风力发电机组及其控制系统

风力发电机组及其控制系统2HUAREN©2009–AllRightsReserved内容提要风力发电基本原理发电系统基础理论控制系统设计防雷接地系统3HUAREN©2009–AllRightsReserved风力发电基本原理4HUAREN©2009–AllRightsReserved风的产生风的特性风的表示法：风向、风速、风级风的特性：1）风的随机性2）风随高度变化而变化风能：风能密度、风能风的特性5HUAREN©2009–AllRightsReserved以风轮轴安装形式分水平轴风机：风轮的旋转轴与风向平行-升力型风机：旋转速度较快-阻力型风机：旋转速度较慢-上风向：风轮在塔架前面-下风向：风轮在塔架后面垂直轴风机：风轮的旋转轴与地面或气流方向垂直风机的分类（1）（2）（3）6HUAREN©2009–AllRightsReserved按运行方式分独立运行风力发电机组并网运行风力发电机组按功率分：微型（50～1000W）小型（1～10KW）中型（10～100KW)大型（100KW)风机的分类7HUAREN©2009–AllRightsReserved风力发电机的结构独立运行的风力发电机组水平轴独立运行的风力发电机组由风轮、尾舵、发电机、支架、电缆、充电器、逆变器、蓄电池组成8HUAREN©2009–AllRightsReserved风力发电机的结构并网运行的风力发电机组并网运行的发电机组由风轮、增速箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成248135116971012叶片轮毂主轴承主轴偏航电机塔筒齿轮箱机舱底盘联轴器发电机主控柜机舱罩9HUAREN©2009–AllRightsReserved风力发电机组的工作原理在并网运行风力发电机组中，当风以一定的速度吹向风力机时，在风轮的叶片上产生的力驱动风轮叶片低速转动，将风能转换成机械能，通过传动系统由增速箱增速，将动力传递给发电机，发电机将机械能转变为电能。由于风向经常变化，为了有效的利用风能，在风机上装有迎风装置。迎风装置根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮相啮合的小齿轮转动，使机舱始终对准风向方向。10HUAREN©2009–AllRightsReserved风力机的气动原理风车简化为一维流管：一维动量方程，风轮轴向推力：一维不可压缩流的连续方程：伯努力方程：ddwUAUUTddwUAUUT.212constghpU.constAV*11HUAREN©2009–AllRightsReserved风力机的气动原理在风机上游：在风机下游：风机上获得的推力：风轮盘面气流速度：dddpUpU222121dddddppAT*2WdUUU12HUAREN©2009–AllRightsReserved风力机的气动原理风机损失的能量：轴向诱导因子风轮处速度风轮尾流速度可以看出，一半的轴向气流损失发生在流经制动桨盘时，另一半在下风向。风轮上获得的功率风能利用系数UvaaaUUd1aUUW212312aaUAFUPdd231421aaAUPCdP13HUAREN©2009–AllRightsReserved风力机的气动原理（叶素理论）叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，如图所述，多个圆环，半径，径向宽。在每个叶素上作用的气流相互之间没有干扰，作用在叶片上的力可分解为升力和阻力二维模型，作用在每个叶素单元的合力流速与叶片平面的夹角为攻角。翼型特征系数和随攻角的改变而改变。14HUAREN©2009–AllRightsReserved风力机的气动原理（叶素理论）作用在叶素上的合力流速为：其中是合力流与旋转平面的夹角，可以称之为入流角。22222)'1()1(araUWWaU)1(sinWar)'1(cos15HUAREN©2009–AllRightsReserved风力机的气动原理（叶素理论）攻角可表示为：作用在单位圆环径向宽上的升力分量，与合力流方向垂直，表达式为：阻力分量与合力流方向平行，表达式为：rrrcCWLL221WrrcCWDd22116HUAREN©2009–AllRightsReserved发电系统基础理论17HUAREN©2009–AllRightsReserved独立运行风力发电机组中的发电机直流发电机永磁式直流发电机：定子采用永磁体电磁式直流发电机：定子采用励磁绕组，通以直流电永磁式交流同步发电机：转子采用永磁体，有凸极式和爪极式两种，定子与普通交流电机相同硅整流自励式交流同步发电机：定子由铁心和三相定子绕组组成，定子绕组为星型联接，转子由转子铁心、转子绕组、集电环和转子轴组成，励磁绕组通过集电环和电刷与整流器的直流输出端相连，以后的直流电流励磁电容自励式异步发电机：在异步发电机定子绕组输出端接电容，以产生超前于电压的容性电流产生磁场，从而建立电压18HUAREN©2009–AllRightsReserved并网运行风力发电机组中的发电机异步发电机结构：定子为三相绕组，采用星形或角形链接，转子为笼型或绕线形，定子绕组并连电容器来提供无功电流建立磁场，一般为4极或6极。原理：同步转速：转差率：当时，电机工作在电动状态当时，电机运行在发电状态（一般）并网运行时，只要接近同步转速就可并网，无需同步设备和整步操作，输出功率与转速近似成线性关系，可通过调节负载Pfn116011nnns1nn1nn05.002.0ss19HUAREN©2009–AllRightsReserved并网运行风力发电机组中的发电机异步发电机10...24kV,f=50Hz690V/10000V旁路开关功率控制器交流异步发电机齿轮箱风轮转子brake中压开关软并网控制器运行控制器功率补偿器20HUAREN©2009–AllRightsReserved并网运行风力发电机组中的发电机同步发电机结构：定子由定子铁心和三相定子绕组组成，转子由转子铁心、转子绕组、集电环和转子轴组成，转子上的励磁绕组经集电环、电刷与直流电源相连，通以直流励磁电流来建立磁场，转子分凸极式和隐极式原理：同步发电机在风力机的拖动下，转子以转速旋转，旋转的转子磁场切割定子上的三相对称绕组，在定子绕组中产生频率为的三相对称的感应电动势和电流输出。为了保证输出频率与电网频率一致，发电机转速必须恒定，因此对调速机构有很高的要求。为了改善这一点，出现了低速永磁同步发电机，并通过全功率变流器与电网联接。606011pnpnfn1f21HUAREN©2009–AllRightsReserved并网运行风力发电机组中的发电机同步发电机主轴承同步发电机DC机侧变流器网侧变流器风机主控器制动器变桨机构变流控制器10...24kV,f=50Hz变压器主回路断路器开关设备22HUAREN©2009–AllRightsReserved并网运行风力发电机组中的发电机双馈异步发电机结构：由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成原理：定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机的转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：当发电机的转速变化时，可通过调节来维持不变，以保证与电网频率相同，实现变速恒频控制。2160fnpfn1f2f23HUAREN©2009–AllRightsReserved并网运行风力发电机组中的发电机三种运行状态a)亚同步b)超同步c)同步功率分析不计损耗时：emememsppspp)1(11nn0s1nn0s1nn02f24HUAREN©2009–AllRightsReserved发电机双馈异步发电机10...24kV,f=50Hzor60Hz变压器机侧变流器网侧变流器齿轮箱制动器变桨机构主轴承主回路断路器变流控制器风机主控器异步发电机开关设备25HUAREN©2009–AllRightsReserved控制目标：保证系统的可靠运行能量利用率最大电能质量高机组寿命长常规控制功能：在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大能量高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组输出的功率为额定值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的功率波动，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调节机组功率，确保机组输出成电压和频率稳定风力发电机组的控制策略26HUAREN©2009–AllRightsReserved风力机的功率调节风力机的调节是气动功率调节技术，其方式有定桨失速调节、变桨调节、主动失速调节。定桨距失速风力发电机组的调节与控制定桨距失速调节结构：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。在风速超过额定风速后利用桨叶翼型本身的失速特性，维持发电机的输出功率在额定值附件。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高一些发电机的运行效率。优点：失速调节简单可靠，没有变距机构。缺点：叶片形成工艺复杂，机组整体效率低。并网型风力发电机组功率调节控制27HUAREN©2009–AllRightsReserved并网型风力发电机组功率调节控制定桨距风力发电机组的控制。高风速用4极大发电机,低风速用6极小发电机。依据平均或瞬时功率做切换条件。定桨距风力发电机组的控制系统结构28HUAREN©2009–AllRightsReserved变桨距风力发电机组的调节与控制通过变桨距机构改变叶片桨距角的大小，改善气动性能和功率特性。变桨距调节的3个过程：启动时的转速控制、额定转速以下的控制、额定转速以上的控制。启动时的转速控制在发电机并入电网前，变桨距系统的桨距角给定值由发电机的转速信号控制，转速调节器按一定的速度上升斜率给出速度参考值。变桨系统根据给定的速度参考值与反馈信号比较来调整桨距角，进行速度闭环控制。额定转速以下的控制在发电机并王后，当风速低于额定风速时，发电机在欠功率状态下运行，通过调节功率给定值来调整风机转速。额定转速以上的恒功率控制当风速过高时，通过调节桨叶角，改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使功率输出保持在额定值附近。并网型风力发电机组功率调节控制29HUAREN©2009–AllRightsReserved并网型风力发电机组功率调节控制传统变桨距风力发电机组的控制系统功率控制器速度控制器节距控制器变距机构风轮增速齿轮箱发电机发电机转速发电机功率功率给定转速给定30HUAREN©2009–AllRightsReserved并网型风力发电机组功率调节控制转差可调异步风力发电机组的控制系统功率控制转速控制变桨距控制变桨距机构风轮增速齿轮箱RCC发电机转速转速给定风速转速控制转速给定风速转子电流给定发电机功率反馈最大功率给定SR31HUAREN©2009–AllRightsReserved变速恒频风力发电机组的控制策略间接速度控制其中气动转矩感应滞后传动系统动态特性变流器及发电机vr/*eTKoptaTmTeT2KTe*转速风速23,21vrCTTaBTTee*32HUAREN©2009–AllRightsReserved变速恒频风力发电机组的控制策略直接速度控制K气动转矩感应滞后*eT控制器变流器及发电机传动系统动态特性vr/opt风速aTmT*eT*eTmT转速传动轴转矩)/(21K