风力发电技术-第三章：双馈式变速变桨风电机组运行控制(T)

风力发电技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉第三章双馈型变速变桨风力发电系统运行控制第三章：双馈型变速变桨风力发电系统运行控制纵览⏹机组主结构及控制系统⏹运行区域及控制目标⏹励磁变换器结构及原理⏹DFIG控制（机侧变换器控制）⏹网侧变换器控制⏹变桨机构及其控制⏹偏航机构及其控制⏹其他机构及控制、保护第三章：双馈式变桨变速风电机组控制一.机组主结构及控制系统机组主结构：主要的机电设备控制系统：微机控制软、硬件（一）机组主结构风轮系统传动链系统发电机系统偏航/解缆系统 刹车系统辅助系统机组主结构示意图1. 风轮系统●桨叶●轮毂●变距（桨矩）机构2. 传动链系统●低速轴●齿轮箱☐多级变速，变比较大（接近100）☐采用行星齿轮和正（斜）齿轮实现多级变速☐润滑油冷却或加温机构●高速轴●联轴器⏹通用标准型膜片联轴器☐连接齿轮箱和发电机☐补偿轴向、径向和角度偏差☐易于装拆维护☐实现电绝缘☐力矩限定传动链系统布局3. 发电机系统●DFIG☐发电机本体☐冷却系统☐保护系统●励磁变流器☐四象限运行能力、输入、输出特性优良☐设计容量为机组容量30％☐IGBT器件，PWM调制技术●并网机构4.偏航/解缆系统●偏航机构☐风向标☐偏航饲服电机（或液压马达）☐减速装置☐偏航液压制动器☐偏航行星齿轮●对风/解缆操作☐根据风向标控制对风☐计算机控制的自动解缆☐纽缆开关控制的安全链动作报警及人工解缆●偏航的作用☐对风，获取最大发电量☐减少斜风给机组带来的不平衡载荷5.刹车系统●机械抱闸刹车*☐液压驱动和电气驱动⏹通过制定卡钳和连轴器上制动盘配对实现，一般在气动刹车后转速降低后采用⏹安装位置：高速轴，低速轴●气动刹车☐变桨控制变桨控制系统控制桨距角为90度☐偏航控制●电磁刹车6.辅助系统●塔架●机舱罩●机舱底盘●变压器●防雷系统及电气保护装置●冷却系统●发热部件●液压系统●齿轮箱●发电机●变频器●冷却方式：空气冷却，液体冷却，混合冷却●其他部分（二）控制系统1. 概述●与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。

它不仅要监视电网风况和机组运行参数，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。

●比较普遍采用的是分布式控制系统。

信号处理通常有两个独立的计算机或高速数字信号处理芯片。

主控制器在地面控制室的开关柜内,从机设在机舱内。

主控制器监控风轮所有的运行状态。

主控制器和从控制器间通过光纤达到可靠快速地交换信息。

2. 结构与功能●结构⏹硬件系统和软件系统⏹主控制器和从控制器●功能⏹运行控制◆变桨距控制、偏航控制、刹车控制、变流器（发电机）控制◆本地控制与远程控制⏹信号采集与监视◆采集量：电压、电流、频率、功率、转速、油温、压力◆本地监视与远程监视3. 主从分布式控制系统●主控制器（PLC, PID控制算法）⏹变桨控制⏹偏航控制⏹制动控制⏹参数监视与远程通讯⏹系统级控制协调主控制器实现案例●从控制器（DSP，矢量动态控制算法）⏹机侧变流器控制⏹网侧变流器控制第三章：双馈式变桨变速风电机组控制 从控制器实现案例英国EU-ENERGY WIND公司SEG1250型风机变频器控制系统二. 运行区域及控制目标主要运行区域各运行区域的控制目标1.运行区域的划分一般按照风速和机组运行特性分为五大运行区域：●并网区●MPPT区●转速限制区（过渡区）●功率限制区●切出停机区并网控制区域转速控制区域最大风能追踪区域功率控制区域不同运行区域的功率特性λλλp C p C p C max p C maxp C maxp C （a）（b）（c）O O O (a)最大风能追踪区；(b)转速限制区域；(c)功率限制区域。

2. 不同运行区域的风能系数德国AERODYN公司GD77/82(1.5MW)机组控制算法三.励磁变换器结构及原理DFIG转子励磁电源的要求 双PWM变流器的结构和特点（一）DFIG转子励磁电源的要求DFIG转子励磁电源的要求工作状态可逆，能量可以双向流动输入、输出特性优良，对电网的造成的谐波污染小在不降低电网功率因数条件下，具备一定的产生无功功率的能力（二）双PWM变流器的结构和特点采用高频全控器件IGBT、SVPWM调制方式，消除了低次谐波直流环节具有电容，具备产生一定无功功率的能力由两个结构和功能相对独立的PWM变换器组成电网单位功率因数控制直流母线电压控制DFIG矢量变换控制SVPWM调制SVPWM调制网侧变换器控制系统机侧变换器控制系统*ruα*ruβ*2uα*2uβDFIGEF123456全控器件变换器拓扑及调制波形（三）双PWM变流器的原理A B C基本调制技术SPWM（正弦PWM）技术SVPWM（空间矢量PWM）技术S A SBSC三相线电压（*udc）三相相电压（*u dc）000000000 10010-12/3-1/3-1/3 11001-11/31/3-2/3010-110-1/32/3-1/3011-101-2/31/31/30010-11-1/3-1/32/31011-101/3-2/31/3 111000000四. DFIG控制（机侧变换器控制） DFIG的特性及数学模型DFIG功率解耦控制策略DFIG并网控制策略(一). DFIG的特性及数学模型DFIG优势转子励磁电流幅值、相位、频率均可调有功功率、无功功率均可调可实现变速恒频运行，适用于风力、潮汐等绿色发电领域可实现与电网的柔性并网，并网特性优良2160m n p f f ＋VSCF 实现原理DFIG功率特性DFIG有功功率关系结论：DFIG转子侧的有功功率流向与发电机运行区域有关DFIG亚同步运行时，功率由电网流入转子；超同步运行时，DFIG数学模型坐标关系及变换3S/2S 或2S/3S2S/2R 或2R/2S3S/2R 或2R/3S•定子电压方程:⎩⎨⎧---=+--=111111111111m t t t t m m m p i r u p i r u ψωψψωψ⎩⎨⎧++=-+=2222222222m s t t t t s m m m p i r u p i r u ψωψψωψ•转子电压方程:•定子磁链方程:•转子磁链方程:11121112m m m m t t m t L i L i L i L i ψψ=-⎧⎨=-⎩21222122m m m m t m t t L i L i L i L i ψψ=-+⎧⎨=-+⎩)(2121m t t m m n e i i i i L p T -=•转矩方程:•运动方程:dtd J T T re m ω=-同步旋转坐标系中DFIG 数学模型a1b1c1a2b2c2r θr ω1b u 1b i 1a u 1a i 1c u 1c i 2a u 2a i 2b u 2b i 2c u 2c id i d1u d11ωi d2u d2d 2d 1i q2u q2u q1i q1q坐标变换（二）. DFIG功率解耦控制策略●基于DFIG功率控制的MPPT●基于定子磁链定向矢量控制的功率解耦第三章：双馈式变桨变速风电机组控制1.基于DFIG功率控制的MPPT●MPPT控制的机理●由风力机特点知道，其风能转换系数Cp与叶尖速比λ和桨距角β有关，为后两者非线性函数。

改变λ和β均能调节Cp，控制吸收风能的多少。

●单独调节λ或单独调节β虽然均会使Cp提高，但是只有两者共同参与调节才使可能Cp最大，实现真正意义上的MPPT。

第三章：双馈式变桨变速风电机组控制●MPPT控制的策略●由变桨控制桨距角β实现，常用于恒速机组，变桨变速机组较少采用。

非真正意义MPPT。

⏹恒速机组转速不能改变，因此风速变化时叶尖速比λ不受控，很难调整到最佳叶尖速比。

⏹风速变化时通过桨距角β调整风能转换系数Cp，可使Cp得到一定程度的提高，但很难提高到最佳状态。

第三章：双馈式变桨变速风电机组控制 由DFIG 功率控制实现MPPT 的原理及方法若DFIG 的电磁功率控制规律取为3e opt wP P k ω==k wi optP P P =-则机组动态功率为第三章：双馈式变桨变速风电机组控制2. DFIG 参考功率计算参考有功功率计算根据前面可得到DFIG 参考电磁功率P e ，但由于DFIG 定子输出有功功率P 1意义更明确且易于检测，通常作为直接控制对象。

根据DFIG 功率特性（P e 和P 1关系）分析，可得实现MPPT 的DFIG 定子输出参考有功功率11(141)2ref P AB A=--1213112131()13w mloss r A U r B k P Q s U ω⎧=⎪⎪⎨⎪=-+⎪-第三章：双馈式变桨变速风电机组控制●参考无功功率计算参考无功功率的计算原则有很多：⏹电网电压或无功最优控制⏹发电机运行最优化以发电机损耗最小化为目标的参考无功功率计算公式21211222112123ref m X r U Q r X r r X r =-++。