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风力发电控制技术内蒙古工业大学风力发电控制技术2012杨亚枢（20111100367）电力学院（电力电子与电力传动）2012/5/20一， 试就某个世界知名风电企业从发展历史，技术特点，产品，市场占有率等方面加以较为详细的论述。今年4月16日，来自外媒的一则报道让萎靡不振的国际风电行业突然打起了精神。报道称，来自中国的华锐风电和金风科技成为陷入亏损状态的维斯塔斯的潜在收购方，尽管华锐风电在接受网易财经问询时没有予以证实，但是有消息显示，维斯塔斯确实向华锐风电等中国企业抛出了橄榄枝。去年维斯塔斯在全球风电市场的份额为12.9%，位居全球第一；此次并购中的另两位主角金风科技以9.4%位居第二，华锐风电以7.3%位居第七。丹麦的Vestas公司是世界风力发电工业中技术发展的领导者，位于世界上最大的10大风机设备供应商之首, 拥有20的全球市场份额，是世界最大的风能解决方案供应商。我们已在全球6大洲66个国家和地区安装了44,000多台风机。每天24小时中，我们平均每3小时就安装一台风机。事实上，我们的风机每年可提供约9,500万兆瓦时的电力，足以供千万户家庭使用。1.发展史（下面简略的列举几个意义比较重大的年份）2009年 4月16日，维斯塔斯在内蒙古呼和浩特的一体化工厂落成投产。发力中国！1979年：生产出第一台风机1980年维斯塔斯开始批量生产风机，并首次安装了80台55kW风机1995年 公司调整和Tunoe Knob海上风电场的建设1978年 ，第二次石油危机爆发，维斯塔斯开始看到风机作为替代型清洁能源的潜力于是进行了“打蛋器”形状的风机试验Peder Hansen于1945年 成立维斯塔斯，生产像搅拌器和厨用秤之类的家居用品1898年铁匠H.S.Hanse在丹麦创办了“Hansen 铁匠铺”维斯塔斯中国里程碑1986: 维斯塔斯为位于山东荣成的中国首个试验风场提供风机1999: 维斯塔斯中国在北京成立2005: 维斯塔斯中国在上海成立采购办事处2006: 叶片厂在天津落成2007: 机舱厂和发电机厂在天津落成2008: 三家新工厂在建：机械厂、控制系统厂和铸造厂2009: 新一体化工厂在内蒙古落成2009: 维斯塔斯全球最大的一体化风能设备生产基地在天津泰达落成2010: 维斯塔斯在中国成立技术研发中心2.技术特点凭借30多年的风能经验，维斯塔斯的每一台风机都提供现代的有竞争力的能源解决方案。我们不断地汲取空气动力学、功率调节、发电机调节等领域的新技术和现有技术发展成果。（1）计算流体力学(CFD)CFD程序创建一种虚拟风洞，能够较精确地模拟叶片周围的气流。CFD还可以用来计算转子的转动功率如何从整体上影响空气动力特性，并因此计算出风机的发电量，而且可进行评估风机现场定位（2）OptiTip（最佳浆距）OptiTip（最佳桨距）是一个由微处理器控制的浆距调节系统。OptiTip（最佳桨距）时刻调整着风机叶片的角度以获得在主导风向下的最佳位置。（3）OptiSpeed（最佳转速）OptiSpeed（最佳转速）允许转子转速在额定转速60%的范围内变化，在同步速度上下30%的幅度内变化。由此，可以最大限度地降低电网输出波动和重要部件的负荷，从而大大提高风机效率。总的来说，配备有OptiSpeed（最佳转速）的风机比不支持可变转速的风机的发电量要高出5%左右。该系统还最大限度地减少了齿轮箱、叶片和塔架的工作负荷，降低了噪音等级，提供最优质的电流。3.产品V52-850 kW无所不及的风机可安装在地势险峻、地形复杂的地区。V52-850kW风机轻巧的尺寸使其便于运输和安装V60-850kW最先进最高产的千瓦级风机新的V60-850 kW风机因中国而生，这是维斯塔斯首次为特定市场的特殊风力和天气条件量身设计的风机，其中凝聚了维斯塔斯最新的最先进的科技。V80-2.0 MW多用途兆瓦级风机V90-1.8/2.0MW先进且具竞争力该风机是适合于中低风速环境的最具竞争力的风机。V100-1.8 MW低风速下的强大技术该风机基于成熟、可靠的维斯塔斯2兆瓦产品平台设计而来V112-3.0 MW海上风机4.市场占有率维斯塔斯拥有20%的全球市场份额，是世界风能解决方案的领先供应商。我们已在全球六大洲66个国家和地区安装了43,000多台风机。我们每3小时就安装1台新的风机。事实上，我们的风机每年可提供约9,500万兆瓦时的电力，足以为千万户家庭提供电力。2011年6月30日前发电量2011年6月30日前维斯塔斯风机装机数二， 试论述现有风电发电系统的拓扑结构及各自特点。一是独立运行方式二是风力发电与其他发电方式（如太阳能发电） 风力发电系统主要 相结合形成互补发电系统有三种运行方式 三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力。（一）独立运行的风力发电系统风力发电机组独立运行是一种比较简单的运行方式。由于风能的不稳定性，需要配置充电装置，最普遍使用的充电装置为蓄电池，当风力发电机在运转时，为用电装置提供电力，同时将多余的电能向蓄电池充电。根据供电系统的不同可分为直流系统和交流系统。1、直流系统独立运行的直流风力发电系统为由一个风力机驱动的小型直流发电机经蓄电池蓄能装置想电阻性负载供电。当风力减小，风力机转速降低，致使直流发电机电压低于蓄电池组电压时，发电机不能对蓄电池充电，而蓄电池却要向发电机反向送电。为了防止这种情况的发生，在发电机电枢电路与蓄电池组之间装有由逆流继电器控制的动断出点，当直流发电机电压低于蓄电池组电压时，逆流继电器工作断开动断触点，使蓄电池不能向发电机反向供电。如图1-1所示。图1-1 独立运行的直流风力发电系统2、交流系统如果在蓄电池的正负极两端直接接上直流负载，则构成了一个由交流发电机经整流器组成整流后向蓄电池充电及向直流负载供电的系统。如图1-2所示。如果在蓄电池的正负极接上逆变器，则可向交流负载供电。如图1-3所示。图1-2 交流发电机向直流负载供电图1-3 交流发电机向交流负载供电独立运行的风力发电系统特点：结构简单，规模小，但只能向独立的小用户提供电力。（二）互补运行的风力发电系统在互补运行的风力发电系统中，除了有风力发电装置之外，还带有一套备用的发电系统，经常采用的是柴油机，也有利用太阳能电池。风力发电机和柴油发电机构成一个混合系统。在风力发电机不能提供足够的电力时由柴油机提供备用的电力，以实现连续、稳定的供电。主要特点是：一是系统可靠性高。互补运行发电系统综合了至少两个发电系统的特点，取长补短，相互补充，更好地保证了供电系统的可靠性；二是由于综合了多个发电系统的优势，互补运行发电系统从经济性、可靠性等方面进行更加科学、合理的配置。（三）并网运行的风力发电系统根据发电机的运行特征和控制技术，并网型风力发电系统可分为恒速恒频发电和变速恒频发电两大类。1、 恒速恒频发电机的并网运行恒速恒频风力发电系统的基本结构如图1-4所示。随着风速的变化，发电机输出频率变化较小，而且叶片转速变化范围也很小，看上去叶片似乎是在“恒速”旋转。目前常用于这种恒速风力机系统的功率控制方式为变桨距控制。其工作特性为：在额定风速以下时，桨距角保持零度附近，可认为等同于定桨距风力发电机，发电机的输出功率随风速的变化而变化；当风速达到额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整桨距角，保证发电机的输出功率在允许的范围内。它的主要优点是桨叶受力较小，因而可以做得比较轻巧，并且可以尽可能多的捕获风能，提高发电量；其缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。图1-4 恒速恒频发电系统恒速恒频风力发电系统具有结构简单、成本低、过载能力强以及运行可靠性高等优点。主要缺点：一是风力机转速不能随风速而变，从而降低了对风能的利用率；二是当风速突变时，巨大的风力传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力；三是并网时可能产生巨大的冲击电流。而在变速恒频中，发电机的转速是可以随风速变化的，变速恒频风力发电系统主要有两种类型，一种是双馈型异步发电机，一种是风力机直接驱动同步发电机。如图1-5为风轮机直接驱动的同步发电机系统，在此系统构成的变速恒频发电系统中，风力机直接与发电机相连，不需要齿轮箱升速，发电机输出电压的频率随转速变化而变化，通过交-直-交或交-交变频器与电网相连，在电网侧得到频率恒定的电压。图1-5 风轮机直接驱动的同步发电机系统如图1-6为双馈感应发电机系统，它基本结构包括绕线式异步发电机、变频器和控制环节，其定子绕组直接接入电网，转子采用三相对称绕组。发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过逆变器从转子输出的功率。当风力机运行在超同步速度时，功率从转子流向电网；而当运行在亚同步速度时，功率从定子流向转子。如图1-6 双馈感应发电机系统与传统的恒速恒频风力发电系统相比，变速恒频系统具有如下优点：（1）风能转换效率高。变速运行风力机以最佳叶尖速比、最大功率点运行，提高了风力机的运行效率，与恒速恒频风电系统相比，理论上年发电量一般可提高20以上。变速运行的风力机不但年运行小时数较高，而且输出功率上限也比恒速运行的风力机要高。 （2）采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，当风速跃升时，能吸收阵风能量，把能量储存在机械惯性中，减少阵风冲击对风力机带来的疲劳损坏，减少机械应力和转子脉动，延长风力机寿命。当风速下降时，高速运转的风轮能量便释放出来变为电能送给电网。（3）通过矢量控制调节励磁，可以实现发电机输出有功功率和无功功率的独立调节。在实现最大风能捕获的同时，还可以调节电网功率因数，提高了电力系统的动静态性能和稳定性。由于采用了交流励磁，变速恒频发电方式可以实现发电机和电力系统的柔性连接，并网相对容易而且并网运行后一般不会发生失步。（4）采用变速恒频发电技术，可使变桨距调节简单化。变速运行放宽了对桨距控制响应速度的要求。在低风速时，桨距角固定；在高风速时，调节桨距角限制最大输出功率。（5）较宽的转速运行范围，以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化。采用先进的PWM技术，可抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降低成本。双馈电机可通过调节转子励磁电流实现软并网，避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动。三， 试推证风力机能量转换的贝茨理论。采用激盘模型推导风能系数。将风力机认为成一种激盘，通过激盘来提取风能。条件：(1)上游风速V 需要高于下游风速V ;(2)上游截面积 A 小于激盘面积 AD ;（3）激盘面积小于下游面积 A- ;（4）定义管道内各处的质量流量必须相同。.(1-1)(其中 r 为流体密度)由此可得经过激盘的气流速度下降为V -V- 。则入射气流在激盘上产生的气动力为 . (1-2)通常流入激盘的气流速度为:VD = (1- a )V 式中， a 定义为轴流干扰系数。 气动力来源于激盘引气动力来源于激盘引入（产生）的压降，即.(1-3)(pD 、 pD 为激盘前后的瞬时气压)由伯努利方程可知：在稳定状态下，假定没有对流体做功，气流总的能量将保持不变，则.(1-4).(1-5)上面俩式相减得 .(1-6)并带入(1-3)得: .(1-7)因为V- 不能为负，所以 a = 0.5 为上限。同时利用（1-3）式可得.(1-8)从激盘从风中提取的风能为：.(1-9)定义风能利用系数为风力机捕获的风能与经过风力机的风能之比，即:=(风能) 由此可以看出是关于的函数,并对求一阶导:.(1-10)解（1-10）得，因为要求0.5,故等于1舍去。当时对求二阶导等于-20,所以取最大值.该值为风能利用系数的上限值。这就是有名的贝茨理论的极限值。它说明， 风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 流中的旋转动能四以双馈或同步风力发电系统为例，从系统的基本组成，各自部分的工作原理，控制模式等方面系统论述风力发电系统的控制机理。双馈发电机变速恒频风力发电系统如上图所示该系统四部分组成：风力机，增速齿轮箱，双馈发电机和变频器。一 先介绍增速箱齿轮箱是主动力轴系重要的机械部件，其功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。风轮的转速很低，远达不到发电机发电的要求，这时必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现。在齿轮箱的设计要求上必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻，同时要考虑便于维护的要求。尤其要注意到风力发电机组增速箱的主要承载零件是齿轮，其轮齿的失效形式主要是轮齿折断和齿面点蚀、剥落等。二双馈发电机1. 双馈发电机特点双馈异步发电机，简称DFIG，它是一种在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一种新型发电机又叫交流励磁发电机。很多文献也叫做因此同步化异步发电机。其特点从能量流动特性看，它的励磁的可调量有三个：除了励磁电流的幅值外，还有励磁电流的频率、相位。（1） 通过改变励磁电流的频率可以改变发电机的转速，以达到调速的目的，从而按最佳运行方式调整发电机输出或输入功率；（2） 通过改变励磁电流的相位，来改变发电机的空载电势与电网电压矢量之间的相对位置关系，从而改变电机的功角 因此，通过调节励磁电流，不仅可以调节发电机输出无功功率，也可以调节发电机输出有功功率。2. 双馈型异步电机变速恒频基本原理定子绕组由具有固定频率的对称三相电源激励；转子绕组由具有可调节频率的对称三相电源激励。电机的转速由定转子之间的转差频率确定变速恒频运行原理，任意电机在稳定运行时，定子旋转磁势与转子旋转磁势都是相对静止、同步旋转的。可得：.(1)因为，固有(2).(3)s-转差率；-定子绕组电流频率；-转子绕组电流频率; ; -定子旋转角频率；-转子转差角频率；-转子实际旋转角频率；-转子旋转的速度：，-同步速度；-转子磁场相对于转子的速度：p-电机的极对数。“+用于亚同步运行，转子绕组相序与定子相同；“-用于超同步运行，要求转子绕组相序与定子相反。从这个关系式可以看出，当转子转速变化时，通过调节转子的供电频率，可保持不变，即保证了定子馈电频率与电网一致，这也就实现了双馈发电机的变速恒频运行。因此，在双馈型风力发电系统的变速恒频控制中，转子电流频率的调控是实现变速恒频运行的关键。根据以上双馈异步发电机的特点，采用该电机的双馈型风力发电系统，可以获得以下优越的性能：(1) 调节励磁电流的频率可以在较宽的转速范围内实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求，这样可以从能量最大利用角度去调节转速，提高发电机组的经济效益。(2) 调节励磁电流的有功分量和无功分量，可以独立调节发电机的有功功率和无功功率。(3) 由于采用了交流励磁方式，发电机和电力系统构成了“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确地调节发电机输出电压，使其满足并网要求。(4) 由于控制方案是在转子电路实现的，而流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，它仅仅是额定功率的小部分，大大降一低了变流器的容量，减小了成本。二 控制模式1. 转子侧变换器控制策略在风力机组的运行过程中，控制器首先控制网侧变换器建立恒定的直流母线电压，然后驱动转子侧逆变器开关管进行并网控制，当并网条件满足时，控制接触器接通，完成并网。并网后，转子侧变换器再根据主控制给定的转速和无功功率信号来进行转速调节和无功功率控制整个控制过程包括了并网前控制和并网后控制，而转子侧变换器的控制是变速恒频的关键，通过对转子励磁电流频率的调节，满足。（1） 并网前控制策略一空载并网方式DFIG系统的并网控制包括两个过程：并网前控制和并网后输出功率控制。并网前控制的主要目的是实现DFIG和电网之间的“柔性连接，在并网瞬间，限制并网冲击电流【251，因此，DFIG系统并网需满足：定子侧电压的幅值、频率、相位与电网侧相同，转子侧变换器可以调节DFIG转子励磁电流，从而间接控制定子电压（2） 最大风能追踪理论-MPPT用变速恒频双馈发电方式，就可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始终运行最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件，这就是风力发电中的最大风能追踪技术(MPPT)。根据贝兹理论，风力机产生的机械功率为：（为空气密度；风机风轮半径；风能转换系数；风速）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取决于风能转换系数。叶尖速比A是风轮叶尖线速度与风速的函数：（为风轮旋转机械角速度）在一定时，典型的与之间的关系曲线示意图如下。因此，在任何风速下，只要调节风力机转速，使其叶尖线速度与风速之比保持不变，且满足允，就可以维持风力机在下运行，这就是风力机最大风能捕获的基本原理。2.网侧变换器控制策略网侧变换器为转子侧变换器提供稳定的直流电压，同时控制稳定是保证能量双向流动的关键。网侧变换器的另一重要作用是使电网输入电压和输入电流同相位，即实现单位功率因数运行。（1） 网侧PWM变换器的拓扑结构当DFIG工作在亚同步状态时，DFIG转子侧需要从变频器吸收能量，直流侧电容放电，有下降的趋势。网侧变换器通过控制稳定，需要通过变换器向电容充电，实际上就是将