风力发电技术课件-华北电力

风力发电技术华北电力大学电气与电子工程学院其辉2011.9.25第一章风力发电现状与趋势华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉纵览起源：世界上第1台用于发电的风力机于1891年在丹麦建成。1986年5月，我国第一个并网风场建于山东荣成。发展：风电技术经过20年的开发日臻成熟，商业化机组的单机容量从55kW增加到1650kW，风电成本从20美分/（kW·h），持续下降到5美分/（kW·h），运行可靠性和发电成本接近常规火电，迅速发展成为初具规模的新兴产业。目前风力机之最为美国CE公司的“超级风力机”，单机功率为7.3MW，风车直径为112m.第一章：风力发电的现状与趋势华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势一.风电的发展1.世界风电的发展自1990年以来,风力发电一直是世界上增长最快的可再生新能源。从1996年起，全球累计风电装机连续11年增速超过20％，平均增速达到28.35％。2008年虽然经历了历史罕见的金融危机，但风电依然成为最具吸引力的发电投资，已经成为各个国家替代能源的首选。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势2010年底，全球风电总装机容量达199,520兆瓦，发电量超过4099亿千瓦时，占世界电力总发电量的1.92%。2008年和2009年全球年装机容量分别增加42%和35%，而2010年年度装机增长率仅为3%。受金融危机的影响，2010年年度装机增长率仅为3%。2010年美国风电装机新增下滑最厉害，欧洲保持平稳增长。中国、印度等新兴市场显示出强大的生命力。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势经过2010年的转折，最大风电国家市场的排名发生了变化：中国以18,928兆瓦的新增装机容量稳居第一位，并且创造了单个国家年度新增装机容量的世界纪录；美国以5,115兆瓦的新增装机容量位列第二；第三名是印度，新增装机容量2,139兆瓦。在欧洲，德国、英国和西班牙成为排名前三的欧洲国家，每个国家的新增装机容量大约是1,500兆瓦。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势全球风电累计装机容量

华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势2.我国风电的发展我国的风电自2003年进入高速发展时期。从2005年开始，中国的风电总装机连续5年实现翻番。2009年，中国以2580万千瓦的总累计装机容量超过德国，成为世界第二，但与排名第一的美国仍有近1000万千瓦的差距。截至2010年底，中国全年风力发电新增装机达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一。《中国风电发展报告2010》预测：2020年，中国风电累计装机可以达到2。3亿千瓦，相当于13个三峡电站；总发电量可以达到4649亿千瓦时，相当于取代200个火电厂。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势“十二五”将加快海上风电投资，预计2020年海上风电装机容量将超过3200万千瓦。

上网瓶颈是风电发展的最大障碍，也是急需解决的问题，我国电网“十二五”期间风电并网目标是9000万千瓦。日本核电危机后，我国核电政策偏紧，水电的规划目标已经被充分挖掘，风电和光伏是最有可能弥补核电缺位的清洁能源，风电与光伏将“临危受命”，得到更大的发展空间。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉原《可再生能源中长期发展规划》提出的风电发展目标是2020年全国风电总装机容量达到3000万千瓦，调整后的风电装机容量指标可能达到1亿－1.5亿千瓦。根据《新兴能源产业发展规划》，预计到2020年，中国新能源发电装机2.9亿千瓦，约占总装机的17％。其中，核电装机将达到7000万千瓦，风电装机接近1.5亿千瓦，太阳能发电装机将达到2000万千瓦（即20GW），生物质能发电装机将达到3000万千瓦。第一章：风力发电的现状与趋势华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势我国的风电装机情况

华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势二.风电技术概述1.分类恒速恒桨变速变桨华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势2.恒速恒桨技术原理恒速恒桨一般采用鼠笼式异步发电机，风力机桨距固定，其运行完全靠叶片气动特性控制，当风机带动发电机达到或接近同步速时并入电网，此后电机转速基本保持恒定，系统送入电网的电压频率恒定。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势恒速恒桨风力发电技术的特点电气系统简单，可适合于在野外缺少维护的环境下工作。转速不变，输出功率和转速的控制全靠倾角控制完成，要求倾角控制响应快，动作次数多，调节机构易疲劳损坏；强阵风来时，转速不变，机械承受应力大，要求坚固，所以又称“刚性”风力发电。适用于中小功率风电系统，通常不大于1000kW。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势3.变速变桨技术分类采用DFIG（交流励磁转差功率变换型）华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势采用普通同步发电机（全功率变换型）华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势采用多极永磁同步发电机（全功率变换直驱型）华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势变速发电的特点：在不同风速下，涡轮机都工作在最高效率点，提高效率10%；减小发电机电磁转矩脉动和机械承受的应力，减轻机械强度要求，又称“弹性”风力发电；电磁转矩脉动小，发出电力的波动小，提高发电质量；在强风来时倾角控制器才工作，对倾角控制的响应速度大大降低、动作次数显著减少、机构寿命得以延长。适用于大功率发电场合，通常大于1000kW。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势风电技术现状趋势大型化、变速运行、变浆距是世界风电设备发展的趋势。目前世界上主流机型为兆瓦级，如美国主流1.5MW，丹麦主流2.0～3.0MW，目前单机容量最大的风电机组是德国Repower公司生产的容量为5MW瓦的机组。随着未来海上风电的开发，单机容量可能继续上升。在风电技术研发上，国内风电机组制造企业面临着技术路线从定桨定速提升到变桨变速，单机功率从百千瓦级提升到兆瓦级的双重压力，华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势三.主要的风电设备厂商与市场1.国外厂商世界风电巨头企业主要集中在欧洲和北美：丹麦Vestas

西班牙Gamesa

美国GE德国Dewind华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势企业名称在华设厂地点生产产品投产时间设计产能Vestas天津一期叶片，二期整机2006年6月80万千瓦Gamesa天津整机2006年7月70万千瓦GEWind沈阳整机

Suzlon天津整机2006年8月80万千瓦Repower包头整机合资80万千瓦Nordex宁夏、西安整机合资

外资风电巨头在华投资设厂情况华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势2.国内厂商与市场总览风电场业主主要来自国营大型电力集团，如龙源、华能、北国电、国华、华电国际、中电投等，另外有越来越多的民营企业参与投资风电场建设。风力发电机组整机制造厂约29个。零部件制造厂约30个。进行过风电技术研究的高校和科研院所约12家。专业研发中心2个。风资源前期咨询单位约5家。有能力进行风力发电机组整机及其零部件测试的机构约14家。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势国内风电设备厂商主要分为四种类型：具有自主知识产权的企业新疆金风科技股份有限公司、浙江运达风力发电工程有限公司、特变电工沈阳工大风能有限公司新近加入风电领域的中小企业湘潭电机集团有限公司、中国东方电气集团东方汽轮机厂、广东明阳风电技术有限公司等涉足风电领域的国家大型企业保定天威风力发电设备制造公司、上海电气集团股份有限公司、大连重工•起重集团、北京北重汽轮机有限责任公司等华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势公司概况金风科技国内最早大批量组装600KW、700KW风机的厂商，07年开始批量生产1.5兆瓦永磁直趋式风机华锐大重2004年底与德国Fuhrlander公司签定1.5MW机组生产许可证合同。06年开始批量生产1.5兆瓦变速恒频双馈式风机浙江运达2003年开发成功750kW机组并投入运行，完成了国家863攻关项目1.5兆瓦风力发电机组总体及各主要部件的初步设计，并通过了科技部验收。东方汽轮机2004年11月与德国Repower公司签定1.5MW机组生产许可证合同。2006年批量生产1.5兆瓦变速恒频双馈式风机上海电气风电设备有限公司引进德国DEWIND公司1.25MW技术，第一批样机2006年年底完成；正与国外联合设计2兆瓦机组。分设有沪、津2个生产基地，计划到2008～2009年，2兆瓦机组形成批量生产能力火箭院万源安迅能2005年6月火箭研究院与西班牙EHN签定合资合同。湘电股份与日本原弘产株式会社总投资2.2亿元，注资1.1亿元，各占50%股权，年产兆瓦级风机300台。07年初总装机厂房奠基。签约了大唐漳州，另有两台机组在内蒙测试华仪电气华仪风能参股49%的华仪金风公司为浙江当地组装厂。目前能够生产750KW风机，正在着手开发1.5兆瓦风机重庆船舶工业公司同德国Aerodyn公司签约，开发具有自主知识产权的2兆瓦风力发电机组，首批样机将于2007年上半年试运行兵器工业集团内蒙古北方重工业公司与Repower、英国宏腾能源合资，即将投产的2兆瓦级MM70型风力发电设备，是目前国内引进的最先进的机型哈飞威达风电设备有限公司由哈飞工业（集团）公司和芬兰WinWindOy合资，于2005年3月成立，生产基于MULTIBRID技术的1兆瓦和3兆瓦变桨变速型风力发电机组。其中,1MW机组已投入试运行。艾万迪斯银河风力有限公司06年10月签协议，注册资本1亿元。长征电器持有合资公司15％股权，银河集团持60％股份，艾万迪斯公司持25％股份。07年完成样机，北海年产能为2.5兆瓦风电机组100台天威保变06年定向增发募集资金中将有2.5亿元投资风电整机项目，06年3月组建了天威风电，将从英国GH公司引进1.5MW风机设计技术

国内风电整机主要厂商情况华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势

国内风电零部件主要厂商情况华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势四.风电场的成本与运营华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势影响风力发电成本的主要因素包括：风力发电机组成本、基础及配套设施、使用寿命、风力资源、运行可靠性、电网吸纳性、年维修/管理费、税金等风力发电成本的一般占比示意图风力发电的成本构成资料来源：中国风能协会，海通证券研究所华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势风力发电机组零部件所占成本比例资料来源：中国风能协会，海通证券研究所整理华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势技术进步和风电场规模不断扩大使风力发电成本迅速下降从20世纪80年代开始，风力发电成本从平均20美分/度下降到目前的4.5美分/度，过去5年平均以每年4%左右的速率下降华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势序号风电场名称最高电价1内蒙古朱日和风电场0.60942内蒙古辉腾锡勒风电场0.60903内蒙古商都风电场0.60904内蒙古锡林浩特风电场0.647865河北张北风电场0.98406新疆达坂城风电场一厂0.53307新疆达坂城风电场二厂0.53308辽宁东岗风电场0.91549辽宁大连横山风电场0.900010浙江苍南风电场1.200011海南东方风电场0.560012广东南澳风电场0.740013广东南澳振能风电场0.620014福建东山澳仔山风电场0.460015甘肃玉门风电场0.730016吉林通榆风电场0.900017上海崇明南汇风电场0.7730

平均电价0.7246国内部分风电场上网电价华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势五.我国风电产业政策《可再生能源法》

2006的《可再生能源法》允许多种投资主体进入可再生能源领域，并且要求电网公司全额收购新能源发电量，从法律上为以风电为代表的新能源快速发展提供了法律和政策保障。国产化率指标

国家发改委公布的《关于风电建设管理有关要求的通知》强调风电设备国产化率要达到70%以上特许权招标制度

该方式不但规定由风电上网电价最低的投标商中标，而且要求投标商绑定设备制造商进行投标，为设备国产化率提供了实施性保障华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势电价分摊《可再生能源发电价格与费用分摊管理试行办法》规定了可再生能源电价分摊的实行办法5.《国务院关于加快振兴装备业的若干意见》提出大力发展大功率风力发电机等新能源装备，将大型清洁高效发电装备列为国家重点发展的16个重大技术专项之一华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第一章：风力发电的现状与趋势辉腾锡勒风电场图南澳风电场图华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章风力发电基本知识华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉纵览风能与风力资源风力机种类与原理风力发电机的类型风力发电系统风电场第二章：风力发电基本知识华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识风力发电系统：实现“风能－机械能－电能”转换的系统，称为风力发电系统，是一个非常复杂的能量转换系统，包括学科知识：空气动力学、机械学、流体力学、结构力学、电气电子技术、计算机技术、通信技术、电机技术、电网技术………华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉风能与风力资源（一）风能基本知识1.风的能量风能：空气运动的动能称为“风能”,风能的计算公式为：

E＝1/2ρsv3式中:E－风能（W）ρ－空气密度（kg/m3）S－气流截面积（m2)v－风速（m/s)风能密度：单位时间内通过单位面积的风能

W＝1/2ρv3有效风能密度：指风机可利用的风速范围内的风能密度（对应的风速范围大约是3～25m/s)。第二章：风力发电基本知识华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识2.风的利用华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识（二）风力资源

太阳辐射到地球的热能中有约2％被转变成风能，全球大气中总的风能量约为1014MW。其中可被开发利用的风能理论值约有3.5×109MW，比世界上可利用的水能大10倍，相当于1000－10000座100万瓦量级的原子能发电站。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识·陆上约有2.53亿千瓦(年电量5000亿千瓦时)·海上约有7.5亿千瓦·合计约10亿千瓦

据中国气象科学院预测，我国经济可开发风能资源为：华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识我国风能资源可分为四大区域：东部沿海及岛屿地区、三北（东北、华北、西北）地区、内陆局部地区和海上风能区。我国的风能资源分布

华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识省区风能储量省区风能储量省区风能储量内蒙6,177.5山东393.6湖北192.7西藏3,993.0山西387.1广西168.1新疆3,433.0河南367.5浙江163.5青海2,421.4云南366.6宁夏148.4黑龙江1,722.8江西292.9福建137.2甘肃1,143.0安徽250.5贵州100.6吉林637.5湖南246.5台湾104.8河北611.9江苏237.6海南64.0辽宁605.8陕西234.2四川435.8广东195.0全国合计25,300.0华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识二.风力机的类型与原理（一）风力机的类型1、分类方法：

•按风轮轴线的方向可分为水平轴式和垂直轴式

•按风轮的位置可分为上风式和下风式

•按叶片的数目可分为单片式、双片式、三片式、四片式和多片式

•按叶片的型式分为螺旋桨型、H型和S型等

•按风能转换的原理可分为升力型和阻力型。按叶片与轮毂的连接分为定桨型和变桨型。风力发电所采用的风力机，水平轴式的占绝大多数，达98％以上。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识2、水平轴风力机华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识3、垂直轴风力机

风轮轴垂直的风力机称为垂直轴风机。这类风力透平的形式也很多，如S型、H型、Ф型等。虽然目前还没有大量商品化，但它有许多特点，如不需要塔架、发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制造方便等。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识（二）风力机的基本原理

自然界中的风能不便于利用。为了把风能转变成所需要的机械能、电能、热能等其他形式的能量，人们发明了多种形式的风能转换装置，这就是风力机。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识风力机输入风能，输出机械能。其输出功率为：其中Cp为风能转换系数，与叶尖速比λ、浆叶节距角β有关。λ＝ωwRw/v。风力机最佳功率为：（二）风力机的输出特性华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识（四）主要技术参数指标风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越大；叶片数目，高速发电用风力机为2～4片，低速风力机大干4片；叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合材料；风能利用系数Cp

，一般为0.15—0.5之间；启动风速，一般为3—5m/s;额定风速，一般为8—20m/s；停机风速，通常为15—35m／s;输出功率，现代风力机一般为几百干瓦—几兆瓦；另外还有塔架高度等等。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识独立运行发电机直流发电机永磁式直流发电机(微、小型风机)，电磁式直流发电机(大、中型风机)永磁式交流同步发电机(微、小型风机)转子采用永磁材料(铁氧体，汝铁硼等):凸极式，爪极式硅整流自励式交流同步发电机蓄电池，整流器电容自励式异步发电机发电机需有剩磁或具有蓄电池，足够的电容三.风力发电机类型华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识并网运行发电机感应异步发电机笼型、绕线型，定子并联电容提供励磁功率转差率S大于0:电动状态转差率S小于0:发电状态4极或6极，发电机转速高于1500r/min或1500r/min才能运行与发电状态,S=－2％－－5％并网方式：直接并网、降压并网、晶闸管软并网华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识同步发电机普通同步发电机凸极式结构简单，低速发电隐极式机械强度高，高速发电

华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识新型同步发电机

多极永磁低速同步发电机

免除齿轮箱，构成直驱式风力发电系统永磁高压同步发电机

定子：高压圆形电缆，高压至10－20KV，甚至40KV。转子：多极永磁，免除齿轮箱

华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识双馈异步发电机(DFIG)

评价：当今使用最广泛的一种主流风力发电机

华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识DFIG的优势

转子励磁电流幅值、相位、频率均可调有功功率、无功功率均可调可实现变速恒频运行，适用于风力、潮汐等绿色发电领域可实现与电网的柔性并网，并网特性优良华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识DFIG的3种运行状态亚同步同步速超同步

亚同步运行功率潮流超同步运行功率潮流华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识无刷双馈异步发电机取消电刷和集电环，可靠性好体积较大分为级联式和磁场调制型(图)两种

华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识开关磁阻发电机(SRG)又称双凸极式发电机,定子转子双凸极定子极数比转子多转子无绕组

华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识结构风力发电系统是将风能转换为电能的机械、电气及共控制设备的组合。典型的风力发电系统通常主要由叶轮、传动系统、变速器(小、微容量及特殊类型的也有不包括变速器)、发电机、调向机构及控制系统和储能装置等几大部分组成。四.风力发电系统华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识四.风力发电系统直驱式风力发电机双馈式风力发电机华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识组成机构华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识调向机构作用：用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气流动方向相对位置的机构。因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构(国外通称偏航系统)。类型：

小型水平轴风力机常用的调向机构有尾舵和尾车；风电场中并网运行的中大型风力机则采用由伺服电动机。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识发电机微型及容量在10kW以下的小型风力发电机组，采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后向负载供电及向蓄电池充电；容量在l00kW以上的并网运行的风力发电机组，则应用同步发电机或异步发电机。齿轮箱

作用：是将风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要的转速相匹配。类型：1级行星齿轮和两级斜齿轮，1级行星齿轮和两级直齿轮华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识塔架水平抽风力发电机组需要通过塔架将其置于空中，以捕捉更多的风能。类型：即由钢板制成的锥形筒状塔架和由角钢制成的桁架式塔架。控制系统组成：100kW以上的中型风力发电机组及1MW以上的大型风力发电机组皆配有由微机或可编程控制器(PLC)组成的控制系统来实现控制、自检和显示功能。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识控制系统主要功能①按预先设定的风速值(一般为3～4m／s)自动启动风力发电机组，并通过控制实现并网。②借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及状态，包括风速、风向、风力机风轮转速、发电机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。③各运行工况内的自动发电控制④当风速大干最大运行速度(一般设定为25m／s)时实现自动停机。

故障保护。⑤与主控中心通信：如通过调制解调器与电话线连接。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识风力发电系统类型独立运行风力发电系统独立运行的风力发电机组，又称离网型风力发电机组，是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应用户使用，如需要交流电，则要加逆变器。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识独立运行风力发电机华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识并网运行风力发电系统概述作用：采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能的方式，是克服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式，同时可达到节约矿物燃料的目的。应用：10kW以上直至MW级的风力发电机组皆可采用这种方式。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识类型按风力机功率调节方式定桨距风力发电机组叶片桨角固定的风力发电机组称为定桨距风力发电机组。结构简单、容量从数十千瓦到兆瓦级、性能可靠,但效率较低。变桨距风力发电机组叶片桨角在一定范围（一般0o～90o)内变化的风力发电机组称为变桨距风力发电机组。效率较高。兆瓦级及以上机组多采用此类机组。按发电机转速：恒速桓频方式即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。这种方式目前已普遍采用，具有简单可靠的优点，但是对风能的利用不充分。变速恒频方式即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行，但仍输出恒定频率的交流电。这种方式可提高风能的利用率，但将导致必须增加实现恒频输出的电力电子设备。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识按驱动链形式方式有齿轮箱传动方式（一般有多级齿轮箱)需要高速电机，如IG,DFIG，SG半直驱方式（一般有一级齿轮箱)需要中速发电机直驱方式（无齿轮箱)

需要低速发电机，如多极PMSG华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识恒速与变速运行方式变速运行的优点1.系统效率高变转速运行可以最佳叶尖速比运行,提高了风力机的运行效率,与变桨恒速运行机组相比,年发电量可提高10%以上。2.能提高供电品质阵风时风轮转速增加，把风能余量存储在风轮转动惯量中,风速下降时,再将风轮动能缓慢释放出来变为电能送给电网。可减少对电网的冲击。3.使桨角调节简单化。低于额定风速时,桨角固定；高风速时,调节桨角限制输出功率。4.环保效果好低风速时,风轮处于低转速运行状态,使噪声降低。也不易引起视觉疲劳。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识变速恒频运行的实现方案双馈异步发电机＋部分功率变频器。永磁同步发电机（直驱式）＋全功率变频器。其他类型，如开关磁阻发电机、磁场调制型。

华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第二章：风力发电基本知识华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章双馈型变速变桨风力发电系统运行控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉纵览机组主结构及控制系统励磁变换器结构及原理DFIG控制（机侧变换器控制）网侧变换器控制变桨机构及其控制偏航机构及其控制其他机构及控制、保护第三章：双馈型变速变桨风力发电系统运行控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉机组主结构及控制系统机组主结构：主要的机电设备控制系统：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华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（一）机组主结构风轮系统传动链系统发电机系统偏航/解缆系统刹车系统辅助系统华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制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第三章：双馈式变桨变速风电机组控制1.风轮系统桨叶轮毂变距（桨矩）机构华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2.传动链系统低速轴齿轮箱多级变速，变比较大（接近100）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高速轴联轴器华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制通用标准型膜片联轴器连接齿轮箱和发电机补偿轴向、径向和角度偏差易于装拆维护实现电绝缘力矩限定华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制传动链系统布局华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制3.发电机系统DFIG发电机本体冷却系统保护系统励磁变流器四象限运行能力、输入、输出特性优良设计容量为机组容量30％IGBT器件，PWM调制技术并网机构华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制4.偏航/解缆系统偏航机构风向标偏航饲服电机（或液压马达）减速装置偏航液压制动器偏航行星齿轮对风/解缆操作根据风向标控制对风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华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制偏航的作用对风，获取最大发电量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程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制5.刹车系统机械抱闸刹车*液压驱动和电气驱动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安装位置：高速轴，低速轴气动刹车变桨控制变桨控制系统控制桨距角为90度偏航控制电磁刹车

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第三章：双馈式变桨变速风电机组控制6.辅助系统塔架机舱罩机舱底盘变压器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第三章：双馈式变桨变速风电机组控制冷却系统发热部件液压系统齿轮箱发电机变频器冷却方式：空气冷却，液体冷却，混合冷却其他部分华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）控制系统1.概述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，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行全自动优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。比较普遍采用的是主从两级分布式控制结构。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。主控制器在地面控制室的开关柜内,从控制器分布在机组各个部位。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第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2.结构与功能结构硬件系统和软件系统主控制器和从控制器功能运行控制变桨距控制、偏航控制、刹车控制、变流器（发电机）控制本地控制与远程控制信号采集与监视采集量：电压、电流、频率、功率、转速、油温、压力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控制器参数监视与远程通讯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第三章：双馈式变桨变速风电机组控制主控制器实现案例(传统恒速机组)华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制从控制器变流器控制变桨控制偏航控制制动控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉英国EU-ENERGYWIND公司SEG1250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华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉二.励磁变换器结构及原理DFIG转子励磁电源的要求双PWM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华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制DFIG转子励磁电源的要求工作状态可逆，能量可以双向流动输入、输出特性优良，对电网的造成的谐波污染小在不降低电网功率因数条件下，具备一定的产生无功功率的能力（一）DFIG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第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）双PWM变流器的结构和特点采用高频全控器件IGBT、SVPWM调制方式，消除了低次谐波直流环节具有电容，具备产生一定无功功率的能力华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制由两个结构和功能相对独立的PWM变换器组成华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制全控器件变换器拓扑及调制波形（三）双PWM变流器的原理华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制基本调制技术SPWM（正弦PWM）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：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三.DFIG控制（机侧变换器控制）DFIG的特性及数学模型DFIG功率解耦控制策略第三章：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(一).DFIG的特性及数学模型第三章：双馈式变桨变速风电机组控制DFIG优势转子励磁电流幅值、相位、频率均可调有功功率、无功功率均可调可实现变速恒频运行，适用于风力、潮汐等绿色发电领域可实现与电网的柔性并网，并网特性优良华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制VSCF实现原理华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制DFIG数学模型坐标关系及变换3S/2S或2S/3S2S/2R或2R/2S3S/2R或2R/3S华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制定子电压方程:

转子电压方程:

定子磁链方程:

转子磁链方程:

转矩方程:

运动方程:

同步旋转坐标系中DFIG数学模型坐标变换华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）.DFIG功率解耦控制策略基于DFIG功率控制的MPPT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第三章：双馈式变桨变速风电机组控制基于DFIG功率控制的MPPTMPPT控制的机理由风力机特点知道，其风能转换系数Cp与叶尖速比λ和桨距角β有关，为后两者非线性函数。改变λ和β均能调节Cp，控制吸收风能的多少。单独调节λ或单独调节β虽然均会使Cp提高，但是只有两者共同参与调节才使可能Cp最大，实现真正意义上的MPPT。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制MPPT控制的策略由变桨控制桨距角β实现，常用于恒速机组，变桨变速机组较少采用。非真正意义MPPT。恒速机组转速不能改变，因此风速变化时叶尖速比λ不受控，很难调整到最佳叶尖速比。风速变化时通过桨距角β调整风能转换系数Cp，可使Cp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DFIG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四.网侧变换器控制网侧变换器数学模型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华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉（一）.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华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：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第三章：双馈式变桨变速风电机组控制3S/3R变换华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2S/2R变换考率到为网侧变换器交流侧电压，上式变换为上式可改写为其中华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：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，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）.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五.变桨机构及其控制变桨风力机的特性变桨执行机构变桨控制策略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华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉（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，必须对每支桨叶的翼片按同一旋转方向，桨叶围绕自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，称为安装角也就是桨叶节距角。下图是风力机起动时受力分析。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能利用系数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——风速华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制对于变桨距风力机，风能利用系数Cp与叶尖速比λ和桨叶的节距角β成非线关系。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制对于某一固定桨叶节距角β下，存在唯一的风能利用系数最大值Cpmax对于任意的叶尖速比λ，桨叶节距角β=0°下的风能利用系数Cp相对最大。随着桨叶节距角β增大，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第三章：双馈式变桨变速风电机组控制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β=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3.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华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）变桨执行机构变桨机构的作用风机切入、切出减少冲击超过额定风速时限制功率气动刹车华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制变桨机构的类型饲服电机齿轮传动变桨

每一桨叶都具有饲服电机（PMSM），减速器和齿轮副控制复杂，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，分别驱动三桨叶同步变桨一个液压缸（位于机舱），一套曲柄滑块机构，同步驱动叶片华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制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第三章：双馈式变桨变速风电机组控制液压型桨距调整机构（英国EU-ENERGYWIND公司SEG1250型风机）华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（三）变桨控制策略变桨控制的区域及模式各区域内的变桨控制转速控制策略华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制变桨控制的区域及模式根据前述的总体控制方案知：并网区：转速控制模式MPPT区：不控模式（桨距角固定为零）转速限制区：转速控制模式或不控模式功率限制区：转速控制模式或功率控制模式切出停机区：刹车控制模式（顺桨）华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制各区域内的变桨控制各区域内的桨距角控制规律华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变距风轮的桨叶在静止时，节距角为90°，这时气流对桨叶不产生转矩，整个桨叶实际上是一块阻尼板。当风速达到起动风速时，桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始起动。在发电机并入电网以前，变桨距系统的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按—定的速度上升斜率给出速度参考值，变桨距系统根据给定的速度参考值，调整节距角，进行所谓的速度控制。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制为了使控制过程比较简单．变桨距风力发电机组在转速达到发电机同步转速前对桨叶节距并不加以控制。在这种情况下，桨叶节距只是按所没定的变距速度将节距角向0°方向打开。直到发电机转速上升到同步速附近，变桨距系统才开始投入工作。转速控制的给定值是恒定的。即同步转速。转速反馈信号与给定值进行比较．当转速超过向步转速时，桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方问转动一个角度。当转速在同步转速附近保持—定时间后发电机即并入电网。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制MPPT区此时变距机构只需将节距角β固定在0°即可，即使Cp=Cpmax,其余的由发电机控制。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制转速限制区和功率限制区变桨控制采用功率控制模式或转速控制模式。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制电动调节器原理华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（四）.变桨控制器实现案例一种电动变桨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六.偏航机构及其控制偏航机构控制系统第三章：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第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（一）.偏航机构偏航的作用对风，获取最大发电量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程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制偏航机构风向标偏航饲服电机（或液压马达）减速装置偏航液压制动器偏航行星齿轮华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制偏航机构华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制偏航系统工作原理

偏航系统的一般工作原理是：风向标作为感应元件将风向的变化用电信号到偏航电机控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同联轴接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对当对风结束后，风向标失去电信号，电机停止转动，偏航过程结束。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）.偏航控制系统控制系统原理华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉主要内容低电压穿越（LVRT）的概念及必要性国内外并网导则对低电压穿越的要求变速恒频风力发电机低电压穿越实现方案第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉一.低电压穿越（LVRT）的概念及其必要性低电压穿越（LVRT）的概念

低电压穿越LVRT(LowVoltageRideThrough)是指当电网故障或扰动引起的风电场并网点的电压跌落时，在一定电压跌落范围内，风电机组能够不间断并网运行，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉低电压穿越的必要性电网发障出现电压跌落时，一般采取切除风电机组的方法来处理：风电装机比例较低时，允许风电场在电网发生故障及扰动时切除，不会引起严重后果。风电装机比例较高时，在高风速期间，大量风电切除会导致系统潮流的大幅变化，甚至可能引起大面积的停电，带来频率的稳定问题。风机大面积切机不但会对电网造成严重影响，还会对风电机组本身造成很大危害。

LVRT必不可少第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉二.国内外并网导则对低电压穿越的要求

风力发电在世界范围内得到了迅猛的发展，风力发电系统对电网的影响也越来越受到关注。目前，风力发电技术领先的国家已相继定量的给出了风力发电系统的低电压穿越的要求。

丹麦低电压穿越要求

德国低电压穿越要求

中国低电压穿越要求第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉丹麦低电压穿越要求丹麦双重电压降落特性

双重电压降落特性是丹麦并网要求的一部分。要求：单相短路100ms后间隔1s再发生一次新的100ms电压降落时要求也不发生切机。两相短路100ms后间隔300ms再发生一次新的100ms短路时不发生切机。

华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉丹麦LVRT能力规定故障穿越要求规定，如图2所示。三相故障从标称电压的20~75%开始，持续10s。风电场应在电压重新到达0.9pu以上后，不迟于10s发出额定功率。电压降落期间，并网点的有功功率应满足以下条件：在电压恢复到0.9pu后，应在不迟于10s内满足与电网的无功功率交换要求。电压降落期间，风电场必须尽量发到风电场标称电流1.0倍的无功电流。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉德国低电压穿越要求

在德国北部，风机密度很高，电网经营商E.ONNetz对风电场/风力机组的LVRT要求如下图所示。

德国E.ONNetz公司的LVRT要求

华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉德国低电压穿越要求要点：仅当电网电压在时间或数值上处于图示曲线下方时，风机才允许解列；在曲线以上区域，风机应保持并网，等待电网恢复。有功输出在故障切除后立即恢复并且每秒钟至少增加额定功率的20%。阴影区域中，有功功率每秒钟可以增加额定功率的5%。当电压位于图中阴影区域时，还要求风机向电网提供无功功率支撑，帮助电网恢复。当电压跌落到15%～45%时，要求风机一直提供无功支持，并应能保持并网至少625ms，在电压跌落到90%以上时风机应一直保持并网运行。第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉中国低电压穿越要求风电场并网点电压在发生跌落后的3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场的风电机组保持并网运行。风电场内的风电机组具有在并网点电压至20%额定电压时能够保持并网运行625ms的低电压穿越能力。中国风电场低电压穿越要求的规定

华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉三.变速恒频风力发电机低电压穿越实现方案

电网电压跌落时，对风电系统会产生较大的影响，必须采取保护措施，否则可能会损坏电容和功率器件，甚至造成整个风电系统的崩溃。针对常用的变速恒频风力发电机组有：

双馈式变速恒频风力发电机低电压穿越实现方案

直驱式变速恒频风力发电机低电压穿越实现方案第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉1.双馈式变速恒频风力发电机低电压穿越

当电网电压跌落时会导致：转子侧过电流，从而造成直流侧电压升高，以及发电机侧有功、无功功率的振荡；当故障消除后，DFIG从电网吸收无功功率来恢复气隙磁链，导致定子侧注入较大的浪涌电流，造成发电机端电压降低。

因此，为了保证电网故障时DFIG能安全不脱网运行适应LVRT标准，提出了针对DFIG低电压穿越的实现方案：改进控制算法实现低电压穿越增加硬件电路实现低电压穿越华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉改进控制算法实现低电压穿越

对DFIG最常用的控制策略是定子磁链定向的矢量控制方法。根据定子磁链定向的矢量控制，有：

在定子磁链定向情况下，有：传统算法的缺点华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉

这种控制策略实现了DFIG有功和无功功率的解耦控制，构造简单，可获得很好的稳态响应。但有不足之处：建立在3阶降阶模型基础上，忽略了定子磁链的暂态过程，如果故障过程中不成立，转子的解耦控制将无法实现；故障发生时，电机端电压发生跃变，测量定子磁链用的积分器发生积分饱和，可能导致定子磁链定向不准确，将会造成有功、无功控制不能解耦，整个控制系统在故障过程中无法实现预想的控制效果。

第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉

两种改进方法：改进控制策略，考虑定子磁链暂态过程或三相不对称特性对机组加以合理控制，以限制转子过流或直流电压过压；在稳态过程仍使用该控制策略，故障发生时配合增加硬件电路切换到相应的故障控制策略。传统算法的改进第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉四种实现LVRT的硬件方案：转子侧保护电路

直流母线保护电路

定子侧保护电路变桨距技术增加硬件电路实现低压穿越第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉转子侧保护电路

最常见的为图中二极管桥加可控器件结构。

变速恒频双馈异步风力发电系统示意图基本原理：转子侧快速短接保护装置（Crowbar）用来旁路转子侧变换器（RSC），为电网电压故障引发的转子过电流提供释放通路。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉

两种典型的Crowbar电路

还给出了两种典型结构。图6（a）不对称结构易引起转子电流中出现很大的直流分量，不实用。图6（b）除电路对称外，更可利用其电阻消耗转子侧多余的能量，加快定、转子故障电流的衰减。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉直流母线保护电路

电网电压骤降后，将导致：DFIG定、转子绕组中感生很大的故障电流，引起直流母线电压的波动。GSC控制直流母线电压的能力减弱，不能及时将转子侧过剩的能量传递到电网上，可能导致直流母线电压快速泵升，危害直流母线电容安全。

为此使用直流Crowbar，利用电阻或储能装置吸收转子侧多余的能量，防止直流母线电压过高。第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉

基于储能直流Crowbar的低电压穿越方案示意图

基于辅助网侧变流器的低电压穿越示意图

华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉定子侧保护电路

基本思想：在电网电压下降期间采用定子并网开关将DFIG定子从电网中暂时切除，直到电网电压恢复到一定程度时再重新并网。在定子切除期间，励磁变频器一直保持与电网连接，可利用GSC向电网提供无功。优点：避免了电网电压的升降对DFIG的冲击。缺点：并非真正意义上的不脱网运行，实际上由于GSC的容量较小，对电网恢复的作用非常有限。

第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉变桨距控制技术桨距角控制模型示意图

基本原理：发生电网电压跌落时，引用紧急变桨控制，使风力机的桨距角迅速增加，使风力机所捕获的机械转矩迅速减小，减少风力发电系统机侧变流器的输出功率，缓解直流侧与电网侧的功率不平衡。当电压恢复后，再调节桨距角，使其恢复原态。返回华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉

电网发生电压跌落时，网侧变流器出现过电流，对变流器采取限流措施后，由于功率不平衡，导致直流侧母线电压会出现过电压。对此低电压穿越技术的研究概括起来可以归结为：改进算法实现低电压穿越增加硬件电路实现低电压穿越

2.直驱式变速恒频风力发电机低电压穿越第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉

电压跌落时，假定逆变器工作于单位功率因数且已达到额定电流，注入电网的有功功率下降，并且下降幅度与电压跌落幅度一致，其表达式为

直流侧，发电机输出功率没有减小，导致了功率不平衡，引起直流电压的升高，危及变流器的安全。通过减少发电机输出功率，保持直流侧功率平衡，限制直流电压升高，实现风电系统的低电压穿越。同时，可辅以变桨距控制。改进算法实现低压穿越第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉

增加硬件电路实现低电压穿越有以下四种：基于耗能直流Crowbar的低电压穿越方案基于储能直流Crowbar的低电压穿越方案基于辅助网侧变流器的低电压穿越方案发电机定子侧Crowbar保护方案增加硬件电路实现低压穿越第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉基于耗能直流Crowbar的低电压穿越方案

常选用下图两种方案，工作原理：系统正常工作时，保护电路不起作用；发生电压跌落时，直流侧输入功率大于输出功率，此时在直流侧投入卸荷负载，消耗掉多余的能量，使风力机和发电机的运行基本不受影响。a)卸荷电阻直接连接方案

b)采用Buck电路连接方案

基于耗能直流Crowbar的低电压穿越方案华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉

采用电流可逆斩波电路把直流母线和储能设备连接在一起。V1与VD2构成降压斩波电路，由直流母线向储能设备供电，当直流侧电压过高时，把多余的能量存储在储能设备中。V2与VD1构成升压斩波电路，将储能设备中的能量反馈至直流母线，当直流侧电压不足时，可把储能设备存贮能量释放出来，为母线电容充电，提高直流侧电压。该方案能量没有浪费，弥补了耗能Crowbar的缺点，但需要额外的储能设备，增加了设备复杂性和成本。

基于储能直流Crowbar的低电压穿越方案第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉

网侧变流器一般采用IGBT、IGCT，成本较高，电压、电流的裕量不可能太大，所以选择成本相对较低的器件如SCR、GTO等，构成辅助变流器，与主变流器并联，在电网故障时，使部分电流从辅助变流器流人电网，保持直流侧的功率平衡。优点：故障期间向电网输送全部功率，能量没有浪费。缺点：成本相对较高，控制也比较复杂。

储能直流Crowbar基于辅助网侧变流器的低电压穿越方案第四章：风电机组低电压穿越（LVRT）技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉

如下图，卸荷电阻接在发电机定子侧，借鉴了双馈式风电系统转子侧Crowbar电路的部分结构，适用于变流器结构较简单的情况，既可作为风速过大时发电机输出功率的限制单元，也可作为提高故障穿越能力的Crowbar电路。

发电机定子侧Crowbar保护方案示意图

发电机定子侧Crowbar保护方案华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉MagneticResonanceImaging磁共振成像发生事件作者或公司磁共振发展史1946发现磁共振现象BlochPurcell1971发现肿瘤的T1、T2时间长Damadian1973做出两个充水试管MR图像Lauterbur1974活鼠的MR图像Lauterbur等1976人体胸部的MR图像Damadian1977初期的全身MR图像

Mallard1980磁共振装置商品化1989

0.15T永磁商用磁共振设备中国安科

2003诺贝尔奖金LauterburMansfierd时间MR成像基本原理实现人体磁共振成像的条件:人体内氢原子核是人体内最多的物质。最易受外加磁场的影响而发生磁共振现象(没有核辐射)有一个稳定的静磁场（磁体）梯度场和射频场：前者用于空间编码和选层，后者施加特定频率的射频脉冲，使之形成磁共振现象信号接收装置：各种线圈计算机系统：完成信号采集、传输、图像重建、后处理等

人体内的H核子可看作是自旋状态下的小星球。自然状态下，H核进动杂乱无章，磁性相互抵消zMyx进入静磁场后，H核磁矩发生规律性排列（正负方向），正负方向的磁矢量相互抵消后，少数正向排列（低能态）的H核合成总磁化矢量M，即为MR信号基础ZZYYXB0XMZMXYA:施加90度RF脉冲前的磁化矢量MzB:施加90度RF脉冲后的磁化矢量Mxy.并以Larmor频率横向施进C:90度脉冲对磁化矢量的作用。即M以螺旋运动的形式倾倒到横向平面ABC在这一过程中，产生能量

三、弛豫（Relaxation）回复“自由”的过程

1.

纵向弛豫（T1弛豫）：

M0（MZ）的恢复，“量变”高能态1H→低能态1H自旋—晶格弛豫、热弛豫

吸收RF光子能量（共振）低能态1H高能态1H

放出能量（光子，MRS）T1弛豫时间：

MZ恢复到M0的2/3所需的时间

T1愈小、M0恢复愈快T2弛豫时间：MXY丧失2/3所需的时间；T2愈大、同相位时间长MXY持续时间愈长MXY与ST1加权成像、T2