風(fēng)電機(jī)組的輸出特性與運(yùn)行控制.ppt

風(fēng)電場(chǎng)電氣工程,華北電力大學(xué),第4章 風(fēng)電機(jī)組的輸出特性與運(yùn)行控制,章節(jié)設(shè)置 4.1 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行原理 4.2 籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性與控制 4.3 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性與控制 4.4 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性,第4章 風(fēng)電機(jī)組的輸出特性與運(yùn)行控制,教學(xué)目標(biāo)： 理解風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性與發(fā)電機(jī)的基本運(yùn)行原理，以及風(fēng)電 機(jī)組并網(wǎng)換流器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握鼠籠型感應(yīng)風(fēng) 電機(jī)組、雙饋感應(yīng)式風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組的 輸出特性和控制原理，了解三種風(fēng)電機(jī)組的基本運(yùn)行操作。,第4章 風(fēng)電機(jī)組的輸出特性與運(yùn)行控制,知識(shí)點(diǎn) 風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性； 三種發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理； 鼠籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的輸出特性與控制原理； 雙饋感應(yīng)式風(fēng)電機(jī)組的輸出特性與控制原理； 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性與控制原理； 三種風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行操作。,4.1 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行原理,4.1.1 風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性 4.1.2 發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理 4.1.3 并網(wǎng)換流器的結(jié)構(gòu)和原理,4.1.1 風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性,風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率可用下式表達(dá)： Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，是可以控制的 。根據(jù)Betz理論，風(fēng)力 機(jī)Cp的理論最大值是0.59，實(shí)際值通常在0.47左右。 葉尖速比，常用表示為： 風(fēng)能利用系數(shù)Cp與葉尖速比的關(guān)系大致如下圖所示： 為了使Cp維持最大值，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速也需要隨 之變化，使之運(yùn)行于最佳葉尖速。,4.1.1 風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性 不同風(fēng)速下（風(fēng)速v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v6）風(fēng)力機(jī) 的輸出功率特性，如下圖：,4.1.2 發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理,1.同步發(fā)電機(jī) 同步發(fā)電機(jī)的工作原理示意圖： 從而在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。若定子繞組接有外部閉 合回路，就會(huì)有電流從定子繞組流入外電路，或者說有功率 送到外電路。,同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組中要通入直流勵(lì)磁電流，形成相對(duì)于轉(zhuǎn)子靜止的恒定磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子在風(fēng)力機(jī)的驅(qū)動(dòng)下以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)將隨著轉(zhuǎn)子一起以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。,1.同步發(fā)電機(jī) 定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1由定子繞組中流過的交流電流的頻率 f1決定，還與定子鐵心的磁極對(duì)數(shù)p有關(guān)，其關(guān)系為 同步發(fā)電機(jī)的定子電流主要是感應(yīng)出來的，事實(shí)上，定子電 流的頻率反過來是由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（在同步機(jī)中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n 等于同步速n1）決定的，即,2.異步發(fā)電機(jī) 異步發(fā)電機(jī)的工作原理下圖所示：,異步機(jī)的定子繞組與外電路相連，當(dāng)繞組中流過對(duì)稱的三相電流時(shí)，就會(huì)形成同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。仍假設(shè)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為n1，當(dāng)異步機(jī)的轉(zhuǎn)子在風(fēng)力機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間有n-n1的轉(zhuǎn)速差。該轉(zhuǎn)速差造成轉(zhuǎn)子繞組與定子磁場(chǎng)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而會(huì)在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)在閉合的轉(zhuǎn)子繞組回路中產(chǎn)生電流。,2.異步發(fā)電機(jī) 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電流的頻率應(yīng)為 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于定子繞組的轉(zhuǎn)速為 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于定子繞組的轉(zhuǎn)速為 定子繞組中電流的頻率f1 為 轉(zhuǎn)差率的定義為,3.交流勵(lì)磁式發(fā)電機(jī) 交流勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)，是在轉(zhuǎn)子繞組中通入低頻交流勵(lì)磁電流。 勵(lì)磁電流是外部提供的，因而可以進(jìn)行準(zhǔn)確控制，從而影響 到發(fā)電機(jī)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。 當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果能夠控制轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電流的、 頻率f2，使得轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)速n2（可以與轉(zhuǎn) 子旋轉(zhuǎn)方向相同或相反）始終滿足 則可以在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化的情況下，仍能保持定子輸 出電壓頻率恒定。,4.1.3 并網(wǎng)換流器的結(jié)構(gòu)和原理,目前，應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中的電力電子換流器主要是基于全控 型電力電子器件的交-直-交（AC-DC-AC）電壓源型變流器（ Voltage Source Converter,VSC）。 4.1.3.1 三相電壓源型變流器的基本工作原理 三相電壓源型變流器（VSC）的原理結(jié)構(gòu)如下圖：,4.1.3.1 三相電壓源型變流器的基本工作原理 以A相輸出控制為例，分析電壓源型變流器的工作原理：當(dāng) 可關(guān)斷器件VT1開通、VT2處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，正向直流端和交 流側(cè)A相連，相對(duì)于直流側(cè)電源假想中點(diǎn)的交流輸出電壓跳 變?yōu)閁dc/2。當(dāng)可關(guān)斷器件VT1關(guān)斷、VT2開通時(shí)，負(fù)向直流 端和交流側(cè)A相連，相對(duì)于直流側(cè)電源假想中點(diǎn)的交流輸出 電壓跳變?yōu)?Udc/2。 具體波形見下圖： 表達(dá)式為：,4.1.3.2 背靠背四象限電壓源型變流器聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行特性 背靠背電壓源型變流器是由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的電壓源型變流器 以背靠背方式、通過中間的直流環(huán)節(jié)耦合而成。如下圖： VSC1、VSC2分別通過斷路器與交流電網(wǎng)相聯(lián)，相關(guān)接線如 下：,4.2 籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性與控制,4.2.1 籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行原理 4.2.2 籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速-功率特性 4.2.3 籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制,4.2 籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性與控制,4.2.1 籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行原理 籠型感應(yīng)電機(jī)等效電路圖 ：,上圖：籠型感應(yīng)電機(jī)T型等效電路,下圖： 籠型感應(yīng)電機(jī)型等效電路,4.2.1 籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行原理 根據(jù)型等效電路圖 ，可得： 發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率Ps： 其中： 發(fā)電機(jī)組發(fā)出的無功功率為 籠型感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，s0。 運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)（s0），還是發(fā)電狀態(tài)（s0），籠型電機(jī) 發(fā)出的無功功率都小于零，即需要外部電源提供無功。,4.2.2 籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速-功率特性 下圖為金風(fēng)公司750kW籠型感應(yīng)恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速- 功率曲線，切入風(fēng)速為4m/s，額定風(fēng)速為15m/s，切出風(fēng)速 為25m/s。,1.風(fēng)速高于切入風(fēng)速時(shí)，隨著風(fēng)速的逐漸增大，風(fēng)電機(jī)組輸出功率也隨之增大，直到風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)組輸出功率也達(dá)到額定值；,2.當(dāng)注入風(fēng)速進(jìn)一步增加、超過額定風(fēng)速時(shí)，定槳距風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)特性開始發(fā)生變化而失速，導(dǎo)致風(fēng)輪的風(fēng)能捕獲效率降低，限制葉片吸收過大的風(fēng)能，風(fēng)力機(jī)所捕獲的風(fēng)功率維持在額定值附近，達(dá)到限制功率的目的，從而使發(fā)電機(jī)組的輸出功率也維持在額定值附近。,4.2.2 籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速-功率特性 下圖為籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)的有功-無功曲線：,隨著風(fēng)電機(jī)組出力的增加，發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)吸收的無功功率也隨之增加。,故通常需要在發(fā)電機(jī)定子側(cè)安裝一定容量的電容器以進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，改善風(fēng)電機(jī)組的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行性能。,因此，多臺(tái)籠型風(fēng)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率，而容易導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組接入點(diǎn)電壓下降。,4.2.3 籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制 籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制主要包括機(jī)組起動(dòng)控制、待機(jī) 檢測(cè)并網(wǎng)控制、發(fā)電時(shí)的電容器投切控制、定槳距失速控制 和停機(jī)控制。 1.機(jī)組起動(dòng)控制 （1）電動(dòng)機(jī)起動(dòng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，先把發(fā)電 機(jī)用作電動(dòng)機(jī)，將機(jī)組起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。 （2）風(fēng)力機(jī)自起動(dòng) 風(fēng)力機(jī)自起動(dòng)是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速 超過切入風(fēng)速時(shí)，由風(fēng)力機(jī)將機(jī)組起動(dòng)到某一設(shè)定轉(zhuǎn)速（額 定轉(zhuǎn)速附近）。,4.2.3 籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制 2.待機(jī)檢測(cè)并網(wǎng)控制 籠型感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)方法主要有以下三種。 （1）直接并網(wǎng) 在并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同， 當(dāng)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)即可自動(dòng) 并入電網(wǎng)。 （2）降壓并網(wǎng) 在異步電機(jī)與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或 者接入自耦變壓器，以達(dá)到降低并網(wǎng)合閘瞬間沖擊電流幅值 及電網(wǎng)電壓下降的幅度。 （3）通過晶閘管軟并網(wǎng) 在異步發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)之間，通 過基于雙向晶閘管的軟啟動(dòng)器并網(wǎng)。,4.2.3 籠型感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制 3.電容器投切控制 通常在籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)端口安裝一定容量的電容器（機(jī)組額 定容量的20%，以減小發(fā)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)無功功率的需求。 4.定槳距失速控制 當(dāng)風(fēng)速變化并且超過額定速度時(shí)，風(fēng)力機(jī)葉片失速，效率降 低，限制葉片吸收過大的風(fēng)能，風(fēng)力機(jī)所捕獲風(fēng)功率維持恒 定，即定槳距失速。 5.停機(jī)控制 當(dāng)檢測(cè)到風(fēng)速持續(xù)超過切出速度時(shí)，為了保證風(fēng)電機(jī)組的運(yùn) 行安全，風(fēng)力機(jī)制動(dòng)，風(fēng)力機(jī)停止旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，發(fā)電機(jī)組并 網(wǎng)開關(guān)斷開，機(jī)組退出電網(wǎng)運(yùn)行。,4.3 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性與控制,4.3.1 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的功率傳輸特性 4.3.2 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制原理 4.3.3 雙饋感應(yīng)異步風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行操作 4.3.4 雙饋感應(yīng)異步風(fēng)電機(jī)組的撬杠保護(hù)*（選修）,4.3.1 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的功率傳輸特性 雙饋感應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)的原理圖如下：,雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)是交流勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)。,背靠背四象限變流器，用于為轉(zhuǎn)子繞組提供頻率可調(diào)的交流勵(lì)磁電流。,4.3.1 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的功率傳輸特性 忽略電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組銅耗時(shí)，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的功率具有 如下關(guān)系 （1）亞同步發(fā)電狀態(tài)(00，由雙饋發(fā)電機(jī)定子繞組饋入電網(wǎng)。轉(zhuǎn)差功率Ps0，雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子需要饋入能量，由電網(wǎng)通過“背靠背”四象限變流器提供給雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，雙饋發(fā)電機(jī)實(shí)際發(fā)電功率為(1-s)Pem。,4.3.1 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的功率傳輸特性 （2）超同步發(fā)電狀態(tài)(s0，由電機(jī)定子繞組饋入電網(wǎng)；轉(zhuǎn)差功率Ps0，由轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)變流器將其饋入電網(wǎng)，電機(jī)實(shí)際發(fā)電功率為(1+|s|)Pem，即除定子向電網(wǎng)饋送電能外，轉(zhuǎn)子也經(jīng)過背靠背四象限變流器向電網(wǎng)饋送一部分電能。 （3）同步發(fā)電狀態(tài)（s=0）此時(shí)Pem=Pmec，機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為電能并通過定子繞組饋入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組僅提供較小容量的直流勵(lì)磁功率。,4.3.2 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制原理 如果風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行控制策略是在不同的風(fēng)速下追求最大輸出 功率（Popt），由于轉(zhuǎn)速r與風(fēng)速成比例，則功率就隨著3 和r3增加，轉(zhuǎn)矩隨著2和r2增加。 用于控制策略的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線，如下圖所示。,AB點(diǎn)之間，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在幾乎恒定的轉(zhuǎn)速下,BC在最大功率跟蹤階段，轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線符合公式Topt=Koptr2。,DE段斷風(fēng)速繼續(xù)增加，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩超過其額定值，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩恒定。,4.3.3 雙饋感應(yīng)異步風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行操作 當(dāng)風(fēng)速超過切入風(fēng)速時(shí)，并持續(xù)一段時(shí)間之后，控制系統(tǒng)發(fā) 出機(jī)組起動(dòng)命令。機(jī)組開始起動(dòng)時(shí)，風(fēng)力機(jī)槳距角不調(diào)節(jié)， 風(fēng)力機(jī)葉片處于最有利于風(fēng)能捕獲方向位置。 背靠背四象限變流器控制系統(tǒng)將完成以下控制任務(wù)： （1）“背靠背”四象限變流器的并網(wǎng)過程操作 （2）雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)操作,4.3.4 雙饋感應(yīng)異步風(fēng)電機(jī)組的撬杠保護(hù)*（選修） 為防止過壓或過流對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器所造成的危害，通常在轉(zhuǎn) 子側(cè)安裝撬杠（Crowbar）保護(hù)電路對(duì)變流器進(jìn)行保護(hù)。 Crowbar的基本原理為：當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子繞組電流超過所整定 閾值時(shí)，Crowbar保護(hù)動(dòng)作，將短接雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子 繞組，切除轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，達(dá)到保護(hù)轉(zhuǎn)子變流器的目的。 1.被動(dòng)式Crowbar保護(hù)電路,4.3.4 雙饋感應(yīng)異步風(fēng)電機(jī)組的撬杠保護(hù)*（選修） 2.主動(dòng)式Crowbar保護(hù)電路,主動(dòng)式Crowbar保護(hù)和被動(dòng)式Crowbar保護(hù)的基本保護(hù)原理相同。兩者的不同點(diǎn)之處在于：被動(dòng)式Crowbar保護(hù)電路主要采用不可控電力電子元件作為投切控制開關(guān)，不能按電網(wǎng)要求在任何需要的時(shí)候馬上恢復(fù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流的正常工作。,4.4 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性,4.4.1 永磁同步發(fā)電機(jī)的外特性 4.4.2 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制原理 4.4.3 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行操作,4.4.1 永磁同步發(fā)電機(jī)的外特性 永磁同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路圖,永磁同步發(fā)電機(jī)定子繞組的電壓可以表示為,當(dāng)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由于永磁同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁不可調(diào)，故定子電樞繞組電流所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)將影響氣隙磁場(chǎng)的分布和大小，使得機(jī)端電壓將隨負(fù)載變化而變化。,固有電壓調(diào)整率來描述負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓的影響：,4.4.2 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制原理 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電