风力发电机组控制技术课件.ppt

风力发电机组控制技术,风力发电机组控制技术,第一章 概述第二章 风力机基本理论第三章 风力发电机组控制第四章 典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）（变桨距机组）（变速机组）第五章 现代控制理论及其在风力发电中的应用,主要内容,第一章 概述主要内容,第一章 概述,按风轮桨叶分类：定桨型、变桨型；按风轮转速分类：定速型、变速型；按传动机构分类：齿轮箱升速型、直驱型；按发电机分类：异步型、同步型；按并网方式分类：并网型、离网型。二、风力发电发展现状 控制系统是风力机组可靠运行以及实现最佳运行的可靠保证。国内已具备桨叶、发电机、齿轮箱、变距轴承、偏航轴承和主轴承等关键部件的开发能力。控制系统、变频器和变桨系统还有待完善。,一、风力发电机组及其分类,第一章 概述按风轮桨叶分类：定桨型、变桨型；,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,第一章 概述,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,三、风力发电发展趋势,从国内外近几年风电产业发展看，随着风电产业的不断发展，风力机组控制技术也在不断发展，以满足其自身对风速变化、成本、环境及稳定运行等各方面的要求，主要发展趋势包括以下几个方面：变桨距调节方式迅速取代失速调节方式；变速运行方式迅速取代恒速运行方式；机组规模向大型化发展；直驱永磁、异步双馈两种形式共同发展。,第一章 概述,三、风力发电发展趋势 从国内外近几年风电产业发展,基于双馈异步发电机（DFIG）,三、风力发电发展趋势,第一章 概述,基于双馈异步发电机（DFIG）三、风力发电发展趋势第一章,基于鼠笼异步发电机（SCIG）,三、风力发电发展趋势,第一章 概述,基于鼠笼异步发电机（SCIG）三、风力发电发展趋势第一章,基于永磁同步发电机（PMSG）,三、风力发电发展趋势,第一章 概述,基于永磁同步发电机（PMSG）三、风力发电发展趋势第一章,第一章 概述,三、风力发电发展趋势,第一章 概述三、风力发电发展趋势,第二章 风力机基本理论,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、风力机能量转换过程,第二章 风力机基本理论气流动能为,第二章 风力机控制,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,0,一、风力机能量转换过程,第二章 风力机控制 有限叶片数由于较大的涡流影,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,二、风力机的主要特性系数,第二章 风力机基本理论,1、风能利用系数：二、风力机的主要特性系数第二,第二章 风力机基本理论,二、风力机的主要特性系数,第二章 风力机基本理论二、风力机的主要特性系数,第二章 风力机基本理论,二、风力机的主要特性系数,第二章 风力机基本理论二、风力机的主要特性系数,风力机参数关系曲线图,第二章 风力机基本理论,二、风力机的主要特性系数,风力机参数关系曲线图第二章 风力机基本理论二、风力机的主要,风力机参数关系曲线图,第二章 风力机基本理论,二、风力机的主要特性系数,风力机参数关系曲线图第二章 风力机基本理论二、风力机的主要,4、升力系数和阻力系数,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。,二、风力机的主要特性系数,-30o-20o-10o 0o 10o 20o 30o 40o,0.80.60.40.2,-0.2,第二章 风力机基本理论,4、升力系数和阻力系数升力系数与阻力系数是随攻角变化的二、风,功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节三种方式。,失速调节风力发电机风轮气流特性,三、风轮气动功率调节,第二章 风力机基本理论,功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节,气动功率调节原理图,三、风轮气动功率调节,第二章 风力机基本理论,气动功率调节原理图 三、风轮气动功率调节第二章 风力机基本,三、风轮气动功率调节,第二章 风力机基本理论,三、风轮气动功率调节第二章 风力机基本理论,当风穿过风轮扫风面后，由于风轮运动和塔架的存在，使得风速受到影响，进而影响风力机捕获风能的效率。其中主要有以下方面的影响：1、风剪切影响：叶片旋转过程中，单个叶片会因为高度不断变化，使风速产生周期性的变化，进而使得气动转矩产生周期性的变化；2、塔影效应：叶片旋转过程中，会周期性的经过塔架，空气流在叶片与塔架之间产生绕流、紊流等作用，同样会影响气动转矩，对下风向风力机尤其重要。3、尾流效应：相邻的风力机之间也会相互影响，前面的风力机风轮旋转产生的气流变化会对后面的风力机受到的风速特性产生影响，即尾流效应影响。,三、风轮气动功率调节,第二章 风力机基本理论,当风穿过风轮扫风面后，由于风轮运动和塔架的存在,一、机组的总体结构,第三章 风力发电机组控制,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。,一、机组的总体结构第三章 风力发电机组控制控 制 系,二、典型风电机组的控制要求,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。,第三章 风力发电机组控制,二、典型风电机组的控制要求定桨距失速型机组第三章 风力发电,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。,第三章 风力发电机组控制,三、风力发电机组的控制技术定桨距失速型机组第三章 风力发电,四、风力发电机组的控制系统结构,第三章 风力发电机组控制,四、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,目前绝大多数风力发电机组的控制系统都采用集散型或称分布式控制系统（DCS）工业控制计算机。采用分布式控制最大优点是：许多控制功能模块可以直接布置在控制对象的位置。就地进行采集、控制、处理，避免了各类传感器、信号线与主控制器之间的连接；同时DCS现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数；并与其他功能模块保持通信，发出各种控制指令。,四、风力发电机组的控制系统结构,第三章 风力发电机组控制,目前绝大多数风力发电机组的控制系统都采用集散型或,控制系统的发展：,（计算机直接控制）,（联网计算机共同分担工作负荷）,（网络配备传感器和执行器成为独立的结点）,（性能单一不可靠，计算机应用局限于监控模式）,四、风力发电机组的控制系统结构,第三章 风力发电机组控制,控制系统的发展：（计算机直接控制）（联网计算机共同分担工作负,风力发电机组控制系统组成：传感器 执行机构 包括软/硬件处理器系统,四、风力发电机组的控制系统结构,第三章 风力发电机组控制,风力发电机组控制系统组成：四、风力发电机组的控制系统结构第三,一、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,第四章 典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）,一、定桨距风力发电机组的特点1、风轮结构小发电机功率曲线大发,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,第四章 典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）,一、定桨距风力发电机组的特点5、功率输出0 2,二、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。,第四章 典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）,二、定桨距风力发电机组的基本运行过程1、待机状态第四章 典,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。,第四章 典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）,二、定桨距风力发电机组的基本运行过程3、风轮对风第四章 典,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。,第四章 典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）,三、风力发电机组的基本控制要求1、控制系统的基本功能第四章,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。,第四章 典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）,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,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：,第四章 典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）,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,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。,第四章 典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）,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,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,第四章 典型风力发电机组控制系统（定桨距机组）,四、定桨距风力发电机组的制动与保护系统2、超速保护第四章,五、变桨距风电机组控制,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 典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）,五、变桨距风电机组控制 高于额定风速改变攻角保持功率,六、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 典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）,六、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,七、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 典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）,七、变桨距控制（并网前）1、并网前的速度控制转速变桨变距风轮,七、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 典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）,七、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,八、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 典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）,八、发电功率控制1、发电机功率参考曲线0,八、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 典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）,八、发电功率控制MS0ns1电动机发电机R2R1发电机转矩,八、发电功率控制,转子电流控制原理图：（Rotor Current Control，RCC）,第四章 典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）,八、发电功率控制转子电流控制原理图：电流控制PWM给定外接电,第四章 典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）,八、发电功率控制,第四章 典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）八、发电功率,优点：1.风速变化引起风轮转矩脉动的低频分量由变桨调速机构调节，其高频分量由RCC调节，可明显减轻桨叶应力，平滑输出电功率;2.利用风轮作为惯性储能元件，吞吐伴随转子转速变化形成的动能，提高风能利用率；3.电力电子主回路结构简单，不需要大功率电源。缺点：旋转电力电子开关电路检修、更换困难。,RCC异步风力发电机系统的特点,第四章 典型风力发电机组控制系统（变桨距机组）,八、发电功率控制,优点：RCC异步风力发电机系统的特点第四章 典型风力发电机,九、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,第四章 典型风力发电机组控制系统（变速机组）,定桨距风力机功率特性曲线,九、最大风能追踪风力机的实际机械输出功率为：第四章 典型,九、最大风能追踪,第四章 典型风力发电机组控制系统（变速机组）,最大风能追踪原理,九、最大风能追踪第四章 典型风力发电机组控制系统（变速机组,十、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，可以调节有功功率。,第四章 典型风力发电机组控制系统（变速机组）,十、双馈型风电机组的控制 双馈感应发电机（Doub,第四章 典型风力发电机组控制系统（变速机组）,变桨距变速风电机组典型工况图,十、双馈型风电机组的控制,第四章 典型风力发电机组控制系统（变速机组）变桨距变速风电,变速风力发电机组的运行根据不同的风况可分三个不同阶段:第一阶段是启动阶段，发电机转速从静止上升到切入速度；第二阶段是风力发电机组切人电网后运行在额定风速以下的区域，风力发电机组开始获得能量并转换成电能；第三运行阶段，该阶段称为功率恒定区。,第四章 典型风力发电机组控制系统（变速机组）,十、双馈型风电机组的控制,变速风力发电机组的运行根据不同的风况可分三个不同阶段:第四章,第四章 典型风力发电机组控制系统（变速机组）,风力发电机组运行特性,十、双馈型风电机组的控制,第四章 典型风力发电机组控制系统（变速机组）风力发电机组运,十、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,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 典型风力发电机组控制系统（变速机组）,十、双馈型风电机组的控制 双馈电机的基本工作原理：,第四章 典型风力发电机组控制系统（变速机组）,十一、双PWM变频器原理,双PWM型变换器主电路结构图,第四章 典型风力发电机组控制系统（变速机组）十一、双PWM,双PWM型变换器中两个变换器的功能划分,第四章 典型风力发电机组控制系统（变速机组）,十一、双PWM变频器原理,双PWM型变换器中两个变换器的功能划分 第四章 典型风力发,DFIG亚、超同步运行时双PWM型变换器的工作状态,第四章 典型风力发电机组控制系统（变速机组）,十一、双PWM变频器原理,DFIG亚、超同步运行时双PWM型变换器的工作状态 第四章,滑模变结构控制鲁棒控制最优控制自适应控制人工神经网络模糊控制理论专家系统,第五章 现代控制理论及其在风力发电中的应用,滑模变结构控制第五章 现代控制理论及其在风力发电中的应用,滑模变结构控制本质上是一种不连续的开关型控制,它要求频繁、快速地切换系统的控制状态,具有快速响应、对系统参数变化不敏感、设计简单、易于实现,为风能转换系统提供了一种较为有效的控制方法。,第五章 现代控制理论及其在风力发电中的应用,最优控制是现代控制理论的核心，它研究的主要问题是：在满足一定约束条件下，寻求最优控制策略，使得性能指标取极大值或极小值。基于最大功率点跟踪的风速估计器和最大效率点跟踪的模型基础上的最优性能控制器,可以优化机组的输出功率。,滑模变结构控制本质上是一种不连续的开关型控制,它要求频繁、,输入e,输出u,模糊推理,规则库R,D/A,执行器,被控对象,传感器,A/D,期望值,e,u,模糊值,模糊值,精确值,精确值,模糊化,去模糊化,模糊控制是根据操作人员手动控制的经验，总结出一套完整的控制规则，再根据系统当前的运行状态，经过模糊推理、模糊判决等运算，求出控制量，实现对被控对象的控制。,第五章 现代控制理论及其在风力发电中的应用,输入e输出u模糊推理规则库RD/A执行器被控对象传感器A/D,神经网络控制是将神经网络与控制理论相结合而发展起来的智能控制方法。它已成为智能控制的一个新的分支，为解决复杂的非线性、不确定、未知系统的控制问题开辟了新途径。目前神经网络模型的种类相当丰富，已有数十种神经网络模型。典型的神经网络有多层前向传播网络（BP网络）、Hopfield网络、CMAC小脑模型、ART网络、BAM双向联想记忆网络、SOM自组织网络、Blotzman机网络和Madaline网络等,第五章 现代控制理论及其在风力发电中的应用,神经网络控制是将神经网络与控制理论相结合而发展起来的智能控制,专家系统采用计算机分布式控制系统,嵌入专家系统智能控制策略,实现并网风电机组无人值守全自动运行:并网、脱网、运行及保护控制。,第五章 现代控制理论及其在风力发电中的应用,专家系统采用计算机分布式控制系统,嵌入专家系统智能控制策略,模型参考自适应系统,自适应控制的目标是使控制系统对过程参数的变化、以及对未建模部分的动态过程不敏感。当过程动态变化时,自适应控制系统试图感受这一变化并实时地调节控制器参数或控制策略,使得指定的性能指标尽可能接近最优和保持最优,也就是说自适应控制一定是最优控制,但最优控制却不一定是自适应控制。,第五章 现代控制理论及其在风力发电中的应用,模型参考自适应系统控制器被控对象自适应机构参考模型内,鲁棒控制控制问题：给定一受控对象的集合（族），设计控制器，使得对该集合中的任意受控对象，闭环系统均满足要求的性能指标。可实现在有建模不确定性条件下的最大风能捕获。,第五章 现代控制理论及其在风力发电中的应用,传统控制方法,鲁棒控制方法,鲁棒控制控制问题：给定一受控对象的集合（族），设计控制器，使,第五章 现代控制理论及其在风力发电中的应用,第五章 现代控制理论及其在风力发电中的应用,风力发电机组控制技术课件,