风电机组控制与优化运行

1、长沙理工大学 能源与动力工程学院 第第1章章 绪论绪论 风力发电机组的控制目标、风力发电机组的控制目标、 任务及要求任务及要求 风力发电机组控制系统的主风力发电机组控制系统的主 要内容和基本组成要内容和基本组成 风力发电机组控制技术发展风力发电机组控制技术发展 趋势趋势 1.1 风力发电机组的控制目标、任务及要求风力发电机组的控制目标、任务及要求 风力发电机组控制系统是机组正常运行的核 心，其控制技术是风力发电机组的关键技术之一， 与风力发电机组的其他部分关系密切，其精确的 控制、完善的功能将直接影响机组的安全与效率。 风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。 它不仅要监视电网、风况和机组的运

2、行参数，在各 种正常或故障情况下脱网停机，以确保运行的安全 性和可靠性；还要根据风速与风向的变化，对机组 进行优化控制，以保证机组稳定、高效地运行。 一、一、 风力发电机组的控制目标风力发电机组的控制目标 由于风力发电的特点，风力发电机组是一个 复杂、多变量、非线性系统复杂、多变量、非线性系统，且有不确定性和多不确定性和多 干扰干扰等特点。 风力发电系统的控制目标分为三个层次： 保证风力发电机组的安全可靠运行保证风力发电机组的安全可靠运行 获取最大能量获取最大能量 提供高质量的电能提供高质量的电能 二、二、 风力发电机组的控制任务及要求风力发电机组的控制任务及要求 在运行的风速范围内，确保系统

3、的稳定； 低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能； 高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组 的输出功率为额定值； 减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械 应力和输出功率的波动，避免共振； 减小功率传动链的暂态响应； 控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行 限幅； 确保机组输出电压和频率的稳定。 1.2 风力发电机组控制系统的主要内容风力发电机组控制系统的主要内容 和基本组成和基本组成 控制系统贯穿到风力发电系统的每个部 分，相当于神经系统。因此控制系统的好坏直 接关系到风力发电机组的工作状态、发电量多 少以及设备的安全。对于不同类型的风力发电 机组，控制单元有所不同（尤其是转速和

4、功率 控制系统），这主要是因为发电机的结构或类 型不同而使得控制方法和手段也不相同，从而 形成多种结构和控制方案。 一、一、 风力发电机组控制系统的主要内容风力发电机组控制系统的主要内容 风力发电机组的转速和功率控制 风力发电机组的偏航控制和解缆控制 风力发电机组并网控制 风力发电机组全自动启动/停机控制 风力发电机组运行状态监测 补偿电容投切控制 风力发电机组故障诊断 液压与制动系统 远程通信 二、二、 风力发电机组控制系统的基本组成风力发电机组控制系统的基本组成 风力发电机组控制系统由传感器、执行 机构和软/硬件处理器系统组成。 传动 系统 制动 装置 发电机换流器开关 电 网 风 补偿

5、电容 各传感器各执行机构 软/硬件处理器系统 风力发电机组控制系统风力发电机组控制系统 二、二、 风力发电机组控制系统的基本组成风力发电机组控制系统的基本组成 （一）（一） 传感器传感器 风速仪、风向标风速仪、风向标 转速传感器转速传感器 电量采集传感器电量采集传感器 桨距角位置传感器桨距角位置传感器 各种限位开关各种限位开关 振动传感器振动传感器 温度和油位传感器温度和油位传感器 液压系统压力传感器液压系统压力传感器 操作开关、按钮等操作开关、按钮等 传感器负责采集反映风力发电系统工作状态的各个模 拟量、数字量等工作参数信息。一般包括如下装置： 二、二、 风力发电机组控制系统的基本组成风力发

6、电机组控制系统的基本组成 （二）（二） 执行机构执行机构 执行机构是控制系统的执行部件。一般包括液压驱液压驱 动装置或电动变桨距执行机构动装置或电动变桨距执行机构、发电机转矩控制器发电机转矩控制器、发发 电机接触器电机接触器、刹车装置刹车装置、偏航电机偏航电机等。(祥见教材第7章) （三）（三） 软软/硬件处理器系统硬件处理器系统 处理器系统负责处理传感器的输入信号，并发出输出 信号控制执行机构的动作。 处理器系统通常由计算机或微型控制器和可靠性很高 的硬件安全链组成，以实现风力机运行过程中的各种控 制功能，同时必须满足当发生严重故障时，能够保障风 力发电机组处于安全的状态。 二、二、 风力发

7、电机组控制系统的基本组成风力发电机组控制系统的基本组成 1.3 风力发电机组控制技术的发展趋势风力发电机组控制技术的发展趋势 一、一、 风力发电机组控制技术发展现状风力发电机组控制技术发展现状 20世纪80年代中期开始使用风力发电场的定桨距恒定桨距恒 速风力发电机组速风力发电机组，主要解决了风力发电机组的并网问题 和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网技术软并网技术、空空 气动力刹车技术气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术偏航与自动解缆技术，这些都是并网 运行的风力发电机组需要解决的最基本问题。 20世纪90年代开始，风电机组的可靠性已经大大提 高，变桨距风电机组开始进入风力发电市场。采用变桨

8、 距的风力发电机组，起动时可以对转速进行控制起动时可以对转速进行控制，并网并网 后可以对功率进行控制后可以对功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输 出特性都有显著的改善。变桨距闭环控制系统的应用使 风力发电机组控制系统的水平提高到一个新的阶段。 一、一、 风力发电机组控制技术发展现状风力发电机组控制技术发展现状 20世纪90年代中期，基于变桨距技术的各种变速风 力发电机组开始进入风电场。变速风电机组的控制系统 与定速风电机组控制系统的根本区别在于：变速风电机变速风电机 组是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和组是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和 功率控制的功率控制的。 变

9、速风电机组的主要特点是：低于额定风速时，它能 跟踪最佳功率曲线，使风电机组具有最高的风能转换效 率；高于额度风速时，它增加了传动系统的柔性，使功 率输出更加稳定。特别是解决了高次谐波与功率因数等 问题后，使供电效率、质量有所提高。 目前的控制方法是：当风速变化时通过调节发电机电 磁转矩或风力机桨距角使叶尖速比保持最佳值，实现风 能的最大捕获。 一、一、 风力发电机组控制技术发展现状风力发电机组控制技术发展现状 基于线性化模型的最佳叶尖速比的跟踪控制以及利用 风速测量值或电功率测量值进行的反馈控制，这些传统 的控制方法在随机扰动大、不确定因素多、非线性严重 的风电系统会产生较大误差。 一些新的控

10、制理论开始应用于风电机组控制系统： 模糊逻辑控制 神经网络智能控制 鲁棒控制 二、二、 风力发电机组控制技术发展趋势风力发电机组控制技术发展趋势 随着计算机、电力电子以及控制技术的快速发展，国内 外大型风力发电机组的控制方式正朝以下方向发展： 由定桨距向变桨距发展 由恒速恒频向变速恒频发展 由常规由常规PID控制向智能控制方向发展控制向智能控制方向发展 风力发电系统的控制策略根据控制器的不同可分为两大 类： 以数学模型为基础的传统控制方法 模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的智能控制 二、二、 风力发电机组控制技术发展趋势风力发电机组控制技术发展趋势 由于风力发电机组是一个复杂的、强耦合、

11、多变量的 非线性系统，具有不确定性和多干扰等特点，所以传统 控制方法在风力发电系统中难以取得好的控制效果。而 智能控制可充分利用非线性、变结构、自寻优等各种功 能来克服系统的参数时变与非线性因素，因此各种智能 控制方案已开始应用于风电机组控制领域。 二、二、 风力发电机组控制技术发展趋势风力发电机组控制技术发展趋势 风力发电机控制系统除了控制发电机“获取最大能量” 外，还要使发电机向电网提供高品质的电能。因此要求控制 系统： 尽可能产生较低的谐波电流； 能够控制功率因数； 使发电机输出电压适应电网电压的变化； 向电网提供稳定的功率。 目前国内外兆瓦级以上技术较先进的、有发展前景的风 力发电机组

12、主要是双馈型异步发电机双馈型异步发电机和永磁直驱型同步发电永磁直驱型同步发电 机机，两者各有优缺点。 项目双馈型风力发电机组永磁直驱型风力发电机组 电控系统价格中高 电控系统体积中大 电控系统维护成 本 较高低 电控系统平均效 率 较高高 变流单元 IGBT，单管额定电流小， 技术难度大 IGBT，单管额定电流大， 技术难度小 变流容量仅需要全功率的1/4全功率 变流系统稳定性中高 电网电压突然 降低的影响 电机端电流迅速升高 电机扭矩迅速增大 电流维持稳定 扭矩保持不变 电机滑环 需每半年更换碳刷，每2年更换滑 环 无 表表1-1 双馈型风力发电机组与永磁直驱型风力发电机组的综合比较双馈型风力发电机组与永磁直驱型风力发电机组的综合比较 项目双馈型风力发电机组永磁直驱型风力发电机组 电压变化率电压变化率高时需进行电压滤波无高电压变化 电机电缆的 电磁释放 有，需要屏蔽线无电磁释放 电机造价低高 电机尺寸小大 电机重量轻重 塔架内电缆 工作电流类型 高频非正弦波，具有较大谐波分量 必须使用屏蔽电