風(fēng)力發(fā)電技術(shù)第三章：雙饋式變速變槳風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制T課件

1、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝華北電力大學(xué) 劉其輝第三章雙饋型變速變槳風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝縱覽機(jī)組主結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)域及控制目標(biāo)勵(lì)磁變換器結(jié)構(gòu)及原理DFIG控制（機(jī)側(cè)變換器控制）網(wǎng)側(cè)變換器控制變槳機(jī)構(gòu)及其控制偏航機(jī)構(gòu)及其控制其他機(jī)構(gòu)及控制、保護(hù)第三章：雙饋型變速變槳風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 運(yùn)行控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝機(jī)組主結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)機(jī)組主結(jié)構(gòu)：主要的機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)：微機(jī)控制軟、硬件第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組

2、控制（一）機(jī)組主結(jié)構(gòu)風(fēng)輪系統(tǒng)傳動(dòng)鏈系統(tǒng)發(fā)電機(jī)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(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制機(jī)組主結(jié)構(gòu)示意圖華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制1. 風(fēng)輪系統(tǒng)槳葉輪轂變距（槳矩）機(jī)構(gòu)華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制2. 傳動(dòng)鏈系統(tǒng)低速軸齒輪箱多級(jí)變速，變比較大（接近100）采用行星齒輪和正（斜）齒輪實(shí)現(xiàn)多級(jí)變速 潤(rùn)滑油冷卻或加溫機(jī)構(gòu) 高速軸聯(lián)軸器華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制通用標(biāo)準(zhǔn)型膜片聯(lián)軸器連接齒輪箱和發(fā)電機(jī)補(bǔ)償軸向

3、、徑向和角度偏差易于裝拆維護(hù)實(shí)現(xiàn)電絕緣力矩限定華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制傳動(dòng)鏈系統(tǒng)布局華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制3. 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)DFIG發(fā)電機(jī)本體冷卻系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)勵(lì)磁變流器四象限運(yùn)行能力、輸入、輸出特性優(yōu)良設(shè)計(jì)容量為機(jī)組容量30 IGBT器件，PWM調(diào)制技術(shù)并網(wǎng)機(jī)構(gòu)華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制4.偏航/解纜系統(tǒng)偏航機(jī)構(gòu)風(fēng)向標(biāo)偏航飼服電機(jī)（或液壓馬達(dá)）減速裝置偏航液壓制動(dòng)器偏航行星齒輪對(duì)風(fēng)/解纜操作根據(jù)風(fēng)向標(biāo)控制對(duì)風(fēng)計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)解纜 紐纜開關(guān)控制的安全鏈動(dòng)作

4、報(bào)警及人工解纜華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制偏航的作用對(duì)風(fēng)，獲取最大發(fā)電量減少斜風(fēng)給機(jī)組帶來(lái)的不平衡載荷華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制5.剎車系統(tǒng)機(jī)械抱閘剎車 *液壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)通過(guò)制定卡鉗和連軸器上制動(dòng)盤配對(duì)實(shí)現(xiàn)，一般在氣動(dòng)剎車后轉(zhuǎn)速降低后采用安裝位置：高速軸，低速軸氣動(dòng)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(guò)控制發(fā)電機(jī)電磁阻轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制6.

5、輔助系統(tǒng)塔架機(jī)艙罩機(jī)艙底盤變壓器防雷系統(tǒng)及電氣保護(hù)裝置 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)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(jī)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(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制（二）控制系統(tǒng)1. 概述與一般工業(yè)控制過(guò)程不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，而且還要根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)向的變化，對(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)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(hào)處理通常有兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)或高速數(shù)字信號(hào)處理芯片。主控制器在地面控制室的

6、開關(guān)柜內(nèi),從機(jī)設(shè)在機(jī)艙內(nèi)。主控制器監(jiān)控風(fēng)輪所有的運(yùn)行狀態(tài)。主控制器和從控制器間通過(guò)光纖達(dá)到可靠快速地交換信息。華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)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(yùn)行控制變槳距控制、偏航控制、剎車控制、變流器（發(fā)電機(jī)）控制本地控制與遠(yuǎn)程控制信號(hào)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(yuǎn)程監(jiān)視華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)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(dòng)控制參數(shù)監(jiān)視與遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)級(jí)控制協(xié)調(diào)華北電力大學(xué)

7、電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制主控制器實(shí)現(xiàn)案例華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制從控制器（DSP，矢量動(dòng)態(tài)控制算法）機(jī)側(cè)變流器控制網(wǎng)側(cè)變流器控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制從控制器實(shí)現(xiàn)案例華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝英國(guó)EU-ENERGY WIND公司SEG1250型風(fēng)機(jī)變頻器控制系統(tǒng)第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝二. 運(yùn)行區(qū)域及控制目標(biāo)主要運(yùn)行區(qū)域各運(yùn)行區(qū)域的

8、控制目標(biāo)第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制運(yùn)行區(qū)域的劃分一般按照風(fēng)速和機(jī)組運(yùn)行特性分為五大運(yùn)行區(qū)域：并網(wǎng)區(qū)MPPT區(qū)轉(zhuǎn)速限制區(qū)（過(guò)渡區(qū)）功率限制區(qū)切出停機(jī)區(qū)華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制并網(wǎng)控制區(qū)域轉(zhuǎn)速控制區(qū)域最大風(fēng)能追蹤區(qū)域功率控制區(qū)域不同運(yùn)行區(qū)域的功率特性華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制 (a)最大風(fēng)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(yùn)行區(qū)域的風(fēng)能系數(shù)華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝德國(guó)AERODYN公司

9、GD77/82(1.5MW)機(jī)組控制算法第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝三.勵(lì)磁變換器結(jié)構(gòu)及原理DFIG轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源的要求雙PWM變流器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制DFIG轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源的要求工作狀態(tài)可逆，能量可以雙向流動(dòng)輸入、輸出特性優(yōu)良，對(duì)電網(wǎng)的造成的諧波污染小在不降低電網(wǎng)功率因數(shù)條件下，具備一定的產(chǎn)生無(wú)功功率的能力（一）DFIG轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源的要求華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制（二）雙PWM變流器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)采用高頻全控器

10、件IGBT、SVPWM調(diào)制方式，消除了低次諧波直流環(huán)節(jié)具有電容，具備產(chǎn)生一定無(wú)功功率的能力華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制由兩個(gè)結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)獨(dú)立的PWM變換器組成華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制全控器件變換器拓?fù)浼罢{(diào)制波形（三）雙PWM變流器的原理華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制基本調(diào)制技術(shù)SPWM（正弦PWM）技術(shù)華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制SVPWM（空間矢量PWM）技術(shù)SASBSC三相線電壓（*udc）三相相電壓（*udc）

11、00000000010010-12/3-1/3-1/311001-11/31/3-2/3010-110-1/32/3-1/3011-101-2/31/31/30010-11-1/3-1/32/31011-101/3-2/31/3111000000華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝四. DFIG控制（機(jī)側(cè)變換器控制）DFIG的特性及數(shù)學(xué)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(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝(一). DFIG的特性及數(shù)學(xué)模型第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制DFIG優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流幅值、相位、頻率均可調(diào)有功功率、無(wú)功功率均可調(diào)可

12、實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行，適用于風(fēng)力、潮汐等綠色發(fā)電領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的柔性并網(wǎng)，并網(wǎng)特性優(yōu)良華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制VSCF實(shí)現(xiàn)原理華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制DFIG有功功率關(guān)系結(jié)論：DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)的有功功率流向與發(fā)電機(jī)運(yùn)行區(qū)域有關(guān)DFIG亞同步運(yùn)行時(shí)，功率由電網(wǎng)流入轉(zhuǎn)子；超同步運(yùn)行時(shí)， 由轉(zhuǎn)子流入電網(wǎng)DFIG功率特性華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制DFIG數(shù)學(xué)模型坐標(biāo)關(guān)系及變換3S/2S 或 2S/3S2S/2R 或 2R/2S3S/2R 或 2R/3S華北電力大學(xué)電

13、氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制定子電壓方程: 轉(zhuǎn)子電壓方程: 定子磁鏈方程: 轉(zhuǎn)子磁鏈方程: 轉(zhuǎn)矩方程: 運(yùn)動(dòng)方程: 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中DFIG數(shù)學(xué)模型坐標(biāo)變換華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制（二）. DFIG功率解耦控制策略基于DFIG功率控制的MPPT基于定子磁鏈定向矢量控制的功率解耦華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制基于DFIG功率控制的MPPTMPPT控制的機(jī)理由風(fēng)力機(jī)特點(diǎn)知道，其風(fēng)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(fēng)能的多少。單獨(dú)

14、調(diào)節(jié)或單獨(dú)調(diào)節(jié)雖然均會(huì)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(shí)現(xiàn)真正意義上的MPPT。華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制MPPT控制的策略由變槳控制槳距角實(shí)現(xiàn)，常用于恒速機(jī)組，變槳變速機(jī)組較少采用。非真正意義MPPT。恒速機(jī)組轉(zhuǎn)速不能改變，因此風(fēng)速變化時(shí)葉尖速比不受控，很難調(diào)整到最佳葉尖速比。風(fēng)速變化時(shí)通過(guò)槳距角調(diào)整風(fēng)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(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制由DFIG功率控制實(shí)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(jī)組動(dòng)態(tài)

15、功率為華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制2. DFIG參考功率計(jì)算 參考有功功率計(jì)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(cè)，通常作為直接控制對(duì)象。根據(jù)DFIG功率特性（ Pe和P1 關(guān)系）分析，可得實(shí)現(xiàn)MPPT的DFIG定子輸出參考有功功率華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制 參考無(wú)功功率計(jì)算 參考無(wú)功功率的計(jì)算原則有很多：電網(wǎng)電壓或無(wú)功最優(yōu)控制發(fā)電機(jī)運(yùn)行最優(yōu)化以發(fā)電機(jī)損耗最小化為目標(biāo)的參考無(wú)功功率計(jì)算公式 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變

16、槳變速風(fēng)電機(jī)組控制 參考無(wú)功功率計(jì)算模型 基于最大風(fēng)能追蹤和發(fā)電機(jī)損耗最小的DFIG參考有功功率和參考無(wú)功功率計(jì)算模型華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)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(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制基于定子磁鏈定向矢量控制的DFIG功率解耦實(shí)現(xiàn) 對(duì)DFIG的控制目的：一是實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的變速恒頻運(yùn)行；二是實(shí)現(xiàn)P、Q解耦控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤。為此，將矢量變換技術(shù)移植到DFIG控制上，推導(dǎo)基于定子磁鏈定向的DFIG矢量控制策略。 在定子磁鏈定向下有： 根據(jù)DFIG數(shù)學(xué)模型

17、得到其中華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制 由前面發(fā)電機(jī)的電壓和磁鏈方程可以進(jìn)一步導(dǎo)出 其中 前者是分別與Ii2it2具有一階微分關(guān)系的解耦分量，后者為補(bǔ)償分量。由此可設(shè)計(jì)出基于定子磁鏈定向的DFIG的P、Q解耦矢量控制策略，如下圖所示。 定子磁鏈定向下發(fā)電機(jī)的功率方程為 定子磁鏈定向 可以看出，有功功率無(wú)功功率分別與定子電流在m、t軸上的分量成正比，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流分量it1和勵(lì)磁電流分量im1可分別獨(dú)立調(diào)節(jié)有功和無(wú)功功率。華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電

18、機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制(三). DFIG并網(wǎng)控制策略華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制 空載并網(wǎng)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是提取電網(wǎng)的電壓信息，采用矢量變換技術(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)其空載電壓使其滿足并網(wǎng)條件?？蛰d時(shí)DFIG定子電流為零，即，代入DFIG一般數(shù)學(xué)模型，得到空載數(shù)學(xué)模型：定、轉(zhuǎn)子電壓方程：華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程：整合電壓方程與磁鏈方程得到：轉(zhuǎn)矩、運(yùn)動(dòng)方程：仍然采用定子磁鏈定向，將m軸定在定子磁鏈?zhǔn)噶康姆较?，忽略定子電阻。此時(shí)有： 成立。

19、華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制 由上式知，工頻下磁鏈定向時(shí)的發(fā)電機(jī)定子磁鏈為定值，端電壓U1正比于定子磁鏈1。發(fā)電機(jī)空載時(shí)，定子電流為零，即im1=it1=0，可由發(fā)電機(jī)電壓磁鏈方程得到 將上面的式子代入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓方程得到 根據(jù)上面分析可建立交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制策略，如下圖所示。華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝五. 網(wǎng)側(cè)變換器控制網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)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(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝（一）.網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工

20、程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制3S/3R變換華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制2S/2R變換考率到為網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電壓，上式變換為上式可改寫為其中華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制 為簡(jiǎn)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(biāo)系的d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量方向上。此時(shí)網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學(xué)模型變?yōu)榫W(wǎng)側(cè)變換器的從電網(wǎng)吸收的有功功率和無(wú)功功率為因此，控制id與iq可分別控制有功和無(wú)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(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其

21、輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝六. 變槳機(jī)構(gòu)及其控制變槳風(fēng)力機(jī)的特性變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)變槳控制策略變槳控制器實(shí)現(xiàn)案例第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝（一）變槳風(fēng)力機(jī)的特性1.風(fēng)力機(jī)葉片空氣動(dòng)力學(xué)分析風(fēng)力機(jī)的風(fēng)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(shí)，必須對(duì)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(guò)一個(gè)給定的角度，即使每個(gè)葉片的翼弦與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面形成一個(gè)角度，稱為安裝角也就是槳葉節(jié)距角。下圖是風(fēng)力機(jī)起動(dòng)時(shí)受力分析。第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第

22、三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制設(shè)風(fēng)輪的中心軸位置與風(fēng)向一致（由偏航系統(tǒng)控制）當(dāng)氣流以速度v流經(jīng)風(fēng)輪時(shí)，在槳葉和槳葉上將產(chǎn)生氣動(dòng)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(duì)風(fēng)輪的正面壓力，而升力則對(duì)風(fēng)輪中心軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。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(duì)風(fēng)輪正面的壓力，當(dāng)風(fēng)過(guò)大時(shí)風(fēng)輪承受的壓力過(guò)大可能會(huì)被吹倒，變槳機(jī)組可以通過(guò)適當(dāng)增大槳距角來(lái)減少壓力，這是變槳相對(duì)于定槳的優(yōu)勢(shì)之一華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控

23、制2. 風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)風(fēng)能利用系數(shù)Cp定義：表示風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸收能量的大小程度P風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲取的軸功率S風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的面積 p 空氣密度V風(fēng)速華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制對(duì)于變槳距風(fēng)力機(jī)，風(fēng)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(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制對(duì)于某一固定槳葉節(jié)距角下，存在唯一的風(fēng)能利用系數(shù)最大值Cpmax對(duì)于任意的葉尖速比，槳葉節(jié)距角=0下的風(fēng)能利用系數(shù)Cp相對(duì)最大。隨著槳葉節(jié)距角增大，風(fēng)能利用系數(shù)Cp明顯減小。華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速

24、風(fēng)電機(jī)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(fēng)速時(shí)，槳葉節(jié)距角固定為=0，通過(guò)發(fā)電機(jī)控制（直接轉(zhuǎn)速控制、間接轉(zhuǎn)速控制）使風(fēng)能利用系數(shù)恒定在Cpmax，捕獲最大風(fēng)能；在高于額定風(fēng)速時(shí)，變槳控制和發(fā)電機(jī)控制進(jìn)行協(xié)調(diào)控制保持機(jī)組輸出額定功率不變。華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝3. 變槳變速機(jī)組的功率特性第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制輸出功率特性變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，具有在額定功率點(diǎn)以上輸出功率平穩(wěn)的特點(diǎn)。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動(dòng)性能。當(dāng)功率在額定功率以下時(shí)。控制器將葉片節(jié)距角置于0附近，可認(rèn)為等同于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。當(dāng)功率

25、超過(guò)額定功率時(shí)。變槳距機(jī)構(gòu)開始工作，調(diào)整葉片節(jié)距角，將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定值附近。華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制 由于變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳葉節(jié)距角是根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出功率的反饋信號(hào)來(lái)控制的。它不受氣流密度變化的影響，無(wú)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(guò)調(diào)整葉片角度，使之獲得額定功率輸出。這對(duì)于功率輸出完全依靠槳葉氣功性能的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，具有明顯的優(yōu)越性。華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線比較第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝起動(dòng)

26、性能與制動(dòng)性能 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)，槳葉節(jié)距可以轉(zhuǎn)動(dòng)到合適的角度，使風(fēng)輪具有最大的起動(dòng)力矩，從而使變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組更容易起動(dòng)。在變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中一般不再設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的程序 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要脫離電網(wǎng)時(shí)，變槳距系統(tǒng)可以先轉(zhuǎn)動(dòng)葉片使之減小功率，在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷開之前，功率減小至0這意味著當(dāng)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)脫開時(shí)，沒(méi)有轉(zhuǎn)矩作用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，避免了在定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上每次脫網(wǎng)時(shí)所要經(jīng)歷的突甩負(fù)載的過(guò)程。第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制（二）變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)變槳機(jī)構(gòu)的作用風(fēng)機(jī)切入、切出減少?zèng)_擊超過(guò)

27、額定風(fēng)速時(shí)限制功率氣動(dòng)剎車華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制變槳機(jī)構(gòu)的類型飼服電機(jī)齒輪傳動(dòng)變槳 每一槳葉都具有飼服電機(jī)（PMSM），減速器和齒輪副 控制復(fù)雜，機(jī)構(gòu)位于輪轂內(nèi)使其重量增加液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)變槳獨(dú)立變槳三個(gè)液壓缸，三套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)位于輪轂內(nèi)，分別驅(qū)動(dòng)三槳葉同步變槳一個(gè)液壓缸（位于機(jī)艙），一套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，同步驅(qū)動(dòng)葉片華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制典型電動(dòng)型槳距調(diào)整機(jī)構(gòu)華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制液壓型槳距調(diào)整機(jī)構(gòu)（英國(guó)EU-ENERGY WIND公司SEG1250型

28、風(fēng)機(jī)）華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝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(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)比例閥進(jìn)行遠(yuǎn)距離連續(xù)控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)壓力、流量、方向的無(wú)級(jí)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(hào)電壓值的大小，通過(guò)放大器將該輸入電壓信號(hào)(一般在-10V一十10V之間)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)送入比例電磁鐵，從而產(chǎn)生和輸入信號(hào)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(gè)與前者成比例的流量或壓力。液壓變槳機(jī)構(gòu)的原理第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝閉環(huán)控制比

29、例閥系統(tǒng)原理框圖第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝液壓變槳機(jī)構(gòu)原理比例閥驅(qū)動(dòng)液壓裝置實(shí)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(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)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(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)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(jī)區(qū)：剎車控制模式

30、（順槳）華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)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(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制并網(wǎng)區(qū) 變距風(fēng)輪的槳葉在靜止時(shí)，節(jié)距角為90，這時(shí)氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，整個(gè)槳葉實(shí)際上是一塊阻尼板。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪開始起動(dòng)。在發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)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(jìn)行所謂的速度控制。華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙

31、饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制 為了使控制過(guò)程比較簡(jiǎn)單變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在轉(zhuǎn)速達(dá)到發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速前對(duì)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(méi)定的變距速度將節(jié)距角向0方向打開。直到發(fā)電機(jī)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(hào)與給定值進(jìn)行比較當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)向步轉(zhuǎn)速時(shí)，槳葉節(jié)距就向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，反之則向迎風(fēng)面積增大的方問(wèn)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。當(dāng)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近保持定時(shí)間后發(fā)電機(jī)即并入電網(wǎng)。華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制MPPT區(qū) 此時(shí)變距機(jī)構(gòu)只需將節(jié)距角固定在0即可，即使Cp=Cpm

32、ax,其余的由發(fā)電機(jī)控制。華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)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(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制轉(zhuǎn)速控制策略采用液壓變槳機(jī)構(gòu)的速度控制策略華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制液壓調(diào)節(jié)器原理華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制電動(dòng)調(diào)節(jié)器原理華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制（四）.變槳控制器實(shí)現(xiàn)案例 一種電動(dòng)變槳控制器實(shí)現(xiàn)案例華北電力大學(xué)電氣與電子工程

33、學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝七. 偏航機(jī)構(gòu)及其控制偏航機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制（一）.偏航機(jī)構(gòu)偏航的作用對(duì)風(fēng)，獲取最大發(fā)電量減少斜風(fēng)給機(jī)組帶來(lái)的不平衡載荷華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制偏航機(jī)構(gòu)風(fēng)向標(biāo)偏航飼服電機(jī)（或液壓馬達(dá)）減速裝置偏航液壓制動(dòng)器偏航行星齒輪華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制偏航機(jī)構(gòu)華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控

34、制風(fēng)向標(biāo)風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)速計(jì)安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的玻璃鋼機(jī)艙罩上的固定支架上，可隨風(fēng)力發(fā)電機(jī)組同步旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)光敏傳感器安裝在風(fēng)向標(biāo)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(gè)半圓形桶罩有風(fēng)向標(biāo)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)傳感器OPT1或OPT2沒(méi)有被半圓筒罩擋住時(shí)，傳感器輸出信號(hào)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(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)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(fēng)向標(biāo)作為感應(yīng)元件將風(fēng)向的變化用電信號(hào)到偏航電機(jī)控制回路的處理器里，經(jīng)過(guò)比較后處理器給

35、偏航電機(jī)發(fā)出順時(shí)逆時(shí)針的偏航命令，為了減少偏航時(shí)的陀螺力矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速將通過(guò)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(dòng)風(fēng)輪偏航對(duì)當(dāng)對(duì)風(fēng)結(jié)束后，風(fēng)向標(biāo)失去電信號(hào)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，偏航過(guò)程結(jié)束。華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制（二）.偏航控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)原理華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制控制系統(tǒng)的控制過(guò)程偏航系統(tǒng)主要的動(dòng)作有：風(fēng)向標(biāo)控制的自動(dòng)偏航風(fēng)向標(biāo)控制的90度偏航人工偏航自動(dòng)解纜阻尼剎車華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制風(fēng)向標(biāo)控制的自動(dòng)偏航為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收的功率最大，發(fā)揮最大效能，機(jī)艙必須準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)；因此必須使葉輪法線方向與風(fēng)向基本一致。當(dāng)風(fēng)向改變，超過(guò)允許誤差范圍時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)出自動(dòng)偏航指令，傳感器和偏航電機(jī)組成的對(duì)風(fēng)系統(tǒng)執(zhí)行校正動(dòng)作，使機(jī)艙準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)。華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 劉其輝第三章：雙饋式變槳變速風(fēng)電機(jī)組控制風(fēng)向標(biāo)控制的90度偏航90度側(cè)風(fēng)是在外界環(huán)境對(duì)風(fēng)電機(jī)組有較大影響的情況下（例如出現(xiàn)特大強(qiáng)風(fēng)），為了保證風(fēng)電機(jī)組的安全所實(shí)施的措施，所以在90度側(cè)風(fēng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)使機(jī)艙走最短路徑，且屏蔽自動(dòng)偏航指令；在側(cè)風(fēng)結(jié)束后應(yīng)當(dāng)抱緊偏航閘，同時(shí)當(dāng)風(fēng)向變化