风电机组检测与控制1天培训课.ppt

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1、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,吕 跃 刚,第一讲 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,第一讲 绪 论,定桨：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。,第一讲 绪 论,机组的总体结构,第一讲 绪 论,机组的总体结构,第一讲 绪 论,二、风

2、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。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。,第一讲 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

3、、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。,第一讲 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,第一讲 绪 论,五、风力发

4、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？,第二讲 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

5、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,第二讲 风力机控制,

6、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。,第二讲 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

7、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，,第二讲 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,第二讲 风力机控制,第二讲 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

8、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,第三讲 变桨距风力发电机组控制,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。

9、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。,第三讲 变桨距风力发电机组控制,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,第三讲 变桨距风

10、力发电机组控制,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

11、,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,+,-,+,-,+,-,+,-,第三讲 变桨距风力发电机组控制,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

12、 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,第三讲 变桨距风力发电机组控制,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

13、，保证较好的叶尖速比（设定值改变）。,第三讲 变桨距风力发电机组控制,发电功率控制,转子电流控制原理图：,控制系统的执行机构,控制系统的执行机构主要指变桨系统、偏航系统和液压制动系统。其中变桨系统分为液压变桨系统和电机驱动变桨系统两种，用来完成对风力机的变桨距操作。液压系统为液压变桨距系统提供动力并执行风力机的机械制动操作。偏航系统使风轮轴线与风向保持一致。,制动保护系统,在实际应用中，要求风力发电机组具有空气动力刹车和机械制动刹车功能。定桨距风力机的叶尖扰流器及变桨距风力机的变桨功能具有气动刹车作用，可以在电网掉电情况下使风力机减速，机械制动器可以保证机组刹车停机。对于定桨距风电机组，当风力

14、发电机组处于运行状态时，叶尖扰流器作为桨叶的一部分起吸收风能的作用，保持这种状态的动力是风力发电机组中的液压系统。液压系统提供的压力油通过旋转接头进入桨叶根部的液压缸，压缩叶尖扰流器机构中的弹簧，使叶尖扰流器与桨叶主体平滑地连为一体；当风力发电机组需要停机时，液压系统释放压力油，叶尖扰流器在弹簧及离心力作用下，按设计的轨迹转过90，在空气阻力作用下起到制动作用。对于变桨距风力机，整个叶片的桨距角在0到90是可调的，因此同样可以起到气动刹车的作用。盘式制动刹车在大型风力发电机组中主要作为辅助刹车装置使用。盘式制动刹车一般都安排在高速轴上，典型的机械制动器由钢制刹车盘和一个或多个刹车钳组成，安排在

15、高速轴上的优点是需要的制动转矩较小，减小了刹车盘的直径及重量，缺点是齿轮箱的传动链承受制动力矩。制动系统是风力发电机组安全保障的重要环节，风力发电机组运行时由液压系统的压力保持使其处于制动状态。制动系统一般按失效保护原则设计，即失电时或液压系统失效时处于制动状态。,变桨距执行系统,变距机构是变桨距风电机组实现变距控制和气动安全刹车的关键机构之一。按照风电机组变桨控制需要，变距机构应满足以下要求:1）当风轮正常工作时，通过变距机构将叶片控制在某一气动角度以适合实际风速的运行状态，即保证风电机组运行中桨距的相对位置，实现电控系统的实时控制，使叶片上的空气动力流动处于最佳状态。2）当风速超过限定值时

16、或其他控制指令需要停机时，三个叶片同时通过变距机构，迅速绕桨叶轴旋转至顺桨位置。此时，叶片由推力面变成了气动阻力板，在叶片气动阻力作用下，风轮转速迅速降低，从而实现风轮叶片的气动刹车。顺桨后，风轮迅速由额定转速降至极低转速，为实施机械刹车创造条件。,变桨距执行系统,目前变桨距机构主要有两种方案：液压执行机构和电机执行机构。液压执行机构以其响应频率快、扭矩大、系统失电时自动顺桨保护等优点在目前的变桨距机构中应用较为普遍，它特别适合于大型风力机的场合。而电机执行机构以其结构简单、容易实现对叶片的单独控制，也受到许多厂家的青睐，但顺桨蓄电池一旦失效会给机组带来安全隐患。变桨控制执行系统原理如下图所示

17、，控制系统根据当前风速大小，通过相应的控制算法给定当前叶片桨距角为，通过桨距控制器把角度信号转变为相应的伺服系统控制信号，通过伺服控制系统驱动变桨距机构进行桨距角调整。同时，桨距角的变化通过角位移传感器反馈回来与给定值进行比较，构成闭环控制环节。桨距角控制器具有上下限限幅功能，目的是限制执行机构的行程。,变桨距机构电机执行系统,电机驱动变桨距执行机构主要由伺服控制器、交流伺服电机、减速齿轮箱、变桨轴承及蓄电池等组成。如下图所示，其中，回转支撑轴承分为内外环，外环固定在轮毂上起支撑作用，叶片安装在可转动的内环上，变桨时电机经减速器带动齿轮旋转，而齿轮与回转支承的内环啮合，从而带动回转支承的内环与

18、叶片一起旋转，实现了改变桨距角的目的。每个桨叶采用一套伺服电机驱动装置进行单独调节，伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相连，直接对叶片的桨距角进行控制。位移传感器采集叶片桨距角的位置信号并与控制装置形成闭环反馈控制。在系统出现故障使控制电源断电时，桨叶控制电机由蓄电池供电，在60秒内将桨叶调节为顺桨位置。在蓄电池电量耗尽时，继电器断路，原来由电磁力吸合的制动齿轮弹出，制动桨叶，保持桨叶处于顺桨位置。,风力发电机组防雷保护,风力发电机组都是安装在野外广阔的平原地区，风力发电设备高达几十米甚至上百米，导致其极易被雷击并直接成为雷电的接闪物。由于风机内部结构非常紧凑，无论叶片、机舱还是尾翼受到雷击

19、，机舱内的电控系统等设备都可能受到机舱的高电位反击。实际上，对于处于旷野之中高耸物体，无论怎么样防护，都不可能完全避免雷击。因此，对于风力发电机组的防雷来说，应该把重点放在遭受雷击时如何迅速将雷电流引入大地，尽可能地减少由雷电导入设备的电流，最大限度地保障设备和人员的安全，使损失降低到最小的程度。,叶片防雷,雷击造成叶片损坏的机理是：雷电释放巨大的能量，使叶片结构温度急剧升高，分解气体高温膨胀，压力上升造成爆裂破坏。风电机组的叶片中，有的叶片并没有设置内部导电体或进行表面金属化处理，仅是纯粹的玻璃增强塑料结构或木结构。运行经验表明，这种叶片受到雷击通常是灾难性的。因此，应在叶片物理设计上采取一

20、定的防雷措施，以减小叶片遭受雷击时的损伤。对于现在的变速恒频风力发电机叶片，一般不再设有叶尖扰流器，如下图所示：,研究实验表明，不管叶片是用木头或玻璃纤维制成，或是叶片包导电体，雷电导致损害的范围取决于叶片的形式。叶片全绝缘并不减少被雷击的危险，而会增加损害的次数，且多数情况下被雷击的区域在叶片背面。在此基础上，设计了具有较好防雷效果的叶片，在叶尖部分装有接闪器（图中钢丝网）捕捉雷电，再通过叶片内腔导引线使雷电导入大地保护叶片，经验证此种结构具有较好的效果。,机舱防雷,如果叶片采取了防雷保护措施，也就相当于实现了对机舱的直击雷防护。虽然如此，也需要在机舱尾部设立避雷针，并与机架紧密连接。对由非

21、导电材料制成的机舱中的控制信号等敏感的线路部分都应有效屏蔽，屏蔽层两端都应与设备外壳连接。对于机舱和机舱内各部件，钢架机舱底盘为机舱内的各部件提供了基本保护。机舱内的各部件通过连接螺栓可靠的连接到机舱底座的金属支撑架上，任何铰链连接应采用尽可能宽的柔性铜带跨接。在机舱内，不与底盘连接的所有部件都与接地电缆相连，齿轮箱和发电机间的连接采用柔性绝缘连接，接地导线连接到机舱底盘的等电位体上，防止雷电电流通过齿轮箱流经发电机。机舱底盘通过偏航环的螺栓可靠地接到塔筒壁上。,电控系统防雷,风力发电机的交流电源通常是由供电线路由电网直接引入，当雷击于电网附近或直击于电网时，会在线路上产生过电压波，这种过电压

22、波通过交流系统传入风电设备，会造成电子设备的损坏。电控系统的防雷保护主要包括配电变压器、电源、信号电路及通信线路的保护。配电变压器是风力发电机供电系统的重要设备，对配电变压器的防雷一方面可以防止变压器本身受到雷电过电压的破坏，另一方面可以有效防止雷电过电压通过变压器传播到建筑物内的电源系统。为了降低干扰在风力发电机组之间一般采用光缆进行数据传输通信，但在单个风力发电机内部，各子系统之间的通信一般为电缆连接。雷电电磁脉冲能够在信号线路及其回路中感应出暂态过电压，同时，信号电路中电子设备的绝缘强度较低，过电压和过电流耐受能力差，很容易受到暂态过电压的危害。对于电源及信号传输电路的保护一般包含泄流和

23、箝位两个基本环节。第一级作为泄流环节，主要用于旁路泄放暂态大电流，将大部分暂态能量释放掉。第二级作为箝位环节，将暂态过电压限制到被保护电子设备可以耐受的水平。,接地保护,良好的接地是保证雷击过程中风电机组安全的必备条件。由于风电场通常会布置在山地且范围非常大，而山地的土壤电阻率一般较高，因此按照一般电气设备的接地方式设计风电机组的接地系统显然不能满足其安全要求。风电机组基础周围事先都要布置一小型的接地网，它由1个金属圆环和若干垂直接地棒组成，但这样的接地网很难满足接地电阻须小于4欧的要求。通常的改善措施是将风电场内所有的机组接地网都连接起来，以降低整个风电场的接地电阻。由于风电场机组间都布置有

24、电力电缆和通信电缆，因此机组接地网的连接实际上可以通过这些电缆的屏蔽层来实现。另外，还可在机组接地网间敷设金属导体，当遭受雷击时可显著降低风电场的地电位升高。,第四讲 双馈风力发电机组控制技术,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,第四讲 双馈风力发电机组控制技术,最大风能追踪,追踪最大风能的过程：假设在风速

25、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。,第四讲 双馈风力发电机组控制技术,双馈型风电

26、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。,第四讲 双馈风力发电机组控制技术,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

27、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

28、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

29、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

30、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

31、，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

32、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,第四讲 双馈风力发电机组控制技术,双馈风电机组的控制（矢量控制的基本概念）,励磁电

33、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,第四讲 双馈风力发电机组控制技术,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

34、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,第四讲 双馈风力发电机组控制技术,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

35、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,第四讲 双馈风力发电机组控制技术,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

36、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。时空矢量图表示法是一种多时轴单相量表示法，即每相

37、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。,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

38、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

39、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

40、,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

41、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相等，这样的变换阵属于正交变换。,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,三相静止/两相静止变换（3s/2s变换）,右图所示为交流电机的定子三相绕组A、B、C和与之等效的两相电机定子绕组、各相磁势的空间位置。当两者的旋转磁场完全等效时，合成磁势沿相同轴向的分量必定相等，即三相绕组和两相绕组的瞬时

42、磁势沿、轴的投影相等，即：,式中，、分别为三相电机和两相电机定子每相绕组匝数。用矩阵表示为：,简记为：,为求逆变换，引入新变量，称之为零序电流，对两相系统来说，零序电流是没有意义的，只是为了纯数学上的求逆需要。,根据等功率原则，要求 可得,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,于是：,上式即为定子三相/两相静止轴系变化矩阵，以上两式同样适用于定子电压和磁链的变换过程。需要注意的是，当把以上两式运用于转子轴系的变换时，变换后得到的两相轴系和转子三相轴系一样，相对转子实体是静止的，但是，相对于静止的定子轴系而言，却是以转子1角频率旋转的。因此和定子部分的变换不同，转子部分实际上

43、是三相旋转轴系变换到两相旋转轴系（记为d-q-0轴系）。,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,两相静止/两相旋转变换（2s/2r变换）如下图所示，为定子电流空间矢量，图中d-q-0坐标系是任意同步旋转轴系，旋转角速度为同步角速度。由于两相绕组 在空间上的位置是固定的，因而d轴和 轴的夹角 随时间而变化（），在矢量变换控制系统中，通常称为磁场定向角。,、和、存在下面的关系：,令：,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,由静止坐标系变换到同步旋转坐标系的矢量变换方程式为：,令：,仿照两相同步旋转轴系到两相静止坐标系的矢量旋转变换，可以得到转子两相旋转d-q

44、-0轴系到两相静止轴系的坐标变换过程：,式中，、为经 变换所得的转子两相旋转d-q-0轴系的电流，、为两相静止轴系下的电流，为转子转过的空间电角度。,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,三相静止到两相旋转坐标变换（3s/2r变换）将3s/2s变换和2s/2r变换合并成一步就得到三相静止坐标系和d-q-0坐标系之间定子量的变换矩阵：,易知：,两相同步旋转坐标系下的转子量可以经过如下变换得到：,转子绕组变量可以看作是处在一个以角速度 旋转的参考坐标系下，其中：,以上坐标变换矩阵同样适用于电压和磁链的变换过程，而且变换是以各量的瞬时值为对象的，同时适用于稳态和动态。,第四章 变

45、桨距风力发电机组控制,二、双馈型风电机组的控制,同步旋转两相d-q坐标系下双馈发电机的数学模型,定子绕组接入无穷大电网，定子旋转磁场电角速度为同步角速度，因此，前面我们选用在空间以恒定同步速旋转的d-q-0坐标系下的变量替代三相静止坐标系下的真实变量来对电机进行分析。在稳态时，各电磁量的空间矢量相对于坐标轴静止，这些电磁量在d-q-0坐标系下就不再是正弦交流量，而成了直流量。交流励磁发电机非线性、强耦合的数学模型在d-q-0同步坐标系中变成了常系数微分方程，电流、磁链等变量也以直流量的形式出现，如图下所示。,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：,1、定子电压方程

46、,三相坐标系下的定子电压方程：,对上式两边左乘坐标变换矩阵，变换后有：,2、转子电压方程,三相坐标系下的转子电压方程：,坐标变换后：,式中：,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：,重写三相坐标系下的磁链方程如下：,利用坐标变换矩阵C3s-2r和C3s-2r将定子三相磁链和转子三相磁链变换到d-q-0坐标系下,定子磁链方程：,转子磁链方程：,其中：,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、功率方程,运动方程形式没有变化：,但电磁转矩方程有变化：,定子有功功率和无功功率分别为：,转子有功功率和无功功率分别为：,可以看出，这些数学模型消除了

47、互感之间的耦合关系，比三相坐标系下的数学模型要简单的多。它们是一组常系数微分方程，这就是坐标变换的最终目的所在，也为下一节将要分析的双馈风力发电系统定子磁链定向的矢量控制策略奠定了基础。,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,双馈风力发电机励磁系统矢量控制方法,前面只规定了d、q两坐标轴的垂直关系和旋转角速度。如果对进一步对d-q-0轴系的取向加以规定，使其成为特定的同步旋转坐标系，这将进一步简化前面得出的d-q-0轴系下的数学模型，对矢量控制系统的实现具有关键的作用。选择特定的同步旋转d-q-0坐标系，即确定d、q轴系的取向，称之为定向。选择电机某一旋转磁场轴作为特定的同

48、步旋转坐标轴，则称之为磁场（磁链）定向（Field-orientation）。矢量控制系统也称为磁场（磁链）定向控制系统，下面要讨论的就是双馈风力发电机基于定子磁链定向的矢量控制策略。,第四讲 双馈风力发电机组控制技术,双馈型风电机组的控制,定子磁链定向矢量控制的基本概念,1、发电机并入电网后，定子电压是常量，对发电机功率的控制，可以认为就是对电流的控制。2、在工频50HZ下，定子绕组的电阻比电抗小的多，因此可以忽略，发电机的定子磁链矢量与定子电压矢量的相位差正好是90，如果取定子磁链矢量s方向为d-q-0坐标系d轴，则定子电压空间矢量正好落在超前d轴90的q轴上，如图下所示。,d轴的转速和相

49、位都与s相同，坐标变换后各量为直流，所以ds=s，q=0；=0,电压方程：,输出功率：,：有功分量,：无功分量,第四讲 双馈风力发电机组控制技术,双馈型风电机组的控制,对于P1、Q1的控制是通过交流励磁发电机转子侧的变换器进行的，应该推导转子电流、电压和、之间的关系，以便实现对交流励磁发电机有功、无功的独立控制。,因,所以：,即建立了转子电流分量与、之间的联系,将上式代入转子磁链方程 得：,其中,再代入转子电压方程得：,即分为解耦相与补偿相,再变换到三项坐标下可得转子电压,第四讲 双馈风力发电机组控制技术,二、双馈型风电机组的控制,把这个转子三相电压分量值用作调制波去产生转子侧励磁变换器所需要

50、的指令信号，用于控制逆变主电路晶体管的通断，以产生所需频率、大小、相位的三相交流励磁电压。这样，通过上述式就可以建立定子电流有功分量、无功分量与其它物理量之间的关系，以上四个关系式构成了定子磁链定向下双馈发电机的矢量控制方程。根据上面得出的矢量控制方程可以设计出双馈风力发电系统在定子磁链定向下的矢量控制系统框图，如下图所示。,第四讲 双馈风力发电机组控制技术,六、双馈型风电机组的控制,双馈发电机交流励磁调节系统原理图：,系统采用双闭环结构，外层为功率控制环，内环为电流控制环。在功率闭环中，有功指令由风力机特性根据风力机最佳转速给出，无功指令根据电网需求设定；,第四讲 双馈风力发电机组控制技术,