风力发电风力发电原理第5章风力发电机组的控制及安全保护第5章风力发电机组的控制及安全保护5.1 风力发电机组的控制技术5.2 风力机控制5.3 发电机控制5.4 风力发电机组信号检测5.5 控制系统的执行机构5.6 风电机组的安全保护风力发电原理21控制系统，负责机组从起动并网到运行发电过程中的控制任务，同时保证机组运行安全。本章主要内容：大型风力发电机组的控制系统风轮及发电机组的控制要求信号检测、执行机机的控制及控制系统构成构及安全保护功能风力发电原理35.1风力发电机组的控制技术5.1.1 风力发电机组的基本控制要求大型风力发电机组主要由风轮、增速齿轮箱、发电机组成。风轮及发电机是主要控制对象。风力发电机组及其控制系统结构图风力发电原理42风力发电5.1风力发电机组的控制技术5.1.1 风力发电机组的基本控制要求发电机将能量以电流的形式向电网输送电能，同时发电机的电磁转矩平衡风轮机械转矩，使机组正常运行。机组的运行及发电过程都由控制系统实现。控制系统必须根据风速的变化对机组进行发电控制与保护风力发电原理55.1风力发电机组的控制技术5.1.1 风力发电机组的基本控制要求风力发电机组输出功率与风速密切相关，根据风速使机组运行在不同状态9控制系统根据风速控制机组的起停及功率风力发电原理63风力发电5.1风力发电机组的控制技术5.1.1 风力发电机组的基本控制要求重要控制对象——发电机MW级发电机组：普通异步发电机、双馈式异步发电机和直驱式永磁发电机。普通异步发电机：控制简单，控制其并网与脱网；若要无功功率补偿，则控制补偿电容器组的投切。双馈式异步发电机和直驱式永磁发电机：控制用变流器风力发电原理75.1风力发电机组的控制技术5.1.1 风力发电机组的基本控制要求双馈式发电机：9变流器为转子提供频率可变的交流电9调节转子交流励磁，改变风电机组转速及发电机发出的有功和无功直驱式永磁同步发电机：9定子通过换流器与电网连接9按机组要求使发电机同步运行于期望值。两种发电机都可变速运行（提高机组效率）。控制发电机变速运行——控制变流器风力发电原理84风力发电5.1风力发电机组的控制技术5.1.1 风力发电机组的基本控制要求大型风力发电机组都在并网状态下运行并网与脱网控制9要求在控制并网时对电网的冲击最小，对机组的机械冲击也最小，使机组平稳并入电网（水轮发电机并网）；9脱网时机组不要超速，使机组安全停机。机组运行时，风向也变化9要求控制系统能根据风向实时调整机舱位置，始终处于正对气流的方向（对风），偏航系统实现对风控制。9对风时，机舱与地面间的连接电缆缠绕，定期进行解缆控制。风力发电原理95.1风力发电机组的控制技术5.1.1 风力发电机组的基本控制要求为保证机组安全，设计制动系统。为保证机组齿轮箱、液压系统、发电机、控制装置等各主要部件的正常工作，对各部件进行温度控制。风电机组发生故障时，控制系统故障报警，停机等动作。9机组的振动反映故障状态9振动信号主要反映风对塔架的作用引起的振动，作为停机信号（故障在线监测）。风力发电原理105风力发电5.1风力发电机组的控制技术5.1.1 风力发电机组的基本控制要求控制系统具有对机组较完善的保护措施，保证运行安全对机组安全的最后一级保护：9大型风电机组都设计了安全链系统。当发生任何一种严重故障需要停机时，安全链系统都能保证机组停机。9安全链系统是脱离控制系统的低级保护系统，保证系统在任何条件下的可靠性。控制系统以计算机为基础，具有人机操作接口、数据存储、数据通信等功能。风力发电原理115.1风力发电机组的控制技术5.1.1 风力发电机组的基本控制要求综上，风电机组控制系统需要具备的功能及要求：1）根据风速信号自动进入起动状态或从电网自动切除。2）根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制。3）根据风向信号自动对风。4）根据电网和输出功率要求自动进行功率因数调整。5）当发电机脱网时，能确保机组安全停机。6）能实时监测和记录机组运行时的电网、风况、运行状况，对异常情况能自行准确判断并采取保护措施，能根据记录的数据生成图表，以反映风电机组的各项性能指标。7）具有远程通信功能。8）具有良好的抗干扰和防雷保护措施，保证在恶劣环境里最大限度地保护风电机组的安全可靠运行。风力发电原理126风力发电5.1风力发电机组的控制技术5.1.2 风力发电机组的控制系统结构以双馈型风力发电机组为例。双馈型风电机组控制系统整体结构风力发电原理135.1风力发电机组的控制技术5.1.2 风力发电机组的控制系统结构底部为变流器柜和塔筒控制柜。塔筒控制柜，风力发电机主控制装置，负责机组的控制、显示操作和通信。变流器柜，由IGBT、散热器和变流控制装置组成，负责发电机并网及发电过程控制。塔筒底部控制柜，通过电缆与机舱连接，通信。风力发电原理147风力发电5.1风力发电机组的控制技术5.1.2 风力发电机组的控制系统结构机舱控制柜负责机组制动、偏航控制及液压系统、变速箱、发电机等的参数调节；以及各运行参数的检测及风速、风向信号检测。风力发电原理155.1风力发电机组的控制技术5.1.2 风力发电机组的控制系统结构机组变桨距控制装置，在轮毂内。叶片桨距角可调节，实现功率控制。风力发电原理168风力发电5.1风力发电机组的控制技术5.1.2 风力发电机组的控制系统结构各控制装置通过通信总线联系，实现机组整体协制控制系统通过网络与监控系统进行通信，实现机组远程起停、数据传输等功能。风电机组总体控制结构风力发电原理175.1风力发电机组的控制技术5.1.3 风力发电机组的运行控制过程风电场的机组分散布置，无人值守，机组均采用远程自动控制方式。机组的控制系统，能随时根据风况与电网需求自动实现机组起动、并网、发电等操作，并将机组状态信息通过网络传给主控中心，主控中心向机组发出起动、停机等指令。风电机组运行过程的六种工作状态：9待机状态9自起动过程9机组并网过程9欠功率运行状态9额定功率运行状态9停机状态风力发电原理1风力发电5.1风力发电机组的控制技术5.1.3 风力发电机组的运行控制过程1.待机状态¾当机组所有运行部件均检测正常，且风速低于3.5m/s时，处于待机状态。9该状态下，所有执行机构和信号均处于实时监控状态9风向仪信号实时跟踪风向变化，偏航系统使机组处于对风状态。风速亦被实时检测，送至主控制器作为起动参考量。¾起动前风电机组整个控制系统、发电机、机械部件等各项参数均正常。风力发电原理195.1风力发电机组的控制技术5.1.3 风力发电机组的运行控制过程2.机组自起动过程¾指风轮在自然风速作用下，不依赖外力，将发电机拖到一定转速，为并入电网做好准备的过程。9机组在正常起动前，控制系统对电网及风况进行检测，如连续10min电网电压及频率正常、风速超过3.5m/s，且控制器、执行机构和检测信号均正常，此时主控制器发出起动命令。9叶片桨距角转至合适角度，风轮获得气动转矩，机组转速开始增加，机组起动。风力发电原理20风力发电105.1风力发电机组的控制技术5.1.3 风力发电机组的运行控制过程3.机组并网过程¾并网指控制机组转速达到额定转速，通过合闸开关将发电机接入电网的过程。¾双馈发电机，并网过程是通过控制变流器来控制转子交流励磁完成的。9当机组转速接近同步转速时，通过对转子交流励磁的调节实现并网。风力发电原理215.1风力发电机组的控制技术5.1.3 风力发电机组的运行控制过程3.机组并网过程¾直驱发电机，并网过程通过控制全功率变流器来完成9当电机达到一定转速时，通过全功率变流器控制的功率模块和变流器网侧电抗器、电容器的LC滤波作用使系统输出电压、频率等于电网电压、频率，同时检测电网电压与变流器网侧电压之间的相位差，当其为零或相等时实现并网。风力发电原理22风力发电115.1风力发电机组的控制技术5.1.3 风力发电机组的运行控制过程4.欠功率运行状态¾若风速低于额定风速，桨距角调整至3°附近，使叶片获取最大风能。同时，调节机组的转速追踪最佳叶尖速比，实现最大风能捕获。¾并网后机组转速的调节：控制发电机励磁5.额定功率运行状态¾若高于额定风速，调节桨距角，风力机输入功率，使输出功率保持在额定值附近。风力发电原理235.1风力发电机组的控制技术5.1.3 风力发电机组的运行控制过程6.停机状态¾分为正常停机与非正常紧急停机。9一般性设备及电网故障时，将正常保护停机。停机时先将叶片顺桨，降低风力机输入功率；再将发电机脱网，降低机组转速；最后投入机械制动。9当发电机超速等严重故障时，紧急停机。执行快速顺桨、并在发电机脱网同时投入机械制动。¾正常停机是在控制系统指令作用下完成的，当故障解除时机组能够自动恢复起动；¾紧急停机一般伴随安全链动作，重新起动需要人员干预。风力发电原理24风力发电12第5章风力发电机组的控制及安全保护5.1 风力发电机组的控制技术5.2 风力机控制5.3 发电机控制5.4 风力发电机组信号检测5.5 控制系统的执行机构5.6 风电机组的安全保护风力发电原理255.2风力机控制依据两个主要功能单元，风力发电控制技术分为（1）风力机控制技术（2）发电机控制技术风力发电原理26风力发电135.2风力机控制5.2.1 风力机控制的空气动力学原理当风速变化且发电机功率没有超过额定时，只要调节风轮转速，同时使桨距角处于最佳角度就可获得最佳功率——变速风力发电机组在低于额定风速以下进行转速控制的基本原理不断追踪最佳功率曲线就是要求Cp恒定为Cpmax而保证机组最大限度的吸收风能，也称为最大风能捕获控制风力发电原理275.2风力机控制5.2.1 风力机控制的空气动力学原理当风速增加到额定风速时，发电机输出功率也达到额定值（机械和电气设计极限的要求）若风速继续上升，仅依靠转速控制不能解决高于额定风速时的能量平衡问题。而增大桨距角，Cp明显减小，发电机输出功率相应减少。当发电机输出功率大于额定功率时，通过增大桨距角来减小发电机输出功率可使之维持在额定功率附近——恒功率控制过程。风力发电原理28风力发电145.2风力机控制5.2.2 定桨距风力机控制1.定桨距风力机结构特点：•叶片与轮毂固定连接，风速变化时叶片桨距角β不变•随着风速增加，风力机的运行过程为：风速增加→升力增加→升力变缓→升力下降→阻力增加→叶片失速。叶片不同部位的攻角不同，失速情况不同。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。风力发电原理295.2风力机控制5.2.2 定桨距风力机控制1.定桨距风力机针对其特点，风电机组必须解决的2个问题：（1）风速高于额定风速时，叶片自动失速性能能够自动将功率在额定值附近；（2）运行中的风电机组在突然失去电网的情况下，使其能在大风情况下安全停机。以上要求定桨距风力机叶片应具有自动失速性能和制动能力。风力发电原理30风力发电155.2风力机控制5.2.2 定桨距风力机控制1.定桨距风力机自动失速性能是依靠叶片本身的翼型设计来实现。叶片制动能力是通过叶尖扰流器和机械制动来实现。叶尖扰流器是叶尖一段转动部分9正常运行时，整体；9安全停机时，液压系统按控制指令释放扰流器并旋转一角度形成阻尼板，整个叶片作为一长杠杆，产生很高的气动阻力，使风力机在没有任何其他机械制动的情况下迅速减速。风力发电原理315.2风力机控制5.2.2 定桨距风力机控制2.定桨距控制定桨距机组采用普通异步发电机，转速不可调节。要在变化风速下保持最大功率系数，必须保持转速和风速之比不变，这对定桨距风力机很难做到。风力发电原理32风力发电165.2风力机控制5.2.2 定桨距风力机控制2.定桨距控制固定的桨距角和转速使得额定转速低的定桨距机组在低风速下有较高的功率系数；额定转速高，高风速，较高。定桨距风电机组普遍采用双速发电机，分别设计为4极和6极，9低风速时采用6极发电机，高风速，4极。9对大、小发电机的运行切换控制可使风力机在高、低风速段均获得较高的气动效率。风力发电原理335.2风力机控制5.2.2 定桨距风力机控制2.定桨距控制定桨距风力机的控制主要通过叶片本身的气动特性和叶尖扰流器来实现。其控制系统较简。优点：结构简单、性能可靠缺点：叶片重量大，轮毂、塔架等部件受力较大，功率系数低于变桨距风力机，不易起动。风力发电原理34风力发电175.2风力机控制5.2.3 变桨距风力机控制1.变桨距风力机叶片与轮毂通过可转动的推力轴承连接，调节桨距角来控制风力机吸收的风能。功率调节不完全依靠叶片的气动性能，在额定功率点以上可输出平稳功率。风力发电原理355.2风力机控制5.2.3 变桨距风力机控制1.变桨距风力机在相同额定功率点，变桨距风电机组的额定风速比定桨距低。定桨距，当风速接近额定点，风能利用系数大幅下降（随风速升高，功率上升趋缓，过额定点后，叶片开始失速，风速升高，功率反而下降）。变桨距，桨距可控，风速超过额定点后，额定功率点仍具有较高的功率系数。MW级的大型风力发电机组多采用变桨距风力机风力发电原理36风力发电185.2风力机控制5.2.3 变桨距风力机控制2.变桨距控制变桨距风力发电机组的运行工况随风速变化而切换据风速情况和风力机功率特性，运行过程分为四个典型工况（变桨距控制的目标与策略均不同）：第一个典型工况：起动并网阶段9此时风速达到切入风速并保持一定时间，风电机组解除制动装置，由停机状态进入起动状态。9控制目标是实现风电机组的升速和并网，其中变桨距控制的任务是使发电机快速平稳升速，在转速达到同步范围时随风速变化调节发电机转速，使其保持恒定或在允许范围内变化以便于并网。风力发电原理375.2风力机控制5.2.3 变桨距风力机控制2.变桨距控制第二个典型工况：最大风能捕获控制阶段9风速没有达到额定，发电机送入电网的功率小于额定值9控制目标是最大限度利用风能，提高机组的发电量9变桨距控制系统只需将桨距角设定在最大风能吸收角度（2°-3°)不变即可，此时通过励磁调节控制转速实现最大风能捕获控制风力发电原理38风力发电195.2风力机控制5.2.3 变桨距风力机控制2.变桨距控制第三个典型工况：恒功率控制阶段9当风速超过额定风速，发电机功率不断增大9控制目标是控制机组的功率在额定值附近而不超过极限，变桨距控制的任务是调节桨距角而使输出功率恒定。风力发电原理395.2风力机控制5.2.3 变桨距风力机控制2.变桨距控制第四个典型工况：超风速切出阶段9若机组处于高于额定风速的恒功率阶段，风速不断增大到机组所能承受的最大风速，即切出风速9此时，控制目标是使机组安全停机。变桨距控制系统任务是使叶片顺桨，以使风力机尽快降低风能输入，发电机与电网断开停机。风力发电原理4020风力发电5.2风力机控制5.2.4 功率控制并网型风力发电机组在运行中，首要控制目标是功率控制，其他控制都是服务于功率控制。功率控制的目标：9低于额定风速时，实现最优功率曲线，即最大风能捕获；9高于额定风速时，控制功率输出在额定值，即恒功率控制。风力发电原理415.2风力机控制5.2.4 功率控制但由于风速测量不可靠性，很难建立转速与风速间的对应关系，实际也不是根据风速变化来调整转速。为了不用风速控制风力机，可按Cpmax和λopt计算风轮输出功率•Popt为最优输出功率（控制的目标功率）；K为最优输出功率常数•用转速代替风速，最优功率则是转速的三次方函数，消除了转速控制时对风速的依赖关系。风力发电原理4221风力发电5.2风力机控制5.2.4 功率控制1. 风力机功率控制特点要实现风力机变桨距功率控制，首先应分析变桨距系统的控制特性。（1）气动非线性变桨距控制实质是通过改变攻角来控制风力机的驱动转矩。气动特性是变桨距系统的主要特性。（2）工况频繁切换自然风速随机变化，导致变速风力发电机组随风速在各个运行工况之间频繁切换。变桨距风力机的运行全过程风力发电原理435.2风力机控制5.2.4 功率控制1. 风力机功率控制特点要实现风力机的变桨距功率控制，首先应分析变桨距系统的控制特性。（3）多扰动因素影响风电机组性能的不确定干扰因素很多（大气变化、叶片上的沉积物、下雨、机组老化、季节环境变化、电网电压、频率变化），在机组能量转换过程中引起不同程度的变化。风速变化（阵风）对风电机组的功率影响最大，风速波动是机组最主要的扰动因素。风力发电原理4422风力发电5.2风力机控制5.2.4 功率控制1. 风力机功率控制特点要实现风力机的变桨距功率控制，首先应分析变桨距系统的控制特性。（4）变桨距执行系统的大惯性与非线性变桨距执行机构主要有：液压和电机执行机构。变桨距执行机构引入的惯性很大，使动态性能变差，表现出大惯性特点。风力发电原理455.2风力机控制5.2.4 功率控制2. 变桨距控制系统结构与特点变桨距控制系统根据机组并网前、后的工况，主要有两种工作方式：9并网前转速控制；9并网后功率控制。据以上工作方式，传统的风电机组变桨距控制系统结构：风力发电原理4623风力发电5.2风力机控制5.2.4 功率控制2. 变桨距控制系统结构与特点变桨距控制算法一般采用PI控制，但因功能单一，存在对并网设备要求过高，抗干扰性差，输出功率曲线不平稳等诸多缺点。因变桨距执行系统响应速度慢，对快速变化的风速，传统控制方法改变桨距来控制输出功率的效果不太理想。为优化功率，新设计的变桨距控制系统在功率控制过程中，其功率反馈信号不再作为直接控制桨距角的变量，而由风速低频分量和发电机转速进行控制；风速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（控制发电机转差s）风力发电原理47第5章风力发电机组的控制及安全保护5.1 风力发电机组的控制技术5.2 风力机控制5.3 发电机控制5.4 风力发电机组信号检测5.5 控制系统的执行机构5.6 风电机组的安全保护风力发电原理4824风力发电5.3发电机控制5.3.1 风力发电机控制要求控制发电机可实现对机组转速、发电功率的调节。通过与变桨距控制系统的协调，可使风电机组处于最佳运行状态。风力发电原理495.3发电机控制5.3.1 风力发电机控制要求大型风力发电机组，存在并网控制问题并网控制的要求：发电机在并网时的瞬变电流，避免对电网造成过大冲击，同时保障机组安全。发电机并网时，短时间内不产生大电流冲击，须满足以下同期条件：1）发电机频率等于电网频率2）电压幅值相等，波形一致3）电压相序相序相同4）电压相位一致风力发电原理5025风力发电5.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制异步发电机运行时的转速由电机的T-s特性决定（s很小）在发电过程中，不同风速下转速基本不变，效率较低。运行时靠电机自身特性平衡转矩与转速的关系，对电机不进行控制。为提高风电机组效率，能在低于额定风速下变速运行，采用2种主要机型：笼型双速异步发电机和转子转差可调的异步发电机。风力发电原理515.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制1. 双速异步发电机控制在定桨距风力机组中应用较普遍，通过改变极对数的方法，可使风力发电机组在1000r/min与1500r/min附近两个转速下选择运行，解决发电机在低风速下效率低问题采用双速发电机的风力发电机组输出功率曲线风力发电原理5226风力发电5.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制1. 双速异步发电机控制当平均风速高于起动风速时（>3m/s），机组开始起动当机组转速接近电网同步转速时，由控制系统执行软并网操作，一般小发电机首先并入电网。当风速继续升高（7-8m/s），发电机将切换到大发电机运行。若起动时平均风速较高，直接从大发电机并网。风力发电原理535.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制1.双速异步发电机控制切换控制过程：¾小发电机运行时，若风速升高，功率达到P1点，控制系统发出指令使小发电机脱离电网¾由于没有发电机电磁阻力作用，发电机将升速，当达到大发电机运行转速附近时大发电机并网开关闭合，执行大发电机软并网，完成从小发电机向大发电机过渡的切换控制。风力发电原理5427风力发电5.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制1. 双速异步发电机控制切换控制过程：¾大发电机运行期间，若风速较低，将执行向小发电机切换¾当功率降到P2点，大发电机脱离电网，脱网后发电机电磁阻力消失，机组在风轮带动下转速继续上升，此时立即闭合小发电机并网开关，并执行小发电机软并网过程，通过电磁阻力矩使机组减速。风力发电原理555.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制2. 转差可调的异步发电机原理¾转差可调的绕线式异步发电机，在一定的风速范围内变转速运行，高于额定风速，保持发电机输出额定功率，不必调节风力机叶片桨距来维持额定功率输出，避免风速频繁变化时功率起伏，改善电能质量；¾同时减少变桨距执行机构频繁动作，提高风电机组运行可靠性，延长使用寿命。风力发电原理5628风力发电5.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制2. 转差可调的异步发电机原理¾不考虑定子绕组电阻损耗及附加损耗时，异步发电机输出电功率P近似等于电磁功率，¾异步电机电磁转矩Tem为CM为电机转矩系数，常量；Φ变时为常量；Im为电机基波磁场每极磁通量，定子绕组电压不2a为转子电流有功分量风力发电原理575.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制2. 转差可调的异步发电机原理¾只要保持I2a不变，则Tem不变。¾当风速变化，异步发电机转速变化，转子感应电动势将变化，引起转子电流变化，造成功率波动。¾若在转子回路中串入电阻，改变阻值即可影响转子电流，使得风速引起转速变化时保持转子电流恒定，达到发电机输出功率不变的目的。风力发电原理5829风力发电5.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制2. 转差可调的异步发电机原理¾不同转子电阻对应的Tem-s特性曲线•设风力发电机组在转速n转矩T时发出额定功率，对应转1，电磁子回路电阻emNR1特性曲线上a•当风速增大，风力发电机转速、电磁转矩都随之增大，特性曲线上a→b，发电机电磁转矩增加到Tem’，机组功率超过额定值•若将转子电阻增加到R2，电磁转矩调节回到TsemN额定功率点c，s1→2，吸收瞬变风速引起的功率波动，稳定输出功率风力发电原理595.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制2. 转差可调的异步发电机原理¾这种允许s有较大变化的异步发电机中，是通过由电力电子器件组成的控制系统，调节转子回路中的串接电阻值来维持转子电流不变——又称“转子电流控制异步发电机”¾该调节方式使机组在一定范围内变速运行（尤其在额定功率附近），通过调节s使输出功率稳定¾低于额定风速时，通过调节转速变化可在一定转速范围内追踪最佳叶尖速比控制，但此时转差功率消耗在转子回路中。效率低风力发电原理6030风力发电5.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制3. 转差可调异步发电机的结构¾由绕线转子异步发电机、转子外接电阻、电力电子器件组成的转子电流控制器及转速和功率控制单元构成¾由电流互感器给出的电流测量值与给定的电流基准值送入电流控制单元，经比较，计算转子回路电阻值，通过PWM脉宽调制器控制IGBT导通和关断，来调节外接电阻阻值，达到控制转子电流目的。风力发电原理615.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制4. 转差可调异步发电机的功率调节¾变桨距风力机的桨距调节有滞后时间；阵风或风速频繁变化时，桨距大幅度频繁调节，发电机输出功率也大幅度波动，对电网不良影响¾单纯靠变桨距调节风力机的输出功率，不能保证发电机输出功率稳定¾利用具有转子电流控制器的转差可调异步发电机与变桨距风力机共同配合，调节发电机输出功率，实现其输出功率稳定。风力发电原理6231风力发电5.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制4. 转差可调异步发电机的功率调节具有转子电流控制器的转差可调异步发电机与变桨距风力机配合的控制原理图控制变桨距调节发电机转子电流风力发电原理635.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制4. 转差可调异步发电机的功率调节并网后的功率调节过程：9低于额定风速时，发电机输出功率低于额定功率，功率控制器A输出饱和（无需控制），执行变桨到最大攻角。9高于额定风速，控制器A退出饱和，根据发电机输出与额定功率偏差来调节桨距角，保持发电机输出功率额定。风力发电原理32风力发电5.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制4. 转差可调异步发电机的功率调节并网后的功率调节过程：9发电机功率控制器B的给定值与s有关9低于额定风速，根据当前转速计算一给定功率，若与实际功率不等，调节转子电流改变机组转速，使输出功率按与P-s设定关系曲线运行，实现最佳叶尖速比调节；9高于额定风速时，功率给定保持额定值，当风速扰动及变桨调节滞后使发电功率波动时，通过转子电流瞬间改变机组转速，利用风轮储存和释放能量维持输入与输出功率平衡，实现功率稳定。风力发电原理655.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制5. 异步发电机的并网方法异步发电机运行靠转差率s调整负荷，其输出功率与转速近似线性关系，对机组并网中的调速不要求严格同期条件，无需同步设备和整步操作，只要n接近n1即可并网。并网存在问题：9直接并网时会产生过大冲击电流，使电网电压瞬时下降。9风电机组容量越大，冲击电流对发电机安全以及对电网的影响也越严重。9过大的冲击电流，可能使发电机与电网连接的主回路中自动开关断开；电网电压的较大幅度下降，可能会使低压保护动作，导致发电机无法并网。风力发电原理6633风力发电5.3发电机控制5.3.2 异步风力发电机控制5. 异步发电机的并网方法采用异步发电机的风电机组，并网方式有：1）直接并网方式要求并网时发电机的相序与电网的相序相同，当异步发电机转速接近同步转速时即可自动并网自动并网的信号由测速装置给出，再通过自动空气开关合闸完成并网过程。只适合于发电机组容量较小而电网容量较大的场合。2）准同期并网方式转速接近n压，然后对已励磁建立的发电机电压和频率进行调节和校正，使1时，先用电容励磁建立额定电其与电网系统同步，当发电机的电压、频率、相位与系统一致时，将发电机投入电网运行。3）降压并网方式4）晶闸管软并网方式风力发电原理675.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制MW级以上的大型并网风力发电机组多采用变桨及变速运行方式，可优化风电机组的机械负载及发电质量。风力机和发电机都变速运行，必须采用在变速运行时能发出恒频恒压电能的发电机，才能并网。将具有绕线转子的双馈异步发电机与变频器，PWM控制技术结合——变速恒频发电系统。风力发电原理6834风力发电5.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制1. 双馈异步风力发电机控制系统双馈异步风力发电机在亚同步、超同步、同步三种工况下都可向电网输出电能。原因：采用可控的转子交流励磁技术。通过矢量控制技术，实现定子输出有功功率与无功功率的解耦控制。风力发电原理695.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制1. 双馈异步风力发电机控制系统矢量变换控制，用于交流电动机的高性能调速控制上。1.基本原理：通过测量和控制异步电机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电机的励磁电流和转矩电流进行控制，达到控制异步电机转矩的目的。2.定子电流被分解成磁场定向旋转坐标系中的励磁分量和相垂直的转矩分量。风力发电原理7035风力发电5.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制1. 双馈异步风力发电机控制系统矢量变换控制9定子电流励磁分量和转矩分量不再具有耦合关系，对其分别控制，实现交流电动机磁通和转矩的解耦控制（相当于控制直流电动机）。风力发电原理715.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制1. 双馈异步风力发电机控制系统将矢量变换控制技术用于双馈异步发电机的控制9异步电机控制对象：磁通、转矩9双馈异步发电机：有功和无功功率坐标变换和磁场定向，将双馈异步发电机IP、Q解耦。s分解为有功和无功分量，分别对两个分量的控制，实现风力发电原理7236风力发电5.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制1. 双馈异步风力发电机控制系统基本概念：坐标变换；磁场定向坐标变换：把电网或者电机三相交流量通过一变换矩阵，变成两相交流量，再通过两相静止到两相旋转坐标变换(mt)将两相交流量等效转化为两相直流量坐标变换矩阵不唯一，与定向角有关。选择恰当定向角，可简化运算，利于控制。双馈风力发电机控制中，常用定子磁链定向风力发电原理735.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制1. 双馈异步风力发电机控制系统以定子磁链定向的矢量控制系统，涉及定子磁链观测，即检测定子磁链幅值和相位角(φ)计算定子磁链方法：9定子磁链定向后，忽略RS，则定子电压矢量和定子磁链矢量之间相位相差90º，幅值相差一个同步速的倍数。风力发电原理7437风力发电5.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制1. 双馈异步风力发电机控制系统双馈发电机矢量控制系统框图双闭环结构控制系统，外环—功率控制环内环—电流控制环风力发电原理755.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制2. 转子变流器发电机转子回路中采用不同类型的变流器作为转子交流励磁电源：（1）交-直-交电压型强迫换流变流器•可实现电机由亚同步到超同步运行的平稳过渡，扩大风力机变速运行范围；采用强迫换流，可实现功率因子的调节；•转子电流为方波，会在电机内产生低次谐波转矩。（2）交-交变流器•省去上述变频器中的直流环节；也可实现由亚同步到超同步运行的平稳过渡及调节功率因子；•缺点：需应用较多晶闸管，同时在电机内产生低次谐波转矩。（3）采用脉宽调制(PWM)控制的由IGBT组成的交-直-交变流器•可获得正弦转子电流，不会产生低次谐波转矩，能实现功率因子调节。风力发电原理7638风力发电5.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制3. PWM控制的基本原理及交-直-交变流器PWM控制：通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形。风力发电原理775.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制3. PWM控制的基本原理及交-直-交变流器交-直-交变流器的拓扑结构2个组成部分：网侧和转子侧变换器风力发电原理7839风力发电5.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制3. PWM控制的基本原理及交-直-交变流器变流励磁电源可看成双向四象限变流器•双向：功率双向流动，转子通过变流器可从电网吸收电能（亚同步运行），又可向电网回馈电能（超同步）•四象限：变流励磁电源可运行于以正阻性、纯电容、负阻性、纯电感四种典型特性为边界组成的四个象限内任何一点，将电网三相工频电压变换成频率、幅值、相位均可变的励磁电压实现转子交流励磁。风力发电原理795.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制3. PWM控制的基本原理及交-直-交变流器网侧变换器的作用：实现电网交流侧单位功率因数的控制和在各种状态下保持直流环节电压稳定，确保转子侧变换器甚至整个双馈发电机励磁系统可靠工作。转子侧变换器的功能：在转子侧实现根据发电机矢量控制系统指令变换出需要的励磁电压。（转子三相励磁电压即由其实现）风力发电原理8040风力发电5.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制3. PWM控制的基本原理及交-直-交变流器网侧和转子侧变换器的电路拓扑结构完全一样，三相桥式PWM电路，关于中间的直流电容对称，又称背靠背变流器。电路中主要器件：6个IGBT及反并联二极管。风力发电原理815.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制4. 系统的优越性1）变速恒频发电系统有能力控制异步发电机的转差在合适范围内变化，可实现优化风力机叶片的桨距调节，可减少叶片桨距调节频率。2）可降低风力发电机组运转时噪声水平。3）可降低机组转矩剧烈起伏，减小旋转部件的机械应力，以减轻部件质量。4）风力机运行速度能在较宽范围内被调节到最优化效率数值，使叶尖速比最佳，获得高发电效率。风力发电原理8241风力发电5.3发电机控制5.3.3 双馈式发电机控制4. 系统的优越性5）可实现发电机平滑的电功率输出，优化供电质量。6）与电网连接简单，并可实现功率因子的调节。7）可实现运行，相同的运行机组也可并联运行。8）变流器容量取决于发电机变速运行时最大转差功率，一般电机的最大转差率为±(25% ~35%)，变流器的最大容量仅为发电机额定容量的1/3-1/4。风力发电原理835.3发电机控制5.3.4 直驱式发电机控制直驱式永磁同步风力发电机组，效率高、控制效果好，也以变速恒频方式运行。与双馈风电机组的不同：9直驱式的变速恒频控制是在发电机的定子侧电路中实现的。9发电机发出的频率变化的交流电先整流成直流电，再逆变为恒定频率的交流电送入电网。9不需电励磁，控制更简单。风力发电原理8442风力发电5.3发电机控制5.3.4 直驱式发电机控制直驱式永磁同步发电机组系统结构图定子和电网之间采用全功率背靠背电压源型变流器。9与电网相连的变流器控制直流侧电压和流向电网的发电功率，实现有功和无功功率的解耦控制；9与发电机相连的变流器根据风速变化调节发电机转速，实现最大功率跟踪、最大效率利用风能。风力发电原理855.3发电机控制5.3.4 直驱式发电机控制永磁同步发电机的转子磁场不可控。由转子磁场定向dq0坐标系下的发电机瞬时电磁转矩方程式知，系统参数不变时，对电磁转矩的控制实为对定子d轴和q轴电流的控制。给定的输出电磁转矩，多个不同的d、q轴电流的控制组合，将影响系统的效率、功率因数、发电机端电压及转矩输出能力——永磁同步发电机的电流控制策略问题。风力发电原理83风力发电5.3发电机控制5.3.4 直驱式发电机控制永磁同步发电机的控制策略：采用dq0轴系转子磁链定向控制，并使纵轴电流id=0——直驱式永磁同步风力发电系统最常用控制策略。id=0时，定子电流只有q轴分量，且定子磁链空间矢量和永磁体磁链空间矢量正交。id=0时，Tem与q轴电流分量成正比风力发电原理875.3发电机控制5.3.4 直驱式发电机控制id=0时永磁同步电机空间矢量图不存在d轴电枢反应，不产生去磁作用。定子电流is在q轴上。运动方程风力发电原理8844风力发电5.3发电机控制5.3.4 直驱式发电机控制机械转矩直驱式风电系统的转子机械转速与风轮转速相同风速变化时，调节电磁转矩，即可改变发电机的机械转速，使风轮转速跟踪参考值，获得最优叶尖速比，最大效率利用风能。风力发电原理5.3发电机控制5.3.4 直驱式发电机控制系统控制框图低于额定风速时，为追踪最大风能，根据逆变器输出电功率计算当前参考转速，并与实际转速比较，得q轴参考电流。调节实际电流跟踪该参考值并加上前馈补偿项，得q轴参考电压。风力发电原理9045风力发电5.3发电机控制5.3.4 直驱式发电机控制系统控制框图始终保持id=0，得到定子端在dq0轴系下的参考电压，经2/3变换，转换为三相坐标系下的参考电压，通过可控整流器调节电机定子端实际输出三相电压跟踪该给定值，即实现最大风能捕获。(低于额定风速时)风力发电原理915.3发电机控制5.3.4 直驱式发电机控制直驱式和双馈式风力发电机组的异同：（1）双馈式风电系统，需齿轮箱，电机高速运转，机组重量增加，齿轮箱故障率较高。直驱式风电机组，风轮直接耦合发电机转子，发电机转速低，起动转矩大；机组重量轻，故障率小。（2）双馈式电机为异步发电机，定子绕组直接连接电网，转子绕组接线端由电刷集电环引出，经变流器连接电网，通过转子交流励磁调节实现变速恒频运行，机组运行范围很宽。直驱式电机为同步发电机，定子绕组经全功率变流器接入电网，机组运行范围较宽。转子为多级永磁体励磁，但电机结构复杂、直径较大、运输困难。风力发电原理9246风力发电5.3发电机控制5.3.4 直驱式发电机控制直驱式和双馈式风力发电机组的异同：（3）双馈式，变流器，流过转子电路的功率是发电机的转差功率，为定子额定功率的一部分。双向励磁变流器的容量仅为发电机容量的一部分，成本极大降低，容量越大越好。直驱式，变流器为全功率变频，容量大、成本高。（4）双馈式风电系统，网端采用定子电压（磁链）定向原则，可实现并网功率的有功无功调节，功率因数可调。直驱式风电系统，网端采用网侧电压定向原则，可实现并网功率的有功无功解耦控制，功率因数可调。风力发电原理93第5章风力发电机组的控制及安全保护5.1 风力发电机组的控制技术5.2 风力机控制5.3 发电机控制5.4 风力发电机组信号检测5.5 控制系统的执行机构5.6 风电机组的安全保护风力发电原理9447风力发电5.4风力发电机组信号检测5.4.1 风速及风向信号检测风速、风向是重要风况参数风速：功率计算及风力机控制的重要参考量风向：是偏航控制的主要参考量国际能源组织IEA(1990)的标准：在4 ~ 25 m/s风速下，测量精度要达到±0.5m/s以上常用测风速及风向传感装置：风向标和风杯风速计风力发电原理955.4风力发电机组信号检测5.4.1 风速及风向信号检测风向标与风速计安装在风力发电机组机舱罩上的固定支架9风速计的传感部分由3个互成120º固定在支架上的抛物锥空杯组成，9在风速作用下与同轴联接的四极磁铁共同旋转，在一侧固定的低阻抗线圈中产生与风速成比例的交流信号输出，其频率与风速成正比，检测交流信号频率大小即可得转速。9机组对风的风向信号来自风向标。IEC标准：风向测量误差不大于5º风力发电原理98风力发电5.4风力发电机组信号检测5.4.2 转速信号检测包括风轮转速和发电机转速的测量。风轮和发电机的转速直接影响机组运行和并网，是控制系统的重要测量参数，对转速测量的准确度和精度要求较高。风力发电机转速测量的2种方法：1.霍尔传感器测量转速•当转轴转动时，测速齿轮与磁极之间磁阻大小发生交替改变，使得磁通量交变，产生随齿轮变化的交流电压信号，调理后的脉冲信号即传送至处理器进行转速计数运箅。风力发电原理975.4风力发电机组信号检测5.4.2 转速信号检测风力发电机转速测量的2种方法：2. 增量式光电编码器测量转速•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•风电机组转速测量中应用较多风力发电原理9849风力发电第5章风力发电机组的控制及安全保护5.1 风力发电机组的控制技术5.2 风力机控制5.3 发电机控制5.4 风力发电机组信号检测5.5 控制系统的执行机构5.6 风电机组的安全保护风力发电原理995.5控制系统的执行机构执行机构：变桨系统、偏航系统和液压制动系统。9变桨系统分为液压变桨和电机驱动变桨系统，完成对风力机的变桨距操作。9液压系统为液压变桨距系统提供动力，并执行机械制动操作。9偏航系统使风轮轴线与风向保持一致，对风。风力发电原理10050风力发电
