变速变桨距风力发电机组控制策略改进与仿真 刘 军,何玉林,李 俊,黄 文 (重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆市400030) 摘要:在分析变速变桨距风力发电机组基本控制策略的基础上,提出一种扩大过渡区的改进控制策略,用来消除额定功率运行点附近切换造成的功率波动及突变载荷等不利影响。依据改进的控制策略设计了3个控制器平滑过渡方案,实现对该策略的最佳跟踪。运用MAT LAB 仿真平台模拟了改进控制策略下的风力发电机组运行特性,结果表明了改进控制策略的正确性及控制器设计的有效性。 关键词:风力发电机组;变速变桨距;控制策略;扩大过渡区;平滑控制 收稿日期:2010 06 23;修回日期:2010 10 09。重庆市科技攻关重点项目(CST C2007A A3027)。 0 引言 风力发电机组的控制技术由原来单一的定桨距失速控制转向变桨距变速控制,目的是为了防止风能转换系统承受的载荷过重,从风场中最大限度地捕获能量以及为电网提供质量较好的电能。然而,风力发电机组作为一种复杂的、多变量、强耦合、非线性的系统,要想减小风力机载荷以延长其使用寿命,抑制功率波动以降低对电网的不利影响,控制策略的选取及控制器的设计至关重要[1 6]。 本文通过对变速变桨距风力发电机组基本控制策略的分析,针对过渡区运行过程中出现的功率波动大及突变载荷强等情况,提出一种改进的控制策略来减缓此种影响。为最佳跟踪改进的控制策略,设计了3个控制器以实现3个运行区间的平滑过渡。同时应用M ATLAB 仿真平台对变速变桨距风力发电机组运行特性进行了仿真,结果表明了所提出方案的合理性和可行性。 1 基本的变速变桨距控制策略 如图1所示,在转速 转矩平面图中,曲线A BC 描述了变速变桨距风力发电机组的基本控制策略。在低风速区,风电机组从切入风速为V in 的A 点到风速为V N 的B 点,沿着C pmax 曲线轨迹运行,此区间称为恒C p 运行区。由于在B 点发电机转速达到了其上限值 N ,当风速从V N 上升到V N 时,转速将恒定在 N ,提升发电机转矩使风电机组达到其额定功率,在图1中为BC 段,也称为恒转速区或过渡区。当风速超过额定风速V N 时,变桨距系统将开 始工作,通过改变桨距角保持功率的恒定,风电机组将持续运行在C 点,直到风速超过切出风速V out ,此区间称为恒功率区,而此区间内桨距角控制方式采用统一桨距控制,它是指风力机所有桨距角均同时 改变相同的角度[7 8] 。在此需要注意的是:若最大功率P N 曲线与C pmax 曲线的相交点在额定转速极限值左侧,就会造成风电机组在未达到额定转速时,已进入失速状态,相应的A B 区间将被缩小,这时就需 对整个风电机组额定点进行重新选取。 图1 变速变桨距风力发电机组控制策略Fig.1 C ontrol strategy of the variable speed pitch controlled wind turbine driven generator system 从图1可以看出,3个区间工作点的划分非常明显,而控制器的设计与工作点的选取有着必然的联系,因此,基本的变速变桨距风电机组通常会设计2个独立的控制器,一个用来跟踪参考速度,另一个用来跟踪额定功率。由于2个控制器都有各自的控制目标,在运行过程中相互独立,然而在工作点附近,2个控制器又相互制约,这种制约就会导致风电机组在C 点控制系统的调节能力下降,在突遇阵风 82 第35卷 第5期2011年3月10日Vo l.35 N o.5M ar.10,2011
变速恒频双馈风力发电机的原理和优点研究 变速恒频发电技术 变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。这一调速系统和变桨距调节技术环节结合起来，就构成了变速恒频风力发电系统。其调节方法是：起动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后在额定风速以下，调节发电机的转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上，采用失速与桨距双重调节、减少桨距调节的频繁动作，限制风力机获取的能量，保证发电机功率输出的稳定性和良好的动态特性，提高传动系统的柔性。上述方式目前被公认为最优化的调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。其主要优点是可大范围调节转速，使风能利用系数保持在最佳值；能吸收和存储阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减小噪声；还可控制有功功率和无功功率，改善电能质量。尽管变速系统与恒速系统相比，风电转换装置中的电力电子部分比较复杂和昂贵，但成本在大型风力发电机组中所占比例并不大，因而大力发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。 目前，采用变速恒频技术的风力发电机组，由于采用不同类型的发电机，并辅之相关的电力电子变流装置，配合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的变速恒频风力发电系统。主要有以下几类：鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统、绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统、同步发电机变速恒频风力发电系统、双馈发电机变速恒频风力发电系统。其中，由双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。基于诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。
风力发电并网技术及电能质量控制策略 发表时间：2018-08-20T17:02:21.880Z 来源：《红地产》2017年8月作者：熊毅 [导读] 随着我国科学技术的发展，社会的进步，加上矿物资源越来越贫乏， 随着风力发电技术的不断发展，已经从过去的小型风力发电机独立运行发展为大型发电机组并网运行，也就是常说的风力发电场并网运行。采用这种运行方式以后，不但提高了对风力的利用率，还在电能供给方面做出了卓越的成绩。在电能的质量控制面，因为风力发电并网技术的实行，使电能质量控制达到了良的效果，从而在根本上改变了人们的用电状况，为人们的工作和生活增添了一份助力。 1 风力发电的原理和技术 空旷的原野和辽阔的海面是风能的优质资源，风力发电是利用大自然中的空气以一定速度流动所产生的风能驱动风车的叶片旋转，将此旋转运动在增速机中转速提升，在由此产生的力矩带动下，发电机组中的导体通过切割磁力线产生感应电动势，外接闭合回路在导体中会有电流产生，实现风能向电能的转换。依据目前的风车技术，只要风速大于 3 米 / 秒便可以产生电能，实现发电目的。 风力发电机一般有风轮、偏航装置、发电机组、塔架、限速安全机构和储能用蓄电池等部件构成。风轮是由，个或、个叶片组成的集风装置，它的作用是采集风的动能转变为风轮旋转的机械能。风轮后面的调向器也叫尾舵，它的功能是控制风轮的迎风方向，使风轮随时面对风向，最大限度地获取风能。限速安全机构的作用是对风轮的转速予以一定的限制，使之在规定的范围内保持相对稳定，起到保证风力发电机限速平稳运行的作用。塔架则是机组的承载和风轮的支撑机构。 由于自然界的风速极不稳定，其很强的随机性和间歇性致使风力发电机的输出功率也极不稳定，高峰和低谷落差甚大，所以，风力发电机发出的电能不能直接用在电负载上，而是先用铅酸蓄电池储存起来，以保持风力发电系统持续稳定的供电运行状态。 2 风力发电并网技术 风电并网技术，是发电机输出电压，在频率、幅值和相位以上及电网系统电压是一致的。而随着风电机组容量的逐渐增大，风电电力并网的时候对电网的冲击也随之增大，因此选择科学的风电并网技术是十分必要的。 2.1 同步风力发电机组并网技术 同步发电机在运行的过程当中，一方面要输出有功功率，而另一方面则需提供无功功率，此外还需周波稳定及质量高，所以被广泛采用。然而怎么将这项技术与风电机组的并网结合起来也是一个问题，通常因风速不稳定等因素造成了转子转矩的不稳定，在并网的时候调速的性能不能达到精度要求，若不采取有效的控制，就会出现无功振荡或失步的问题。特别是重载情况，结果可能会更加的严重。但是近些年，随着科学技术不断提高，新型的电力电子技术能够在一定的程度上处理好这个问题，例如说一些变频装置。所以同步风力发电机组并网技术应当给予足够重视。 2.2 异步风力发电机组并网技术 与同步风电机组并网技术不同，异步风电机运行的过程当中，其主要凭借转差率调整负荷，因此调速的精度要求较低，也不需要同步设备与整步操作，只需要在其转速接近同步转速的时候，就能够轻松的并网。风电机组配用异步发电机，优点就在这项技术控制装置相对较为简单，在并网之后无振荡与失步问题，并且运行稳定及可靠。而缺点是直接并网可能会造成大冲击电流出现，降低电压，从而对系统运行的安全造成一定影响，系统的本身没有无功功率，其需要进行无功补偿。若不稳定系统频率太低的话，就会使电流剧增及电压过载。因此，对异步风电机组要进行严格的监视，并采取有效的措施，才能够保证发电机组的安全运行。 3 电能质量控制策略 3.1 改善电能质量 电能质量就是电力系统中电能的质量，理想的电能应该是美对称的正弦波，但有些因素会使波形偏离对称正弦，由此便产生了电能质量问题。很多城市的电能质量较低，对人们的生活和工作产生了很大的影响，因此必须改善电能质量。主要方法为：首先可以改善电功率因数，使无功就地平衡，但要注意的是，一定要合理选择供电半径。其次要合理选择供电系统线路的导线截面，但要注意合理配置变电与配电设备，防止其过负荷运行。第三要适当设置调压措施，例如串联补偿、变压器加装有载调压装置、装同期调试相机或者静电电容器等。以上三种措施，在实际的用中对电能质量的改善具有良好的效果，可以大力推广。同时，我们要注意及时对百姓的用电情况进行调查，找出不足之处，以便于对电能质量及时进行改善。 3.2 提高电能质量 电能质量的高低影响着人们的日常生活和工作，因此在改善电能质量的基础上，必须有所提高。很多城市的电能质量虽然得了改善，但还是没有办法满足人们的需求，因此，提高电能质量成为了人们的迫切要求，对于科研人员来说也是一项重要的任务。要想提高电能质量，首先要找出供电电压超过允许偏差的原因，经过大量的调查和研究，我们发现原因主要有三点，一是冲击性负荷、非对称性负荷的影响；二是调压措施缺乏或使用不当；三是线路过负荷运行。根据上述三点原因，使用风力发电并网技术可以有效的提高电能质量，不仅节省了运营成本，而且对风能的利用率也提高了不少。 4 结束语 综上所述，研究风力发电并网技术及电能质量控制策略对确保电网电能质量具有重要的作用。因此要进一步提高风力发电并、网技术及电能质量控制策略，这样才能促进整个电力系统的稳定运行。 参考文献： [1] 常耀华 . 对风力发电并网技术与其电能质量控制策略浅论 [J]. 电子制作 ,2014(01):266. [2] 齐洁 , 常耀华 . 对风力发电并网技术与其电能质量控制策略浅论 [J]. 企业研究 ,2014(02):153. [3] 魏巍 , 关乃夫 , 徐冰 . 风力发电并网技术及电能质量控制 [J]. 吉林电力 ,2014,42(05):24-26. [4] 樊裕博 . 风力发电并网技术及电能质量控制策略 [J].科技传播 ,2015,7(21):43-44. [5] 邹金运 . 风力发电并网技术及电能质量控制策略 [J].黑龙江科技信息 ,2015(35):88. [6] 谢鹏 . 风力发电并网技术与电能质量控制 [J]. 科技创新导报 ,2016,13(13):41+70. [7] 路立仁 . 浅析风力发电并网技术及电能控制策略 [J].科技与创新 ,2016(17):134. [8] 张国新 . 风力发电并网技术及电能质量控制策略 [J].电力自动化设备 ,2009,29(06):130-133.
风力发电机及风力发电控制技术综述 摘要：本文分析比较了各种风力发电机的优缺点，介绍了相关风力发电控制技术，风力发 电系统中的应用，最后对未来风力发电机和风力发电控制技术作了展望。 关键词：风力发电机电力系统控制技术 Overview of Wind Power Generators and the Control Technologies SU Chen-chen Abstract:This paper analyzes the advantages and disadvantages of the various wind turbine control technology of wind power, wind power generation system, and finally prospected the future control of wind turbines and wind power technology. 1 引言 在能源短缺和环境趋向恶化的今天，风能作为一种可再生清洁能源，日益为世界各国所重视和开发。由于风能开发有着巨大的经济、社会、环保价值和发展前景，近20年来风电技术有了巨大的进步，风电开发在各种能源开发中增速最快。德国、西班牙、丹麦、美国等欧美国家在风力发电理论与技术研发方面起步较早，因而目前处于世界领先地位。与风电发达国家相比，中国在风力发电机制造技术和风力发电控制技术方面存在较大差距，目前国内只掌握了定桨距风机的制造技术和刚刚投入应用的兆瓦级永磁直驱同步发电机技术，在风机的大型化、变桨距控制、主动失速控制、变速恒频等先进风电技术方面还有待进一步研究和应用[1]。发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，它不仅直接影响输出电能的质量和效率，也影响整个风电转换系统的性能和装置结构的复杂性。风能是低密度能源，具有不稳定和随机性特点，控制技术是风力机安全高效运行的关键，因此研制适合于风电转换、运行可靠、效率高、控制且供电性能良好的发电机系统和先进的控制技术是风力发电推广应用的关键。本文分析比较了各种风力发电机的优缺点，介绍了相关风力发电控制技术，风力发电系统中的应用，最后对未来风力发电机和风力发电控制技术作了展望。 2 风力发电机 2.1 风电机组控制系统概述 图1为风电机组控制系统示意图。系统本体由“空气动力学系统”、“发电机系统”、“变流系统”及其附属结构组成; 电控系统(总体控制)由“变桨控制”、“偏航控制”、“变流控制”等主模块组成(此外还有“通讯、监控、健康管理”等辅助模块)。各种控制及测量信号在机组本体系统与电控系统之间交互。“变桨控制系统”负责空气动力系统的“桨距”控制，其成本一般不超过整个机组价格5%，但对最大化风能转换、功率稳定输出及机组安全保护至关重要，因此是风机控制系统研究重点之一。“偏航控制系统”负责风轮自动对风及机舱自动解缆，一般分主动和被动两种偏航模式，而大型风电机组多采用主动偏航模式。“变 流控制系统”通常与变桨距系统配合运行，通过双向变流器对发电机进行矢量或直接转矩控制，独立调节有功功率和无功功率，实现变速恒频运行和最大(额定)功率控制。
风力发电机偏航系统控制策略研究 摘要：风能作为一种可再生的清洁能源，是人与自然和谐共处，实现社会与经 济可持续发展的新能源。风向是在不断变化，水平轴的风力发电组就需要不断利 用偏航系统来进行方向的调整，通过风能最大限度的利用，就能够满足实际的需求。因此，本文就风力发电机偏航系统的控制策略进行探讨。 关键词：风力发电机；偏航系统控制策略 1研究现状综述 纵观整个风电技术的发展历程及其现阶段所呈现出的发展趋势，现代大型风 力发电机组的单机容量不断增大，原来适用于中小型风机的风速、风载等分析模 型在大型化的风机应用中逐渐显现出不适性，巨大的风轮扫略平面内风速的空间 分布差异变得很大，长长的叶片在旋转过程中所处的方位不同，所处的风况也不 尽相同。现有的风速建模研究文献多倾向于简化风速模型或未深入考虑风速的空 间分布对机组运行的影响。由于风轮扫略面积成倍增大，偏航误差造成的叶片动 力学特性及机组的偏航力矩、倾斜力矩等载荷波动也会被成倍放大，对于中小型 风机能够容许的偏航误差对于大型风机则未必适用，而偏航容许误差的调整可能 会很大程度上影响偏航控制算法。现有的文献大多局限于研究偏航误差对偏航控 制和气动性能的影响以及如何针对性的进行优化提高，而频繁偏航造成的偏航硬 件设备的耗损和高故障率很少被关注，在偏航误差对风电机组并网运行特性的影 响方面以及基于偏航系统可靠性的偏航控制策略优化设计更是少有研究成果问世。 2风力发电机偏航控制系统分析 2.1风力机组 风力发电机是直接将风能转化为机械功，然后利用机械功实现对转子的带动 旋转，最终输出交流电。在转换能量的时候，基于风力机将风能直接转变为机械能，然后将机械能转换成为电能，这样就可以满足实际的转换，让风力机组可以 满足其实际的应用目标偏航系统结构。基于大型水平轴风电机组，其包含的部分 主要是针对偏航轴承、驱动装置、计数器等。 2.2偏航系统功能 偏航控制系统也属于对风装置，其包含的具体功能在于：配合机组控制系统，放出现风速矢量方向改变的时候，利用偏航控制系统的处理，就可以实现风向平 稳而快速的对准，并且也可以满足风轮最大风能的实现；针对风机电缆而言，还 需要考虑到单向缠绕偏多从而引发电缆出现断裂现象。一旦电缆缠绕，就能适应 自动解缆处理的需求，进而实现风机的运行安全性，其实际的控制流程见图1。 2.3风速和风向 风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热引起。太阳照射到地球表面，地 表各处因受热不均产生温差，从而引起大气对流运动形成风。自然风有大小也有 方向，通常用风速或风力描述风的大小、用风向描述风的方向。气象上把风吹来 的方向称为风向。风向的度量有多种方法：在陆上多采用16方位度量法；在海 上多采用36方位度量法；而在高空则多用角度表示，将圆周标成360°，北风(N) 对应0°(或360°)，东风(E)对应90°，南风(S)对应180°，西风(W)对应270°，其它细分风向可由此计算得出，风的大小也称风的强度常用风力或风速表示。 2.4偏航误差 当风向发生变化或机组偏航对风不准时，风向与风轮轴线就会偏差一定角度，
变速恒频风力发电机组的无功功率极限 申洪，王伟胜，戴慧珠 （中国电力科学研究院，北京100085） 摘 要：根据变速恒频风电机组的工作原理，建立了变速恒频风电机组的稳态数学模型，该模型考虑了风力机、双馈电机及其转速控制的稳态特性。在此模型的基础上，提出了计算变速恒频风电机组无功功率极限的方法，并对一变速恒频风电机组进行了计算分析，验证了所提方法的可行性。 关键词：变速恒频风电机；双馈电机；无功功率极限 1 引言 近年来世界风力发电发展迅速，风电装机容量平均每年以高于20%的速度增长。截止到2002年底，全世界风力发电装机容量约为31128MW，其中我国风电装机容量达468.42MW。目前，兆瓦级风力发电机组已逐渐取代600kW级的机组，成为国际上风力发电机市场的主力机型，风电机组正向着大型化、变桨距和变速恒频的方向不断发展和完善。 虽然变速恒频风电机组与固定转速的风电机组相比在性能上有较大改善，但由于风速变化的随机性，变速恒频风电机组的并网运行对电力系统而言仍然是一种波动的冲击功率，因而必须对这种风电机组的并网运行特性进行研究。变速恒频风电机组的发电机采用双馈感应电机，文献[1]~[3]对它的稳态模型进行了研究，建立了基于与定子磁场同步旋转的dq坐标系的数学模型。因为双馈发电机的转速和定子侧的无功功率都可以调节，所以转速控制规律和无功功率控制规律对变速恒频风电机组的稳态特性也有很大的影响。文献[1]、[2]介绍了转速控制和无功功率控制的基本思想，其中转速控制的目标是使风力机的功率系数最优，而无功功率控制则根据其接入的电力系统的实际运行方式可以设定为功率因数恒定或端电压恒定两种控制方式。 风电机组发出的有功功率主要取决于风速的大小，而无功功率则取决于风电机组的无功控制方案。一般风电场位于偏远地区，电网结构薄弱，当无功功率控制的设定值达到风电机组的无功功率极限时，一方面转子绕组发热将导致风电机组停机，另一方面由于不能向系统中提供或吸收足够的无功功率，将导致端电压降低或升高，严重时将导致系统电压失稳。因而研究变速恒频风电机组的无功功率极限是很有必要的。文献[4]对此问题进行了一定的研究，但它只讨论了发电机定子绕组中有功功率和无功功率的稳态运行域问题，并没有解决整个风电机组注入系统的有功功率和无功功率的稳态运行域问题。另外，该文献没有考虑转速控制规律的影响。
风力发电机液压变桨系统简介 全球投入商业运行的兆瓦级以上风力发电机均采用了变桨距技术，变桨距控制与变频技术相配合，提高了风力发电机的发电效率和电能质量，使风力发电机在各种工况下都能够获得最佳的性能，减少风力对风机的冲击，它与变频控制一起构成了兆瓦级变速恒频风力发电机的核心技术。液压变桨系统具有单位体积小、重量轻、动态响应好、转矩大、无需变速机构且技术成熟等优点。本文将对液压变桨系统进行简要的介绍。 风机变桨调节的两种工况 风机的变桨作业大致可分为两种工况，即正常运行时的连续变桨和停止（紧急停止）状态下的全顺桨。风机开始启动时桨叶由90°向0°方向转动以及并网发电时桨叶在0°附近的调节都属于连续变桨。液压变桨系统的连续变桨过程是由液压比例阀控制液压油的流量大小来进行位置和速度控制的。当风机停机或紧急情况时，为了迅速停止风机，桨叶将快速转动到90°，一是让风向与桨叶平行，使桨叶失去迎风面；二是利用桨叶横向拍打空气来进行制动，以达到迅速停机的目的，这个过程叫做全顺桨。液压系统的全顺桨是由电磁阀全导通液压油回路进行快速顺桨控制的。 液压变桨系统 液压变桨系统由电动液压泵作为工作动力，液压油作为传递介质，电磁阀作为控制单元，通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距。 液压变桨系统的结构 变桨距伺服控制系统的原理图如图1所示。变桨距控制系统由信号给定、比较器、位置（桨距）控制器、速率控制器、D/A转换器、执行机构和反馈回路组成。 图1 控制原理图 液压变桨执行机构的简化原理图如图2所示，它由油箱、液压动力泵、动力单元蓄压器、液压管路、旋转接头、变桨系统蓄压器以及三套独立的变桨装置组成，图中仅画出其中的一套变桨装置。
密级：公司秘密 东方汽轮机有限公司 DONGFANG TURBINE Co., Ltd. 2.0MW108C型风力发电机组主控制系统 说明书 编号KF20-001000DSM 版本号 A 2014年7 月
编制 <**设计签字**> <**设计签字日期**> 校对 <**校对签字**> <**校对签字日期**> 审核 <**审核签字**> <**审核签字日期**> 会签 <**标准化签字**> <**标准化签字日期**> <**会二签字**> <**会二签字日期**> <**会三签字**> <**会三签字日期**> <**会四签字**> <**会四签字日期**> <**会五签字**> <**会五签字日期**> <**会六签字**> <**会六签字日期**> <**会七签字**> <**会七签字日期**> <**会八签字**> <**会八签字日期**> <**会九签字**> <**会九签字日期**> 审定 <**审批签字**> <**审批签字日期**> 批准 <**批准签字**> <**批准签字日期**> 编号
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目录 序号章 节名称页数备注 1 0-1 概述 1 2 0-2 系统简介 1 3 0-3 系统硬件11 4 0-4 系统功能 5 5 0-5 主控制系统软件说明12 6 0-6 故障及其处理说明64
0-1概述 风能是一种清洁环保的可再生能源，取之不尽，用之不竭。随着地球生态保护和人类生存发展的需要，风能的开发利用越来越受到重视。 风力发电机就是利用风能产生电能，水平轴3叶片风力发电机是目前最成熟的机型，它主要是由叶片、轮毂、齿轮箱、发电机、机舱、变频器、偏航装置、刹车装置、控制系统、塔架等组成。 风力发电机的控制技术和伺服传动技术是其核心和关键技术，这与一般工业控制方式不同。风力发电机组控制系统是一个综合性的控制系统，主要由机舱主控系统、变桨系统、变频控制系统三部分组成，通过现场总线以及以太网连接在一起，各个模块都有独立的控制单元，可独立完成与自身相关的功能（图0-1-1）。目的是保证机组的安全可靠运行、获取最大风能和向电网提供优质的电能。 图0-1-1
变速恒频风力发电关键技术研究 发表时间：2018-06-07T10:41:35.750Z 来源：《电力设备》2018年第1期作者：李琳[导读] 摘要：本文主要对风力发电技术进行研究，首先从传统的恒速恒频发电入手与变速恒频发电做对比，展示了变速恒频发电在性能方面的突出优点,再分析变速恒频发电机组的工作原理和机组中的两种发电系统：交流励磁双馈发电系统和无刷双馈发电系统，分别对两种系统的工作原理、控制方式、优点及缺点等方面作出了阐述。 （大唐新能源黑龙江公司 150038）摘要：本文主要对风力发电技术进行研究，首先从传统的恒速恒频发电入手与变速恒频发电做对比，展示了变速恒频发电在性能方面的突出优点,再分析变速恒频发电机组的工作原理和机组中的两种发电系统：交流励磁双馈发电系统和无刷双馈发电系统，分别对两种系统的工作原理、控制方式、优点及缺点等方面作出了阐述。 关键词：变速恒频；风力发电；技术研究前言：根据我国目前生态建设和可持续发展的需要，大力开发可再生能源已经成为了当下应用能源的新型趋势，而风能正是符合这一需求的可再生绿色能源。风力发电技术早在上个世纪就开始进行研究和应用，但是在一定程度上机组性能尚不完善，关键技术的研发未有突破，导致了风能利用率较低。在近些年逐步发展的变速恒频风力发电技术在一定程度上可以对此改善，在技术研究上也有了新突破。 1.风力发电的技术分析 1.1恒速恒频风力发电机组分析 恒速恒频风力发电机组是一种运行后叶轮不能根据风速的变化而发生变化的，是由电网频率决定的风轮转速和电能频率在运行时基本保持不变的风电机组。主要发展于上世纪八十年代和九十年代之间，曾经被我国广泛应用于风力发电，并在此期间不断被研究者优化的一种风力发电形式。恒速恒频风力发电机组最开始的容量只有几十千瓦级，逐步发展为兆瓦级，并且有着一系列优点，例如：性能稳定、操作简便等，但仍属于非智能操作系统。 在恒速恒频风力发电机组中，由两种较为常用的控制方式：主动失速控制和定桨距失速控制。其中，主动失速控制是应用于大容量机组的一种控制方式，这种控制方式可以使机组具有稳定的输出功率，也会有部分机组采用定桨距失速控制，但是，该方式的输出功率不稳定还会造成一定程度上的齿轮箱磨损。 在恒速恒频风力发电系统中，由于外界风速变化无常，但风力发电机本身的转速不会改变，就会造成数据的不准确，风机效率低下等状况。在风力发电中，要提高风力发电系统的发电效率是首要任务，在整个过程中捕获最大风能是要点，所以发电系统一直在向着目标改进发展。随着科学技术的发展，在风力发电方面也有了明显的突破，正如近年来慢慢发展并强大的变速恒频风力发电系统。 1.2变速恒频与恒速恒频的对比分析 变速恒频风力发电机组是当今的主流风力发电机组，是二十世纪末期发展起来的一种高效的风力发电方式。与恒速恒频风力发电机组相比，变速恒频风力发电机组有明显的优势。变速恒频风电机组可以应对不同风速大小，在不同风速下进行自身调节，最大化捕捉风能，提高风能的利用率。恒速恒频发电机组在遇到较大风力时，自身产生的较大电流会使自身结构遭到损害。变速恒频风力发电机组本身可以根据外界风速的变化进行自身调节，减少因力的相互作用而导致装置内部结构遭到破坏的现象，从而大大延长了机组的使用寿命。不仅如此，变速恒频风力发电机组主要是通过对内部转子交流励磁电流幅值、频率以及相位的控制，实现在变速下对于频率的恒定控制，，这种控制方式还可以达到对输出功率的控制，使装置运行更加灵活，以便于整个机组的运作。 2.变速恒频风力发电的关键技术分析 2.1变速恒频风力发电工作原理 在变速恒频风力发电机组中，主要的三个部，分是风力机、发电机和辅助构件。变速恒频风力发电的基本工作原理是风力机构件中的叶轮吸收风能，在风能的作用下发生转动，使之转化为机械能，而后，叶轮的转动带动齿轮箱工作，产生机械能，再将产生的机械能通过发电机转化为电能，并经过一定转化输入电网，再由电网对各个用户进行传输。 目前的变速风力发电系统完全实现了机械自动化，属于智能运作系统，不需要人工调节，可以根据风速风力进行自身调节，适应外界变化。对于变速恒频发电机组而言，在额定风速以上运行时，可以使叶轮上的载荷控制在安全值内，并且，有效的调节风电机组吸收的能量。风力机的叶轮由于质量较大，具有较大的惯性，在变桨控制产生作用时，叶轮不会及时发生变化，通常情况下会滞后一定时间才能有所表现，这一情况很容易使功率有大幅度的波动。所以，在额定风速上运行时，需要用发电机转矩来进行快速的调节，来保证输出稳定的能量。当机组处于额定风速以下时，可以通过提高对发电机转矩的控制，使机组变速运行，以达到提高能量转换率的目的。 2.2变速恒频发电系统 交流励磁双馈发电系统：这种发电系统内部的主要结构有叶轮、齿轮箱、发电机、四象限变频器、交流励磁控制器、检测装置以及风力发电控制器等，其内部还存在滑环和电刷。馈电方式为装置内部转子绕组通过交流—交流的方式或是交流—直流—交流方式的变频器提供相关数据可以调节的电源，定子绕组接电网。交流励磁控制器还可以通过对于转子变频器输出的电压、幅值、相位以及频率的控制来调节转矩和定子的无功功率。在装置中，变频器提供给转子低频旋转磁场，且满足公式：ω1=ωs±ωr。其中ω1代表定子磁场同步转速，ωs代表整个磁场旋转速度，ωr代表转子机械旋转速度。 无刷双馈发电系统：这种电力系统的深入研究始于上世纪七十年代末，在此期间的几十年中，主要由美国Wisconsin大学、Ohio州立大学等高等院校对无刷双馈发电系统进行深入研究。其内部结构主要有电网、功率绕组、控制绕组、变频器、无刷电机、风力机等。在其内部定子上，一般有两套三相对称绕组，一个为主绕组，一个为副绕组。一般由工频交流电源直接为主绕组供电，如果副绕组短路，系统能够在异步运行方式下运作。无刷双馈发电系统内部的转子一般分为磁阻转子和笼形转子两类，其中，磁阻转子以ALA型较为常见，笼形以笼形短路绕组转子较为常见。 在风力发电系统的研究中表明，无电刷和滑环的发电转子在应用中更为稳定耐用，可靠性强。并且，发现在所有的发电系统研究中双馈型有刷及无刷的变速恒频控制在性能上都较为优越，较为常用，可以在此结论的基础上进一步对于双馈型变速恒频空间展开研究，进一步发展我国变速恒频风力发电的应用。 3.结语
恒速恒频风力发电系统的数学模型 为了研究风电场对电力系统的影响，需要建立合理的风电场数学模型，为进一步仿真分析奠定基础。按照本课题研究的要求，我们先后建立了异步发电机的稳态数学模型和动态数学模型，其中动态数学模型包括风速模型风轮机、传动机构和异步发电机的模型。本文以恒速恒频风力发电系统为研究对象，它主要由风力机和异步风力发电机等主要元件组成。我们着重于风电场与系统相互影响问题的研究，与之密切相关的环节，其数学模型将详细地描述。数学模型的建立为研究风电场的运行特性和风电场并网运行带来的稳定问题以及研究电力系统接入一定规模的风电场的可行性提供了基本的工具。 2.1 风电场及风力发电机组简介 风力发电场是将多台并网风力发电机安装在风力资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电，简称风电场。风力发电形式可分为“离网型”和“并网型”“离网型”有：(1)单机小型风力发电机；(2)并联的小型或大型孤立的风力发电系统；(3)与其它能源发电技术联合的发电技术，如风力／柴油发电机联合供电系统。“并网型”的风力发电是规模较大的风力发电场，容量大约为几兆瓦到儿百兆瓦，由于十台甚至成百上千台风电机组构成。并网运行的风力发电场可以得大大电网的补偿和支撑，更加充分的开发可利用的风力资源，也是近儿年来风电发展的主要趋势。在日益开放的电力市场环境下，风力发电的成本也将不断降低，如果考虑到环境等因素带来的间接效益，则风电在经济上也具有很大的吸引力。 风电场的发电设备为风力发电机组，发电机经过变压器升压与电力系统连接，如图2．1
图2-1风电场与电力系统连接图 在风场内，风机与变电所之间的连接有两种方式：场地布置相对集中时用电缆直埋；场地布置相对分散时用架空lOkV 线路。一般有两种供电方式如图2-2：一是采用一台风机经一台箱式变电站就近升压；二是采用两台或多台风机经一台箱式变电站就近升压。 2.2 异步发电机的稳态数学模型 为了研究风电场对电力系统的影响，需要建立合理的风电场数学模型，为进一步仿真分析奠定基础。按照本课题研究的要求，我们先后建立了异步发电机的稳态数学模型和动态数学模型，其中动态数学模型包括风速模型、风轮机、传动机构和异步发电机的模型。首先异步发电机与异步电动机在能量转换过程中各功率损耗之间的关系不同，如图2-11。步发电机的功率转换是将输入的机械功率己转换为输出电功率，它的特点在于其转子的转速比定子产生的旋转磁场的转速更高。自然风吹动风轮机叶片，将风能转化为机械能，由此获得的机械功率只扣除掉机械损耗Pm 。和附加损耗mc P 后即为传递到异步发电机转子可转换的机械功率mec P 。在等效电路中对应可变电阻(1-s)／s(s<0)上的电功率，扣除转子铜耗1cu P 和铁心损耗fe P ，得到输入定子绕阻的电磁功率me P ，再扣除定子铜耗1cu P ,即得到注入电网的电功率Pe 。上述功率流向可表达为 ad me mec m P P P p ++= (2-1)
第五章风力发电机组的液压系统和刹车 风力发电机组的液压系统和刹车机构是一个整体。在定桨距风力发电机组中，液压系统的主要任务是执行风力发电机组的气动刹车和机械刹车；在变桨距风力发电机组中，液压系统主要控制变距机构，实现风力发电机组的转速控制、功率控制，同时也控制机械刹车机构。 第一节定桨距风力发电机组的刹车机构 一、气动刹车机构 气动刹车机构是由安装在叶尖的扰流器通过不锈钢丝绳与叶片根部的液压油缸的活塞杆相联接构成的。扰流器的结构（气动刹车结构）如图5-1 所示。当风力发电机组正常运行时，在液压力的作用下，叶尖扰流器与叶片主体部分精密地合为一体，组成完整的叶片。当风力发电机组需要脱网停机时，液压油缸失去压力，扰流器在离心力的作用下释放并旋转80°-9 0°形成阻尼板，由于叶尖部分处于距离轴最远点，整个叶片作为一个长的杠杆，使扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力发电机组在几乎没有任何磨损的情况下迅速减速，这一过程即为叶片空气动力刹车。叶尖扰流器是风力发电机组的 主要制动器，每次制动时都是它起主要作用。 在叶轮旋转时，作用在扰流器上的离心力和弹簧力会使叶尖扰流器力图脱离叶片主体转动到制动位置；而液压力的释放，不论是由于控制系统是正常指令，还是液压系统的故障引起，都将导致扰流器展开而使叶轮停止运行。因此，空气动力刹车是一种失效保护装置，它使整个风力发电机组的制动系统具有很高的可靠性。 二、机构刹车机构 图5-2为机构刹车机构由安装在低速轴或高速轴上的刹车圆盘与布置在四周的液压夹钳构成。液压夹钳固定，刹车圆盘随轴一起转动。刹车夹钳有一个预压的弹簧制动力，液压力通过油缸中的活塞将制动夹钳打开。机械刹车的预压弹簧制动力，一般要求在额定负载下脱网时能够保证风力发电机组安全停机。但在正常停机的情况下，液压力并不是完全释放，即在制动过程中只作用了一部分弹簧力。为此，在液压系统中设置了一个特殊的减压阀和蓄能器，以保证在制动过程中不完全提供弹簧的制动力。
( 安全管理 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 大型风力发电机组控制系统的安全保护功能(新编版) Safety management is an important part of production management. Safety and production are in the implementation process
大型风力发电机组控制系统的安全保护功 能(新编版) 1制动功能 制动系统是风力发电机组安全保障的重要环节，在硬件上主要由叶尖气动刹车和盘式高速刹车构成，由液压系统来支持工作。制动功能的设计一般按照失效保护的原则进行，即失电时处于制动保护状态。在风力发电机组发生故障或由于其他原因需要停机时，控制器根据机组发生的故障种类判断，分别发出控制指令进行正常停机、安全停机以及紧急停机等处理，叶尖气动刹车和盘式高速刹车先后投入使用，达到保护机组安全运行的目的。 2独立安全链 系统的安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。安全链采用反逻辑
设计，将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串联成一个回路，当安全链动作后，将引起紧急停机，执行机构失电，机组瞬间脱网，从而最大限度地保证机组的安全。发生下列故障时将触发安全链：叶轮过速、看门狗、扭缆、24V电源失电、振动和紧急停机按钮动作。 3防雷保护 多数风机都安装在山谷的风口处或海岛的山顶上，易受雷击，安装在多雷雨区的风力发电机组受雷击的可能性更大，其控制系统最容易因雷电感应造成过电压损害，因此在600kW风力发电机组控制系统的设计中专门做了防雷处理。使用避雷器吸收雷电波时，各相避雷器的吸收差异容易被忽视，雷电的侵入波一般是同时加在各相上的，如果各相的吸收特性差异较大，在相间形成的突波会经过电源变压器对控制系统产生危害。因此，为了保障各相间平衡，我们在一级防雷的设计中使用了3个吸收容量相同的避雷器，二、三级防雷的处理方法与此类同。控制系统的主要防雷击保护：①主电路三相690V输入端（即供给偏航电机、液压泵等执行机构的前段）
暴风状况下风力发电机组的控制策略 Yen-Chieh Wang & Chih-Bor Lin & Jui-Hung Liu 工业技术研究院, 风能设备技术部，台湾新竹 Mail: yejwang@https://www.doczj.com/doc/bc15149737.html,.tw , januarymax@https://www.doczj.com/doc/bc15149737.html,.tw, dof@https://www.doczj.com/doc/bc15149737.html,.tw 摘要：在亚太地区如中国，台湾和日本，超级台风往往对风力发电机造成严重损坏。在这种情况下，最重要的是解决台风造成的破坏。风力发电机在暴风情况下要经受极限载荷。为使风力发电机适应台风天气，必须对控制策略做出适当的调整。本文旨在寻找一个能在暴风天气下有效减少结构载荷的上风向控制策略。关键词：台风，控制策略，Bladed 1.介绍 2008年9月28日，台风”蔷薇”袭击台湾。当时观察到的最大阵风风速为65m/s，台风中心的平均风速为56m/s。台湾电力公司正在运行的，由Vestas, GE，Harakosan(原弘),和Gamesa供货的风力发电机被损坏。位于台中的由原弘供货的一台风力机的第二节塔架倒下，三片桨叶严重毁坏，其它风力发电机的桨叶和齿箱被损坏。原弘风力机是台湾第一台倒下来的风力机。在2007年8月8日，台风“帕布”袭击台湾。Vestas的一台风力机起火，机舱罩被烧毁。台风每年都袭击台湾，导致重大损失。 一类风场风力发电机可适应的风速(V e50)为70m/s［1］，当风速超过(V e50) 时，会导致结构性损坏。2003年，超级台风“鸣蝉”袭击日本南部的冲绳岛，瞬时的最大风速为74.1m/s［2］。因为极限风况的作用，很多研究致力于如何减轻极限风速的影响。比方说，2003年在宫古岛台风“鸣蝉”对风力发电机的破坏就很好地体现了这一点。在东亚地区需要抗台风的机型以减少系统的维修和故障诊断。 2.运行情况 到目前为止，所有在台湾安装的风力机均采购自欧洲和美洲。所有风力机的设计都是按照IEC风力机标准等级，但是上述等级标准并不适合有台风情况的亚洲地区。IEC等级环境的控制系统设计没有考虑暴风情况，特别是对台风风向的追踪策略。 当台风席卷台湾时，出于安全的考虑，风场基本上把风力机的操作状态拨到空转甚至关掉机器。从控制策略跟风来看，风力发电机的载荷分布是不同的。让风机跟随风向或者与机舱垂直，哪种方式更好？最大的载荷会产生什么样的偏航系统故障呢？在GH开发的Bladed软件的帮助下，可以模拟影响载荷和输出性能的各种变桨动作工况。 3.仿真模型 仿真的模型为2MW变速变桨风力发电机。把通用型的2MW 变速变桨风力发电机模型作为一个试验台，见图1。利用GH公司开发的设计软件Bladed,可设计出不同的风况，分析结构载荷，以验证控制策略。所以，通过不同风速下各种偏航和变桨系统控制间的载荷计算，可以对控制策略做出适当的调整，以确保风力机的可靠性和可用性。
风力发电机组控制系统
风力发电机组控制系统功能研究 风力发电机组控制系统简介 风力发电机组由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，其相当于风电系统的神经。因此控制系统的质量直接关系到风力发电机组的工作状态、发电量的多少以及设备的安全性。 自热风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的并网和退出电网、输入功率的限制、风轮的主动对封以及运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是边远地区或是海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程控制，这就对风力发电机组的控制系统的自动化程度和可靠性提出了很高的要求。与一般的工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。他不仅要监视电网、风况和机组运行参，对机组进行控制。而且还要根据风速和风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率。 控制系统的组成 风力发电机由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于风电系统的神经。因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。目前风力发电亟待研究解决的的两个问题：发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。对此国内外学者进行了大量的研究，取得了一定进展，随着现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的研究提供了技术基础。 风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：这就是保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。 控制系统组成主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最
收稿日期:2007212211. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50577018);高等学 校学科创新引智计划(B08013);长江学者和创新团队发展计划(IRT0515);华北电力大学重大项目预研基金资助项目. 变速恒频风力发电机组输出特性分析 胡冬良,赵成勇 (华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室,河北保定071003) 摘要:以变速恒频风力发电系统为研究对象,依据发电机数学模型和交流电机矢量变换控制原理,设计了交流励磁变速恒频(VSCF )发电机定子磁链定向的矢量变换控制系统,对转子侧变换器建立了外环定功率控制内环定电流控制的双闭环控制结构,实现双馈发电机定子有功P 和无功Q 的解耦控制,从而获得最大风能捕获的高效发电运行。并在PSCAD/EM TDC 仿真环境下建立了变速恒频风力发电机组的整体动态数学模型。以渐变风和阵风为例,对由5台单机容量为2MVA 双馈感应电机(DFIG )组成的风电场并网前后的运行特性进行仿真研究,通过仿真分析,揭示了风电场并网运行的动态特性,并验证了数学模型和控制策略的正确性和有效性。 关键词:变速恒频发电机组;双馈感应电机;矢量变换控制;最大风能捕捉 中图分类号:TM614;TP391 文献标识码:A 文章编号:1007-2691(2008)04-0001-06 The output characteristic analysis of variable 2speed constant 2frequency wind generating set HU Dong 2liang ,ZHAO Cheng 2yong (K ey Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under Ministry of Education ,North China Electric Power University ,Baoding 071003,China ) Abstract :The system of variable s peed constant frequency (VSCF )wind power generation is taken as study object in this paper.According to the generator mathematical models and the control principle of vector 2oriented ,the control system of AC excitation VSCF generator is designed based on stator flux orientation.The rotor converter ado pts double locked loops control https://www.doczj.com/doc/bc15149737.html,ly ,the external 2loop is controlled by constant power and the inner 2loop is con 2trolled by constant current ,which implement the decoupling control of active power P and reactive power Q to the stator.Consequently ,the maximal energy capture is obtained to operate with high 2active power generation.Moreover ,a whole dynamic model of double fed induction generator (DFIG )is presented using PSCAD/EM TDC.Then the ram p change of wind speed and gust are taken for example.The operation characteristic of wind farm interconnected net 2work ,which is composed by five DFIG with 2MVA capacity ,is simulated.The interconnecting dynamic performance of wind farm is validated by simulation experiment.The results also show the mathematic model and control strate gy is exact and effective. K ey w ords :variable speed constant frequency (VSCF );double fed induction generator (DFIG );vector transform control ;maximal energy capture 0 引 言 风力发电以其清洁、可再生、技术成熟、风 力资源丰富等优势,日益受到人们的重视,并得 到许多国家能源政策的支持。近年来,随着电力发电技术的发展,变速恒频风力发电机组已逐步成为MW 级风力发电机组的主流机型。变速恒频风力发电机组与恒速恒频风力发电机组相比有显著的优越性[1]:低风速时它能够根据风速变化,在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能;高风速时利用风轮转速的变化,存储或释放部分能 第35卷第4期2008年7月 华北电力大学学报Journal of North China Electric Power University Vol 135,No 14 J ul 1,2008