06第六讲大型风电的控制-2012

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恒速恒频系统
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• 这要求风力机有很好的调速机构，或
采用其他方式维持风力发电机转子转 速不变，以便维持发电机的频率与电 网的频率相同，否则，发电机将与电 网解裂。恒速恒频系统缺点是风能利 用系数低，减少了机组的年发电量。
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2、变速恒频系统
• 变速恒频发电系统是70年代中期开始
研究和发展起来的一种新型风力发电 系统，其特点是发电机的转速和负荷 可以在很大范围内变化而不影响其输 出电压和频率的恒定。
大型风力发电机的机组控制
• 1973年发生石油危机以后，美国、西
欧等发达国家为寻找替代化石燃料的 能源，投入大量经费，动员高科技产 业，利用计算机、空气动力学、结构 力学和材料科学等领域的新技术研制 现代风力发电机组，开创了风能利用 的新时期。
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• 风能技术是一项综合技术，它涉及到
空气动力学、结构力学、气象学、机 械工程、电气工程、控制技术、材料 科学、环境科学等多个学科和多种领 域。风的不稳定性、风能流密度低和 并网技术的要求推动着风力发电机组 的控制技术发展。
• 特点：双馈发电机结构简单，坚固可
靠，比较适合风力发电等运行环境比 较恶劣的发电系统使用。
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• 如图1所示，BDFM定了有两套不同极数的
三相对称绕组，一套直接接至电网的称为 功率绕组，另一套通过变频器接至电网的 称为控制绕组，两套定了绕组在电路和磁 路方面是解藕的。
• 转子采用径向分层的环路结构，简单坚固
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• 风力机的输出功率处于不断变化中，
桨距调节机构频繁动作。风力发电机 组桨距调节机构对风速的反应有一定 的延时，在阵风出现时，桨距调节机 构来不及动作而造成风力发电机组瞬 时过载，不利于风力发电机组的运行。
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• 变桨距风力机能使叶片的安装角随风速而
变化，从而使风力机在各种工况下（起动、 正常运转、停机）按最佳参数运行。
• 为使电机能高效率地运行，风力发电机常
配置双电机或双绕组电机，以适应不能的 风速段。解决电机切换过程的瞬变电流， 是此切换控制功能的主要内容。
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• 机组的起动与停机： • 机组能在控制系统的控制下，按照风
力机组起动/停止的顺序来控制机组的 起动/停止。
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• 紧急停机控制： • 对变浆距风力发电机组，通过应急顺浆机
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特点
① 额定容量大，转动惯量小。为了控制发热，
定转子冲片选用低损耗优质冷轧硅钢片。
② 发电机工作时，转子采用变频器供电。而
变频器在使用IGBT作为功率元件后，电 机的转子线圈将承受来自变频器的过电压 冲击。因此对电机转子的绝缘结构，做了 以下针对性的设计：
转子的工作电压范围在0～700V，在转子
构和变速传动机构中的气(液)动制动装置 的动作来实现紧急停机。
• 对定浆距风力发电机组，通过叶尖气动刹
车机构和变速传动机构中的气(液)动制动 装置的动作来实现紧急停机。
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• 自动并网/解列控制： • 风力发电机的并网控制和风力发电机
的类型有关，主要用于线路投切和机 组并网，它通过交流量的采样，开关 量输入和输出，以及各种手/自动操作， 达到交流信号的检同期和自动同期功 能；
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• 在额定风速以上时，变桨距机构发挥
作用，调整叶片攻角，保证发电机的 输出功率在允许范围以内。
• 变桨距风力发电机组的起动风速较定
桨距风力发电机组低，停机时传动机 械的冲击应力相对缓和。
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• 风力发电机组正常工作时，主要采用
功率控制。对于功率调节速度的反映 取决于风力机桨距调节系统的灵敏度。 在实际应用中，由于功率与风速的三 次方成正比，风速的较小变化将造成 风能的较大变化。
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• 风力发电机组在启停过程中，机组各
部件将受到剧烈的机械应力的变化， 而对安全运行起决定因素是风速变பைடு நூலகம் 引起的转速的变化。所以转速的控制 是机组安全运行的关键。
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• 风力发电机组组的运行是一项复杂的
操作，涉及的问题很多，如风速的变 化、转速的变化、温度的变化、振动 等都是直接威胁风力发电机组的安全 运行。
机组载荷；
• 轮毂与叶片间简单连接； • 轮毂内部没有活动件； • 不需要额外功控制； • 功率控制可靠性高 。
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(1)定桨距失速控制
• 风力机的功率调节完全依靠叶片的气
动特性，称为定桨距风力发电机组。 这种机组的输出功率随风速的变化而 变化，从风能利用系数Cp的关系看， 难以保证在额定风速之前使Cp最大， 特别是在低风速段。
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• 功率调节 • 定浆距功率调节： • 根据异步发电机转速与同步转速的转
差率来调节功率的输出及风轮转速。
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• 变浆距功率调节： • 根据测量风速和测量风轮转速调节浆
叶安装角的变化和变化速度来控制功 率的输出及转速。
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• 顺序控制 • 迎风机构的控制： • 根据风向传感器的信号控制迎风机构的伺
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二、风力发电机组发电机控制技术
• 1、恒速恒频系统 • 2、变速恒频系统 • 3、双馈发电机 • 4、直驱式风力发电机组
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1、恒速恒频系统
• 恒速恒频系统在同步发电机或异步发
电机，通过稳定风力机的转速来保持 发电机频率恒定。不论发电机的转矩 （对叶轮讲即为阻转矩）如何变化， 发电机的转速恒定不变。
• 它可以使发动机在额定风速以下的工作区
段有较高的发电量，而在额定风速以上高 风速区段不超载，不需要过载能力大的发 电机等。
• 当然它的缺点是需要有一套比较复杂
的变桨调节机构。
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• 现在这两种功率调节方案在技术上都
比过去的有很大改进，而两种方式结 合称为主动失速，都为大、中型风力 发电机组广泛采用。
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一、叶轮控制技术
• 功率调节是叶轮的关键技术之一，目
前投入运行的机组主要有两类功率调 节方式：一类是定桨距失速控制；另 一类是变桨距控制。
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• 定浆矩与变桨矩气动特性 • 原理与功率输出特点 • 结构特点
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• 变距Pitch • 变距是主动控制系统；
• 需要给变距驱动机构
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总体结构
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定子
转子
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前端盖
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后端盖
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集电环、刷架
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定、转子接线盒
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空/空冷却器
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电磁数据
• 发电机类型：交流异步双馈发电机 • 极数：4 • 额定输出功率：1550kW • 额定定子输出功率：1325kW • 额定转子输出功率：225kW • 定子额定电压：690V • 转子开路电压：1955V • 额定转速：1755r/min • 工作转速范围：975~1970r/min • 功率因数：＋0.95~－0.95 • 效率：97% • 定子接法：△ • 转子接法：Y
各部分的输出电压波形。发电机本身具有 较高的旋转频率为 fr 。用频率为fm的低频 交流电励磁。当频率fm远低于 fr 时，发电 机三相绕组的输出电压波形将是由频率为 （ fr + fm）和（ fr 一fm）的两个分量组 成的调幅波（图 1 波形 b ）。
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• 将三相绕组接到一组并联桥式整流器，得
偏航、对风、解绕等，并在桨距调节器和 功率控制器之间进行协调控制。
• 桨距调节器主要完成叶片节距调节，控制
叶片桨距角，在额定风速之下，保持最大 风能捕获效率，在额定风速之上，限制功 率输出。
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• 功率控制器主要完成变速恒频控制，保证上网电
能质量，与电网同压、同频、同相输出，在额定 风速之下，在最大升力桨距角位置，调节发电机、 叶轮转速，保持最佳叶尖速比运行，达到最大风 能捕获效率，在额定风速之上，配合变桨距机构， 最大恒功率输出。
经特殊设计，线圈可以轻松放入槽内，最大限度 保证转子线圈绝缘层不受到损坏。
VPI（真空压力）浸漆+旋转烘焙。提高挂漆量
的同时，提高转子的平衡精度。
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③ 由于风力发电机使用场合的特殊性，设计使用
寿命要求≥20年。因此在结构设计时，着重考 虑以下几个方面：
耐低温。主体结构的材料采用耐低温的材料。 整体结构耐振性能。箱式+框架式结构的机座，
信号；
• 叶片绕旋转轴旋转，
减少受力；
• 失速控制 Stall • 变距是被动控制系统； • 叶片是固定角度； • 随着风速的增加，会产
减生扰流；
• 功率较低少受力；
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• 优点 • 主动控制功率； • 在空气密度很低时也
可达到额定功率；
• 通过调节桨距角实现
开 、关机；
• 不需要强制刹车； • 改变桨距角可以减少
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控制系统构成
• 变速变距型风电机组控制技术较复杂，其
控制系统主要由三部分组成：主控制器、 桨距调节器、功率控制器（转矩控制器）。 系统构成如图所示。
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电网
齿轮箱
桨距角
发电机
变流器
桨距 调节器
桨距角 参考值
主控制器
功率 控制器
功率 参考值
电功率
变速变距风电机组控制系统
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• 主控制器主要完成机组运行逻辑控制，如
• 定桨距失速控制风力机整机机构简
单，部件少，造价低，并具有较高 的安全系统，利于市场竞争。
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• 缺点：失速型叶片本身结构复杂，成
型工艺难度也较大。随着功率增加， 叶片加长，所承受的气动推力增大， 叶片的失速动态特性不易控制，使制 造更大机组受到限制。
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（2）变桨距控制
• 为了尽可能提高风力机风能转换效率
• 小范围内的抑制功率波动，由功率控制器驱动变
流器完成，大范围内的超功率由变桨距控制完成。