相对称的感应电动势和电流输出。
f1

pn 60
pn1 60
为了保证输出频率与电网频率一致，发电机转速必须恒定，因此对调 速机构有很高的要求。为了改善这一点，出现了低速永磁同步发电机 ，并通过全功率变流器与电网联接。
并网运行风力发电机组中的发电机
永磁式交流同步发电机：转子采用永磁体，有凸极式和爪极式两种， 定子与普通交流电机相同
硅整流自励式交流同步发电机：定子由铁心和三相定子绕组组成，定 子绕组为星型联接，转子由转子铁心、转子绕组、集电环和转子轴组 成，励磁绕组通过集电环和电刷与整流器的直流输出端相连，以后的 直流电流励磁
电容自励式异步发电机： 在异步发电机定子绕组输出端接电容，以产 生超前于电压的容性电流产生磁场，从而建立电压
垂直轴风机：风轮的旋转轴与地面或气流方向垂直
（1）
（2）
（3）
风机的分类
按运行方式分 独立运行风力发电机组 并网运行风力发电机组
按功率分：微型（50～1000W） 小型（1～10KW） 中型（10～100KW) 大型（>100KW)
风力发电机的结构
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由 风轮、尾舵、发电机、支架、 电缆、充电器、逆变器、蓄电池组成