电机运动控制系统第8章课件

1、第8章 风力发电控制系统8.1 风力发电系统的组成和分类8.2 同步发电机风力发电系统控制8.3 双馈发电机风力发电系统控制 风力发电系统是用来捕获风能带动发电机发电的装置 风能是极待开发的新能源，很具潜力的绿色环保的可再生能源，并且是可再生能源开发中技术较成熟的一项，很快将超过核电成为火电和水电外的第三大电力来源。现在风力发电机单机容量从几十瓦到数兆瓦都有，在内陆地区主流机型额定功率1.5MW，海上风电机组的平均单机容量3MW，最大已达6MW，风力发电的不足是风能不稳定，但是和火电和水电联网可以互相补充，本章主要介绍风力发电原理和运行控制。8.1 风力发电系统的组成和分类 风力发电系统包括风

2、力机、发电机、电力电子变流器和控制等部分。 风力机将风能转变为机械能，它包括风轮，变速箱和桨距调节机构等。 发电机将机械能转化为电能，原则上各种发电机都可以用于风力发电，直流发电机，交流发电机，交流发电机又包括同步发电机、笼型异步发电机、绕线型异步发电机（双馈电机）。永磁发电机在中小容量风力发电中也应用很多， 直流发电机因为换向器和电刷的维护工作量大使用较少。 风力发电系统的控制包括风力机控制，如叶片的桨距调节，风轮方向调节，电力电子变流器和发电机的控制，并网等。8.1.1 风力机 水平轴机组风轮轴平行于风向，工作时风轮与风向垂直，上风向机组风轮在塔架，下风向机组风先经过塔架再到机组，上风向水

3、平轴机组需要由转向机构保持风轮与风向垂直，下风向机组不需要转向机构，水平轴机组是目前最常见的，适用功率从几十W到数MW。 垂直轴机组风力机风轮轴垂直于风向，特点是可以从任意方向获取风能，不需要随风向调整风轮方向，噪音小，机舱位置低，结构简单，为中小型风力发电机的首选， 背风叶片消耗了一部分风能，在大功率机组中使用很少。二 定桨距和变桨距风力机 1. 定桨距风力机 定桨距风力机桨叶与轮毂之间是刚性连接，桨叶固定在轮毂上，桨叶角度不能调节，其迎风面是固定的，功率输出由风力和叶片自身的气动特性决定，功率随风速变化较大。2. 变桨距风力机变桨距风力机桨叶的角度（桨距角）可以调整，风小时减小桨距角使叶片

4、迎风面积增大，风大时增大桨距角叶片迎风面积减小，捕获的风能减小。强风时使桨距角最大，可加深叶片的失速效应避免叶片损坏。改变桨距角可调整桨叶的受力和转动速度，在风速变化时使风力机输出功率较好地保持稳定。三 风力机的传动形式直驱式 无齿轮箱，转速低，一般要用多极低速发电机齿轮传动式 风轮经过齿轮箱增速半直驱式 有齿轮箱但传动比较小8.1.2 风力发电机组成 风力发电机的转速受风力变化影响很大，虽然有风力机叶桨距调节和齿轮箱升速，发电机转速仍是不稳定的，转速不稳定带来的是发电机输出频率不定和输出功率不定，频率相同是并网的必要条件。直接并网对风速的要求很高，风速必须达到一定值才能发电。 发电机经过电力

5、电子变流器并网，由变流器保证发电系统输出频率与电网一致，可以扩大风力发电机对风速的利用范围。 风力发电机有， 直流发电机 交流发电机（笼型异步发电机，双馈发电机，同步发电机，永磁发电机）1. 笼型异步发电机风力发电系统2. 绕线型异步发电机（双馈发电机） 风力发电系统3. 同步发电机风力发电系统4. 永磁发电机风力发电系统二 恒速恒频发电和变速恒频发电恒速恒频风电发电（Constant Speed Constant Frequency, CSCF） 发电机转速恒定，输出频率恒定的系统，实际上风力发电机转速随风速总有波动，因此恒速恒频风电系统主要使用三相异步发电机，并采用定桨距失速控制。 恒速恒

6、频风电系统靠风力机的失速性能由风力机保持转速在异步发电机允许的转差范围内运行，对风速的适应范围小，风能的利用率不高。为了扩大风能的利用范围，恒速恒频风电系统常用两台不同转速的异步发电机，或者变极对数发电机，一般是4极和6极电机，以扩大对风速的利用范围，但是也增加了机舱的体积和重量。2. 变速恒频风力发电（Variable Speed Constant Frequency, VSCF） 变速恒频风电系统发电机通过变流器连接电网，发电机的转速就可以不受电网频率的限制，发电机转速可以根据风力机在不同风速下的最佳输出功率调节，达到对风能的最大利用，这是变速恒频风力发电的优点。变速恒频发电，发电机转速可

7、以变化，发电机经变频器输出频率恒定的交流电。变速恒频风力发电较恒速恒频风力发电对风能的利用率高，适用于各种交流发电机，是现在主流的风力发电系统。 不控整流器将定子输出交流整流为直流，中间Boost升压电路由T1管控制电容C两端的直流电压，网侧三相逆变器将中间环节直流电转变为与电网同频率的交流电。调节T1管驱动脉冲宽度可以调节直流电压，控制三相逆变器的输出功率，该方案控制较简单，成本低，可靠性较高。（1）不控整流+Boost直流升压+三相逆变器（2） 采用双PWM变流器 两台PWM变流器背靠背连接。通过发电机定子侧变流器控制发电机的电磁转矩和功率，使发电机在额定风速以下具有最大捕获风能的能力，网

8、侧变流器除逆变外还起保持中间直流电压稳定，和网侧功率因数控制的作用。双PWM变流器使用元件多，成本较高，控制较复杂。8.1.3风力发电机的功率调节风力机输入功率风力机输出机械功率发电机输出功率和风力机输出功率平衡时，风力机转速稳定一 最佳功率曲线各风速下的风力机输出功率最大值的连线称为最佳功率曲线风能利用系数最大 时 风力机最佳输出功率发电机输入机械功率发电机定子输出功率 风力机在风速较低和较高时的输出功率相差较大，为了在风速较低时也能获得较好的发电效率，定桨距发电系统常采用两台不同功率不同极对数的异步发电机，当风速超过额定风速时，由叶片的失速效应或通过偏航控制输出功率相对稳定。变桨距发电机组

9、可以通过调节桨距角来调节风力机输出功率。风力机的桨距调节机构比较复杂，维护较困难，巨大风叶使桨距调节的时间常数大响应速度慢，往往赶不上风速的变化，实际运行中最大风能追踪的过程是依据风力机的输出特性，通过对发电机的控制来实现的二 有功功率调节 风力机输出功率增加时要增大发电机的输出功率。增加发电机发电机励磁，励磁增加使电机定子感应电动势增加，定子电流增加，发电机输出功率增加，从而发电机输出功率与输入功率平衡。若励磁不作调节，发电机输入机械功率大于输出功率，发电机转速要上升，使发电机功率角增大，当功率角超过 发电机将有失步的危险，以增大极限功率来提高静态稳定度，这就是有功功率调节 并网的风力发电机

10、当功率角为负值时，发电机将工作在电动状态，这时风力发电机就像一台巨大的风扇，无为地从电网吸取功率，为避免发电机电动运行，当风速降到临界值以下时应及时将发电机与电网脱开。三 无功功率调节和无功补偿 当发动机工作在功率因数为1时，同步发电机励磁电流为额定值；发电机励磁电流大于额定值时，发动机功率因数是滞后的（发电机和电动机电流的正方向规定相反，因此功率因数的超前和滞后的意义相反）；而发电机励磁电流小于额定值时，发电机功率因数为是超前的，发电机需要从电网吸收滞后的功率因素，使电网功率因数降低，一般同步发电机工作在过励状态，以补偿电网的无功功率。8.1.4 风力发电机工作模式一 风力发电机的工作模式

11、四种模式起动，最大风能追踪，恒转速控制， 恒功率控制起动工作模式 此模式风速上升到切入风速，在切入风速以下发电机与电网脱离，风速大于或等于切入风速时发电机并网发电。该模式主要任务是实现发电机的并网控制，在这期间风力机通过改变桨距来调节机组转速，使转速保持恒定或在一个允许的范围内变化；发电机系统（包括电力电子变流器）则调节定子电压使其满足并网条件，在适当时间并网。2. 最大风能追踪模式 机组并网工作，风力机桨距角处于不调整的定桨距工作状态，通过发电机输出功率来调节机组转速，使风能利用系数为最大值，也称为恒定区。3. 恒转速工作模式 机组转速已达最高转速，但风力机的输出功率尚未达到额定，为保护机组

12、不过载，不再进行最大风能追踪控制，而是通过风力机的变桨距控制来调节桨距角，保证在最大允许转速上的恒转速发电运行。4. 恒功率工作模式 随风速增大，风力机输出机械功率不断增大，发电机达到功率极限，需要限制发电机输出功率不超过额定值，风电机组处于恒功率恒转速工作状态，该模式是通过改变风力机桨距角控制二 风力发电机并网方式 并网的基本要求：发电机电压，频率和相位与电网电压，频率和相位相同1. 异步发电机并网方式1） 直接并网 发电机相序与电网相序相同后，异步风力发电机并网条件是风力发电机转速尽可能接近同步转速，转差小并网时的电流冲击较小，因为并网前异步发电机仅有剩磁产生的定子电压，并网时突加电网电压

13、会产生56倍额定电流的冲击，引起电网电压下降，只能用于容量百KW以下异步发电机的直接并网，且电网容量较大的场合。2） 降压并网 降压并网是在异步发电机和电网间串接电阻或电抗器，或者自耦变压器，以降低并网时的电流冲击和电网电压下降。在发电机稳定运行后，再短接切除电阻或电抗器等，这种并网方式机组可以在百KW以上。3） 软并网 在异步发电机并网时，先在发电机与电网间串接双向晶闸管交流调压器（图8.2a），将并网冲击电流限制在允许范围内，在完成并网后切除双向晶闸管交流调压器。2. 同步发电机并网方式1） 自动准同步并网 同步发电机在风力机拖动下转速接近同步转速时，励磁调节器向发电机输入励磁电流，通过调

14、节励磁电流使发电机端电压与电网电压接近，当发电机端电压接近电网电压时可合上开关并网，同步发电机通过自整步牵入同步，自准同步并网优点是没有明显的电流冲击，缺点是控制与操作复杂。2） 自同步并网 发电机转子励磁绕组先电阻短接，同步发电机无励磁电流起动，在同步速附近（差值小于5%）将发电机并网，然后再给发电机施加励磁，发电机自动牵入同步。由于并网时发电机无励磁电流，发电机定子绕组中没有反电动势，不需要对发电机电压和相角进行调节和校准，控制简单，缺点是并网瞬间有电流冲击，将引起电网电压的下降。 发电机与电网之间通过全功率变流器连接时，发电机的频率和电网频率彼此独立互不影响，并网过程比较平稳8.2 同步

15、发电机风力发电系统控制8.2.1 带全功率变流器的同步发电机风力发电系统 全功率变流器的作用（1）保证风力发电系统输出频率和电压与电网频率 电压相同，（2）使风力发电系统工作在最佳功率状态。永磁同步发电机风力发电系统控制8.2.2 直流斩波控制 为使风力机处于最佳功率输出状态，忽略机组损耗时, 发电机产生的电磁功率应与风力机最佳功率相同因为因为 不能检测，由同步发电机定子电压方程 对不控整流器通过控制 控制风力发电机组工作在最佳发电状态。 系统检测不控整流器电压和电流，依据风力机最佳功率曲线，计算不控整流器电流给定值，经电流调节器ACR和PWM调制产生开关管T1驱动脉冲，控制整流器输出电流，从

16、而控制发电机输出功率为风力机的最佳功率。8.2.3 逆变器控制 逆变器的作用是使全功率变流器输出频率为电网频率，并且要求逆变器（1）输出电压接近正弦，相位与电网电压相同以减小电流冲击。（2）使直流电压稳定，逆变器输出功率与与整流器输出功率相等 控制 可以控制逆变器输出的有功功率，控制 可以控制逆变器输出的无功功率 逆变器输出电网的有功功率和无功功率令d轴位于网侧电压矢量 方向上，8.3 双馈发电机风力发电系统控制 双馈电机定子和转子结构与绕线式异步电机相同，与一般绕线式异步电机不同是转子绕组通过滑环和电刷加入交流励磁，电机的工作状态可以通过转子交流励磁的幅值、频率和相位控制。 风力发电双馈电机

17、工作在次同步速发电和超同步速发电两种模式，双馈发电机用于风力发电较同步发电机，但是其风力机转速可以有较宽的变化范围，有利于风力机的最佳输出功率追踪，提高风能利用效率，是目前国内外大功率风力发电机组的主流机型。 次同步速发电时，转子侧变流器工作在整流状态，网侧变流器工作在逆变状态，转子转差功率从转子流出 超同步速发电时，网侧变流器工作在整流状态，转子侧变流器工作在逆变状态，向转子注入差功率。8.3.1 双馈异步发电机数学模型和定向控制一 双馈发电机数学模型 双馈发电机定子有功功率和无功功率双馈发电机的数学模型与异步电机数学模型相同双馈发电机转矩方程二 按定子磁链定向控制 双馈发电机中常用按定子磁

18、链定向控制的方法dq坐标系的d轴定向在定子磁链方向上按定子磁链定向后同步旋转dq坐标系上按定子磁链定向的定子电压方程定子并网恒定都不变 不变按定子磁链定向后控制 可以控制定子的有功功率和无功功率由式8.16的转子电压方程和式8.14的电流方程可得式8.19方程右边的前两项为实现转子电压、电流解耦控制的解耦项（8.20）（8.19）为消除转子电压与电流交叉耦合的补偿项三 定子磁链观测在二相静止坐标系上，定子磁链分量8.3.2 转子侧变流器按定子磁链定向的矢量控制 风力双馈发电机功率输出由转子励磁控制，转子电压和电流控制了双馈发电机定子输出的有功和无功 查表得到在当前风速下的最佳功率作为发电机输出

19、有功功率的给定值，发电机输出的无功功率给定值，根据电网对发电机输出无功的要求设定 转子侧PWM变流器控制由功率给定，有功和无功调节器APR、AQR, 转子电流给定值计算，电流调节器ACR，坐标变换环节（2r/2s, 2s/3s）和PWM调制等环节组成。8.3.3 双馈发电机转子网侧PWM变流器数学模型 一 网侧三相变流器方程中间滤波电容电流（8.24）将式8.26代入式8.24（8.26）（8.27）二 在二相静止坐标系上网侧变流器方程三相电压和电流变换到二相静止坐标系三 在二相同步旋转dq坐标系上网侧变流器的方程8.3.4 网侧变流器按电压定向控制系统一 网侧变流器按电压定向控制将同步旋转坐

20、标系dq坐标系的d轴定向在电网电压矢量方向上= us在同步旋转坐标系dq坐标系上，、 都是直流式8.29可写为二 网侧变流器按电压定向控制的稳态特性在变流器稳态运行时，方程式8.31各导数项为0，忽略电阻可得同步旋转坐标系上网侧变流器的方程在幅值守恒原则变换下有：即使空载，直流母线电压也不会低于交流侧电网线电压幅值，因此需要由Boost电路升压。按发电机原则规定电流正方向和幅值恒定的坐标变换原则，网侧变流器向电网输出的有功功率和无功功率分别为：在d轴定向于电网电压矢量的同步旋转坐标系上，忽略损耗，则有忽略各种损耗后，网侧变流器直流侧和交流侧有功功率平衡关系为 只要能控制交流侧输入的有功功率就可以保持直流母线电压稳定由式8.32，忽略电阻时可得将式8.38代入式8.36得 该式表明调节网侧电压矢量可以调节变流器从电网吸收的有功功率和无功功率，从而使变流器在不同的有功和无功下实现四象限运行。三 基于d轴电网电压定向的网侧变流器控制 检测网侧交流电压和电流，经坐标变换得到dq坐标系上的电压和电流，用锁相环PLL检测电网电压定向角系统控制目标是直流侧电压和交流侧功率因数式8.37从功率平衡要求变流器输出侧电流变流器交流侧d轴电流给定为变流器交流侧q轴电流给定根据对无功功率的给定。 要求设定（式8.36）系统的电流内环根