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1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型及其控制,第二章,謝 樺,聯(lián)系方式:51687109 電氣樓611 ,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,Contents,風(fēng)力機(jī)分類概述 恒速風(fēng)機(jī)的原理及控制 雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制 直驅(qū)式風(fēng)機(jī)的原理及控制,重點:主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)、運行特點和控制方法。 難點:風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)控制。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機(jī)分類概述,以速度控制為標(biāo)準(zhǔn),把風(fēng)力機(jī)分為恒速和變速兩種主要的類型。 恒速風(fēng)機(jī)又可以分為失速型、槳距可控型和主動失速型。 變速風(fēng)機(jī)現(xiàn)在常見的型號有雙饋電機(jī)(DFIG)和直驅(qū)式

2、永磁同步電機(jī)(DMSG)。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機(jī)分類概述,風(fēng)力發(fā)電機(jī),Induction Generator 感應(yīng)發(fā)電機(jī),Induction Generator 感應(yīng)發(fā)電機(jī),Induction Generator 感應(yīng)發(fā)電機(jī),無無功控制,有無功控制,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機(jī)分類概述,恒速風(fēng)機(jī) 恒速風(fēng)機(jī)多采用鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)并通過變壓器直連電網(wǎng)。因為鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)經(jīng)常從電網(wǎng)吸收無功功率,所以此類型風(fēng)力機(jī)使用電容器組來進(jìn)行無功功率補(bǔ)償,使用軟啟動器獲得更平穩(wěn)的電網(wǎng)電壓。 無

3、論恒速風(fēng)力機(jī)使用哪種功率控制原理,風(fēng)的波動都要轉(zhuǎn)化成機(jī)械波動,進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電功率波動。弱電網(wǎng)中,這些波動會引起連接點電壓波動。恒速風(fēng)力機(jī)從公共電網(wǎng)中吸收的無功功率隨電壓波動變化(除非有電容器組),增加了電壓波動和傳輸線損耗。因而,此類型的主要缺點是它不支持任何速度控制,需要剛性電網(wǎng),其機(jī)械約束也必須能容忍高機(jī)械應(yīng)力。 恒速風(fēng)機(jī)又可以分為失速型、漿距可控型和主動失速型。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機(jī)分類概述,失速型 失速控制是傳統(tǒng)類型,早在20世紀(jì)80年代和90年代就被許多丹麥風(fēng)力機(jī)制造商采用(即上風(fēng)向失速調(diào)節(jié)型三槳葉風(fēng)力機(jī))。相對低廉

4、的價格、簡單和堅固耐用的特性使其十分流行。但是失速控制型風(fēng)力機(jī)不能實現(xiàn)輔助啟動,這意味著無法控制風(fēng)力機(jī)功率。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機(jī)分類概述,槳距可控型 槳距控制型風(fēng)力機(jī)已經(jīng)商業(yè)化。它的主要優(yōu)點是可控功率、可控啟動和緊急停車。主要缺點是高風(fēng)速時即使很小的風(fēng)速變化也會導(dǎo)致很大的輸出功率波動。槳距機(jī)構(gòu)的反應(yīng)速度不足以避免這樣的功率波動。槳葉調(diào)節(jié)能補(bǔ)償風(fēng)的緩慢變化,但陣風(fēng)情況是不能補(bǔ)償?shù)摹?返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機(jī)分類概述,主動失速型 主動失速控制基本上具備了所有失速

5、調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)的電能質(zhì)量特性。主動失速控制能使全系統(tǒng)得到更好的利用,槳葉和輪轂的靈活組合也使其具備緊急停車和啟動功能。缺點是槳距機(jī)構(gòu)及其控制器的成本較高。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機(jī)分類概述,變速風(fēng)機(jī) 變速風(fēng)力機(jī)在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)都能達(dá)到最大氣動效率。變速運行使它可以連續(xù)地調(diào)節(jié)(加速或減速)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速以適應(yīng)風(fēng)速v的變化。這種方式下,葉尖速比在對應(yīng)最大功率系數(shù)的設(shè)定值上保持恒定。與恒速系統(tǒng)相比,變速系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩相當(dāng)恒定,風(fēng)速變化被發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化所吸收。 變速風(fēng)力機(jī)的電氣系統(tǒng)比恒速風(fēng)力機(jī)更復(fù)雜。它的典型配置是感應(yīng)或同步發(fā)電機(jī),通過

6、功率變換器并網(wǎng)。功率變換器控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速;即,風(fēng)速變化引起的功率波動主要通過風(fēng)輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,從而通過風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子速度變化吸收。 變速風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點在于增強(qiáng)了能量捕獲能力,改善了電能質(zhì)量以及減小了風(fēng)力機(jī)的機(jī)械應(yīng)力;缺點是有電力電子設(shè)備損耗,需要使用更多器件和因使用電力電子設(shè)備而增加成本。 變速風(fēng)力機(jī)類型的引入增加了可應(yīng)用發(fā)電機(jī)類型,也提供了發(fā)電機(jī)類型與功率變換器類型組合的自由度。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機(jī)分類概述,轉(zhuǎn)子電阻可調(diào)的感應(yīng)發(fā)電機(jī) 此類型對應(yīng)的是含可變轉(zhuǎn)子電阻的有限變速風(fēng)力機(jī),丹麥風(fēng)力機(jī)制造商Vestas公司在20世紀(jì)90年代

7、中期開始使用。 它用繞線感應(yīng)發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng);用電容器組進(jìn)行無功功率補(bǔ)償;用軟啟動器使并網(wǎng)更平穩(wěn)。 此類型的獨特之處是有可變附加轉(zhuǎn)子電阻,能用安裝在轉(zhuǎn)子軸上的光控變換器改變其電阻值,從而使總轉(zhuǎn)子電阻是可控的。光耦替代了昂貴的、需要電刷和支架的滑環(huán),并且轉(zhuǎn)子電阻可變使得轉(zhuǎn)差也可變。 這種方式下,系統(tǒng)的功率輸出是可控的,可變轉(zhuǎn)子電阻的大小決定了動態(tài)速度控制范圍,典型地是高于同步轉(zhuǎn)速的010%。外部功率變換單元的能量以熱損耗方式消耗掉。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機(jī)分類概述,雙饋電機(jī)(DFIG) 此類風(fēng)機(jī)含繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)子電路中部分

8、容量變頻器(風(fēng)機(jī)容量額定值約30%)的有限變速風(fēng)力機(jī)。變頻器用來進(jìn)行無功功率補(bǔ)償,并使并網(wǎng)更平穩(wěn)。 雙饋風(fēng)機(jī)的變頻器的容量決定了此類風(fēng)力機(jī)具有更寬的動態(tài)速度控制范圍,一般為同步轉(zhuǎn)速的-40%30%。因其變頻器的容量較小,所以此類風(fēng)力機(jī)更經(jīng)濟(jì)。 它的主要缺點是需要增加齒輪箱以及滑環(huán)和需要有電網(wǎng)故障保護(hù)。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機(jī)分類概述,直驅(qū)式永磁同步電機(jī)(PMSG) 通過全功率變頻器并網(wǎng)的變速風(fēng)力機(jī)。 變頻器進(jìn)行無功功率補(bǔ)償并使并網(wǎng)更平穩(wěn)。 與雙饋電機(jī)相比,主要的優(yōu)勢為省略了齒輪箱這一環(huán)節(jié),但全功率的變頻器卻增加了成本。 一般情

9、況下,電機(jī)要使用大直徑的直驅(qū)多極發(fā)電機(jī)。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機(jī)的原理及控制,1.恒速風(fēng)機(jī)特點 2.鼠籠型異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型 3.恒速風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)控制 按發(fā)電機(jī)的不同,恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組可以分為:,異步發(fā)電機(jī)組,同步發(fā)電機(jī)組,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機(jī)的原理及控制,異步發(fā)電機(jī)特點 靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)整負(fù)荷,對機(jī)組調(diào)速精度要求不高,不需要同步設(shè)備和整步操作,轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時,進(jìn)行并網(wǎng); 控制裝置簡單,并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步,運行穩(wěn)定; 直接并網(wǎng)時產(chǎn)生的過大沖擊電流造成電壓大

10、幅度下降,影響系統(tǒng)安全; 當(dāng)輸出功率超過最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的功率會引起網(wǎng)上飛車; 過高的系統(tǒng)電壓會使無功激磁電流增加,定子電流過載,功率因數(shù)下降; 本身不發(fā)出無功功率,需要無功補(bǔ)償。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機(jī)的原理及控制,同步發(fā)電機(jī)特點 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)廣泛采用; 既能輸出有功功率,又能提供無功功率; 頻率穩(wěn)定,電能質(zhì)量高; 對并網(wǎng)條件要求嚴(yán)格,需要專門的同步和整步設(shè)備; 風(fēng)速隨機(jī)變化,作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定,并網(wǎng)時其調(diào)速性能很難達(dá)到同步發(fā)電機(jī)的要求精度; 并網(wǎng)后若不進(jìn)行有效的控制,常會發(fā)生無功振蕩與失步問題,在重載下尤其嚴(yán)重。,Win

11、d Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機(jī)的原理及控制,上世紀(jì)90年代,風(fēng)力發(fā)電多采用基于籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)的恒速恒頻機(jī)組, 由于電網(wǎng)頻率恒定,而感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差變化范圍小,因此在不同風(fēng)速下,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速近似不變。 由于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速很低,通常不超過50RPM,因此這種風(fēng)機(jī)必須通過增速齒輪箱與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連。 考慮到感應(yīng)電機(jī)啟動電流大、功率因數(shù)低,因此網(wǎng)側(cè)需配備軟啟動裝置和無功補(bǔ)償電容,恒速風(fēng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示:,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機(jī)的原理及控制,恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的特點 轉(zhuǎn)速接近同步速時,進(jìn)行直接

12、并網(wǎng); 并網(wǎng)沖擊電流大,電能質(zhì)量不高; 風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化而改變,轉(zhuǎn)速變化輸出功率脈動; 異步電機(jī)吸收無功,對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定不利; 同步電機(jī)并網(wǎng)要求嚴(yán)格,需要專門的輔助設(shè)備,增加成本 結(jié)構(gòu)簡單,控制簡單,節(jié)省成本。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機(jī)的原理及控制,2.鼠籠型異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型 鼠籠型異步發(fā)電機(jī)等效電路如下:,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機(jī)的原理及控制,鼠籠型異步發(fā)電機(jī)向量圖:,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機(jī)的原理及

13、控制,鼠籠型異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型:,傳動軸方程:,定子電壓方程:,轉(zhuǎn)子電壓方程:,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機(jī)的原理及控制,3.恒速風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)控制 (1)無功控制 風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng),通常需要加入無功補(bǔ)償裝置。 補(bǔ)償設(shè)備: 電容器組; 電力電子設(shè)備:SVC、STATCOM等。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機(jī)的原理及控制,(2)電壓控制 軟并網(wǎng)(Soft Cut-in)技術(shù) 目標(biāo):減小并網(wǎng)沖擊電流。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的

14、原理及控制,1.雙饋風(fēng)機(jī)的特點 2.雙饋風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 3.雙饋風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)控制 4.雙饋風(fēng)機(jī)的低電壓穿越,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,1.雙饋風(fēng)機(jī)(DFIG)的特點 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于變速恒頻風(fēng)電機(jī)組,與恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組相比: 減少了風(fēng)電機(jī)組機(jī)械部件 ; 增加了捕獲的風(fēng)能; 控制發(fā)電機(jī)有功與風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速; 無功控制能力,不依靠于電網(wǎng)電壓; 通過轉(zhuǎn)子勵磁電流實現(xiàn)有功,無功解耦控制。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DF

15、IG)定子直接與工頻電網(wǎng)相接,轉(zhuǎn)子經(jīng)過變頻器也與電網(wǎng)相接,發(fā)電機(jī)進(jìn)行有功、無功功率解耦控制,能夠提高風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率,實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲并為系統(tǒng)的無功-電壓調(diào)節(jié)提供有效的手段。 對于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的無功補(bǔ)償是通過控制變流器的輸出電流實現(xiàn)的,從而達(dá)到電壓穩(wěn)定調(diào)整的目的,因此與恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比,它不需要傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,DFIG結(jié)構(gòu)簡圖如下:,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,優(yōu)點: 轉(zhuǎn)子側(cè)背靠背變流器小,降低了

16、變流器的造價; 降低電磁干擾; 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)無需從電網(wǎng)勵磁; 實現(xiàn)有功、無功功率解耦控制,參與系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié); 可實現(xiàn)發(fā)電機(jī)安全、便捷的并網(wǎng)。 缺點: 必須使用雙繞組以及滑環(huán),發(fā)電機(jī)成本較高; 調(diào)速范圍較?。?控制電路較復(fù)雜; 轉(zhuǎn)子繞組承受較高的電壓,轉(zhuǎn)子絕緣等級要求較高。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,2.雙饋風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 DFIG等效電路,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,DFIG基本方程:,Wind Power in Power Systems,北

17、京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,亞同步運行功率流動關(guān)系 超同步運行功率流動關(guān)系,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,三相靜止坐標(biāo)系下DFIG的數(shù)學(xué)模型:,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下DFIG的數(shù)學(xué)模型:,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,考慮磁鏈暫態(tài)時DFIG的基本方程:,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制

18、,3.雙饋風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)控制 (1)無功控制 風(fēng)機(jī)通常通過電力電子變頻裝置接入電網(wǎng),既能輸出有功功率,又能提供無功功率。 (2)電壓控制 風(fēng)機(jī)通常通過電力電子變頻裝置對定子電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),實現(xiàn)平穩(wěn)并網(wǎng)。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)原理框圖 :,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)負(fù)載并網(wǎng)原理框圖:,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,并網(wǎng)后控制無功控制 目標(biāo): 控制無功輸入,穩(wěn)定電壓。 措施: 電容器組投切 動態(tài)無功補(bǔ)償 變流器動態(tài)補(bǔ)償,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機(jī)的原理及控制,并網(wǎng)后控制電壓控制 目標(biāo): 控制變流器輸出,穩(wěn)定電壓。 實現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲。 措施: 平穩(wěn)直流環(huán)節(jié)電壓 控制輸出功率因數(shù)

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