風力發(fā)電技術(shù)-第三章：雙饋式變速變槳風電機組運行控制.ppt

華北電力大學 劉其輝,風力發(fā)電技術(shù),華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章 雙饋型變速變槳風力發(fā)電系統(tǒng) 運行控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,縱覽 機組主結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng) 運行區(qū)域及控制目標 總體控制方案 勵磁變換器結(jié)構(gòu)及原理 DFIG控制（機側(cè)變換器控制） 網(wǎng)側(cè)變換器控制 變槳機構(gòu)及其控制 偏航機構(gòu)及其控制 其他機構(gòu)及控制、保護,第三章：雙饋型變速變槳風力發(fā)電系統(tǒng) 運行控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,機組主結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng) 機組主結(jié)構(gòu)：主要的機電設(shè)備 控制系統(tǒng)：微機控制軟、硬件,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,（一）機組主結(jié)構(gòu),風輪系統(tǒng) 傳動鏈系統(tǒng) 發(fā)電機系統(tǒng) 偏航/解纜系統(tǒng) 剎車系統(tǒng) 輔助系統(tǒng),華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,機組主結(jié)構(gòu)示意圖,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,1. 風輪系統(tǒng) 槳葉 輪轂 變距（槳矩）機構(gòu),華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,2. 傳動鏈系統(tǒng) 低速軸 齒輪箱 多級變速，變比較大（接近100） 采用行星齒輪和正（斜）齒輪實現(xiàn)多級變速 潤滑油冷卻或加溫機構(gòu) 高速軸 聯(lián)軸器,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,通用標準型膜片聯(lián)軸器 連接齒輪箱和發(fā)電機 補償軸向、徑向和角度偏差 易于裝拆維護 實現(xiàn)電絕緣 力矩限定,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,傳動鏈系統(tǒng)布局,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,3. 發(fā)電機系統(tǒng) DFIG 發(fā)電機本體 冷卻系統(tǒng) 保護系統(tǒng) 勵磁變流器 四象限運行能力、輸入、輸出特性優(yōu)良 設(shè)計容量為機組容量30 IGBT器件，PWM調(diào)制技術(shù) 動作頻率為數(shù)kHz-十幾kHz 并網(wǎng)機構(gòu),華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,4.偏航/解纜系統(tǒng) 偏航機構(gòu) 風向標 偏航飼服電機（或液壓馬達） 減速裝置 偏航液壓制動器 偏航行星齒輪 對風/解纜操作 根據(jù)風向標控制對風 計算機控制的自動解纜 紐纜開關(guān)控制的安全鏈動作報警及人工解纜,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,偏航的作用 對風，獲取最大發(fā)電量 減少斜風給機組帶來的不平衡載荷,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,5.剎車系統(tǒng) 機械抱閘剎車 * 液壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動 通過制定卡鉗和連軸器上制動盤配對實現(xiàn)，一般在氣動剎車后轉(zhuǎn)速降低后采用 安裝位置：高速軸，低速軸 氣動剎車 變槳控制 變槳控制系統(tǒng)控制槳距角為90度 偏航控制 電磁剎車 通過控制發(fā)電機電磁阻轉(zhuǎn)矩實現(xiàn),華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,6.輔助系統(tǒng) 塔架 機艙罩 機艙底盤 變壓器 防雷系統(tǒng)及電氣保護裝置,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,冷卻系統(tǒng) 發(fā)熱部件 液壓系統(tǒng) 齒輪箱 發(fā)電機 變頻器 冷卻方式：空氣冷卻，液體冷卻，混合冷卻 其他部分,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,（二）控制系統(tǒng),1. 概述 與一般工業(yè)控制過程不同，風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng)風況和機組運行參數(shù)，而且還要根據(jù)風速與風向的變化，對機組進行優(yōu)化控制，以提高機組的運行效率和發(fā)電量。 比較普遍采用的是分布式控制系統(tǒng)。信號處理通常有兩個獨立的計算機或高速數(shù)字信號處理芯片。主控制器在地面控制室的開關(guān)柜內(nèi),從機設(shè)在機艙內(nèi)。主控制器監(jiān)控風輪所有的運行狀態(tài)。主控制器和從控制器間通過光纖達到可靠快速地交換信息。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,2. 結(jié)構(gòu)與功能 結(jié)構(gòu) 硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng) 主控制器和從控制器 功能 運行控制 變槳距控制、偏航控制、剎車控制、變流器（發(fā)電機）控制 本地控制與遠程控制 信號采集與監(jiān)視 采集量：電壓、電流、頻率、功率、轉(zhuǎn)速、油溫、壓力 本地監(jiān)視與遠程監(jiān)視,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,3. 主從分布式控制系統(tǒng) 主控制器（PLC, PID控制算法） 變槳控制 偏航控制 制動控制 參數(shù)監(jiān)視與遠程通訊 系統(tǒng)級控制協(xié)調(diào),華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,主控制器實現(xiàn)案例,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,從控制器（DSP，矢量動態(tài)控制算法） 機側(cè)變流器控制 網(wǎng)側(cè)變流器控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,從控制器實現(xiàn)案例,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,英國EU-ENERGY WIND公司SEG1250型風機變頻器控制系統(tǒng),第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,二. 運行區(qū)域及控制目標 主要運行區(qū)域 各運行區(qū)域的控制目標,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,（一）主要運行區(qū)域,運行區(qū)域的劃分 一般按照風速和機組運行特性分為 五大運行區(qū)域： 并網(wǎng)區(qū) MPPT區(qū) 轉(zhuǎn)速限制區(qū)（過渡區(qū)） 功率限制區(qū) 切出停機區(qū),華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,不同運行區(qū)域的功率特性,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,(a)最大風能追蹤區(qū)；(b)轉(zhuǎn)速限制區(qū)域；(c)功率限制區(qū)域。,2. 不同運行區(qū)域的風能系數(shù),華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,（二）各運行區(qū)域的控制目標,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,三. 總體控制方案 總體控制方案主要內(nèi)容 幾種典型總體控制方案 優(yōu)選總體方案及其優(yōu)越性,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,（一）. 總體控制方案主要內(nèi)容 總體控制方案指在不同運行區(qū)域內(nèi)主、從控制器間的分工與協(xié)調(diào)控制方法。 不同運行區(qū)域指并網(wǎng)區(qū)、MPPT區(qū)、轉(zhuǎn)速限制區(qū)、功率限制區(qū)、切出停機區(qū)。 主控制器中主要討論變槳控制部分，從控制器即指發(fā)電機控制。,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,（二）.幾種典型總體控制方案 典型總體控制方案概述 不同方案中各運行區(qū)域的劃分標準和實現(xiàn)措施一致。 在并網(wǎng)區(qū)、切出停機區(qū)內(nèi)各總體控制方案基本一致。 在MPPT區(qū)內(nèi)，各總體控制方案變槳控制一致（槳距角固定為零），發(fā)電機控制則體現(xiàn)為具有不同的MPPT策略，大致可分為直接轉(zhuǎn)速控制和間接轉(zhuǎn)速控制兩種模式。 轉(zhuǎn)速限制區(qū)為（由MPPT區(qū)到功率限制區(qū)的）過渡區(qū)域，可由變槳控制或發(fā)電機控制限速。 功率控制器內(nèi)變槳控制和發(fā)電機控制同時起作用，該區(qū)域內(nèi)兩個控制功能間的協(xié)調(diào)非常重要，協(xié)調(diào)方案眾多構(gòu)成了總體控制方案的多樣性。,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,幾種典型總體控制方案,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,方案一 *,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,方案二,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,方案三,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,方案四*,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,幾種方案的比較 第一種方案前四個運行區(qū)域內(nèi)變槳控制和發(fā)電機控制的控制目標分別是轉(zhuǎn)速和功率，運行區(qū)域改變時不需控制目標的切換，控制器設(shè)計簡單。需要設(shè)計發(fā)電機功率控制器。該方案的一大優(yōu)點：發(fā)電機有功、無功控制器設(shè)計一致。 第二種方案變槳控制器控制目標不變，但發(fā)電機控制目標在MPPT區(qū)、轉(zhuǎn)速限制區(qū)內(nèi)為轉(zhuǎn)矩，在功率限制區(qū)內(nèi)為功率，存在控制目標切換問題。需要設(shè)計發(fā)電機轉(zhuǎn)矩和功率控制器。,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三種方案變槳控制存在控制目標的變換問題，發(fā)電機在MPPT區(qū)、轉(zhuǎn)速限制區(qū)、功率限制區(qū)內(nèi)進行轉(zhuǎn)速控制，需要設(shè)計轉(zhuǎn)速控制器。發(fā)電機控制在并網(wǎng)區(qū)和MPPT區(qū)內(nèi)存在控制目標切換問題。在MPPT區(qū)內(nèi)需要風速檢測，造成MPPT效果下降。 第四種方案變槳控制存在控制目標的變換問題，發(fā)電機在MPPT區(qū)、轉(zhuǎn)速限制區(qū)、功率限制區(qū)內(nèi)進行轉(zhuǎn)速控制，需要設(shè)計轉(zhuǎn)速控制器。發(fā)電機控制在并網(wǎng)區(qū)和MPPT區(qū)內(nèi)存在控制目標切換問題。在MPPT區(qū)內(nèi)需要風速檢測，造成MPPT效果下降。,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,需要解決的問題 并網(wǎng)區(qū)和功率限制區(qū)內(nèi)的“合適轉(zhuǎn)速”如何選擇？ 第一種方案的轉(zhuǎn)速限制區(qū)內(nèi)發(fā)電機如何進行功率控制？,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,（三）.優(yōu)選總體方案及其優(yōu)越性 暫定第一種方案,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,德國AERODYN公司GD77/82(1.5MW)機組控制算法,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,四.勵磁變換器結(jié)構(gòu)及原理 DFIG轉(zhuǎn)子勵磁電源的要求 雙PWM變流器的結(jié)構(gòu)和特點,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,DFIG轉(zhuǎn)子勵磁電源的要求,（一）DFIG轉(zhuǎn)子勵磁電源的要求,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,（二）雙PWM變流器的結(jié)構(gòu)和特點,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,由兩個結(jié)構(gòu)和功能相對獨立的PWM變換器組成,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,兩個PWM變換器運行狀態(tài)可控，可實現(xiàn)可逆運行，能量可雙向流,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,全控器件變換器,拓撲及調(diào)制波形,（三）雙PWM變流器的原理,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,基本調(diào)制技術(shù),SPWM（正弦PWM）技術(shù),華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,SVPWM（空間矢量PWM）技術(shù),華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,五. DFIG控制（機側(cè)變換器控制） DFIG的特性及數(shù)學模型 DFIG功率解耦控制策略 DFIG并網(wǎng)控制策略,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,(一). DFIG的特性及數(shù)學模型,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,DFIG優(yōu)勢,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,VSCF實現(xiàn)原理,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,DFIG功率特性,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,DFIG數(shù)學模型,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,（二）. DFIG功率解耦控制策略 基于DFIG功率控制的MPPT DFIG參考功率的計算 基于定子磁鏈定向矢量控制的功率解耦,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,基于DFIG功率控制的MPPT MPPT控制的機理 由風力機特點知道，其風能轉(zhuǎn)換系數(shù)Cp與葉尖速比和槳距角有關(guān)，為后兩者非線性函數(shù)。改變和均能調(diào)節(jié)Cp，控制吸收風能的多少。 單獨調(diào)節(jié)或單獨調(diào)節(jié)雖然均會使Cp提高，但是只有兩者共同參與調(diào)節(jié)才使可能Cp最大，實現(xiàn)真正意義上的MPPT。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,MPPT控制的策略 由變槳控制槳距角實現(xiàn)，常用于恒速機組，變槳變速機組較少采用。非真正意義MPPT。 恒速機組轉(zhuǎn)速不能改變，因此風速變化時葉尖速比不受控，很難調(diào)整到最佳葉尖速比。 風速變化時通過槳距角調(diào)整風能轉(zhuǎn)換系數(shù)Cp，可使Cp得到一定程度的提高，但很難提高到最佳狀態(tài)。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,槳距角固定為零，由發(fā)電機控制轉(zhuǎn)速（保持最佳葉尖速比 ）實現(xiàn)。變速機組常用。真正意義MPPT。 直接轉(zhuǎn)速控制模式 檢測風速方式 不檢測風速方式，如爬山法 間接轉(zhuǎn)速控制模式 功率控制模式 轉(zhuǎn)矩控制方式,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,基于DFIG功率控制的MPPT機理 雙饋變槳變速機組能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,考慮單質(zhì)塊風機模型且不考慮機械損耗時機組功率平衡方程為,Pk為動態(tài)（加速、減速）功率,Pk小于、等于和大于零時機組分別減速、恒速和加速運行。 在某特定風速下通過DFIG功率控制可改變,從而調(diào)整機組 至最佳轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)MPPT。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,由DFIG功率控制實現(xiàn)MPPT的原理及方法,若DFIG的電磁功率控制規(guī)律取為,則機組動態(tài)功率為,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,2. DFIG參考功率計算 參考有功功率計算 根據(jù)前面可得到DFIG參考電磁功率Pe ，但由于DFIG定子 輸出有功功率P1意義更明確且易于檢測，通常作為直接控制對象。 根據(jù)DFIG功率特性（ Pe和P1 關(guān)系）分析，可得實現(xiàn)MPPT的 DFIG定子輸出參考有功功率,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,參考無功功率計算 參考無功功率的計算原則有很多： 電網(wǎng)電壓或無功最優(yōu)控制 發(fā)電機運行最優(yōu)化 以發(fā)電機損耗最小化為目標的參考無功功率計算公式,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,參考無功功率計算模型,基于最大風能追蹤和發(fā)電機損耗最小的DFIG參考有功功率和參考無功功率計算模型,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,3. 基于定子磁鏈定向矢量控制的功率解耦 DFIG功率控制的結(jié)構(gòu),華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,基于定子磁鏈定向矢量控制的DFIG功率解耦實現(xiàn),華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,(三). DFIG并網(wǎng)控制策略,矢量控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,空載并網(wǎng)技術(shù)的實質(zhì)是提取電網(wǎng)的電壓信息，采用矢量變換技術(shù)對發(fā)電機進行控制，調(diào)節(jié)其空載電壓使其滿足并網(wǎng)條件。,空載時DFIG定子電流為零，即,，代入DFIG一般數(shù)學模型，得到空載數(shù)學模型：,定、轉(zhuǎn)子電壓方程：,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,六. 網(wǎng)側(cè)變換器控制 網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學模型 電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,（一）.網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學模型,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,為簡化控制算法，可采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，將同步速旋轉(zhuǎn)dq坐標系的d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量方向上。此時,網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學模型變?yōu)?網(wǎng)側(cè)變換器的從電網(wǎng)吸收的有功功率和無功功率為,因此，控制id與iq可分別控制有功和無功功率，從而控制直流環(huán)節(jié)電壓和交流側(cè)功率因數(shù)。,（二）.電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,七. 變槳機構(gòu)及其控制 變槳風力機的特性 變槳執(zhí)行機構(gòu) 變槳控制策略 變槳控制器實現(xiàn)案例,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,（一）變槳風力機的特性 1.風力機葉片空氣動力學分析 風力機的風輪由輪轂及均勻分布安裝在輪轂上的若干槳葉組成。在安裝這些槳葉時，必須對每支槳葉的翼片按同一旋轉(zhuǎn)方向，槳葉圍繞自身軸心線轉(zhuǎn)過一個給定的角度，即使每個葉片的翼弦與風輪旋轉(zhuǎn)平面形成一個角度，稱為安裝角也就是槳葉節(jié)距角。下圖是風力機起動時受力分析。,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,設(shè)風輪的中心軸位置與風向一致（由偏航系統(tǒng)控制）當氣流以速度v流經(jīng)風輪時，在槳葉和槳葉上將產(chǎn)生氣動力F和F。將它們分解成沿氣流方向的阻力和垂直氣流方向的升力。阻力形成對風輪的正面壓力，而升力則對風輪中心軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，從而使風輪轉(zhuǎn)動起來。 從上面的受力分析可以看出，阻力隨著功角的減小而增大，而阻力是對風輪正面的壓力，當風過大時風輪承受的壓力過大可能會被吹倒，變槳機組可以通過適當增大槳距角來減少壓力，這是變槳相對于定槳的優(yōu)勢之一,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,2. 風力機的風能轉(zhuǎn)換系數(shù),風能利用系數(shù)Cp定義：表示風力機從自然風能中吸收能量的大小程度 P風力機實際獲取的軸功率 S風輪旋轉(zhuǎn)面的面積 p 空氣密度 V風速,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,對于變槳距風力機，風能利用系數(shù)Cp與葉尖速比和槳葉的節(jié)距角成非線關(guān)系。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,對于某一固定槳葉節(jié)距角下，存在唯一的風能利用系數(shù)最大值Cpmax 對于任意的葉尖速比，槳葉節(jié)距角=0下的風能利用系數(shù)Cp相對最大。隨著槳葉節(jié)距角增大，風能利用系數(shù)Cp明顯減小。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,以上分析為變速變槳距控制提供了理論基礎(chǔ)：在低于額定風速時，槳葉節(jié)距角固定為=0，通過發(fā)電機控制（直接轉(zhuǎn)速控制、間接轉(zhuǎn)速控制）使風能利用系數(shù)恒定在Cpmax，捕獲最大風能；在高于額定風速時，變槳控制和發(fā)電機控制進行協(xié)調(diào)控制保持機組輸出額定功率不變。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,3. 變槳變速機組的功率特性,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,輸出功率特性 變槳距風力發(fā)電機組與定槳距風力發(fā)電機組相比，具有在額定功率點以上輸出功率平穩(wěn)的特點。變槳距風力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動性能。當功率在額定功率以下時?？刂破鲗⑷~片節(jié)距角置于0附近，可認為等同于定槳距風力發(fā)電機組。當功率超過額定功率時。變槳距機構(gòu)開始工作，調(diào)整葉片節(jié)距角，將發(fā)電機的輸出功率限制在額定值附近。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,由于變槳風力發(fā)電機組的槳葉節(jié)距角是根據(jù)發(fā)電機輸出功率的反饋信號來控制的。它不受氣流密度變化的影響，無淪是出于溫度變化還是海拔引起空氣密度變化，變槳距系統(tǒng)都能通過調(diào)整葉片角度，使之獲得額定功率輸出。這對于功率輸出完全依靠槳葉氣功性能的定槳距風力發(fā)電機組來說，具有明顯的優(yōu)越性。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,變槳距風力發(fā)電機組與定槳距風力發(fā)電機組功率曲線比較,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,起動性能與制動性能 變槳距風力發(fā)電機組在低風速時，槳葉節(jié)距可以轉(zhuǎn)動到合適的角度，使風輪具有最大的起動力矩，從而使變槳距風力發(fā)電機組比定槳距風力發(fā)電機組更容易起動。在變槳距風力發(fā)電機組中一般不再設(shè)計電動機起動的程序 當風力發(fā)電機組需要脫離電網(wǎng)時，變槳距系統(tǒng)可以先轉(zhuǎn)動葉片使之減小功率，在發(fā)電機與電網(wǎng)斷開之前，功率減小至0這意味著當發(fā)電機與電網(wǎng)脫開時，沒有轉(zhuǎn)矩作用于風力發(fā)電機組，避免了在定槳距風力發(fā)電機組上每次脫網(wǎng)時所要經(jīng)歷的突甩負載的過程。,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,（二）變槳執(zhí)行機構(gòu) 變槳機構(gòu)的作用 風機切入、切出減少沖擊 超過額定風速時限制功率 氣動剎車,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,變槳機構(gòu)的類型 飼服電機齒輪傳動變槳 每一槳葉都具有飼服電機（PMSM），減速器和齒輪副 控制復雜，機構(gòu)位于輪轂內(nèi)使其重量增加 液壓馬達驅(qū)動變槳 獨立變槳 三個液壓缸，三套曲柄滑塊機構(gòu)位于輪轂內(nèi)，分別驅(qū)動三槳葉 同步變槳 一個液壓缸（位于機艙），一套曲柄滑塊機構(gòu)，同步驅(qū)動葉片,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,典型電動型槳距調(diào)整機構(gòu),華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,液壓型槳距調(diào)整機構(gòu)（英國EU-ENERGY WIND公司SEG1250型風機）,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,比例閥原理 比例閥是在普通液壓閥基礎(chǔ)上，用比例電磁鐵取代閥的調(diào)節(jié)機構(gòu)及普通電磁鐵構(gòu)成的。采用比例放大器控制比例電磁鐵就可實現(xiàn)對比例閥進行遠距離連續(xù)控制從而實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)壓力、流量、方向的無級調(diào)節(jié)。 比例控制技術(shù)基本工作原理是：根據(jù)輸入電信號電壓值的大小，通過放大器將該輸入電壓信號(一般在-10V一十10V之間)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號送入比例電磁鐵，從而產(chǎn)生和輸入信號成比例的輸出量力或仿移。該力或位移又作為輸入量加給比例閥后者產(chǎn)生一個與前者成比例的流量或壓力。,液壓變槳機構(gòu)的原理,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,閉環(huán)控制比例閥系統(tǒng)原理框圖,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,液壓變槳機構(gòu)原理 比例閥驅(qū)動液壓裝置實現(xiàn)變槳 比例閥由變槳控制器控制,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,（三）變槳控制策略 變槳控制的區(qū)域及模式 各區(qū)域內(nèi)的變槳控制 轉(zhuǎn)速控制策略,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,變槳控制的區(qū)域及模式 根據(jù)前述的總體控制方案知： 并網(wǎng)區(qū)：轉(zhuǎn)速控制模式 MPPT區(qū)：不控模式（槳距角固定為零） 轉(zhuǎn)速限制區(qū)：轉(zhuǎn)速控制模式或不控模式 功率限制區(qū)：轉(zhuǎn)速控制模式或功率控制模式 切出停機區(qū)：剎車控制模式（順槳）,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,各區(qū)域內(nèi)的變槳控制 各區(qū)域內(nèi)的槳距角控制規(guī)律,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,并網(wǎng)區(qū) 變距風輪的槳葉在靜止時，節(jié)距角為90，這時氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，整個槳葉實際上是一塊阻尼板。當風速達到起動風速時，槳葉向0方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風輪開始起動。在發(fā)電機并入電網(wǎng)以前，變槳距系統(tǒng)的節(jié)距給定值由發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號控制。轉(zhuǎn)速控制器按定的速度上升斜率給出速度參考值，變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，調(diào)整節(jié)距角，進行所謂的速度控制。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,為了使控制過程比較簡單變槳距風力發(fā)電機組在轉(zhuǎn)速達到發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速前對槳葉節(jié)距并不加以控制。在這種情況下，槳葉節(jié)距只是按所沒定的變距速度將節(jié)距角向0方向打開。直到發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升到同步速附近，變槳距系統(tǒng)才開始投入工作。轉(zhuǎn)速控制的給定值是恒定的。即同步轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速反饋信號與給定值進行比較當轉(zhuǎn)速超過向步轉(zhuǎn)速時，槳葉節(jié)距就向迎風面積減小的方向轉(zhuǎn)動一個角度，反之則向迎風面積增大的方問轉(zhuǎn)動一個角度。當轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近保持定時間后發(fā)電機即并入電網(wǎng)。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,MPPT區(qū) 此時變距機構(gòu)只需將節(jié)距角固定在0即可，即使Cp=Cpmax,其余的由發(fā)電機控制。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,轉(zhuǎn)速限制區(qū)和功率限制區(qū) 變槳控制采用功率控制模式或轉(zhuǎn)速控制模式。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,轉(zhuǎn)速控制策略 采用液壓變槳機構(gòu)的速度控制策略,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,液壓調(diào)節(jié)器原理,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,電動調(diào)節(jié)器原理,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,（四）.變槳控制器實現(xiàn)案例 一種電動變槳控制器實現(xiàn)案例,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,八. 偏航機構(gòu)及其控制 偏航機構(gòu) 控制系統(tǒng),第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,（一）.偏航機構(gòu),偏航的作用 對風，獲取最大發(fā)電量 減少斜風給機組帶來的不平衡載荷,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,偏航機構(gòu) 風向標 偏航飼服電機（或液壓馬達） 減速裝置 偏航液壓制動器 偏航行星齒輪,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,偏航機構(gòu),華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,風向標,風向標和風速計安裝在風力發(fā)電機組的玻璃鋼機艙罩上的固定支架上，可隨風力發(fā)電機組同步旋轉(zhuǎn)。兩個光敏傳感器安裝在風向標里，OPT1為0度角傳感器，OPT2為90度角傳感器。其工作原理是：一個半圓形桶罩有風向標驅(qū)動，當傳感器OPT1或OPT2沒有被半圓筒罩擋住時，傳感器輸出信號是高電平，反之是低電平。 以下就幾種情況加以討論,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,偏航系統(tǒng)工作原理 偏航系統(tǒng)的一般工作原理是：風向標作為感應(yīng)元件將風向的變化用電信號到偏航電機控制回路的處理器里，經(jīng)過比較后處理器給偏航電機發(fā)出順時逆時針的偏航命令，為了減少偏航時的陀螺力矩，電機轉(zhuǎn)速將通過同聯(lián)軸接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉(zhuǎn)體大齒輪上，帶動風輪偏航對當對風結(jié)束后，風向標失去電信號，電機停止轉(zhuǎn)動，偏航過程結(jié)束。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,（二）.偏航控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)原理,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,控制系統(tǒng)的控制過程,偏航系統(tǒng)主要的動作有： 風向標控制的自動偏航 風向標控制的90度偏航 人工偏航 自動解纜 阻尼剎車,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第三章：雙饋式變槳變速風電機組控制,風向標控制的自動偏航 為了使風力發(fā)電機吸收的功率最大，發(fā)揮最大效能，機艙必須準確對風；因此必須使葉輪法線方向與風向基本一致。當風向改變，超過允許誤差范圍時，系統(tǒng)計算機發(fā)出自動偏航指令，傳感器和偏航電機組成的對風系統(tǒng)執(zhí)行校正動作，使機艙準確對風。,華北電力大學電氣與電子工程學院 劉其輝,2008.6.20,第