风力发电技术-第三章：双馈式变速变桨风电机组运行控制

1、华北电力大学 刘其辉风力发电技术华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章第三章双馈型变速变桨风力发电系统双馈型变速变桨风力发电系统运行控制运行控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20纵览纵览n机组主结构及控制系统n运行区域及控制目标n总体控制方案n励磁变换器结构及原理nDFIG控制（机侧变换器控制）n网侧变换器控制n变桨机构及其控制n偏航机构及其控制n其他机构及控制、保护第三章：双馈型变速变桨风力发电系统第三章：双馈型变速变桨风力发电系统 运行控制运行控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20n机

2、组主结构及控制系统机组主结构及控制系统机组主结构：主要的机电设备机组主结构：主要的机电设备控制系统：微机控制软、硬件控制系统：微机控制软、硬件第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（一）机组主结构（一）机组主结构风轮系统风轮系统传动链系统传动链系统发电机系统发电机系统偏航偏航/解缆系统解缆系统刹车系统刹车系统辅助系统辅助系统华北电力

3、大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制机组主结构示意图机组主结构示意图华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制1. 风轮系统风轮系统l桨叶桨叶l轮毂轮毂l变距（桨矩）机构变距（桨矩）机构华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2. 传动链系统传动链系统l低速轴低速轴l齿轮箱齿轮箱多级变速，变比较大（接近多级变速，变比较大（接近100）采用行星齿轮和正（

4、斜）齿轮实现多级变速采用行星齿轮和正（斜）齿轮实现多级变速 润滑油冷却或加温机构润滑油冷却或加温机构 l高速轴高速轴l联轴器联轴器华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制n通用标准型膜片联轴器通用标准型膜片联轴器连接齿轮箱和发电机连接齿轮箱和发电机补偿轴向、径向和角度偏补偿轴向、径向和角度偏差差易于装拆维护易于装拆维护实现电绝缘实现电绝缘力矩限定力矩限定华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l传动链系统布局传动链系统布局华北电

5、力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制3. 发电机系统发电机系统lDFIG发电机本体发电机本体冷却系统冷却系统保护系统保护系统l励磁变流器励磁变流器四象限运行能力、输入、输出特性优良四象限运行能力、输入、输出特性优良设计容量为机组容量设计容量为机组容量30 IGBT器件，器件，PWM调制技术调制技术动作频率为数动作频率为数kHz-十几十几kHzl并网机构并网机构华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制4.偏航偏航/解缆系统解缆系统l

6、偏航机构偏航机构风向标风向标偏航饲服电机（或液压马达）偏航饲服电机（或液压马达）减速装置减速装置偏航液压制动器偏航液压制动器偏航行星齿轮偏航行星齿轮l对风对风/解缆操作解缆操作根据风向标控制对风根据风向标控制对风计算机控制的自动解缆计算机控制的自动解缆 纽缆开关控制的安全链动作报警及人工解缆纽缆开关控制的安全链动作报警及人工解缆华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l偏航的作用偏航的作用对风，获取最大发电量对风，获取最大发电量减少斜风给机组带来的不平衡载荷减少斜风给机组带来的不平衡载荷华北电力大学电气与电子工

7、程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制5.刹车系统刹车系统l机械抱闸刹车机械抱闸刹车 *液压驱动和电气驱动液压驱动和电气驱动n通过制定卡钳和连轴器上制动盘配对实现，一般在气通过制定卡钳和连轴器上制动盘配对实现，一般在气动刹车后转速降低后采用动刹车后转速降低后采用n安装位置：安装位置：高速轴高速轴，低速轴，低速轴l气动刹车气动刹车变桨控制变桨控制 变桨控制系统控制桨距角为变桨控制系统控制桨距角为90度度偏航控制偏航控制 l电磁刹车电磁刹车 通过控制发电机电磁阻转矩实现通过控制发电机电磁阻转矩实现华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2

8、008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制6.辅助系统辅助系统l塔架塔架l机舱罩机舱罩l机舱底盘机舱底盘l变压器变压器l防雷系统及电气保护装置防雷系统及电气保护装置 华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l冷却系统冷却系统l发热部件发热部件l液压系统液压系统l齿轮箱齿轮箱l发电机发电机l变频器变频器l冷却方式：空气冷却，液体冷却，混合冷却冷却方式

9、：空气冷却，液体冷却，混合冷却l其他部分其他部分华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）控制系统（二）控制系统1. 概述概述l与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综与一般工业控制过程不同，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运行参数，合性控制系统。它不仅要监视电网风况和机组运行参数，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。以提高机组的运行效率和发电量。l比较普遍采用的是分布式

10、控制系统。信号处理通常有两个比较普遍采用的是分布式控制系统。信号处理通常有两个独立的计算机或高速数字信号处理芯片。主控制器在地面独立的计算机或高速数字信号处理芯片。主控制器在地面控制室的开关柜内控制室的开关柜内,从机设在机舱内。主控制器监控风轮从机设在机舱内。主控制器监控风轮所有的运行状态。主控制器和从控制器间通过光纤达到可所有的运行状态。主控制器和从控制器间通过光纤达到可靠快速地交换信息。靠快速地交换信息。华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2. 结构与功能结构与功能l结构结构n硬件系统和软件系统硬件系统

11、和软件系统n主控制器和从控制器主控制器和从控制器l功能功能n运行控制运行控制u变桨距控制、偏航控制、刹车控制、变桨距控制、偏航控制、刹车控制、变流器（发电机）控制变流器（发电机）控制u本地控制与远程控制本地控制与远程控制n信号采集与监视信号采集与监视u采集量：电压、电流、频率、功率、转速、油温、压力采集量：电压、电流、频率、功率、转速、油温、压力u本地监视与远程监视本地监视与远程监视华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制3. 主从分布式控制系统主从分布式控制系统l主控制器（主控制器（PLC, PID控制算法）

12、控制算法）n变桨控制变桨控制n偏航控制偏航控制n制动控制制动控制n参数监视与远程通讯参数监视与远程通讯n系统级控制协调系统级控制协调华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制n主控制器实现案例主控制器实现案例华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l从控制器（从控制器（DSP，矢量动态控制算法），矢量动态控制

13、算法）n机侧变流器控制机侧变流器控制n网侧变流器控制网侧变流器控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制n从控制器实现案例从控制器实现案例华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20英国英国EU-ENERGY WIND公司公司SEG1250型风机变频器控制系统型风机变频器控制系统第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20二二. 运行区域及控制目标运行区域及控制目标主要运行区域主要运行区域各运行区域的控制目标各运行区域

14、的控制目标第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（一）主要运行区域（一）主要运行区域 运行区域的划分运行区域的划分一般按照风速和机组运行特性分为一般按照风速和机组运行特性分为五大运行区域：五大运行区域：l并网区并网区lMPPT区区l转速限制区（过渡区）转速限制区（过渡区）l功率限制区功率限制区l切出停机区切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制并网控

15、制区域转速控制区域最大风能追踪区域功率控制区域不同不同运行区域的功率特性运行区域的功率特性华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制pCpCpCmaxpCmaxpCmaxpC（a）（b）（c）OOO (a)最大风能追踪区；(b)转速限制区域；(c)功率限制区域。 2. 不同运行区域的风能系数不同运行区域的风能系数华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）各运行区域的控制目标（二）各运行区域的控制目标并网区在合适速度下控制发电机

16、端电压符合并网条件并并网并网控制额定风速切入风速切出风速追踪风速变化，保持最佳叶尖速比，转换最大风能MPPT区MPPT控制转速限制区限制机组转速不超过极限转速限制极限转速限制机组输出功率等于机组额定功率限制额定功率功率限制区输出功率降为零并切出停机切出停机切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20三三. 总体控制方案总体控制方案总体控制方案主要内容总体控制方案主要内容几种典型总体控制方案几种典型总体控制方案优选总体方案及其优越性优选总体方案及其优越性第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.2

17、0（一）（一）. 总体控制方案主要内容总体控制方案主要内容l总体控制方案指在不同运行区域内主、从总体控制方案指在不同运行区域内主、从控制器间的分工与协调控制方法。控制器间的分工与协调控制方法。l不同运行区域指并网区、不同运行区域指并网区、MPPT区、转速区、转速限制区、功率限制区、切出停机区。限制区、功率限制区、切出停机区。l主控制器中主要讨论变桨控制部分，从控主控制器中主要讨论变桨控制部分，从控制器即指发电机控制。制器即指发电机控制。第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20（二）（二）.几种典型总体控制方案几

18、种典型总体控制方案l典型总体控制方案概述典型总体控制方案概述l不同方案中各运行区域的不同方案中各运行区域的划分标准和实现措施划分标准和实现措施一致。一致。l在并网区、切出停机区内各总体控制方案基本一致。在并网区、切出停机区内各总体控制方案基本一致。l在在MPPT区内，各总体控制方案变桨控制一致（桨距角区内，各总体控制方案变桨控制一致（桨距角固定为零），发电机控制则体现为具有不同的固定为零），发电机控制则体现为具有不同的MPPT策策略，大致可分为直接转速控制和间接转速控制两种模略，大致可分为直接转速控制和间接转速控制两种模式。式。l转速限制区为（由转速限制区为（由MPPT区到功率限制区的）过渡区

19、域，区到功率限制区的）过渡区域，可由变桨控制或发电机控制限速。可由变桨控制或发电机控制限速。l功率控制器内变桨控制和发电机控制同时起作用，该功率控制器内变桨控制和发电机控制同时起作用，该区域内两个控制功能间的协调非常重要，协调方案众区域内两个控制功能间的协调非常重要，协调方案众多构成了总体控制方案的多样性。多构成了总体控制方案的多样性。第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20l几种典型总体控制方案几种典型总体控制方案 第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程

20、学院 刘其辉2008.6.20n方案一方案一 *第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适转速；发电机控制空载电压，符合并网条件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固定为零；发电机控制功率实现MPPTMPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制限制极限转速；发电机控制功率输出限制极限转速变桨控制合适转速；发电机控制功率实现额定功率输出限制额定功率功率限制区变桨控制顺桨实现启动刹车，发电机控制离网切出停机切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20n方案二方案二 第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨

21、变速风电机组控制并网区变桨控制合适转速；发电机控制空载电压，符合并网条件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固定为零；发电机控制转矩实现MPPTMPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制限制极限转速；发电机控制功率（或转矩）输出限制极限转速变桨控制合适转速；发电机控制功率实现额定功率输出限制额定功率功率限制区变桨控制顺桨实现启动刹车，发电机控制离网切出停机切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20n方案三方案三第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适转速；发电机控制空载电压，符合并网条件时并入电网并网控制额

22、定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固定为零；发电机控制转速实现MPPT(检测风速)MPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制桨距角固定为零； 发电机控制转速限制转速越限限制极限转速变桨控制功率实现机组额定功率输出；发电机控制合适转速限制额定功率功率限制区变桨控制顺桨实现启动刹车，发电机控制离网切出停机切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20n方案四方案四*第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适转速；发电机控制空载电压，符合并网条件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固定为零；发电机控制转速实现MPPT

23、(不检测风速)MPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制桨距角固定为零； 发电机控制转速限制转速越限限制极限转速变桨控制功率实现机组额定功率输出；发电机控制合适转速限制额定功率功率限制区变桨控制顺桨实现启动刹车，发电机控制离网切出停机切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20l几种方案的比较几种方案的比较l第一种方案前四个运行区域内变桨控制和发电第一种方案前四个运行区域内变桨控制和发电机控制的控制目标分别是转速和功率，运行区机控制的控制目标分别是转速和功率，运行区域改变时不需控制目标的切换，控制器设计简域改变时不需控制目标的切换，控制器设计简单。需要设计发电机功率控制器。

24、该方案的一单。需要设计发电机功率控制器。该方案的一大优点：发电机大优点：发电机有功、无功控制器有功、无功控制器设计一致。设计一致。l第二种方案变桨控制器控制目标不变，但发电第二种方案变桨控制器控制目标不变，但发电机控制目标在机控制目标在MPPT区、转速限制区内为转矩，区、转速限制区内为转矩，在功率限制区内为功率，存在控制目标切换问在功率限制区内为功率，存在控制目标切换问题。需要设计发电机转矩和功率控制器。题。需要设计发电机转矩和功率控制器。第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20l第三种方案变桨控制存在控制目标

25、的变换问题，第三种方案变桨控制存在控制目标的变换问题，发电机在发电机在MPPT区、转速限制区、功率限制区区、转速限制区、功率限制区内进行转速控制，需要设计转速控制器。发电内进行转速控制，需要设计转速控制器。发电机控制在并网区和机控制在并网区和MPPT区内存在控制目标切区内存在控制目标切换问题。在换问题。在MPPT区内需要风速检测，造成区内需要风速检测，造成MPPT效果下降。效果下降。l第四种方案变桨控制存在控制目标的变换问题，第四种方案变桨控制存在控制目标的变换问题，发电机在发电机在MPPT区、转速限制区、功率限制区区、转速限制区、功率限制区内进行转速控制，需要设计转速控制器。发电内进行转速控

26、制，需要设计转速控制器。发电机控制在并网区和机控制在并网区和MPPT区内存在控制目标切区内存在控制目标切换问题。在换问题。在MPPT区内需要风速检测，造成区内需要风速检测，造成MPPT效果下降。效果下降。第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20l需要解决的问题需要解决的问题l并网区和功率限制区内的并网区和功率限制区内的“合适转速合适转速”如何选如何选择？择？l第一种方案的转速限制区内发电机如何进行功第一种方案的转速限制区内发电机如何进行功率控制？率控制？第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风

27、电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（三）（三）.优选总体方案及其优越性优选总体方案及其优越性 暂定第一种方案暂定第一种方案华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20德国德国AERODYN公司公司GD77/82(1.5MW)机组控制算法机组控制算法第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20四四.励磁变换器结构及原理励磁变换器结构及原理DFIG转子励磁电源的要求转子励磁电源的要求双双PWM变流器的结构和特

28、点变流器的结构和特点第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（一）（一）DFIG转子励磁电源的要求转子励磁电源的要求华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）双（二）双PWM变流器的结构和特点变流器的结构和特点华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程

29、学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（三）双（三）双PWM变流器的原理变流器的原理华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制SASBSC三相线电压（*udc）三相相电压（*udc）00000000010010

30、-12/3-1/3-1/311001-11/31/3-2/3010-110-1/32/3-1/3011-101-2/31/31/30010-11-1/3-1/32/31011-101/3-2/31/3111000000华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20五五. DFIG控制（机侧变换器控制）控制（机侧变换器控制）DFIG的特性及数学模型的特性及数学模型DFIG功率解耦控制策略功率解耦控制策略DFIG并网控制策略并网控制策略第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20(一一). DFIG的特性及数

31、学模型的特性及数学模型第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2160mn pff华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制结论：DFIG转子侧的有功功率流向与发电机运行区域有关DFIG亚同步运行时，功率由电网流入转子；超同步运行时， 由转子流入电网华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电

32、机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制定子电压方程: 111111111111mttttmmmpirupiru2222222222msttttsmmmpirupiru转子电压方程: 定子磁链方程: 转子磁链方程: 11121112mmmmttm tL iL iL iL i21222122mm mmtm ttL iL iL iL i )(2121mttmmneiiiiLpT转矩方程: 运动方程: dtdJTTrem华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制

33、第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）（二）. DFIG功率解耦控制策略功率解耦控制策略l基于基于DFIG功率控制的功率控制的MPPTlDFIG参考功率的计算参考功率的计算l基于定子磁链定向矢量控制的功率解耦基于定子磁链定向矢量控制的功率解耦华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l基于基于DFIG功率控制的功率控制的MPPTlMPPT控制的机理控制的机理l由风力机特点知道，其风能转换系由风力机特点知道，其风能转换系数数Cp与叶尖速比与叶尖速比和桨距角和桨距角有关，有关，为后两者非线性函数。改变为后两者非线性

34、函数。改变和和均能调节均能调节Cp，控制吸收风能的多少。，控制吸收风能的多少。l单独调节单独调节或单独调节或单独调节虽然均会虽然均会使使Cp提高，但是只有两者共同参与提高，但是只有两者共同参与调节才使可能调节才使可能Cp最大，实现真正意最大，实现真正意义上的义上的MPPT。华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制lMPPT控制的策略控制的策略l由变桨控制桨距角由变桨控制桨距角实现，常用于恒速机组，实现，常用于恒速机组，变桨变速机组较少采用。非真正意义变桨变速机组较少采用。非真正意义MPPT。n恒速机组转速不能改

35、变，因此风速变化时叶尖速比恒速机组转速不能改变，因此风速变化时叶尖速比不受控，很难调整到最佳叶尖速比。不受控，很难调整到最佳叶尖速比。n风速变化时通过风速变化时通过桨距角桨距角调整调整风能转换系数风能转换系数Cp，可，可使使Cp得到一定程度的提高，但很难提高到最佳状态。得到一定程度的提高，但很难提高到最佳状态。 华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l桨距角固定为零，由发电机控制转速（保持最桨距角固定为零，由发电机控制转速（保持最佳叶尖速比佳叶尖速比 ）实现。变速机组常用。真正意）实现。变速机组常用。真正意义

36、义MPPT。直接转速控制模式直接转速控制模式n 检测风速方式检测风速方式n 不检测风速方式，如爬山法不检测风速方式，如爬山法间接转速控制模式间接转速控制模式n 功率控制模式功率控制模式n 转矩控制方式转矩控制方式华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制基于基于DFIG功率控制的功率控制的MPPT机理机理l双馈变桨变速机组能量转换关系双馈变桨变速机组能量转换关系 华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制kwimlossePPPPk

37、wiePPP考虑单质块风机模型且不考虑机械损耗时机组功率平衡方程为 1211(1)()eeocucucuPPPPs PPPk为动态（加速、减速）功率Pk小于、等于和大于零时机组分别减速、恒速和加速运行。在某特定风速下通过DFIG功率控制可改变,从而调整机组至最佳转速，实现MPPT。 华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l由由DFIG功率控制实现功率控制实现MPPT的原理及方法的原理及方法 若DFIG的电磁功率控制规律取为3eoptwPPkkwioptPPP则机组动态功率为华北电力大学电气与电子工程学院 刘其

38、辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制DFIG交流励磁变速恒频风力发电机矢量控制 系统 功率指令计算最佳功率曲线机组转速华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2. DFIG参考功率计算参考功率计算l 参考有功功率计算参考有功功率计算 根据前面可得到DFIG参考电磁功率Pe ，但由于DFIG定子输出有功功率P1意义更明确且易于检测，通常作为直接控制对象。根据DFIG功率特性（ Pe和P1 关系）分析，可得实现MPPT的DFIG定子输出参考有功功率11( 141)

39、2refPABA1213112131()13wmlossrAUrBkPQsU华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l 参考无功功率计算参考无功功率计算 参考无功功率的计算原则有很多：参考无功功率的计算原则有很多：n电网电压或无功最优控制电网电压或无功最优控制n发电机运行最优化发电机运行最优化以发电机损耗最小化为目标的参考无功功率计算公式以发电机损耗最小化为目标的参考无功功率计算公式 21 211222112123refmX rUQr Xr rX r 华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三

40、章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l 参考无功功率计算模型参考无功功率计算模型 基于最大风能追踪和发电机损耗最小的DFIG参考有功功率和参考无功功率计算模型*1P计算模型电网参数1Qr*1PDFIG参数*1Q 计算模型电网参数DFIG参数*1Q华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制3. 基于定子磁链定向矢量控制的功率解耦基于定子磁链定向矢量控制的功率解耦lDFIG功率控制的结构功率控制的结构华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制

41、第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l基于定子磁链定向矢量控制的基于定子磁链定向矢量控制的DFIG功率解耦实现功率解耦实现 对DFIG的控制目的：一是实现发电机的变速恒频运行；二是实现P、Q解耦控制，进而实现最大风能追踪。为此，将矢量变换技术移植到DFIG控制上，推导基于定子磁链定向的DFIG矢量控制策略。 在定子磁链定向下有： 10R 、10mu 、11tuu 、1m1、0t111110up21111211()mmmttmiLiLLiiL21122222mmttaa ia i根据DFIG数学模型得到其中11/maLL 、2221/maLLL华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.2

42、0第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制 由前面发电机的电压和磁链方程可以进一步导出 其中 前者是分别与Ii2it2具有一阶微分关系的解耦分量，后者为补偿分量。由此可设计出基于定子磁链定向的DFIG的P、Q解耦矢量控制策略，如下图所示。 定子磁链定向下发电机的功率方程为 222222mmmtttuuuuuu 22222222()()mmttuRa p iuRa p i 22221122ms ttss muaiuaai 11 1111tmPu iQu i 1111 11111 1mmtttmmtPu iu iQu iu i定子磁链定向 可以看出，有功功率无功功率分别

43、与定子电流在m、t轴上的分量成正比，调节转矩电流分量it1和励磁电流分量im1可分别独立调节有功和无功功率。华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制(三三). DFIG并网控制策略并网控制策略华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制 空载并网技术的实质是提取电网的电压信息，采用矢量变换技术对发电机进行控制，

44、调节其空载电压使其满足并网条件。空载时DFIG定子电流为零，即110mtii，代入DFIG一般数学模型，得到空载数学模型：11111111mmtttmupup 2222222222mmmsttttsmuR ipuR ip 定、转子电压方程：华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制定、转子磁链方程：1212mm mtm tL iL i 222222mmttL iL i12121122mmmm ttm mmtuL piL iuL iL pi222222222222()()mmsttsmtuRL p iL iuL i

45、RL p i整合电压方程与磁链方程得到：0eT gggmlmmnnnJDKdTpdtpp转矩、运动方程：仍然采用定子磁链定向，将m轴定在定子磁链矢量的方向，忽略定子电阻。此时有： 10R 、10mu 、11tuu 、1m1、0t1成立。11110pu华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制 由上式知，工频下磁链定向时的发电机定子磁链为定值，端电压U1正比于定子磁链1。发电机空载时，定子电流为零，即im1=it1=0，可由发电机电压磁链方程得到 将上面的式子代入发电机转子电压方程得到 根据上面分析可建立交流励磁变

46、速恒频风力发电机空载并网控制策略，如下图所示。1220m mtL ii 22220mmtL i222222222222()()mmstttsmuRL p iL iuRL p iL i华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20六六. 网侧变换器控制网侧变换器控制网网侧变换器数学模型侧变换器数学模型电网电压定向矢量控制策略电网电压定向矢量控制策略第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6

47、.20（一）（一）.网侧变换器数学模型网侧变换器数学模型第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制aaaadcbbbbdcccccdcdca ab bc cloaddiuLRiS udtdiuLRiS udtdiuLRiS udtduCS iS iS iidt11311311311abcaaadcaabcbbbdcbabcc

48、ccdccdca ab bc cloadSSSdiRiSuudtLLLSSSdiRiSuudtLLLSSSdiRiSuudtLLLduS iS iS iidtCC 2113331121133311233311aaaabbbdcbccccadcabcbloadcdidtiSudiRiSuudtLLLiSudidtiduSSSiidtCCi 1000100031300022dcloaddcdiSRdtLLLiudiSRiudtLLLuiSduSCdtCC3S/3R变换华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制1110

49、010031300022ddddqqqqdcloadqdcddiSRdtLLLiudiSRiudtLLLuiSduSCdtCC 2S/2R变换11ddqddrqqdqqrdiLRiLiuudtdiLRiLiuudt 考率到drddcqrqdcuS uuS u为网侧变换器交流侧电压，上式变换为rddrdrdrqqrqrquuuuuuuu 上式可改写为ddrdqqrqdiuLRidtdiuLRidt 11drqqrduLiuLi其中华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制 为简化控制算法，可采用电网电压定向矢量控制

50、，将同步速旋转dq坐标系的d轴定向于电网电压矢量方向上。此时0dsquuudrdrdrsqrqrqruuuuuuu rd dq qs drq dd qs qPu iu iu iQu iu iu i 网侧变换器的数学模型变为网侧变换器的从电网吸收的有功功率和无功功率为因此，控制id与iq可分别控制有功和无功功率，从而控制直流环节电压和交流侧功率因数。（二）（二）.电网电压定向矢量控制策略电网电压定向矢量控制策略华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20七七.

51、变桨机构及其控制变桨机构及其控制变桨风力机的特性变桨风力机的特性变桨执行机构变桨执行机构变桨控制策略变桨控制策略变桨控制器实现案例变桨控制器实现案例第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20（一）变桨风力机的特性（一）变桨风力机的特性1.风力机叶片空气动力学分析风力机叶片空气动力学分析l风力机的风轮由轮毂及均匀分布安装在轮毂上风力机的风轮由轮毂及均匀分布安装在轮毂上的若干桨叶组成。在安装这些桨叶时，必须对的若干桨叶组成。在安装这些桨叶时，必须对每支桨叶的翼片按同一旋转方向，桨叶围绕自每支桨叶的翼片按同一旋转方向，

52、桨叶围绕自身轴心线转过一个给定的角度，即使每个叶片身轴心线转过一个给定的角度，即使每个叶片的翼弦与风轮旋转平面形成一个角度，称为安的翼弦与风轮旋转平面形成一个角度，称为安装角也就是桨叶节距角。下图是风力机起动时装角也就是桨叶节距角。下图是风力机起动时受力分析。受力分析。第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l设风轮的中心

53、轴位置与风向一致（由偏航系统控制）当气流以速度v流经风轮时，在桨叶和桨叶上将产生气动力F和F。将它们分解成沿气流方向的阻力和垂直气流方向的升力。阻力形成对风轮的正面压力，而升力则对风轮中心轴产生转动力矩，从而使风轮转动起来。l从上面的受力分析可以看出，阻力随着功角的减小而增大，而阻力是对风轮正面的压力，当风过大时风轮承受的压力过大可能会被吹倒，变桨机组可以通过适当增大桨距角来减少压力，这是变桨相对于定桨的优势之一华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2. 风力机的风能转换系数风力机的风能转换系数l风能利用系数

54、Cp定义：表示风力机从自然风能中吸收能量的大小程度P风力机实际获取的轴功率S风轮旋转面的面积 p 空气密度V风速321SvPCp华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l对于变桨距风力机，风能利用系数Cp与叶尖速比和桨叶的节距角成非线关系。华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l对于某一固定桨叶节距角下，存在唯一的风能利用系数最大值Cpmaxl对于任意的叶尖速比，桨叶节距角=0下的风能利用系数Cp相对最大。随着桨叶节距角增大，

55、风能利用系数Cp明显减小。华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l以上分析为变速变桨距控制提供了理论基础：在低于额定风速时，桨叶节距角固定为=0，通过发电机控制（直接转速控制、间接转速控制）使风能利用系数恒定在Cpmax，捕获最大风能；在高于额定风速时，变桨控制和发电机控制进行协调控制保持机组输出额定功率不变。华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.203. 变桨变速机组的功率特性变桨变速机组的功率特性第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l输出功率特性n变桨距风力发

56、电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能。当功率在额定功率以下时。控制器将叶片节距角置于0附近，可认为等同于定桨距风力发电机组。当功率超过额定功率时。变桨距机构开始工作，调整叶片节距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制n 由于变桨风力发电机组的桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的。它不受气流密度变化的影响，无沦是出于温度变化还是海拔引起空气密度变化，变桨距系统都能通过调整叶

57、片角度，使之获得额定功率输出。这对于功率输出完全依靠桨叶气功性能的定桨距风力发电机组来说，具有明显的优越性。华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20n变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组功率曲线比较第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20l起动性能与制动性能起动性能与制动性能 变桨距风力发电机组在低风速时，桨叶节距可以转动到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩，从而使变桨距风力发电机组比定桨距风力发电机组更容易起动。在变桨距风力发电机组中一般不再设计电动机起动的程序 当风力发电机组需要脱离电网

58、时，变桨距系统可以先转动叶片使之减小功率，在发电机与电网断开之前，功率减小至0这意味着当发电机与电网脱开时，没有转矩作用于风力发电机组，避免了在定桨距风力发电机组上每次脱网时所要经历的突甩负载的过程。第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）变桨执行机构（二）变桨执行机构l变桨机构的作用变桨机构的作用风机切入、切出减少冲击风机切入、切出减少冲击超过额定风速时限制功率超过额定风速时限制功率气动刹车气动刹车华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉

59、2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制l变桨机构的类型变桨机构的类型饲服电机齿轮传动变桨饲服电机齿轮传动变桨 每一桨叶都具有饲服电机（每一桨叶都具有饲服电机（PMSM），减速器和），减速器和齿轮副齿轮副 控制复杂，机构位于轮毂内使其重量增加控制复杂，机构位于轮毂内使其重量增加液压马达驱动变桨液压马达驱动变桨n独立变桨独立变桨三个液压缸，三套曲柄滑块机构位于轮毂内，分别驱三个液压缸，三套曲柄滑块机构位于轮毂内，分别驱动三桨叶动三桨叶n同步变桨同步变桨一个液压缸（位于机舱），一套曲柄滑块机构，同步一个液压缸（位于机舱），一套曲柄滑块机构，同步驱动叶片

60、驱动叶片华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制n典型电动型桨距调整机构典型电动型桨距调整机构华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20第三章：双馈式变桨变速风电机组控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制n液压型桨距调整机构（英国液压型桨距调整机构（英国EU-ENERGY WIND公司公司SEG1250型风机）型风机）华北电力大学电气与电子工程学院 刘其辉2008.6.20n比例阀原理比例阀是在普通液压阀基础上，用比例电磁铁取代阀的调节机构及普通电磁铁构成的。采用比例放大器控制比例电磁铁就可实现对