第五章 变速恒频风力发电机组的控制
变速恒频双馈风力发电机组控制技术
随着传统能源的逐渐枯竭和环境问题的日益严重，开发可再生能源已
成为全球的迫切需求。风能作为一种清洁、可再生的能源，具有巨大
的开发潜力。
02
风力发电技术发展
随着风电技术的不断进步，风力发电机组的功率和效率得到了显著提
高。变速恒频双馈风力发电机组作为其中的一种重要技术，具有较高
的能量捕获能力和稳定性，得到了广泛关注。
变速恒频双馈风力 发电机组控制技术
2023-11-06
目录
• 引言 • 变速恒频双馈风力发电机组概述 • 变速恒频控制技术 • 双馈风力发电机组的矢量控制技术 • 双馈风力发电机组的直接功率控制技术 • 双馈风力发电机组控制技术的改进与优化建议 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
01
能源危机和环境污染
直接功率控制策略的实验验证
实验平台
为了验证DPC策略的有效性， 需要建立实验平台，包括双馈 风力发电机组、电力电子设备
、测量仪器等。
实验过程
在实验平台上对DPC策略进行 验证，通过对励磁电流、转子 侧变换器电压等参数的调整， 观察双馈风力发电机的运行状
态和性能指标。
实验结果分析
通过对实验数据的分析，可以 评估DPC策略的控制效果和经 济效益。同时还可以对不同控 制策略进行比较和分析，以选
04
双馈风力发电机组的矢量控制 技术
基于矢量控制的双馈风力发电机组控制
01
02
03
矢量控制原理
基于矢量图的分析方法， 通过控制直交坐标系上的 两个分量来实现对电磁转 矩的控制。
矢量控制策略
通过控制励磁电流和转子 电流的幅值和相位，实现 对双馈风力发电机组的有 效控制。
变速恒频风力发电机空载并网控制
变速恒频风力发电机空载并网控制随着环境保护和可持续发展的重要性日益凸显，风力发电作为一种清洁、可再生的能源，得到了广泛应用。
在风力发电机组中，变速恒频风力发电机是一种常见的类型。
本文将重点探讨变速恒频风力发电机空载并网控制的原理、优缺点及应用。
变速恒频风力发电机组是一种通过风轮捕捉风能，并将其转换为电能的技术。
与恒速恒频风力发电机相比，变速恒频风力发电机具有更高的风能利用率和更宽的转速范围。
其工作原理是，通过调整风轮转速，以适应风速的变化，从而保持发电机输出频率的稳定。
空载并网控制是指风力发电机在不带负载的情况下与电网连接。
实现空载并网的关键在于控制风轮转速和发电机电流，以确保发电机与电网的同步。
常见的空载并网控制策略包括以下两种：直接并网法：在风速达到额定值后，风轮直接驱动发电机进入同步状态，然后进行并网。
此种方法简单直接，但并网瞬间会产生较大的冲击电流。
软并网法：通过控制风轮和发电机的转速，缓慢地将发电机接入电网，从而避免冲击电流的产生。
这种方法需要更多的控制环节和算法，但其并网效果较直接并网法更为平稳。
优点： a.由于能够适应风速的变化，所以具有较高的风能利用率； b.通过调整转速，可以减轻风轮和发电机的机械应力，提高设备的寿命；c.与恒速恒频风力发电机相比，其启动和停止更为灵活。
缺点： a.控制系统的设计较为复杂，需要精确的转速和电流控制； b.并网过程中可能产生较大的冲击电流，对电网造成一定的影响； c.需要采取措施来应对电网的波动，以保证系统的稳定运行。
变速恒频风力发电机空载并网控制在现代风力发电场中得到了广泛应用。
例如，根据某风力发电场的数据，采用变速恒频风力发电机空载并网控制后，该风电场的年发电量增加了30%，同时设备维护成本降低了20%。
这充分证明了变速恒频风力发电机空载并网控制在提高发电效率和降低运行成本方面的优势。
变速恒频风力发电机空载并网控制是风力发电技术中的重要一环。
通过控制风轮转速以适应风速的变化，保持发电机输出频率的稳定，可以实现高效的电能转换。
简述变速恒频风力发电系统的控制策略
简述变速恒频风力发电系统的控制策略一、引言随着近年来可再生能源的发展，风力发电作为其中的一种重要形式，其技术也在不断地发展。
变速恒频风力发电系统作为目前应用最广泛的一种风力发电系统，其控制策略对于提高系统效率、保证系统安全运行至关重要。
二、变速恒频风力发电系统概述1. 变速恒频风力发电系统组成变速恒频风力发电系统主要由风机组、传动装置、变速器、功率转换装置、控制器等部分组成。
2. 变速恒频风力发电系统原理变速恒频风力发电系统通过控制叶片角度和转子转速来调节输出功率。
当风速较低时，通过调节叶片角度使得转子旋转较慢，从而保证输出功率稳定；当风速较高时，则通过调节变速器使得转子旋转更快，从而提高输出功率。
三、变速恒频风力发电系统控制策略1. 整体控制策略整体控制策略是指对整个变速恒频风力发电系统进行控制。
其中包括对于叶片角度、变速器及功率转换装置的控制。
整体控制策略可通过PID控制器进行实现。
2. 叶片角度控制策略叶片角度控制策略是指通过调节叶片角度来调节输出功率。
在低风速下，系统需要保持输出功率稳定，此时需要通过调节叶片角度来实现；在高风速下，系统需要提高输出功率，此时也需要通过调节叶片角度来实现。
3. 变速器控制策略变速器控制策略是指通过调节变速器来调节转子转速，从而提高输出功率。
在高风速下，系统需要提高输出功率，此时可以通过增加变速器齿轮比例来实现。
4. 功率转换装置控制策略功率转换装置控制策略是指通过调节功率转换装置的电压和频率来实现对于电网的连接。
当系统输出过多电能时，可以通过降低电网连接频率或者增加电网连接阻抗来减少电能输出。
四、总结变速恒频风力发电系统作为目前应用最广泛的一种风力发电系统，在其控制策略方面有着多种不同的方法。
整体控制策略、叶片角度控制策略、变速器控制策略和功率转换装置控制策略都是常用的控制方法。
在实际应用中，需要根据不同的情况进行选择，以保证系统稳定运行和高效输出。
变速恒频风力发电机的原理及控制研究
变速恒频风力发电机的原理及控制研究一、变速恒频风力发电机原理（一）系统介绍交流励磁发电机定子绕组接入工频电网，转子绕组经一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电。
该系统，允许原动机在某范围内变速运行，简化了调制装置，减少了调速时的机械应力，提高了机组运行效率；调节励磁电流幅值，可调节发出的无功功率；调节励磁电流相位，可调节发出的有功功率；应用矢量控制可实现有功、无功功率的独立调节。
（二）频率分析双馈变速恒频风力发电系统如图一，由交流异步发电机的基本原理可得：f 1=np 60±f 2 (1) (1)式中f 1为定子电流频率，n 为转子转速，p 为电机的极对数，f 2为转子励磁电流的频率。
当发电机的转速n 小于定子旋转磁场的同步转速 n 1时，处于亚同步运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子机械旋转方向相同，式中f 2取正号，此时变频器向发电机转子提供交流励磁，定子发出电能给电网。
当n 大于n 1时，处于超同步运行状态，转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子机械旋转方向相反，式中f 2取负号，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能量逆向流动。
当n 等于n 1时，处于同步运行状态，此时发电机作为同步电机运行，f 2=0，变频器向转子提供直流励磁。
（三）能量流动分析对发电机来说，从转子输入的机械能，克服气隙磁场中导体所受的电磁力而做功，使导体不断地感应电势，从而源源不断地发出电能，实现机械能到电能的转换。
机电能量转换过程应该满足能量守恒定律，则得出定子侧的电磁功率方程为：P m =P cu 1+P 1 (2)（1）式中P m 为电磁功率，P cu 1为定子绕组的铜耗，P 1为定子输出的电功率。
同理，经气隙传递的电磁功率从转子侧可以表示为：P2=P cu2+P e2(3)（2）式中P2为转子侧输入(或输出)的电功率，P cu2为转子绕组的铜耗，Pε2为转子绕组转换或传递的电功率。
变速风力发电机组的控制方式
转子电压和频率 比例于 电机转差率 ， 随着转速变化而变化 ， 变频器 把转差频率的转差功率变为恒压 、 频（０ ） 恒 ５ ＨＺ的转 差功率 ， 送至电网。
Ｐ Ｐ— Ｐ＝Ｐ； ＝１ｓ ｓ ＝ ｓＰ ＲｓｓＰ （－） Ｐ Ｐ— 差至 电 网 总功 率 ； ＿
Ｐ和 Ｐ 【 分别是定子和转子功率 。 广一 转速 高于同步速时 ， 转差率 ｓＯ 转差功率流 出转子 ， ＜， 经变频器送 至 电网 ， 电网收到 的功率为定 、 转子功率之和 ， 大于定子功率 ； 转速低于同 步转速时 ，＞ ， ｓ０ 转差功 率从 电网 ， 经变频 器流入转子 ， 电网收到 的功率 为定 、 转子输 出功率之差， 于定子功率 。 小 双馈异步控制系统的运行过程 系统的运行分为两个 阶段 ： 同步阶段 ： 在此过程 中风机 已经 开始转 动， 当其转速 大于启 动转速 后 ， 电回路 先闭合 ， 充 使变频器直 流电容电压升高 ， 当电压大 于 ８ ％额 ０ 定值后 ， 转子回路主接触器闭合 ， 并且 同时断开充 电回路接触器 。母线 电压不断升高至额定值 ， 这时变频器逆变器开始工作 ， 电机转子 中有电 流 ， 以 在定 子 中 有 电 压 产 生 ， 频 器 检 测 电 网电 压 和 电机 定 子 电压 ， 所 变 通过调节住转 子的电压电流 ， 使这两个 电压 同步 ， 并且闭合定子主接触 器， 系统便完成 了同步切入。 运行阶段 ： 同步切人结束后便进入正常运行阶段 ， 这个时候通过上 述的三阶段控制方法使风力发电机输出最大的额定功率。在实际运行 中， 变频器接收主控制传输过 来的两个主要控制信号 ： 功率因数 和电机 力矩 。功率 因数信号使变频 器输入端的输入功率因数始终为 １ 电机力 ， 矩使 风力发 电系统始终随着风速变化而输出最大的额定 功率 。主要 的 控制方式可 以通过矢量控制和直接力矩控制实现上述功能。 双馈系统在变频器中仅 流过转差功率 ， 容量小 ， 常按发 电总功 其 通 率的 ２ ％ 右选取 ， ５左 投资和损耗小， 电效率高 ， 发 谐波吸收方便 。 由于要 求双 向功率流过变频器 ， 它必须是四象限双 Ｐ ＷＭ变频器 ， 由两套 Ｉ Ｔ ＧＢ 变换器构成 ， 价格是 同容量单象限变频器的一倍 。 而且只能使用双馈电 机， 效率较低 ， 而且有滑环和碳刷 ， 维护工作量较大 。 ５永磁 同步全馈风力发电控制 系统 ． 用同步发电机发 电是今天最普遍 的发 电方式 。 然而 ， 同步发 电机的 转速和电网频 率之间是剐性耦合的 ， 如果原动力是风力 ， 那么变化的风 速将给发电机输入变化的能量 ， 这不仅给风力机带来高负荷和冲击力 ， 而且不能以优化方式运行。 如果发 电机和电网之 间使用频率转换器的话 ，转速和电网频率之 间的偶合 问题得以解决。 变频器 的使用 ， 使风力发电机组可以在不同的 速度下运行 ， 并且使发电机内部的转矩得以控制 ， 从而减 轻传动系统应 力。通过对变频器电流的控制 ， 可以控 制发 电机转矩 ， 就 而控制 电磁转 矩就可 以控制风力机的转速 ， 使之达到最佳运行状态 。 永磁 同步全馈 风力发 电控制 系统采用 永磁 同步电动机作 为发 电 机， 同步电动机输 出的频率 和电压 随转速变化 的交流 电， 经一 台双象限 ＩＢ Ｇ Ｔ电压型交一直一交变频器接至恒压 、 恒频电网， 如图 ３ 所示 ：
变速恒频风力发电系统风机转速非线性PID控制
变速恒频风力发电系统风机转速非线性PID控制（辽宁科技大学电信2010.1班，辽宁鞍山）摘要：针对变速风机非线性强、转动惯量大、转轴机械阻尼随转速变化的特点，提出了变速恒频风力发电系统风机转速非线性PID(nonlinear-PID，NLPID)控制策略，仿真研究表明，非线性PID控制响应快，超调小，受系统参数变化的影响较小，控制精度高，具有一定的适应性和鲁棒性。
此外，该文设计了基于模糊规则切换的模糊PID-PID双模变桨距控制器，在此基础上对变速恒频风力发电系统在全风速范围内的运行进行了数字仿真研究。
在高于额定风速时，通过变桨距控制器调节桨距角，系统能较好地将功率限制在额定值附近；在低于额定风速时，通过模糊推理，系统能够在免测风速的情况下给出转速参考信号，实现最大风能捕获或恒转速运行。
关键词：风力发电；最大风能捕获；变桨距；非线性PID控制器；模糊PID-PID双模控制Nonlinear PID Rotating Speed Control of Variable Speed Constant Frequency Wind Turbine SystemQiao shan(University of Science and Technology Liaoning, Anshan China)Abstract：Strong nonlinearity, big moment of inertia and changing mechanical damping with rotating speed are the characters of wind turbine．A new nonlinear-PID(NLPID)controller for rotating speed control in variable speed constant frequency(VSCF)wind turbine system is proposed. Fast response，small overshoot，high precision，strong adaptability and highly robustness are obtained by the proposed strategy．A fuzzy PID-PID dual-mode variable pitch controller is designed．Based on these, the VSCF wind turbine system running in the whole working wind speed range is studied by simulations．With the action of fuzzy PID-PID dual-mode controller, system can keep the rated output power above rated wind speed；when wind speed is under the rated value，system can estimate the optimal rotating speed without test of wind speed by fuzzy controller and reach the maximum wind-energy capturing or keep the rotating speed constant．Key words：wind power generation；maximum wind energy capturing；adjustable-pitch；nonlinear-PID controller；fuzzy PID-PID dual-mode control0 引言变速恒频风力发电技术是目前最具规模化开发条件和商业化发展前景的风力发电技术之一，已成为国内外风力发电领域的研究热点[1-3]。
变速恒频风力发电系统控制方案分析
制 方式来得到恒 定 的频率 。
风 能 与 风 速 的 三 次 方成 正 比 ， 当风 速 在 一 定 范 围 内 变 化 时 。若 允 许 风 力 机 作 变 速 运 行 ， 那 么 可 以 更 好 地 利 用 风 能 。 是 因 为风 力 机 的 风 能 利 用 系 数 Ｃ 在 某 一 确 定 的 风 轮 这 叶 尖 速 比 入下 达 到 最 大 值 ， 图 １ 示 。 速 恒 频 发 电 系 统 如 所 恒 的 风 力 机 由 于 只 能 固定 在 某 一 转 速 上 。 而 风 能 又 具 有 随 机
根 据 风 力 发 电过 程 中 发 电机 的 运 行 特 征 和 控 制 技 术 。
风 力 发 电 系 统 分 为 恒 速 恒 频 发 电 系 统 和 变 速 恒 频 发 电 系
究 较 多 的 变 速 恒 频 风 力 发 电 技 术 主 要 有 以下 几 种 ： １ 鼠茏 异 步发 电 系统 ． 系 统 如 图 ２所 示 ， 用 的 发 电机 为 笼 型 转 子 。 力 机 通 采 风
调 整 以及 环 境 保 护 将 起 到 重 要 作 用 。
变 速 恒 频 风 力 发 电是 近 年 来 发 展 起 来 的一 种 新 型 风 力 发 电 系 统 。 国 外 新 建 的 大 型 风 力 发 电 系 统 大 多 数 采 用 变 速
恒频 方式 。 目前 成 为 风 力 发 电 的 发 展 方 向 。 近年 来 世 界 上 研
维普资讯
＜ 陡 浇 饲 瓠 ）０７ ２０ 年第 ２ 期
工 程 科 技
变 速 恒 频 风 力 发 电系 统 控 制 方 案 分 析
倪 琳
合肥 ２００ ） ３ ０ ９ （ 肥工 业大 学 ， 徽 合 安
变速恒频风力发电系统运行与控制研究
变速恒频风力发电系统运行与控制研究一、本文概述随着全球对可再生能源需求的不断增长，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，在全球范围内得到了广泛的关注和应用。
变速恒频风力发电系统作为风力发电的一种重要形式，其运行与控制策略的研究对于提高风力发电的效率和稳定性具有重要意义。
本文旨在深入研究变速恒频风力发电系统的运行与控制技术，探讨其在实际应用中的性能表现和优化策略。
文章首先介绍了变速恒频风力发电系统的基本原理和组成结构，包括风力发电机组、变速恒频控制器、并网逆变器等关键部分。
然后，文章重点分析了变速恒频风力发电系统的运行特性，包括风速变化对系统运行的影响、最大功率跟踪策略的实现等。
在控制策略方面，文章详细探讨了变速恒频风力发电系统的控制技术，包括变速恒频控制、最大功率跟踪控制、并网控制等。
文章还分析了现有控制策略的优缺点，并在此基础上提出了一种优化的控制策略，以提高系统的运行效率和稳定性。
文章通过仿真实验和现场测试验证了所提控制策略的有效性和可行性，为变速恒频风力发电系统的实际应用提供了理论支持和技术指导。
本文的研究对于推动风力发电技术的发展，提高风力发电系统的运行效率和稳定性具有重要意义。
二、变速恒频风力发电系统基本原理变速恒频风力发电系统（Variable Speed Constant Frequency Wind Power Generation System, VSCF-WPGS）是一种新型的风力发电技术，其核心在于通过变速运行的风力发电机组，实现电网频率的恒定输出。
这一系统相较于传统的恒速恒频风力发电系统，具有更高的风能利用率和更好的电网适应性。
VSCF-WPGS的基本原理主要基于风力机、发电机以及控制系统的相互作用。
风力机通过风轮捕获风能，并将其转换为机械能。
由于风速的自然变化，风轮的转速也会相应变化，这就是所谓的“变速”特性。
接着，这种变化的机械能传递给发电机，通过电磁转换过程，将机械能进一步转换为电能。
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三、基本控制逻辑 (1)事先根据叶片特性计算出最优的叶尖速比λopt和最优功率系
数CPmax，将它们作为固定值设置在控制器中，于是由测量到的
发电机转速即可得知获得最大功率下的理想发电机电磁转矩。 (2)时刻计算∂Pem/∂ω，以爬山法来追求最优工作点，使∂Pem/∂ω= 0，从而获得最大功率输出。
风力发电机组监测与控制
第五章 变速恒频风力发电机组的控制
第五章 变速恒频风力发电机组的控制 第一节 变速恒频风力发电机组的控制目标
第二节 变速恒频风力发电机组的控制策略
第三节 常用的控制方法和手段
第一节 变速恒频风力发电机组的控制目标 叶轮所受的空气动力学载荷主要分为两大部分：确定性载荷与
随机性载荷。随机性载荷是由风湍流引起的，而确定性载荷则
统的扭转振动存在很大的阻尼，一般不会引起什么问题。但对 于变速恒频风力发电机组，特别是处于恒转矩控制状态下，叶 轮、齿轮箱和发电机的阻尼都很小，因而叶片的平面内振动模 态和电磁转矩脉动可能激发传动系统产生剧烈的扭转振动。
七、塔架前后振动的抑制
图5-7
带通滤波器的频率特性
八、独立变桨技术
图5-8 增加传动链阻尼后的转矩控制器
(4)机组在额定风速以上运行时，为保持稳定的功率输出而进行 的变速变桨耦合控制。
第二节 变速恒频风力发电机组的控制策略 一、变速风力机的转矩-转速特性
二、功率系数CP、叶尖速比λ和桨距角β的特定关系
三、基本控制逻辑 四、滤波器 五、转矩和变桨控制 六、传动系统的扭转振动抑制 七、塔架前后振动的抑制 八、独立变桨技术
图5-12 变速与变桨分步控制带来的功率损失
四、在过渡区域进行变桨调节以增强可控性 实际的运行中，由于叶轮动态特性的影响，如果在额定点C附
近的状态只靠变速控制或变桨控制向额定运行点C进行回归,将
很难使机组的运行状态稳定在C点，这是因为转矩调节和转速 调节的效果存在较大的时间差。 图5-13 过渡区域提前变桨调节对功率和CP的影响那么可取的 方法是同时运行两个控制器，其条件是，在远离额定风速时， 置其中一个或另一个控制环饱和。因此在大多数时间里还是只 有一个控制器处于激活状态，但是在接近额定点时它们可以建
三、基本控制逻辑
图5-3
变速恒频风力发电机组基本控制框图
四、滤波器
图5-4
低通滤波器的频率特性
四、滤波器
图5-5
带阻滤波器的频率特性
五、转矩和变桨控制
图5-6
转矩控制和变桨控制的耦合
六、传动系统的扭转振动抑制 在定桨恒速风力发电机组中，异步发电机转差曲线是一个很强
的阻尼器，阻力矩随着转速的增加而迅速增加。因此，传动系
设性的相互干预。
四、在过渡区域进行变桨调节以增强可控性
图5-13 过渡区域提前变桨调节对功率和的影响
(1)减小传动链的转矩峰值。 (2)通过动态阻尼来抑制传动链振动。 (3)避免过量的变桨动作和发电机转矩调节。 (4)通过控制风力发电机组塔架的振动尽量减小塔架基础的负载。 (5)避免轮毂和叶片的突变负载。
第二节 变速恒频风力发电机组的控制策略 变速恒频风力发电机组的基本控制策略是指在各不同的风速段、 不同的工作条件下，采用不同的控制方法调整机组的运行状态，
使其工作曲线表现出预期的工作特性，这些控制方法包括以下
方面： (1)机组在起动或停机时，为限制并网或脱网功率而进行的变桨 变速耦合控制。 (2)机组在额定转速以下运行时，使机组转速能跟随风速变化而 进行的发电机转矩控制。 (3)机组运行在额定转速而风速小于额定风速情况下，使机组保
持稳定转速的变速变桨耦合控制。
可分为以下三种： (1)稳态载荷，由叶轮轴向定常风作用而产生的载荷。 (2)周期载荷，即按一定周期重复的载荷。 (3)瞬态载荷，暂时性的载荷，如阵风和停机过程中所受的载荷。
第一节 变速恒频风力发电机组的控制目标 一个较完整的风力发电机组控制系统除了能保证良好的发电能
力和电能品质外，还应承担以下任务：
一、变速风力机的转矩-转速特性 (1)并网转速。
(2)额定转速。
(3)动态最大转速限制。 (4)额定转矩。 (5)动态最大转矩限制。 (6)CPmax运行段的系数。
一、变速风力机的转矩-转速特性
图5-1
变速风力机的转矩-转速特性区间
二、功率系数CP、叶尖速比λ和桨距角β的特定关系
图5-2
功率系数、叶尖速比λ、桨距角β的关系
第三节 常用的控制方法和手段 一、转速跳跃
二、降低运行轨迹的性能
三、变速与变桨的分步控制 四、在过渡区域
图5-9
转速跳跃
二、降低运行轨迹的性能
图5-10
降低运行轨迹的性能
三、变速与变桨的分步控制
图5-11
变速与变桨分步过渡的运行特性
三、变速与变桨的分步控制