风力发电机组检测与控制ppt课件.ppt

风力发电机组检测与控制, 华北电力大学控制科学与工程学院,第一章 绪 论,轮毂,齿轮箱,油冷却器,发电机,变桨驱动,旋转罩,机舱,低速轴,热交换器,控制箱,旋转接头,支撑轴承,偏航驱动,机舱座,通风,隔离减震,风力发电机组结构图,一、机组的总体结构,第一章 绪 论,定桨：1.5-2.5叶尖扰流器起脱网停机气动刹车，一般采用双速发电机来提高效率。变桨：随风速改变攻角，超过额定风速保持额定功率。设计风轮转速：20-30r/min，通过增速器与发电机匹配。采用晶闸管软切入并网，并网容易，扰动小。含微处理器的控制系统。,第一章 绪 论,二、风力发电机组的主要类型与控制要求,定桨距失速型机组监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；自动相位补偿；监视机组的运行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、发电量等机组运行数据。全桨叶变距型机组监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；优化功率曲线；监视机组的运行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、发电量等机组运行数据。基于变速恒频技术的变速型机组监控系统任务除去上述功能外主要包括：基于微处理器及先进IGBT电力电子技术的发电机转子变频励磁；脉宽调制技术产生正弦电压控制发电机输出电压与频率质量；低于额定风速的最大风能（功率）控制与高于额定风速的恒定额定功率控制。,第一章 绪 论,三、风力发电机组的控制技术,定桨距失速型机组解决了风力发电机组的并网问题和运行安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术。固定的节距角及电网频率决定的转速，简化了控制与伺服驱动系统。全桨叶变距型机组启动时可进行转速控制，并网后可进行功率控制。电液伺服机构与闭环变距控制提高了机组效率。基于变速恒频技术的变速型机组采用变速风力发电机。根据风速信号控制，低于额定风速跟踪最佳功率曲线，高于额定风速柔性保证额定功率输出。改善了高次谐波对电网影响，提高了功率因数，高效高质地向电网供电。,习题：各不同类型机组的控制技术有何功能特点。,第一章 绪 论,图中看出，系统的特性除了与机组特性有关外，还受控制器影响。运行中控制器可改变功率输出，风能看成是扰动。,四、风力发电机组的控制特性,第一章 绪 论,五、风力发电机组的控制系统结构,用户界面,输入用户指令，变更参数显示系统运行状态、数据及 故障状况,发电机控制,软并网变频器励磁调节,主控制器,运行监控，机组起/停电网、风况监测,无功补偿,根据无功功率信号分组切入或切出补偿电容,变距系统,转速控制功率控制,液压系统,刹车机构压力保持变距机构压力保持,制动系统,机械刹车机构气动刹车机构,调向系统,偏航自动解除电缆缠绕,习题：通过对控制系统结构的了解，回答控制系统主要包括那些功能？,第二章 风力机控制,气流动能为 m 空气质量，v 气流速度密度为的气流过面积 S 的气体体积为 V，M= V= Sv则单位时间内气流所具有的动能为理想风轮与贝兹（Betz）理论：前后空气体积相等：S1v1=Sv=S2v2根据牛顿第二定律，单位时间内风轮上的受力 F= mv1-mv2= Sv(v1-v2)风轮吸收的功率P=Fv= Sv2 (v1-v2)风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化：令两式相等，得 经过风轮风速变化产生的功率为其最大功率可令 得 ，代入后得到的最大理想功率为与气流扫掠面积风的能量相比，可得风力机的理论最大效率：,一、1、风力机能量转换过程,1、风能利用系数 ：风力机的实际功率其中CP为风能利用系数，它小于0.5932、叶尖速比为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量，称叶尖速比,一、2、风力机的主要特性系数,第二章 风力机控制,3、实度对风力机的影响：实度定义：风力机叶片的投影面积所占风轮面积的比例。 实度可以通过叶片数、叶片弦长来改变。实度变化对风能利用系数的主要影响：1）低实度产生一个宽而平坦的曲线, 即在一个较宽的叶尖速比范围内Cp变化很小,但是Cp的最大值较低, 这是因为阻尼损失较高.2）高实度产生一个含有尖峰的狭窄的性能曲线，这使得风轮对叶尖速比变化非常敏感3）由下图可以看出，三叶片产生最佳的实度，当然，两叶片也是可以接受的选择，虽然它的p最大值稍微低一点，但峰值较宽，这样可以在较大的风速范围内捕获更多的风能。,一、2、风力机的主要特性系数,第二章 风力机控制,1、桨叶的翼型,二、1、桨叶的几何参数与空气动力特性,功角,升力角,零升力角,风向,弦长,A,B,攻角：来流方向与弦线的夹角零升力角：弦线与零升力线夹角升力角：来流方向与零升力线夹角,2、桨叶上的气动力,总的气动力，S 桨叶面积，Cr 总气动系数,C,压力中心,升力，与气流方向垂直，Cl 升力系数,阻力，与气流方向平行，Cd 阻力系数,Cd、Cl 是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。,第二章 风力机控制,二、2、升力和阻力的变化曲线,-30o -20o -10o 0o 10o 20o 30o 40o,0.80.60.40.2,-0.2,升力系数与阻力系数是随攻角变化的升力系数随攻角的增加而增加，使得桨叶的升力增加，但当增加到某个角度后升力开始下降；阻力系数开始上升。出现最大升力的点叫失速点。截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前缘位置）、表面粗糙度等都会影响升力系数与阻力系数。对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，造成阻力增加，,第二章 风力机控制,三、旋转桨叶的气动力（叶素分析）,风向,v,- u,w,运动旋转方向,安装角（桨距角、节距角）：回转平面与桨叶截面弦长的夹角,倾斜角,相对速度,驱动功率dPw=dT,风输入的总气动功率P=vFa旋转轴得到的功率Pu=T风轮效率=Pu/P,第二章 风力机控制,第二章 风力机控制,五、涡流理论（叶片数的影响及实际风力机Cp曲线）,有限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使风力机效率有所下降。实际风力机曲线如下图所示：,Betz极限,理想的Cp曲线,实际的Cp曲线,失速损失,型阻损失,0,第三章 定桨距风力发电机组,一、定桨距风力发电机组的特点,1、风轮结构主要特点：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨叶的迎风角度不随风速变化而变化。需解决的问题：高于额定风速时桨叶需自动将功率限制在额定功率附近（失速特性）。 脱网（突甩负荷）时桨叶自身具备制动能力。 添加了叶尖扰流器，降低机械刹车结构强度，2、桨叶的失速调节原理因桨叶的安装角不变，风速增加升力增加升力变缓升力下降阻力增加叶片失速叶片攻角由根部向叶尖逐渐增加，根部先进入失速，随风速增大逐渐向叶尖扩展。失速部分功率减少，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在额定功率附近。3、叶尖扰流器叶尖部分可旋转的空气阻尼板，正常运行时，在液压控制下与叶片成为整体，风力机脱网时液压控制指令将扰流器释放并旋转80o90o，产生阻力停机，即产生空气动力刹车。空气动力刹车是按失效思想设计，即起到液压系统故障时的机组停机保护。4、双速发电机,小发电机功率曲线,大发电机功率曲线,切换点,风速,功率,如6极200kW和4极750kW,P1,P2,第三章 定桨距风力发电机组,一、定桨距风力发电机组的特点,5、功率输出功率的输出主要决定于风速，叶片的失速特性功率曲线是在标准空气密度=1.225kg/m3测出的，一般温度变化10oC，空气密度变化4%。因此气温升高，密度下降，输出功率减少。750kW机组可能会出现3050kW的偏差，6、节距角与额定转速的设定对功率输出的影响由于机组的桨叶节距角和转速都是固定不变的，使机组功率曲线上只有一点有最大功率系数。额定转速低的机组，低风速下有较高的功率系数；额定转速高的机组，高风速下有较高的功率系数。即为双速电机依据。设计的最大功率系数并不出现在额定功率上，因风力发电机并不经常工作在额定风速点。定桨距风力发电机应尽量提高低风速的功率系数和考虑高风速的失速性能。,功率/kW,第三章 定桨距风力发电机组,二、定桨距风力发电机组的基本运行过程,1、待机状态风速v3m/s但没达到切入转速或机组从小功率切出，没有并网的自由转动状态。控制系统做好切入电网的准备；机械刹车已松开；叶尖阻尼板已收回；风轮处于迎风状态；液压系统压力保持在设定值；风况、电网和机组的所有状态参数检测正常，一旦风速增大，转速升高，即可并网。2、风力发电机组的自启动及启动条件机组在自然风作用下升速、并网的过程。需具备的条件为：电网：连续10分钟没有出现过电压、低电压；0.1秒内电压跌落小于设定值；电网频率在设定范围内；没有出现三相不平衡等现象。风况：连续10分钟风速在机组运行范围内（3.0m/s25m/s)机组：发电机温度、增速器油温在设定值范围以内；液压系统各部位压力在设定值以内；液压油位和齿轮润滑油位正常；制动器摩擦片正常；扭缆开关复位；控制系统DC24V、AC24V、DC5V、DC15V电源正常；非正常停机故障显示均已排除；维护开关在运行位置。,第三章 定桨距风力发电机组,二、定桨距风力发电机组的基本运行过程,3、风轮对风偏航角度通过风向测定仪测定。10分钟调整一次，调整中释放偏航刹车。4、制动解除 启动条件满足后，控制叶尖扰流器的电磁阀打开，压力油进入桨叶液压缸，扰流器被收回与桨叶主体合为一体。控制器收到扰流器回收信号后，压力油进入机械盘式制动器液压缸，松开盘式制动器。5、风力发电机组的并网 当转速接近同步转速时，三相主电路上的晶闸管被触发开始导通，导通角随与同步转速的接近而增大，发电机转速的加速度减少；当发电机达到同步转速时晶闸管完全导通，转速超过同步转速进入发电状态；1秒后旁路接触器闭合，电流被旁路，如一切正常晶闸管停止触发。,第三章 定桨距风力发电机组,三、风力发电机组的基本控制要求,1、控制系统的基本功能根据风速信号自动进行启动、并网或从电网切出。根据风向信号自动对风。根据功率因数及输出电功率大小自动进行电容切换补偿。脱网时保证机组安全停机。运行中对电网、风况和机组状态进行监测、分析与记录，异常情况判断及处理。2、主要监测参数及作用电力参数：电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率、发电机功率因数等。判断并网条件、计算电功率和发电量、无功补偿、电压和电流故障保护。发电机功率与风速有着固定的函数关系，两者不符可作为机组故障判断的依据。风力参数：风速；每秒采集一次，10分钟计算一次平均值。v3m/s时发电机， v25m/s停机。风向；测量风向与机舱中心线的偏差，一般采用两个风向标进行补偿。控制偏航系统工作，风速低于3m/s偏航系统不会工作。机组参数：转速；机组有发电机转速和风轮转速两个测点。控制发电机并网和脱网、超速保护。温度；增速器油温、高速轴承温度、发电机温度、前后主轴承温度、晶闸管温度、环境温度。振动；机舱振动探测。电缆扭转；安装有从初始位置开始的齿轮记数传感器，用于停机解缆操作。位置行程开关停机保护。刹车盘磨损；油位；润滑油和液压系统油位。,第三章 定桨距风力发电机组,三、风力发电机组的基本控制要求,各种反馈信号的检测：控制器在发出指令后的设定时间内应收到的反馈信号包括回收叶尖扰流器、松开机械刹车、松开偏航制动器、发电机脱网转速降落。否则故障停机。增速器油温的控制：增速器箱内由PT100热电阻温度传感器测温；加热器保证润滑油温不低于10oC；润滑油泵始终对齿轮和轴承强制喷射润滑；油温高于60oC时冷却系统启动，低于45oC时停止冷却。发电机温升控制：通过冷却系统控制发电机温度，如温度控制在130140oC，到150155oC停机。功率过高或过低的处理：风速较低时发电机如持续出现逆功率（一般3060 s），退出电网，进入待机状态。功率过高，可能为电网频率波动（瞬间下降），机械惯量不能使转速迅速下降，转差过大造成。也可能是气候变化，空气密度增加造成。当持续10min大于额定功率15%或2s大于50%应停机。风力发电机组退出电网：风速过大会使叶片严重失速造成过早损坏。风速高于25 m/s持续10min或高于33m/s持续2s正常停机，风速高于50m/s持续1s安全停机，侧风90oC。,第三章 定桨距风力发电机组,三、风力发电机组的基本控制要求,3、风力发电机组的基本控制策略风力发电机组的工作状态：,第三章 定桨距风力发电机组,四、定桨距风力发电机组的制动与保护系统,1、定桨距风力发电机组的制动系统叶尖气动刹车：液压系统提供的压力由经旋转接头进入桨叶根部的压力缸，压缩扰流器机构中的弹簧，使叶尖扰流器与桨叶主体平滑连为一体。当风力机停机时，液压系统释放压力油，叶尖扰流器在离心力作用下，按设计轨迹转过90o。机械盘式刹车：作为辅助刹车装置被安装在高速轴上，液压驱动。因风力机转矩很大，作为主刹车将会使刹车盘直径很大，改变了机组结构。大型风机一般有两部机械刹车。制动系统按失效保护原则设计，一旦失电或液压系统失效即处于制动状态。正常停机制动过程：电磁阀失电释放叶尖扰流器、发电机降至同步转速时主接触器动作与电网解列、转速低于设定值时第一部刹车投入、如转速继续上升第二部刹车立即投入、停机后叶尖扰流器收回。安全停机制动过程：叶尖扰流器释放同时投入第一部刹车、发电机降至同步转速时主接触器跳闸同时第二部刹车立即投入、叶尖扰流器不收回。紧急停机制动过程：所有继电器断电、接触器失电；叶尖扰流器和两部机械刹车同时起作用；发电机同时与电网解列。,第三章 定桨距风力发电机组,四、定桨距风力发电机组的制动与保护系统,2、超速保护发电机或风轮转速超过额定转速110%时，控制器发出正常停机指令。叶尖扰流器制动液压系统设有独立超速保护装置，风轮超速时，液压缸压力迅速上升，受压力控制的“突开阀”打开，压力油被泄掉，叶尖扰流器迅速打开，使得在控制系统失效时停机。3、电网失电保护电网一旦失电，控制叶尖扰流器和机械刹车的电磁阀立即打开，实现失压制动紧急停机。电网原因引起的停机，控制系统在电网恢复后10分钟自动恢复运行。4、电气保护过电压保护：控制器对通过电缆进入控制柜的冲击电压具有自我保护能力感应瞬态保护：晶闸管、计算机的过电压屏蔽，传感器、通信电缆的隔离。雷击保护：提供便捷的接地通道释放雷电。5、紧急安全链是计算机系统的最后一级保护措施，原理是将对风力发电机组造成致命伤害的故障节点串联在停机回路中，任何一个故障都可紧急停机。如：紧急停机按钮、控制器看们狗、叶尖扰流器液压继电器、扭揽传感器、振动传感器、控制器DC24V电源失电。紧急停机后安全链只能手动复位,转速传感器,光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前在风电机组转速测量中应用较多的传感器。它主要由安装在旋转轴上的编码圆盘、固定指示标度盘、以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。在码盘上刻有等分划的主信号和零信号窗口，主信号用来产生角度分割脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。零信号窗口则在圆盘每旋转一周时产生一个脉冲信号，主要用于错误计数的检测和作为每周的原点使用。在指示标度盘上有三个窗口，除了一个作为零信号使用外，其余两个窗口可以获得0和90两相的主信号输出，从中可以获得旋转轴的旋转方向信息。,风速及风向信号检测,风向标与风速仪安装在风力发电机组机舱罩上的固定支架上，其中，风速计的传感部分由3个互成120固定在支架上的抛物锥空杯组成，在风速作用下与同轴连接的四极磁铁共同旋转，在一侧固定的低阻抗线圈中产生出与风速成比例的交流信号输出，交流信号的频率与风速成正比，因此，检测交流信号的频率大小即可得到转速。 风机用来对风的风向信号来自风向标。IEC的标准是风向的测量误差不要大于5度。 风向标一般有两种方式。一种风向标是在一半圆形筒罩内布置两个成90的光电管,风向标转动将同时带动两个光电传感器一起转动,根据这两个光电管通断的不同百分比，可以判断机舱与实际风向的偏差。 另一种是光电感应传感器，即绝对型光电编码器，其内部带有一个n位的格雷码盘，当风向标随风转动时，同时也带动格雷码盘转动，由此得到不同的格雷编码，通过光电感应元件，变成一组n位数字信号传入控制器。格雷码盘将360圆周分成个区，每个区为,固其测量精度为。这种检测方式可以快速准确的得到偏航位置信息，不需要相应的控制算法即可实现绝对位置的测量，增加了系统的可靠性和稳定性。,第四章 变桨距风力发电机组控制,一、概述,高于额定风速改变攻角保持功率恒定； 启动时控制驱动转矩控制转速。特点：1、改善机组的受力，优化功率输出（粗调，与发电机转差率调节配合）。2、比定桨距风力机额定风速低、效率高；且不存在高于额定风速的功率下降问题。3、功率反馈控制使额定功率不受海拔、湿度、温度等空气密度变化影响4、启动时控制气动转矩易于并网；停机气动转矩回零避免突甩负荷。运行状态：启动状态转速反馈控制，速度给定加升速率限制有利于并网。欠功率状态不控制（变速机组可通过追求最佳叶尖速比提高风机效率）。额定功率状态功率控制，为了解决变桨对风速响应慢问题，可通过调节电机转差率调速，用风轮蓄能特性吸收风波动造成的功率波动，维持功率恒定。,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、变桨距执行系统,a、变桨距执行系统是一个随动系统，即桨距角位置跟随变桨指令变化。b、校正环节是一个非线性控制器，具有死区补偿和变桨限制功能。死区用来补偿液压及变距机构的不灵敏区，变桨限制防止超调。c、液压系统由液压比例伺服阀、液压回路、液压缸活塞等组成。d、位置传感器给出实际变桨角度。,D/A转换器,A/D转换器,位移传感器,变桨距机构,液压系统,活塞位移,桨距角,变桨给定,校正环节,第四章 变桨距风力发电机组控制,三、变桨距控制（并网前）,1、并网前的速度控制速度控制器控制从启动到并网的转速控制，达到同步转速10r/min内1s并网。进入启动状态，前馈通道将桨距角快速提高到45，500r/min减小到5，达到快速启动目的；非线性环节使增益随节距角增加而减小，补偿转矩变化。,转速控制器,变桨执行器,变距机构,风轮系统,发电机,传动系统,桨距角,风速,转速给定A,转速,第四章 变桨距风力发电机组控制,三、变桨距控制（并网后）,b、功率控制器A并网后执行变桨到最大攻角，低于额定功率（额定风速）时控制器输出饱和，攻角最大；高于额定风速后进入恒功率控制；引入风速前馈通道，超过额定风速后，当风速变化时起到快速补偿作用。c、功率控制器B低于额定风速调节转差率“实现”最佳叶尖速比调节，即风速增加转差率增大；高于额定风速时配合功率控制器A维持功率恒定。原理是风速出现波动时，由于变桨调节的滞后使驱动功率发生波动，调节转差率（转子电流）使机组转速变化而维持功率恒定，利用风轮储存和释放能量维持输入与输出功率的平衡。,功率控制器A,功率控制器B,变桨执行器,变距机构,风轮系统,发电机,传动系统,转速,桨距角,发电功率,风速,额定功率,功率给定,同步转速,转子电流执行器,S,P,风速信号,滤波器,+,-,+,-,+,-,+,-,第四章 变桨距风力发电机组控制,四、发电功率控制,0 发电机类型普通异步发电机：鼠笼式、绕线式（转子电流可调）双馈异步发电机：转子交流励磁可调，直驱同步发电机：全功率变频，无齿轮箱、多级电机绕线同步发电机：加滑差离合调速器或电磁耦合调速器，无变流器。,第四章 变桨距风力发电机组控制,四、发电功率控制,1、发电机功率参考曲线 功率给定曲线在点划线限制的范围内变化，发电机的转差率在110%（15151650r/min），外加转子平均电阻在0到100%变化。2、发电机转矩转速控制特性功率=转矩转速，功率与转矩成正比。,= 转矩系数励磁磁通转子电流转子功率因数,其中：,转子感应电动势,发电功率与转子电流成正比，改变电流大小可以调节电功率。改变转子回路电阻可以改变转子电流。低于额定风速叶尖速比优化：风转速参考功率转子电流输出功率 高于额定风速恒定功率控制：风转速输出功率转子电流输出功率 ,跟踪参考值,稳定功率值,第四章 变桨距风力发电机组控制,四、发电功率控制,M,Sn,0,ns,10,电动机,发电机,R2,R1,发电机转矩转速特性曲线定子同步转速由电网决定：（定子三相电流产生的旋转磁场转速）两种运行状态：nns为电动机方式；nns发电机状态。滑差率： 发电状态时为负值与功率成正比的电流可表示为：,转子静止时感应电势,接近同步速时S很小,分析：高于额定风速时，如发生扰动转速将发生变化，感应电势变化，电流亦将变化，通 过电阻的变化可以维持电流不变，因此维持功率瞬时稳定（克服扰动）。 反之，低于额定风速时，通过改变电阻，可以改变S，保证较好的叶尖速比（设定值改变）。,第四章 变桨距风力发电机组控制,四、发电功率控制,转子电流控制原理图：,第四章 变桨距风力发电机组控制,五、液压变距系统,油泵,油箱,滤油器,溢流阀,压力传感器,节流阀,比例阀,蓄能器,可调节流阀,A,B,P,T,电磁阀,先导止回阀,单向阀,压力开关,减压阀,刹车钳,90,0,VESTAS V39型,单向阀,油位开关,压力传感器控制油泵启停，设定范围：130bar145bar高压滤清器装有旁通阀和污染指示器，单向阀防止高压油回流。溢流阀防止油压过高，设定值145bar系统维修时，可调节流阀阀用来释放来自蓄能器的压力油油位开关用来防止油溢出或泵在无油情况下运转。油箱内设有PT100温度检测与报警，,液压泵站,第四章 变桨距风力发电机组控制,五、液压变距系统,油泵,油箱,滤油器,溢流阀,压力传感器,节流阀,比例阀,蓄能器,可调节流阀,A,B,P,T,紧急顺桨阀,先导止回阀,单向阀,压力开关,减压阀,刹车钳,90,0,变桨距控制,控制器输出-10V+10V，控制比例阀输出方向及大小，使叶片在-588之间变化。工作时紧急順桨阀通电，电磁阀1通电使先导止回阀双向流动。比例阀“直通”时，活塞向右运动，桨叶节距向-5方向调节。比例阀“跨接”时，节距角向88方向调节，液压缸左侧压力油回压力管路（活塞右侧面积大于左侧）。,紧急顺桨阀,电磁阀1,电磁阀2,第四章 变桨距风力发电机组控制,五、液压变距系统,油泵,油箱,滤油器,溢流阀,压力传感器,节流阀1,比例阀,蓄能器,可调节流阀,A,B,P,T,紧急顺桨阀,先导止回阀,单向阀,压力开关,减压阀,刹车钳,90,0,液压系统停机状态,紧急顺桨阀断电，压力油通过节流阀2进入液压缸右端。左端压力油经节流阀1回油箱，順桨88。电磁阀1断电，先导止回阀变为单向阀，防止风作用力矩使液压缸活塞向右运动。急停状态防止蓄能器油量不够活塞行程，风的自变力矩将帮助紧急顺桨，补充油来自活塞左部及油箱吸油管。节流阀用来限制变桨速度在9左右。,节流阀2,紧急顺桨阀,电磁阀1,第四章 变桨距风力发电机组控制,五、液压变距系统,油泵,油箱,滤油器,溢流阀,压力传感器,节流阀,比例阀,蓄能器,可调节流阀,A,B,P,T,电磁阀,先导止回阀,单向阀,压力开关,减压阀,刹车钳,90,0,制动机构,开机指令发出后，电磁阀通电，制动卡钳排油到油箱，刹车被释放。停机指令发出后，电磁阀失电，蓄能器压力油进入制动液压缸，实现停机操作。制动器一侧装有螺杆活塞泵，用来当液压系统不能加压时制动风力机。压力开关用来检测制动压力，因压力过高（大于23bar）会造成传动系统的严重损坏。,螺杆活塞泵,第五章 变速风力发电机组控制技术,一、最大风能追踪,风力机的实际机械输出功率为 ：例：1.5106=(3.14/2) 0.41.27402V3, V约为10(米/秒)叶尖速比 为：如风机转速始终在最佳叶尖速比处，则风力机在最佳功率曲线上将会输出最大功率：在上述公式中，功率与风速的关系换成了功率与风机转速的关系。此时 是指最佳转速。 风力机在不同风速下的转速功率曲线如右图,第五章 变速风力发电机组控制技术,一、最大风能追踪,追踪最大风能的过程： 假设在风速V3下原风力机稳定运行在曲线上的A点，转速为1。如果某时刻风速升高至V2，因为风力机的转速不能突变，所以其运行点就会由A点跳变至B点，风力机输出功率由PA突增至PB。由于风力机功率突然增大，将导致发电机的转矩失衡，于是发电机机械转速开始上升，风力机将沿着BC曲线增速。当到达风力机功率曲线与其最佳功率曲线相交的C点时，功率再一次平衡，转速稳定为2，就是对应于风速的最佳转速。 上述过程实现条件是机组转速可调，定速（同步发电机）机组的转速由电网决定；异步发电机（转子电流可调）的转速调节范围很小，难于实现大范围；双馈型机组的转差率约为30%，因此，效率较高。,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,双馈感应发电机（Doubly-Fed Induction Generator，简称DFIG）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。特点是通过变频器给转子加入交流励磁。交流励磁电流的幅值、频率、相位是可调的，他们的作用可简述为：1、励磁电流幅值可以调节发电机无功功率。2、励磁电流频率可以调节发电机转速，实现最大风能捕获。3、励磁电流相位可以改变电机的功率角，可以调节有功和无功功率。,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,双馈电机的基本工作原理： 当转子三相绕组施以交流，在电机的气隙中会形成一个旋转的磁场， 此旋转磁场的转速与通入交流电的频率及电机的极对数有关，即：,则只要维持nn2=n1=常数，定子绕组的感应电势频率将始终维持为f1不变。,双馈电机的转差率为,则转子电流频率应为：,双馈发电机有以下三种运行状态：亚同步运行状态:nn1,n2与n转向相反。同步运行状态:n=n1,f2=0,与普通的同步电机一样。,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,双馈电机的等效电路：定子按发电机惯例，转子按电动机惯例，电磁转矩与转向相反为正，转差率s按转子转速小于同步转速为正，可得双馈发电机的基本方程式：,式中， 、 为定子侧的电阻与漏抗 、 分别为转子折算到定子侧的电阻和漏抗 为激磁电抗， 为励磁电流,双馈电机就是在普通绕线式转子电机的转子回路中增加了一个励磁电源，恰恰是这个交流励磁电源的加入大大改善了双馈电机的调节特性，使其表现出比其他电机更优越的一些特性。,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,双馈电机的数学模型 双馈电机的数学模型与三相绕线式感应电机相似，是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为了建立数学模型，一般作如下假设： 三相绕组对称，忽略高次谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布。 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的。 忽略铁损。 不考虑频率和温度变化对绕组的影响。,在建立基本方程之前，有几点必须说明：1、首先要选定好磁链、电流和电压的正方向。图（3-9）所示为双馈电机的物理模型和结构示意图。图中，定子三相绕组轴线A、B、C在空间上是固定的，a、b、c为转子轴线并且随转子旋转，为转子a轴和定子A轴之间的电角度。它与转子的机械角位移 的关系为， 为极对数。2、为了简单起见，在下面的分析过程中，我们假设转子绕组各个参数已经折算到定子侧，折算后定、转子每相绕组匝数相等。,于是，实际电机就被等效为右图的物理模型了。双馈电机的数学模型包括：电压方程、磁连方程、运动方程、电磁转矩方程等。,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,电压方程：交流励磁发电机定子绕组电压方程为：,交流励磁发电机转子绕组电压方程为：,可用矩阵形式表示为：,式中的电压与电流为瞬时值,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,磁链方程 定转子各绕组的合成磁链是由各绕组自感磁链与其它绕组互感磁链组成，按照上面的磁链正方向，磁链方程式为：,主对角线元素是与下标对应绕组的自感，其它元素是与下标对应的两绕组间互感。,定子各相自感为漏感加主电感：转子各相自感为漏感加主电感：由于折算后定、转子绕组匝数相等，气隙、磁阻相等，即磁路相同，故 ：,定子三相彼此之间和转子三相彼此之间的空间位置都是固定的（相位差是120），故为常值,于是：,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,定子任一相和转子任一相之间的位置是变化的，互感是定、转子绕组轴线电角度 的余弦函数。当两套绕组恰好处于同轴时，互感有最大值（互感系数），于是：,代入磁链方程，就可以得到更进一步的分块矩阵的形式磁链方程：,其中：,定转子互感矩阵互为转置，且与转角位置有关，各元素是变参数，这是系统非线性的一个根源。为了把变参数转化为常参数需要进行坐标变换，这将于后面讨论。,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,运动方程 交流励磁电机内部电磁关系的建立，离不开输入的机械转矩和由此产生的电磁转矩之间的平衡关系。简单起见，忽略电机转动部件之间的摩擦，则转矩之间的平衡关系为：,从磁场能量根据机电能量转换原理，可以得出电磁转矩方程：,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,小结： 上述公式是在磁路为线性、磁场在空间按正弦分布的假定条件下得出的，但对定、转子的电流的波形没有作任何假定，它们都是任意的。因此，上述电磁转矩公式对研究由变频器供电的三相转子绕组很有实用意义。 上述公式构成了交流励磁发电机在三相静止坐标系上的数学模型。该数学模型既是一个多输入多输出的高阶系统，又是一个非线性、强耦合的系统。分析和求解这组方程是非常困难的，即使绘制一个清晰的结构图也并非容易。为了使交流励磁电机具有可控性、可观性，必须对其进行简化、解耦，使其成为一个线性、解耦的系统。其中简化、解耦的有效方法就是矢量坐标变换方法。,S,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈风电机组的控制（矢量控制的基本概念）,励磁电流If产生励磁磁动势及励磁磁通；驱动发电机旋转时，转子感应电势产生转子电枢电流Ia，后者产生电枢磁动势。电磁刹车转矩T正比于（If）Ia由于直流发电机的励磁磁动势与电枢磁动势垂直，改变其中一个的大小并不影响另一个，相互没有耦合（解耦），因此可以实现独立调节。,1、直流发电机矢量控制,N,f,f,T,N,S,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈风电机组的控制（矢量控制的基本概念）,多变量、强耦合、非线性，难以控制。定子三相绕组电流Ia产生电枢磁动势Fa，转子电流If产生励磁磁动势Ff，空间角度为。两者转速相同，没有相对运动（同步、异步均如此），即相对静止。Ia产生的Fa是旋转的，如果站在转子上看， Fa是静止的，且Ia 是直流，这就是坐标变换的出发点。 磁动势与对应的电流在时空上有确定的对应关系，所以，可以将电流、电动势、电压看成空间矢量。且可以不再使用磁动势进行分析。,2、交流发电机,A,Z,Y,C,B,X,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈风电机组的控制（矢量控制的基本概念）,在转子磁极中心线上放上坐标，称为d轴（直轴）；与之正交的地方放上坐标，称为q轴（交轴）。所以， Ff、If 都在d轴上设Ia及Fa如右图，负载运行时磁动势合成为气隙磁动势F，并产生气隙磁通密度B 。他与直流电机的Ff对应的NS极其相似。矢量FfFaF也可用IfIaI表示，后者也具有空间矢量的性质。与直流电机相比， Ff、Fa不具有解耦控制的特点。令M轴与B重合，即所谓的磁场定向。T是与M垂直的坐标。此时，F相当于直流电机的Ff，但Ff与Fa夹角不是90o。由于变成了，产生电磁转矩的磁动势为Fa向T轴的投影，即Fasin，或用IT=Iasin表示，叫转矩电流分量。Im=Iacos叫磁场电流分量，是电枢反映。电机的电磁转矩T=CIasin= CIT控制问题：a气隙磁链定向控制，包括幅值与相位； b转矩（转矩电流）控制。,3、交流同步发电机,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,派克变换的基本概念 ： 任何一组三相对称定子电流所产生的合成基波旋转磁场，总可以用轴线互相垂直的两个绕组所产生的基波合成旋转磁场来代替。 方法：在直轴d、交轴q上放置两个等效定子绕组，代替三相电枢反映磁场派克变换 派克变换是把放在定子上的三相绕组等效变换为运动转子轴线相互垂直的两相绕组，把静止空间坐标系变换成了随转子一起旋转地空间坐标系， 派克变换是在理想电机的假设条件下进行的，是一种线性变换。,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,坐标变换及变换阵 ：交流电机的时空矢量图 根据电路原理，凡随时间作正弦变化的物理量（如电动势、电压、电流、磁通等）都可以用一个以其交变角频率作为角速度而环绕时间参考轴（简称时轴t）逆时针旋转的时间矢量（即相量）来代替。该相量在时轴上的投影即为 倍该物理量的瞬时值。 时空矢量图表示法是一种多时轴单相量表示法，即每相的时间相量都以该相的相轴为时轴，而各相对称的同一物理量用一根统一的时间相量来代表。如下图所示，只用一根统一的电流相量 （定子电流）即可代表定子的对称三相电流。不难证明， 在A上的投影即为该时刻 瞬时值的 倍；在B上的投影即为该时刻 的瞬时值的 倍；在C上的投影即为该时刻 的瞬时值 倍。,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,有了统一时间相量的概念，就可以方便地将时间相量跟空间矢量联系起来，将他们画在同一矢量图中，得到交流电机中常用的时空矢量图。在下图所示的时空矢量图中，取各相的相轴作为该相的时轴。假设某时刻 达到正最大，则此时刻统一电流相量 应与A重合。据旋转磁场理论，这时由定子对称三相电流所生的三相合成基波磁动势幅值应与A重合，即 应与A重合，亦即与 重合。由于时间相量 的角频率 跟空间矢量 的电角速度 相等，所以在任何其他时刻， 与 都始终重合。为此，我们称 与由它所生成的三相合成基波磁动势 在时空图上同相。在考虑铁耗的情况下， 应落后于 一个铁耗角 ，磁通相量 与 重合。定子对称三相电动势 的统一电动势相量应落后于 为90。,F1,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,当三相对称的静止绕组A、B、C通过三相平衡的正弦电流 、 、 时产生的合成磁势F，它在空间呈正弦分布，并以同步速 （电角速度）顺着A、B、C的相序旋转。如图（a）所示，然而，产生旋转磁势并不一定非要三相电流不可，三相、四相等任意多相对称绕组通以多相平衡电流，都能产生旋转磁势。如图（b）所示，所示为两相静止绕组 、 ，它们在空间上互差90，当它们流过时间相位上相差90的两相平衡的交流电流 、 时，也可以产生旋转磁动势。当图（a）和图（b）的两个旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为图（a)中的两相绕组与图（b)中的三相绕组等效。 图（c）中的两个匝数相等且互相垂直的绕组d和q，其中分别通以直流电流 和 ，也能够产生合成磁动势F，但其位置相对于绕组来说是固定的。如果让包含两个绕组在内的整个铁芯以 转速旋转，则磁势F自然也随着旋转起来，称为旋转磁势。于是这个旋转磁势的大小和转速与图（a）和图（b）中的磁势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前两套固定的交流绕组等效了。,第四章 变桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,小结： 当观察者站在图（c）中的两相旋转绕组d、q铁芯上与绕组一起旋转时，在观察者看来这是两个通以直流电流的相互垂直的静止绕组。这样就将对交流电机的控制转化为类似直流电机的控制了。 在交流励磁电机中，定子三相绕组、转子三相绕组都可以等效成这样的两相旋转绕组。由于相互垂直的原因，定子两相轴之间和转子两相轴之间都没有互感，又由于定子两相轴与转子两相轴之间没有相对运动（因为定、转子磁势没有相对运动），其互感必然是常数。因而在同步两相轴系电机的微分方程就必定是常系数，这就为使用矩阵方程求解创造了条件。 习惯上，我们分别称图a、b、c中三种坐标系统为三相静止坐标系（a-b-c坐标系）、两相静止坐标系（ - -0坐标系）、两相旋转坐标系（d-q-0坐标系）。要想使以上三种坐标系具有等效关系，关键是要确定 、 、 与 、 和 、 之间的关系，以保证它们产生同样的旋转磁动势，而这就需要我们引入坐标变换矩阵。 坐标变换的方法有多种，这里我们只介绍根据等功率原则构造的变换阵，可以证明根据等功率原则构造的变换阵的逆与其转置