风力发电技术中的的控制问题.ppt

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1、风力发电技术中的控制问题,罗力恒（）苏州大学机电学院自动化系,纲要,绪论风力发电机控制技术中所涉及的学科风力发电系统的种类与基本特性定桨距风力发电机组中的控制问题变桨距风力发电机组中的控制问题变速风力发电机组中的控制问题,1 绪论,技术创新使风电技术日益成熟。一个重要原因是各国积极以科学的发展观,采取技术创新,使风电技术日益成熟。在风电机组叶片设计和制造过程中广泛采用了新技术和新材料，风电控制系统和保护系统广泛应用电子技术和计算机技术,有效地提高风力发电总体设计能力和水平,而且新材料和新技术对于增强风电设备的保护功能和控制功能也有重大作用,经过二十多年的不断发展，风力发电机组的技术形式逐步形成

2、了目前最为常见的水平轴、三叶片、上风向、管式塔的统一形式。进入二十一世纪之后，随着现代电力电子技术的不断发展，新材料的涌现以及工艺的不断完善，世界风力发电技术又向前迈进了一大步，主要表现如下,（1）风力发电单机容量继续稳步上升。（2）变桨调节方式迅速取代失速功率调节方式（3）变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式（4）无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大,近年来，风力发电技术有三个发展趋势,（1）海上风力发电将风机从陆地移向海面成为一种新的趋势（2）采用无刷双馈电机（3）应用新型变流器,风力发电机组中的控制技术,自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的切入（电网）和切出（电网）、输入功率的限制、风

3、轮的主动对风以及对运行过程中故障的监测和保护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是海岛或边远地区甚至海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够远程监控，这就对风力发电机组控制的可靠性提出了更高的要求。,2 风力发电机控制技术中所涉及的学科,风力发电系统是一个包涵各学科的复杂独立系统。空气动力学：叶片；风能的动力学特性等机械工程：齿轮箱；各种传动设备；液压系统等电机学：双馈发电机；同步发电机等电力电子技术：变流模块；IGBT模块等电力系统自动化：无功补偿；功率检测；输变电等运动控制系统：变频控制；交流异步电机的矢量控制等微型计算机及DSP技术：控制单元的CPU。,3 风力发电系统的种类

4、与基本特性,并网的发电系统 并网的风电系统的风电机直流与电网相连接。由于涡轮风机的转速随着外来的风速而改变，不能保持一个恒定的发电频率，因此需要有一套变流变频系统相配套。由风机产生的电力进入交流变频系统，通过交流变频系统转换成交流电网频率的交流电，再进入电网。,异步感应发电机 通过晶闸管控制的软并网装置接入电网。在同步速度附近合闸并网，冲击电流较大，另外需要电容无功补偿装置。这种机型比较普遍。Vestas，NEG Micon，Nordex绕线转子异步发电机 外接可变转子电阻，通过一组电力电子器件来调整转子回路的电阻，从而调节发电机的转差率。Vestas V47,双馈感应发电机 转子通过双向变频

5、器与电网连接，可实现功率的双向流动。根据风速的变化和发电机转速的变化，调整转子电流频率的变化，实现恒频控制。只需要较小容量的变频器，并且可实现有功、无功的灵活控制。DeWind D6同步发电机 取消了增速齿轮箱，采用风力机对同步发电机的直接驱动方式。Enercon E266,非并网（独立）的风电系统 独立的风电系统主要建造在电网不易达到的边远地区。同样，由于风力发电输出功率的不稳定和随机性，需要配置充电装置（蓄电池）。混合型发电系统（风力机和柴油机混合，风力机和氢能混合）,风力机的基本特性,1.风力机的能量转换过程 气流的动能：从上式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度

6、的立方成正比。其中空气密度和风速随地理位置、海拔、地形等因素而变。,风力发电机组的控制技术 叶杭冶编著 机械工业出版社 2007第二版 28元,自由流场中的风轮：,设通过风轮的气流上游截面为S1，下游截面为S2。由于风轮的机械能量仅由空气的动能降低所致，因而V2必然低于V1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S2大于S1。,如果假定空气是不可压缩的，由连续条件可得：风作用在风轮上的力可由Euler理论写出：故风轮吸收的功率为此功率是由动能转换而来的。从上游至下游动能的变化,令上述两式相等，得到作用在风轮上的力和提供的功率可写为,Betz理论的极限值,对上式求极值可得，上式说明，风

7、力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。,2.风力机的特性系数,(1)风能利用系数Cp,表示风力机从风能中吸取能量的大小程度,(2)叶尖速比,表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量。,(3)风力机产生的机械功率,实际上，Cp就是风力机将风能转换为机械能的效率，它是叶尖速比和桨叶节距角的函数。可见，在风速一定的情况下，发电机获得的输入机械功率大小将只取决于风能转换系数。如果采用调节桨叶节距角的方法调节风力机的运行，则属于机械调节。一般对于采用电气调节而言，桨叶节距角为常数。因此,Cp只是的函数，他们之间的关系曲线是风力机的基本

8、特征之一。,对于一台确定的风力机，在风速和桨叶节距角一定时，总存在一个最佳叶尖速比opt对应着一个最大的风能转换系数 Cpmax，如下图所示，此时风力机的能量转换效率最高。由式 亦可以得出，对于一个特定的风速，风力机只有运行在一个特定的机械角速度下，风力机才会获得最大的能量转换效率。,风力机的叶片有定桨距和变桨距两种形式。对于定桨距的风力机，除了采用可控制的变速运行外，一般在额定风速以下恒速运行时，CP常常会偏离其最佳值，使输出功率有所降低，而超过额定风速后，则通过偏航控制或失速控制等措施使输出功率限制在额定值附近。,对于变桨距的风力机，通过调节桨距可使 CP在额定风速以下最大限度地接近最佳值

9、，从而捕获到最大的风能以得到较多的能量输出，超过额定风速以后，通过改变桨距减小 CP值，使输出功率保持在其额定值上。所以，为获得最大的风能利用，实际运行时最好通过调节桨距来保证风力机运行在最大功率曲线上。,(4)风力机输出机械功率与转速的关系曲线,设定不同的风速，可以得到风力机在不同风速下风力机输出机械功率和转速的关系，这就是风力机输出机械功率特性曲线。下图所示，即为一组在不同风速(v1v2v3)下风力机的输出机械功率特性曲线。,下面定性分析一下最大风能捕获过程。如上图所示，假设原来在风速 v 2下风力机稳定运行在最优功率曲线 Pmopt的B 点，对应着该风速下的最优转速 2和最优的机械功率

10、P2，此时发电机输入的机械功率等于发电机系统输出的功率。如果某一时刻风速突然升高至 v 3，风力机马上就会由B 点跳至 v 3风速下功率曲线上的D点运行，其输出机械功率由 P2 突变至 PD。由于大的机械惯性作用和控制系统的调节过程滞后，发电机仍然运行在B 点，此时发电机输入的机械功率大于发电机系统输出的功率，功率的不平衡，将导致发电机转速马上升高。在这个变化过程中，风力机和发电机将分别沿着 v3 风速下功率曲线的DC 轨迹和最优功率曲线的BC 轨迹运行。当分别运行至风力机功率曲线和最优功率曲线的交点C 时，功率将重新达到平衡。此时，转速稳定在对应于风速 v3下的最优转速 3，风力机输出最优的

11、机械功率 P3。同理，也可以分析风速从高到低变化，最大风能捕获过程和转速的调节过程。,4 定桨距风力发电机组中的控制问题,20世纪80年代进入风力发电市场解决了并网问题和运行的安全性与可靠性问题。控制问题：软并网技术；空气动力刹车技术；偏航与自动解缆技术；特点：功率输出由桨叶自身性能限制，节距角固定，发电机的转速由电网频率限制。在允许的风速范围内，对由于风速变化引起输出能量的变化不作任何控制。,4.1 定桨距风力发电机组的开环控制结构,定桨距恒速运行的风力发电机组在输入变化时，控制系统对机组只作了非常有限的调整，例如当风向改变时，通过偏航系统调整其航向，或在风速变化时切换变极电机转速，而对其动

12、态响应特性没有施加任何影响，因此，在输入变化的情况下，风力发电机组只有很小机会运行在最佳状态下。,4.2 定桨距风力发电机组的特点,(1)风轮结构 定桨距风力发电机组的主要特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。当风速高于风轮的设计点风速即额定风速时，桨叶必须能自动的将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能时有限度的。此特性称为自动失速性能。运行中的风力发电机组在突然失去电网（突摔负载）的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。20实际80年代起使用了叶尖扰流器。,(2)桨叶的失速调节原理,失速部分使功率减少

13、，未失速部分仍有功率增加。从而使输入功率保持在额定功率附近。,叶尖扰流器的结构,(3)叶尖扰流器,(4)双速发电机,为了解决低风速运行时的效率问题，普遍采用双速发电机，分别设计成4级（对应额定转速为1500rpm）和6级（对应额定转速为1000rpm）。一般6级发电机的额定功率设计成4级的1/4到1/5。例如600kW的定桨距发电机组一般设计为6级150kW和4级600kW。,(5)功率输出,根据风能转换的原理，风力发电机组的功率输出主要取决于风速，但除此以外，气压、气温和气流扰动等因素也显著的影响其功率输出。对于定桨距风力发电机组，最大功率输出可能会出现3050kW的偏差。因此在冬季与夏季，

14、应对桨叶的安装角各作一次调整。为了解决这一问题，制造商又研制了主动失速型定桨距发电机组，当风力发电机组超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值。,(6)节距角与额定转速的设定对功率输出的影响,对同样直径的风轮驱动的风力发电机组，其发电机额定转速可以有很大变化，而额定转速较低的发电机在低风速时具有较高的功率系数；额定转速较高的发电机在高风速时具有较高的功率系数。,4.3 定桨距风力发电机组的基本运行过程,待机状态 当风速大于3m/s，但不足以将发电机组拖动到切入的转速，或者从小功率状态切出，没有重新并入电网，此时风力机处于自由转动状态，称为待机状态。风力发电机组的自起动 风

15、轮在自然风速的作用下，不依靠其他外力的作用，将发电机拖动到额定转速。风轮对风制动解除,风力发电机组的并网与脱网 当平均风速高于3m/s时，风轮开始逐渐起动；风速继续升高，当v4m/s，机组可自起动到某一设定转速，此时发电机将按控制程序自动联入电网。一般总是小发电机先并网；当风速继续升高到78m/s，发电机将被切换到大发电机运行。,5 变桨距风力发电机组中的控制问题,20世纪90年代，风力发电机组的可靠性已经不是问题。变距系统采用电液比例阀或电液伺服阀，构成闭环控制系统。特点：功率输出稳定，低风速时风能利用系数高，改善了起动和制动性能。,5.1 变桨距风力发电机组的闭环控制结构,5.2 变桨距风

16、力发电机组的特点,输出功率特性 功率在额定功率以下时，叶片节距角置于0度附近，可认为等同于定桨距系统；当功率超过额定功率时，通过变桨距和转子电流控制来稳定功率输出。在额定点具有较高的风能利用系数确保高风速段的额定功率起动性能与制动性能发电机使用小发电机和大发电机最佳转差率控制,5.3 变桨距风力发电机组的运行状态,根据变距系统所起作用可分为三种运行状态起动状态（转速控制）桨叶从90度到0度，通过转速控制器逐渐增加转速，到达同步转速附近寻找最佳时机并网。欠功率状态（不控制）不控制桨叶节距角，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上。额定功率状态（功率控制）风速到达或超过额定风速后，通过变桨

17、距系统根据发电机的功率反馈信号进行控制，当功率过大时，桨叶节距角就向迎风面积减小的方向转动，反之则向迎风面积增大的方向转动。,5.4 功率控制,功率控制系统,双闭环控制，外环转速环，使输出交流电频率控制在50Hz，内环功率环，控制功率输出的平稳和使风轮获得最大功率。,转子电流控制器原理,功率控制环实际上是通过控制转子电流来实现的，及根据给定的电流值，通过改变转子电路的电阻来改变发电机的转差率。在额定功率时，发电机的转差率能从110（15151650rpm），相应的转子平均电阻从0100变化。,转子电流控制器的结构,6 变速恒频风力发电机组中的控制问题,20世纪90年代中期至今。把风速信号作为控

18、制系统的输入变量进行转速和功率控制。特点：低于额定风速时，跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转换效率，高于额定风速时，增加了传动系统的柔性，解决了高次谐波和功率因素的问题，高效率、高质量的向电网提供电力。,相对于恒转速运行，变转速运行有以下优点：具有较好的效率能吸收阵风能量系统效率高改善功率品质减小运行噪声,变速恒频是指在风力发电的过程中，发电机的转速可以跟踪风速的变化，由于 转 速 发 生 变 化 必 然 导 致 发 电 机 频 率 的 变 化，必 须 采 用 适 当 的 控 制 手 段(ACDCAC 或 ACAC 变频器)来保证与电网同频率后并入电网。变速恒频风力发电机组机组在

19、叶片设计上采用了变桨距结构。其调节方法是：在起动阶段，通过调节变桨距系统控制发电机转速，将发电机转速保持在同步转速附近，寻找最佳并网时机然后平稳并网；,6.1 变速恒频发电机组的基本结构,在变速恒频风力发电系统中，需要一种功率转换装置将发电机发出的电能控制为恒频。变速恒频风力发电系统如上图所示，其主要组成环节及作用如下：（1）风力机把风能转化为动能。（2）变速齿轮箱进行转速转换，将风力机的低转速转化 为发电机运行所需要的高转速。（3）风力发电发电机把风力机输出的机械能转变为电能。（4）发电机侧变流器由自关断器件（如 GIR、IGBT、GTO 等）构成的 AC/DC变流器，采用一定的控制方法将发

20、电机发出的变频的交流转换为直流。,（5）直流环节：一般直流环节的电压控制为恒定。（6）网侧变流器由自关断器件构成的 DC/AC 变流器，采用某种控制方法使直流电转变为三相正弦波交流电（如 50Hz、690V 的三相交流电），并能有效的补偿电网功率因数。（7）通过变压器以及一些开关设备和保护设备，把电能变为高压交流电（如 11kV或 33kV 等）。其中（3）（5）可称为变频器，其能量流向在某些控制方案中是双向的，上述变频器为交一直一交变频器，也有采用交一交变频器的，变频器有许多不同的拓扑结构，根据不同的实际需要而加以采用。,变速风力发电机的运行区域,第一阶段：起动阶段。发电机不并网工作，处于待

21、机阶段。第二阶段：额定风速下的最大风能捕获阶段。控制转速。第三阶段：额定风速之上的功率恒定区。控制功率。,6.2双馈发电机变速恒频风力发电系统,常规的同步发电机采用直流励磁方式，而鼠笼异步发电机没有励磁绕组，其激磁通过定子取自电网。随着电力电子技术和数字控制技术的迅速发展，人们在不断寻求新的途径解决电力系统稳定和无功问题的时候，提出了采用交流励磁发电机的设想。,6.3双馈发电机矢量控制技术,通常的变频调速系统的控制量是交流电动机的定子电压幅值和频率（电压控制型）或定子电流幅值和频率（电流控制型），它们都是标量。在由它们构成的标量控制系统中，只能按电动机稳态运行规律进行控制。以最常见的异步电动机

22、为例，其转矩正比于转差角速度与转子磁链平方的乘积。各种标量控制系统都企图通过控制转差角速度来控制转矩，这只有在转子磁链不受转差角速度影响的前提下才能实现，不幸的是这一要求在标量控制系统中无法满足。,标量控制系统中只控制了大小，没控制瞬时方向，不能使转子磁链和转差角速度解耦。因此，欲改善电磁转矩控制性能，必须对定子电压或电流实施矢量控制，既控制大小又控制方向,一个矢量通常可用它在直角坐标系上的两个分量表达，异步电动机中的所有矢量（磁通势、磁链、电压、电流等）都在空间以同步速度旋转，它们在静止坐标系上的各分量都是交流量，控制和计算不方便。借助于坐标变换，使人从静止坐标系站在同步旋转坐标系上看电动机

23、各矢量都变成了静止矢量，它们在同步速度旋转坐标系上的各分量都是直流量。于是可以很方便地从统一转矩公式出发，找到转矩和被控矢量各分量之间的关系，实时的计算出转矩控制所需的被控矢量各分量的值（直流给定量）。,由于这些被控矢量的直流分量在物理上不存在，我们还必须再经过坐标变换，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述直流给定量变换成物理上实际存在的交流给定量，在静止坐标系对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。这就是整个矢量控制的思想和过程,通过对双馈发电机等值电路定性和定量分析，发现该模型能够很好的反映定转子各实际物理量之间的关系，但定子有功、无功、电磁功率及电磁转矩等关键控制量的表达式过于冗长和复杂，求解起来十分困难，不便于实际控制，甚至是难以实现。而其在静止坐标系下的数学模型不仅阶数高而且存在强耦合性，因此，很自然地想到借鉴矢量控制的思想，采用坐标变换的方法对其数学模型加以改造，从而获得类似直流电动机控制那样简洁的数学模型，实现所要求的控制目标,