第5章风力发电技术课件.ppt

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1、风力发电原理,新能源学院 关新,1,第5章 风力发电技术,5.1 发电系统,2,第5章 风力发电技术,5.1.1 发电系统的构成,3,5.1.1 发电系统的构成,发电系统的总体结构,2023/4/4,4,5.1.1 发电系统的构成,变压器变压器的工作原理通常两个绕组中一个接到交流电源，称为一次绕组，简称一次侧。另一个接到负载，称为二次绕组，简称二次侧。原理：一次、二次电压决定于一次二次绕组匝数之比。,2023/4/4,5,5.1.1 发电系统的构成,变压器变压器的分类及结构用途分类：电力变压器（220kV超高压，35110kV中压，10kV配电变压器）特种变压器（电炉、整流）仪用互感器（电压、

2、电流互感器）冷却方式：油浸式变压器和干式变压器,2023/4/4,6,5.1.1 发电系统的构成,变压器变压器的分类及结构结构铁心：分铁心柱和铁轭材料：表面涂的含桂量较高的厚度为0.35mm硅钢片制成。目的：提高磁路的磁导率和降低铁心内的涡流损耗。,2023/4/4,7,5.1.1 发电系统的构成,开关电器开关电器分类低压刀开关、接触器、高压负荷开关：正常工作下开端或闭合正常工作电流。熔断器：开断过负荷电流或短路电源高压隔离开关：检修时隔离电源。自动分断器：预定的记忆时间内根据选定的计数次数在无电流的瞬间自动分段故障电路。,2023/4/4,8,5.1.1 发电系统的构成,开关电器开关电器分类

3、高压短路器、低压空气短路：开断或闭合正常工作电流，或过负荷电流或短路电流。具有灭弧装置,2023/4/4,9,5.1.1 发电系统的构成,开关电器真空断路器真空灭弧室,2023/4/4,10,5.1.1 发电系统的构成,开关电器真空断路器断路器的结构分装式、固定式、手车式三种结构。用途以真空作为灭弧和绝缘介质的断路器，多用于1035kV的配电系统中,2023/4/4,11,5.1.1 发电系统的构成,开关电器交流接触器用途：接通或断开电动机或其他设备的主电路结构主触头：电流较大，接在电动机主电路辅助触头：电流较小，接在控制电路。灭弧装置,2023/4/4,12,5.1.1 发电系统的构成,开关

4、电器熔断器最简单且最有效的短路保护电路。,2023/4/4,13,5.1.1 发电系统的构成,继电器用途：用来保护电动机使之免受长期过载的危害。不能用作短路保护热惯性,2023/4/4,14,5.1.1 发电系统的构成,继电器用途：用来保护电动机使之免受长期过载的危害。不能用作短路保护热惯性中间继电器用途：传递信号和同时控制多个电路，或直接用来控制小容量电动机或其他电气执行元件。,2023/4/4,15,5.1.1 发电系统的构成,母线与电缆母线定义：在各级电压配电装置中，将发电机、变压器与各种电器连线的导线。分类软母线：电压较高的户外配电装置硬母线：电压较低的户内外配电装置,2023/4/4

5、,16,5.1.1 发电系统的构成,母线与电缆母线母线材料铜母线铝母线：电阻率稍高于铜，但比铜经济钢母线：电阻率高于铜7倍，适用于高压小容量电路。,2023/4/4,17,5.1.1 发电系统的构成,母线与电缆母线母线的截面形状矩形截面：一般用于35kV及以下的户内配电装置中。圆形截面：35kV以上的户外配电装置中（可防电晕）。槽型截面：配电时，当三条以上矩形母线不能满足要求。,2023/4/4,18,5.1.1 发电系统的构成,母线与电缆电力电缆电力电缆的种类电压、使用环境、线芯数、结构特征、绝缘材料电力电缆的结构特点油纸绝缘电缆塑料绝缘电缆交联聚乙烯绝缘电缆橡胶绝缘电缆,2023/4/4,

6、19,5.1.1 发电系统的构成,母线与电缆电力电缆电力电缆基本结构：电缆的基本结构由线芯、绝缘层、保护层组成,2023/4/4,20,第5章 风力发电技术,5.1.2 变流器,21,5.1.2 变流器,电力电子器件电力电子器件的概念和特征被广泛用于处理电能的主电路中，是实现电能的传输、变换及控制的电子器件。主要参数：电功率大小处理功率级别大由信息电子来控制电力电子器件。,2023/4/4,22,5.1.2 变流器,电力电子器件电力电子器件的分类按控制性分类不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件半控型器件：通过控制极（门极）控制器件导通，但不能控制其关断的电力电子器件。全控型

7、器件：既可以通过器件的控制极（门极）控制其导通，又可控制其关断。按驱动信号分类电流驱动型和电压驱动型,2023/4/4,23,5.1.2 变流器,电力电子器件电力电子器件的分类不可控器件电力二极管特征：正向导电性和反向阻断性原理：正向电压UF大于阈值电压UT0时，导通。UF为二极管的正向同态压降。当反向电压超过一定数值（URB0）后，二极管的反向电流迅速增大，产生雪崩击穿，URB0称为反向击穿电压。,2023/4/4,24,5.1.2 变流器,电力电子器件电力电子器件的分类半控型器件晶闸管又称可控硅整流器组成：门极（G）、阳极（A）和阴极（K）特征：电流触发性单向特性半控型特性,2023/4/

8、4,25,5.1.2 变流器,电力电子器件电力电子器件的分类电力场效应晶体管电力MOSFET原理：用栅极电压来控制漏极电流，实现电流的通断。分类：P沟道和N沟道特点：栅极电压UGS越高，反型层越厚，导电沟道越宽，漏极电流越大；驱动功率小；反应效率快,2023/4/4,26,5.1.2 变流器,电力电子器件电力电子器件的分类绝缘栅型双极性晶体管IGBT特点驱动方便，开关速度快导通后呈电阻性质，电力压降高。电压驱动型通流能力强、耐压等级高,2023/4/4,27,5.1.2 变流器,AC-DC变换电路不控整流二极管大小取决于输入电压和电路形式特点电流稳定电感滤波电压稳定电容滤波同时稳定电感与电容组

9、成LC滤波电路分类半控桥和全控桥,2023/4/4,28,5.1.2 变流器,AC-DC变换电路相控整流晶闸管通过控制门极的触发延迟角，就能控制晶闸管的导通时刻。分类半控桥全控桥特点控制方便产生的谐波对电网会产生二次污染,2023/4/4,29,5.1.2 变流器,AC-DC变换电路斩波整流PWM特点网侧功率因素高、谐波含量低网侧电流畸变小，功率因素任意可控体积、质量小分类拓扑结构：电压型和电流型,2023/4/4,30,5.1.2 变流器,AC-DC变换电路斩波整流PWM分类是否有能量回馈：无能量回馈的整流器（PFC）和有能量回馈的开关模式整流器（SMR）动态响应速度适当控制整流器交流端的幅

10、值和相位可获得所需大小和相位的输入电流。,2023/4/4,31,5.1.2 变流器,DC-DC交换电路特点：可将一种电流电变换成另外一种固定或可调电压的直流电。分类不隔离式隔离式,2023/4/4,32,5.1.2 变流器,DC-AC变换电路分类电压型电流型单相半桥单相全桥三相桥式,2023/4/4,33,5.1.2 变流器,AC-AC变换电路分类频率不变而仅改变电压大小的AC-AC电压变压器直接将一定频率的交流电变换为较低频率交流电的相控式AC-AC直接变换器，在直接变频的同时也可以实现电压变换，实现降频降压变换。,2023/4/4,34,5.1.2 变流器,风力发电机组变流器的应用技术支

11、撑风力发电机组大功率变流器的主要技术有正弦脉宽调制技术将参考波形与输出调制波形进行比较，并根据两者比较结果确定逆变桥壁的开关状态。大功率变流技术采用器件串联技术来提高电压等级采用器件并联技术来提高输出电流采用模块并联技术,2023/4/4,35,5.1.2 变流器,风力发电机组变流器的应用技术多重化技术指在电压源型变流器中，为减少谐波，提高功率等级，将输出的PWM波错位叠加，使输出波形更加正弦波。低电压穿越技术当电网发生故障如电压跌落时，风力发电机组仍需要保持与电网的连接，只有故障严重时才允许脱网。计算机软件控制技术,2023/4/4,36,第5章 风力发电技术,5.1.3 异步发电机及其并网

12、,37,5.1.3 异步发电机及其并网,结构笼型和绕线型笼型组成定子由铁心和定子（励磁）绕组组成转子铁心由硅钢片叠成，槽中嵌入金属导条。铁心两端用铝或铜端环将导条短接，转子不需要外加励磁，没有集电环和电刷。,2023/4/4,38,5.1.3 异步发电机及其并网,结构绕线型定子与笼型异步发电机相同，转子绕组电流通过集电环和电刷流入流出。发电：发电机转子的转速略高于旋转磁场的同步转速，并且恒速运行。异步发电机6极，输入转速为？r/min。,2023/4/4,39,5.1.3 异步发电机及其并网,结构工作原理同步转速（旋转磁场转速）转差率,2023/4/4,40,5.1.3 异步发电机及其并网,结

13、构 工作状态当转子的转速小于同步转速时（nn1）电机中的电磁转矩为制动转矩，电机从外部吸收无功功率建立磁场，风力机将机械能转化为电能。,2023/4/4,41,5.1.3 异步发电机及其并网,并网方式直接并网条件：发电机的相序与电网的相序相同发电机转速接近同步转速缺点产生冲击电流（56倍额定电流）,2023/4/4,42,5.1.3 异步发电机及其并网,并网方式直接并网,2023/4/4,43,5.1.3 异步发电机及其并网,并网方式直接并网并网方式,2023/4/4,44,5.1.3 异步发电机及其并网,并网方式降压并网原理：在发电机与电网之间串接电阻或电抗器，或者接入自耦变压器，降低并网时

14、冲击电流和电网下降的幅度。,2023/4/4,45,5.1.3 异步发电机及其并网,并网方式晶闸管软并网原理：定子和电网之间每相串入一只双向晶闸管，通过晶闸管的导通角来控制并网时的电流冲击。,2023/4/4,46,5.1.3 异步发电机及其并网,并网方式晶闸管软并网,2023/4/4,47,5.1.3 异步发电机及其并网,并网方式晶闸管软并网并网过程,2023/4/4,48,5.1.3 异步发电机及其并网,并网运行时的功率输出及无功功率补偿并网运行时的功率输出发电机输出的电流大小及功率因素决定于转差率s和发电机的参数。转差率的大小由发电机的负载决定。,2023/4/4,49,5.1.3 异步

15、发电机及其并网,并网运行时的功率输出及无功功率补偿并网运行时的功率输出 飞车产生的原因当风轮传给发电机机械功率增加时，发电机制动转矩也相应增大，当超过最大输出功率时，制动转矩不增反减，发电机转速迅速增加。转矩与电网电压二次方成正比，电网电压下降，制动力矩相应减小，发电机的转矩无法有效控制，造成飞车。,2023/4/4,50,5.1.3 异步发电机及其并网,并网运行时的功率输出及无功功率补偿变速恒频技术变速恒频：发电机的转速随风速变化，发出的电流通过适当的变化，使输出频率与电网频率相同。设备：AC-DC-AC变频器缺点：变频器体积过大，成本过高。,2023/4/4,51,5.1.3 异步发电机及

16、其并网,并网运行时的功率输出及无功功率补偿变速恒频技术变速恒频：发电机的转速随风速变化，发出的电流通过适当的变化，使输出频率与电网频率相同。设备：AC-DC-AC变频器缺点：变频器体积过大，成本过高。,2023/4/4,52,第5章 风力发电技术,5.1.4 同步发电机及其并网,53,5.1.4 同步发电机及其并网,结构组成定子由定子铁心和三相定子绕组组成转子有转子铁心和转子绕组（励磁）集电环转子轴分类凸极式和隐极式,2023/4/4,54,5.1.4 同步发电机及其并网,结构 励磁系统直流发电机作为励磁电流的直流励磁系统。用整流装置将交流变成直流后供给励磁的整流励磁系统（大容量发电机）。,2

17、023/4/4,55,5.1.4 同步发电机及其并网,工作原理在风力机的拖动下，转子（含磁极）以转速n旋转，旋转的转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，从而将机械能转化为电能。,2023/4/4,56,5.1.4 同步发电机及其并网,工作原理优缺点即可输出有用功率，也可提供无功功率，提高功率因数。发电机的转速必须恒定，需要精确的调速机构,2023/4/4,57,5.1.4 同步发电机及其并网,并网条件和方式并网条件波形；幅值；频率；相序；相位并网方式自动准同步并网自同步并网,2023/4/4,58,5.1.4 同步发电机及其并网,并网条件

18、和方式并网条件波形；幅值；频率；相序；相位并网方式自动准同步并网,2023/4/4,59,5.1.4 同步发电机及其并网,并网条件和方式并网方式自同步并网,2023/4/4,60,5.1.4 同步发电机及其并网,转矩-转速特性,2023/4/4,61,5.1.4 同步发电机及其并网,功率调节和补偿有功功率的调节同步发电机的功率角：转子励磁磁场轴线与定、转子合成磁场轴线之间的夹角。调节方法当转速增加，定子电流增加，附加定子励磁磁场增加时，功率角增大，输出功率增加。当功率角达到90时，定子电流最大，发电机转速将失去同步，机组将无法监理平衡。通过调节转子励磁电流使功率角小于90，提高稳定性。（用于短

19、时间剧风调节）,2023/4/4,62,5.1.4 同步发电机及其并网,功率调节和补偿有功功率的调节,2023/4/4,63,5.1.4 同步发电机及其并网,功率调节和补偿无功功率的补偿无功功率不足，电网的电压将会下降同步发电机带感性负载时，由于定子电流建立的磁场对电机中的励磁磁场有去磁作用。过励时，发电机输出滞后无功功率，改善功率因数；欠励时，从电网吸收滞后无功功率，降低功率因数。同步发电机通常在过励状态下运行，确保机组稳定运行。,2023/4/4,64,5.1.4 同步发电机及其并网,变速恒频技术使用变频器的优点由于同步发电机与电网之间通过变流器相连接，发电机的频率和电网的频率彼此独立，并

20、网时一般不会发生因频率偏差而产生较大的电流冲击和转矩冲击，并网过程比较平稳。,2023/4/4,65,第5章 风力发电技术,5.1.5 双馈异步发电机发电系统,66,5.1.5 双馈异步发电机发电系统,结构组成：定子和转子（结构上带有集电环和电刷）与异步发电机相同。变流器（AC-AC，AC-DC-AC，正弦波脉宽调制双向变流器）电流组成定子输出转子通过逆变器输出,2023/4/4,67,5.1.5 双馈异步发电机发电系统,工作原理当发电机的转速n发生变化时，可通过调节f2来维持f1不变，以保证与电网频率相同,2023/4/4,68,5.1.5 双馈异步发电机发电系统,双馈异步发电机运行时的功率

21、分析,2023/4/4,69,5.1.5 双馈异步发电机发电系统,双馈异步发电机运行时的功率分析双馈电机在四象限运行过程中的能流关系转子运行在亚同步的电动状态（1s0）电动运行状态下，电磁转矩为拖动转矩，机械功率由电机输出给机械负载，转差功率回馈给转子外界电源,2023/4/4,70,5.1.5 双馈异步发电机发电系统,双馈异步发电机运行时的功率分析双馈电机在四象限运行过程中的能流关系转子运行于亚同步的定子回馈制动状态（1s0）电磁功率由定子回馈给电网，机械功率由风力机输入电机，电磁转矩为制动性转矩。,2023/4/4,71,5.1.5 双馈异步发电机发电系统,双馈异步发电机运行时的功率分析双

22、馈电机在四象限运行过程中的能流关系转子运行于与超同步速的电动状态（s0）电磁功率由定子输给电机，机械功率由电机输给负载，转差功率由电网输给负载，电磁转矩为拖动转矩。,2023/4/4,72,5.1.5 双馈异步发电机发电系统,2023/4/4,73,5.1.5 双馈异步发电机发电系统,变速恒频风力发电系统,2023/4/4,74,5.1.5 双馈异步发电机发电系统,变速恒频风力发电系统为什么采用双向变流器？并网过程？,2023/4/4,75,变流器控制转子电流的频率、幅值、相位和相序，从而实现与电网连接。当风力机运行在亚同步状态时，转子中的电流从电网流向转子绕组线圈；当风力机运行在超同步状态时

23、，转子中的电流流向电网。,5.1.5 双馈异步发电机发电系统,变速恒频风力发电系统双馈式风力机的优点通过调节励磁电流，实现变速运行下的恒频及功率调节只有电流频率通过变流器，变流器容量减小。系统具有很强的抗干扰性和稳定性缺点电刷和集电环降低可靠性。,2023/4/4,76,第5章 风力发电技术,5.1.6 永磁同步发电机发电系统,77,5.1.6 永磁同步发电机发电系统,结构定子与普通交流电机相同转子采用永磁材料励磁优点无励磁绕组的铜损耗无集电环发电机体积较小极对数可做的很多省去齿轮箱，提高系统的效率和运行可靠性,2023/4/4,78,5.1.6 永磁同步发电机发电系统,缺点运行时温度高，所以

24、永磁发电机常做成转子型，便于散热。直驱式风力发电机采用电机永磁发电机电励磁式同步发电机（目前应用）,2023/4/4,79,5.1.6 永磁同步发电机发电系统,2023/4/4,80,第5章 风力发电技术,5.2 控制系统,81,第5章 风力发电技术,5.2.1 控制系统的结构与功能,82,5.2.1 控制系统的结构与功能,控制系统的总体结构(离散控制),2023/4/4,83,5.2.1 控制系统的结构与功能,控制系统的功能原因：风能密度低、稳定性差风速和风向随机性目标：保证系统的可靠性运行、能量利用率最大电能质量高机组寿命长,2023/4/4,84,5.2.1 控制系统的结构与功能,常规控

25、制内容风力发电机组的稳态工作点稳态工作点：当外部条件（如：负载、风速和空气密度等）和自身的参数确定，风力发电机组经过动态调整后将工作在某一平衡工作点。最佳风能利用系数曲线：在不同风速下，风力机输出功率最大点的连线。,2023/4/4,85,5.2.1 控制系统的结构与功能,常规控制内容风力发电机组的稳态工作点控制系统的任务：保证机组安全可靠运行的前提下，使风力发电机组的稳态工作点尽可能靠近风力发电机的最佳风能利用系数曲线。,2023/4/4,86,5.2.1 控制系统的结构与功能,常规控制内容风力发电机组工作状态及其转换工作状态运行状态暂停状态停机状态紧急停机状态当紧急停机电路动作时，所有接触

26、器断开，计算机输出信号被旁路，使计算机没有可能去激活任何机构。,2023/4/4,87,5.2.1 控制系统的结构与功能,常规控制内容提高工作状态层次只能一层一层地上升，而要降低工作状态层次可以一层或多层,2023/4/4,88,5.2.1 控制系统的结构与功能,故障处理方式故障检测故障记录对故障的反应故障处理后的重新起动当外部条件良好，此外部原因引起的故障状态可能自动复位。一般可以通过远程控制复位，如果操作者发现故障可接受并允许起动风力发电机组，可以复位,2023/4/4,89,5.2.1 控制系统的结构与功能,常规控制内容机组的起动自起动本地起动远程起动,2023/4/4,90,5.2.1

27、 控制系统的结构与功能,常规控制内容偏航系统的运行设置一定的允许偏差偏航控制系统包括：主动偏航90侧风自动解缆顶部机舱控制偏航面板控制偏航和远程控制偏航,2023/4/4,91,第5章 风力发电技术,5.2.2 定桨距风电机组的控制,92,5.2.2 定桨距风电机组的控制,机组的控制特征失速和制动核心问题自动失速性能突甩负载下的安全停机定义：失速安装角的调整失速只与风速有关，失速型风机冬夏两季的输出功率不同。,2023/4/4,93,5.2.2 定桨距风电机组的控制,机组的控制特征结论：夏季空气密度低，气压小，定桨距风力机发电量小。增加安装角大小，提高失速点，控制发电机的输出功率在额定功率附近

28、波动。反之亦然。主动失速风力机,2023/4/4,94,5.2.2 定桨距风电机组的控制,机组的控制特征双速发电机,2023/4/4,95,5.2.2 定桨距风电机组的控制,机组的控制特征双速发电机通过改进发电装置实现不连续变速功能方法双速发电机双绕组双速感应发电机双速极幅调制感应发电机,2023/4/4,96,5.2.2 定桨距风电机组的控制,运行过程待机状态当风速达到切入风速，不足以将风力发电机组拖动到切入的转速，或者风力发电机组从小功率（逆功率）状态切出，没有重新并入电网。风力发电机组的自起动风轮在自然风速的作用下，不依靠其他外力的协助，将发电机拖动到额定转速。,2023/4/4,97,

29、5.2.2 定桨距风电机组的控制,运行过程自起动的条件电网：低、过电压（10min）风况机组风轮对风并制动解除，准备自起动,2023/4/4,98,5.2.2 定桨距风电机组的控制,运行过程风轮对风时间常数控制（10s）自动解除扰流器回收与松开钳式制动器,2023/4/4,99,5.2.2 定桨距风电机组的控制,运行过程风力发电机组并网与脱网并网主电路晶闸管完成。为避免火花产生需用旁路接触器首先接通。大小发电机软并网程序达到预置切入点晶闸管接通，加速度由大变小转速超过同步转速发电从旁路接触器输送电能至电网,2023/4/4,100,5.2.2 定桨距风电机组的控制,运行过程风力发电机组并网与脱

30、网从小发电机向大发电机的切换切换依据：平均功率或瞬时功率发电机向小发电机的切换切换依据：持续功率或平均功率电动机起动只在调试期间或某些特殊情况下使用,2023/4/4,101,5.2.2 定桨距风电机组的控制,参数监测和处理电力参数监测电压：电网冲击电流：电路短路保护（断路器保护）；过电流保护（软件）频率：电网上下限功率进行比较功率因数：通过电压相角和电流相角获得功率监测：过低、过高。,2023/4/4,102,5.2.2 定桨距风电机组的控制,参数监测和处理风力参数监测风速监测25m/s，正常停机33m/s，持续2s，正常停机50m/s，持续2s，紧急停机，90侧风风向监测风向与机舱中心线的

31、偏差角,2023/4/4,103,5.2.2 定桨距风电机组的控制,参数监测和处理机组状态检测转速监测温度监测机舱振动监测电缆扭转监测机械制动状况油位监测各种反馈信号的监测,2023/4/4,104,第5章 风力发电技术,5.2.2 定桨距风电机组的控制,105,5.2.2 定桨距风电机组的控制,机组的控制特性输出功率特征控制发电功率方式调节桨距角控制发电机转差率（控制发电机转子电流来）,2023/4/4,106,5.2.2 定桨距风电机组的控制,机组的控制特性在额定点具有较高的风能利用系数VV额，Cp缓慢下降。变桨距风力机发电量高于定桨距风力机。V=V切出，Cp最小,2023/4/4,107

32、,5.2.2 定桨距风电机组的控制,运行状态变桨距风力机组运行状态起动状态（转速控制）欠功率状态（不控制）额定功率状态（功率控制）,2023/4/4,108,5.2.2 定桨距风电机组的控制,运行状态,2023/4/4,109,5.2.2 定桨距风电机组的控制,带调整发电机转差率的变桨系统变桨距系统有风速低频分量和发电机转速控制，风速的高频分量产生的机械能波动，通过迅速改变发电机的转速来进行平衡，即通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制。,2023/4/4,110,5.2.2 定桨距风电机组的控制,带调整发电机转差率的变桨系统在发电机并入电网前，发电机转速由速度控制器A直接控制；发电机并入电

33、网后，速度控制器B与功率控制器起作用。功率控制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线，调整发电机转差率，并确定速度控制器B的速度给定。,2023/4/4,111,5.2.2 定桨距风电机组的控制,带调整发电机转差率的变桨系统,2023/4/4,112,5.2.2 定桨距风电机组的控制,风力机叶轮起动变桨过程,2023/4/4,113,5.2.2 定桨距风电机组的控制,发电机转子电流控制技术原理通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机转差率，从而改变风轮转速。,2023/4/4,114,5.2.2 定桨距风电机组的控制,发电机转子电流控制技术应用RCC的功率控制系统外环通过测量转速产生

34、参考曲线内环是一个功率伺服环，它通过转子电流控制器（RCC）对电机转差率进行控制，是发电机功率跟踪给定值。,2023/4/4,115,5.2.2 定桨距风电机组的控制,发电机转子电流控制技术转子电流控制器原理转子电流控制器由快速数字式PI控制器和一个等效电阻构成。,2023/4/4,116,5.2.2 定桨距风电机组的控制,发电机转子电流控制技术转子电流控制器的结构将普通三相异步发电机的转子引出，外接转子电阻，电阻值从0变化到100%，则发电机的转差率绝对值增大值10%。特点：开关速度快提高了发电机的效率电路结构简单,2023/4/4,117,5.2.2 定桨距风电机组的控制,发电机转子电流控

35、制技术采用转子电流控制器的功率调整（了解）为什么要在短暂风速下使用转子电流控制技术反映速度快，可以对发电功率瞬时调节降低变桨距动作频率，延长变桨距机构的使用寿命。,2023/4/4,118,第5章 风力发电技术,5.2.2 定桨距风电机组的控制,119,2023/4/4,120,2023/4/4,121,2023/4/4,122,2023/4/4,123,第5章 风力发电技术,变桨距控制是为了尽可能地提高风力机风能转化效率和保持风力机输出功率平稳，风力机可进行桨距调整变桨距型风力机在各种工况可按最佳参数运行，使输出功率曲线得到优化，可使桨叶和整机的受力状况大为改善，还可以使发动机在额定风速以下

36、的工作区段有较高的发电量，而在额定风速以上的高风速区段不超载，不需要过载能力大的发电机,2023/4/4,124,第5章 风力发电技术,变桨控制系统实际上是一个随动系统，变桨距控制器是一个非线性比例控制器，它可以补偿比例阀的死带和极限图5.1,2023/4/4,125,5.1 功率调节,在超过额定风速后（一般为1216m/s）以后，由于部件机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的限制，必须降低风轮的能量捕获，使功率输出保持在额定值附近，减少叶片承受负荷和整个风力机受到的冲击，保证风力机不受损害,2023/4/4,126,5.1 功率调节,功率调节方式定桨距失速调节控制最简单，利用高风速时升力

37、系数降低和阻力系数增加，限制功率在高风速时保持恒定变桨距调节转动桨距叶片安装角以减小攻角，高风速时减小升力系数，以限制功率主动失速调节利用桨距调节，在中低风速区可优化功率输出,2023/4/4,127,5.1 功率调节,风力发电技术的发展在功率调节方式变速恒频技术和变桨调节技术发电机类型无刷双馈型感应发电机和永磁式发电机在控制技术计算机分布式控制技术和新的控制理论驱动方式免齿轮箱的直接驱动技术,2023/4/4,128,5.1 功率调节,风力发电技术的发展世界风力发电机组的统一形式水平轴三叶片上风向管式塔,2023/4/4,129,5.1 功率调节,风力发电技术的发展发展趋势单机容量不断增大变

38、桨距功率调节方式代替定桨距功率调节方式变速恒频发电系统迅速取代恒速恒频发电系统免齿轮箱系统的直取方式发电系统,2023/4/4,130,5.1 功率调节,功率调节方式3种功率调节方式图5.2,2023/4/4,131,5.1 功率调节,功率调节方式定桨距失速控制图5.3,2023/4/4,132,5.1 功率调节,功率调节方式优点：控制简单缺点：功率曲线由叶片的失速特性决定，功率输出不确定阻尼较低，振动幅度较大，叶片易疲劳损坏高风速时气动载荷较大，叶片及塔架等受载荷较大低风速段风轮转速较低时的功率输出较高,2023/4/4,133,5.1 功率调节,功率调节方式变桨距调节优点：获取更多的风能，

39、提供气动刹车，减少作用在机组上额极限载荷变桨速率约为5/s，紧急变桨速率为10/s图5.5,2023/4/4,134,5.1 功率调节,功率调节方式主动失速调节特点：可以补偿空气密度、叶片粗糙度、翼型变化对功率输出的影响，优化中低风速的出力额定点之后可维持额定功率输出叶片可顺桨，制动平稳，冲击小，极限载荷小图5.6,2023/4/4,135,5.1 功率调节,功率调节方式恒速与变速运行定桨距机组，在低风速运行时效率较低，若设计低风速时效率过高，叶片会过早失速。,2023/4/4,136,5.1 功率调节,功率调节方式双速运行将发电机分别设计成4极和6极在低风速段可改变风轮转速，保持最佳叶尖速比

40、，效率高降低叶片噪声叶轮气动扭矩波动小，传动平稳电能波动降低，电能品质提高图5.7,2023/4/4,137,5.1 功率调节,功率调节方式变速运行宽幅变速风轮转速可在0到额定范围内变化，发电机静子通过变频器与电网连接窄幅变速风轮转速只在从30%50%的电机同步转速，到额定转速间变化。发电机定子直接连接电网，转子通过滑环和变频器与电网相连,2023/4/4,138,5.1 功率调节,滑差可调异步发电机的功率调节由于桨距调节有滞后时间，特别在惯量大的风力机中，邂逅现象更为突出，在阵风或风速变化频繁时，会导致桨距大幅度频繁调节发电机输出功率也将大幅度波动，会对电网造成不良影响，因此单纯靠变桨距来调

41、节风力机的功率输出，并不能实现发电机输出功率的稳定性图5.9,2023/4/4,139,5.1 功率调节,滑差可调异步发电机的功率调节当风速上升时，发电机的输出功率上升，大于额定功率，则功率控制单元改变转子电流给定值，使异步发电机转子电流控制环节动作，调节发电机转子回路电阻，增大异步发电机的滑差，发电机的转速上升,2023/4/4,140,5.1 功率调节,双速发电机的功率调节,2023/4/4,141,第5章 风力发电技术,5.2 变转速运行,142,5.2 变转速运行,概述变速风力发电机组的优越性在于低风速时能够根据风速变化，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变化，

42、储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳,2023/4/4,143,5.2 变转速运行,概述控制器一：电力电子装置控制发电机的反力矩在额定风速以下时，主要调节发电机反力矩使转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比控制器二：伺服系统控制桨叶节距在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨距角来限制风力机获取能量，使风力发电机组保持在额定值下发电，并使系统失速负荷最小化,2023/4/4,144,5.2 变转速运行,变转速发电机风力机在低于额定风速下运行的时间约占风力机全年运行时间60%70%，为了充分利用低风速时的风能，增加全年的发电量，近年来广泛应用双速异步发电机,2023/4/4

43、,145,5.2 变转速运行,变转速发电机改变电机定子绕组的极对数3种方法：采用两台定子绕组极对数不同的异步电机在一台电机定子上放置两套不同相互独立的绕组，即是双绕组的双速电机在一台电机的定子上仅安置一套绕组，靠改变绕组的连接方式获得不同的极对数，即单绕组双速电机,2023/4/4,146,5.2 变转速运行,变转速发电机双速发电机的转子形式为鼠笼型双速异步发电机通过晶闸管软并网方法来限制启动并网时的冲击电流，同时也在低速与高速绕组相互切换过程中起限制瞬间电流的作用双速异步发电机的并网过程如下：图5.13,2023/4/4,147,第5章 风力发电技术,5.3 变转速及恒频,148,5.2 变

44、转速运行,发电机输出频率恒定的方法有两种：恒转速/恒频系统变转速/恒频系统异步感应发电机绕线转子异步发电机双馈感应发电机同步发电机,2023/4/4,149,第5章 风力发电技术,5.4 发电系统,150,5.4 发电系统,风力发电系统中的辅助控制系统桨叶倾角控制系统偏航控制系统使风轮跟踪变化稳定风向自动解除缠绕风力机制动系统正常停机、安全停机、紧急停机其他安全保护系统超速保护、电网失电保护、电气保护等,2023/4/4,151,5.4.1 恒频恒速发电系统,概念在风力发电过程中保持发电机的转速不变，从而得到和电网频率一直的恒频电能调节类型定桨距失速型：利用风轮叶片翼型的气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能变桨距失速型：通过叶轮叶片的变桨距调节机构控制风力机的输出功率,2023/4/4,152,5.4.1 恒频恒速发电系统,定桨距失速控制特点当风速变化时，桨叶的迎风角度固定不变。利用桨叶翼型本身的固有失速特征，在高于额定风速下，气流的攻角增大到失速条件时，桨叶表面产生紊流，效率降低，达到限制功率的目的。,2023/4/4,153,5.4.1 恒频恒速发电系统,定桨距失速控制风轮结构自动地将功率限制在额定值附近玻璃钢复合材料突然失去电网（突甩负载）的情况下，桨叶自身具备制动能力叶尖扰流器,2023/4/4,154,