风机控制系统

东方电气首台拥有自主知识产权的1.5兆瓦直驱型 风力发电机组成功并网发电，标志着东方电气也 迈入大容量直驱型风电制造行列。2005年7月由 沈阳工业大学研制的1MW变桨变速双馈型风力发 电机组投入试运行，06年1.5MW机组也投入市场， 如今已经批量生产，到2010年底，3MW样机也可 以投入试运行。2009年11月，我国第一台具有自 主知识产权的2．0兆瓦永磁直驱风力发电机研制 成功。这是我国自主研发的最大的永磁直驱风力 发电机，标志着我国永磁直驱风力发电技术达到 世界领先水平。
中国继续在世界风能发展中发挥领军 作用， 2009 年新增装机容量 13,800MW ， 第四次实现超过1倍的增长，这对整机制造 商来说是一个巨大的市场。目前，美国的 装机总量保持世界第一，中国以微小的差 距超过德国位居第二，中德两国的总装机 容量都在26,000MW左右，2008~2009年全 球风电总装机容量占有率前 10 名的国家如 图1.1所示，2009年各国在风电新增装机容 量 中 的 占 有 率 如 图 所 示 。
最佳叶尖速比控制
Cp (λ)曲线是桨叶节距角和叶尖速比的3维函数， 下图是Cp (λ)曲线对桨叶节距角的变化规律：当 桨叶节距角逐渐增大时Cp (λ)曲线将显著缩小，λ 是叶尖转速与风速的对比，对于变速运行的风机 来说，最佳叶尖速比控制即在较宽风速范围内， 调节发电机、叶轮转速跟随风速变化，保持可达 最大Cp值点的最佳叶尖速比状态，使得风能捕获 效率最大。对于失速型恒速风机，叶轮转速固定， 而风速不断变换，叶尖速比跟随风速不断变化， 并不固定在一个特定值，所以只能在某个风速上 保持最佳叶尖速比，所以风能捕获效率大大降低。
uf
风速
功率因数
uc
ub u r
uf
风速
桨距角
uc
ub u r
uf
风速
其中：uc是切入风速，ub是最大允许叶轮 转速，ur是额定风速，uf是大风停机风速。 按照变速型风机的运行特点，基本的控制 策略为：低风速段，恒定Cp值运行，保持 最佳叶尖速比，最大能量捕获效率，直到 转速达到极限，然后按照恒定转速控制， 直到功率最大，然后恒功率控制。
丹麦 葡萄牙 英国 法国 意大利 印度 西班牙 德国 中国 美国
3.497 3.163 3.535 2.862 4.092 3.195 4.521 3.404 4.85 3.736 10.925 9.587 19.149 16.689 25.777 23.897 26.01 12.21 35.259 25.237
0.5 0.45 pitch 0° 0.4 0.35 0.3 6° 3°
C P 0.25
0.2
cp
9° 12°
0.15 0.1 0.05 0
15° 18° 21° 24° 27° 30° 0 2 4 6 8 10 λ 12 14 16 18 20
最佳叶尖速比控制的实施方法
（1）恒定尖速比控制策略，控制风机最佳尖 速比运行，获得最大能量吸收效率，风机 的功率特性曲线存储在控制器的内存中， 不断测量风速和风轮转速，计算出实际尖 速比，并与最佳尖速比参考值比较，得到 的误差信号反馈到控制器中，从而使控制 器调节转速，最小化误差信号。这种策略 的缺点是由于上风向机组风速传感器在风 轮后面，测量不准确，此外，特性曲线随 叶片翼面的改变而改变，也不准确。
r
Jr Tr
齿轮箱 低速轴 1 n 高速轴 发电机
Jg
风轮
g
Te
d r Jr Tr TD nTm dt
发电机的运动方程
交流励磁电机内部电磁关系的建立，离不开输入 的机械转矩和由此产生的电磁转矩之间的平衡关 系。忽略电机转动部件之间的摩擦，则转矩之间 的平衡关系为：
J d m Tm Te nP dt
风机控制整体模型结构
控制策略设计过程描述
• 第一步：问题分析。分析系统构成、传感器、执行机构、设计方面的 一些限制因素等，归纳出要设计的控制器结构； • 第二步：控制系统参数化。根据控制环路里各部件特征和构成，把其 参数化，并把系统的响应时间考虑进去。 • 第三步：建立系统动态模型。建立正确描述系统动态特性的线性或非 线性模型，反映系统动态响应和频率特性。 • 第四步：模态线性化。可以把控制系统初始动态进行模态线性化，依 此开展后续的控制器设计。 • 第五步：控制系统设计。按照各种先进的控制器设计方法进行动态控 制系统的设计，一般来说，设计的结果是：系统在低频区可以跟踪给 定，中频区可以保持稳定，有足够的响应时间，高频区可以不受噪声 等干扰信号的影响。 • 第六部：仿真研究。在非线性动态系统模型上测试控制器的设计，并 反复修正设计。 • 第七步：现场测试。控制器设计完成后，可以在现场运行机组上进行 测试。
国外风力发电现状
根据世界风能协会统计，全球风机装机 容量已经达到159,213MW，2009年新增装机 容量38,312MW。风机的装机增长率为31.7%， 是自2001年以来增长最快的一年。按照这种 持续增长的发展势头，装机容量3年就会翻一 番。截止到2009年底，所有风电机组的发电 量达到每年 340太瓦时，占全球用电量的 2%。 2009年风能创造的产值为50亿欧元，风电行 业创造就业岗位55万个，预计到2012年风能 产业提供就业机会首次达到100万。
软并网控制技术：适用于定桨距失速型机组； 功率因数补偿技术：适用于定桨距失速型机组； 大小电机切换并网技术：适用于定桨距双速型机组； 变速滑差控制技术：适用于变桨距滑差调速型机组，Vestas 智能变桨距控制技术：适用于变桨距全变速型； 最佳叶尖速比：控制技术，适用于变桨距全变速型； 功率控制技术：适用于变桨距全变速型，同上； 机组机械谐振控制技术：适用于变桨距全变速型，同上； 机组减载控制技术：主要适用于变桨距全变速型，同上； 变速恒频控制技术：适用于变速机组，主要为变速运行下的 恒频恒压功率输出控制技术。
问题分析 建立系 统动态 模型 模态线性化
控制系统 参数化
非线性动 态系统模 型
控制系统 设计
仿真研究
现场测试
一个典型的线性化后的模态模型如图所示， 包括风轮的气动动态特性、塔架模态、驱 动链模态、发电机模态、传感器响应。如 果是闭环控制系统，则还包括控制算法、 变距执行机构反馈等。在此线性模型上， 可以进行控制器的设计，如转矩控制器、 变距控制器的PI增益，可以基于开环设计、 也可基于闭环设计。
风机控制系统
Control System of Wind Turbine 主讲人：徐 健 沈阳工业大学风能技术研究所
大纲 • • • • •
风电机组发展现状 风电机组控制系统分类 控制系统建模 控制系统仿真 工厂调试
1、国内风力发电现状
2010年8月31日，由华锐风电科技有限公 司研发的3兆瓦海上风电机组在上海东海大桥实 现并网运行，实现了我国自主研发并生产海上大 功率风电机组零的突破，成为亚洲海上风场的先 行者。同时，国内的各大风电巨头也加紧研发海 上3MW和5MW的步伐。新疆金凤科技股份有限 公司在山东荣成的三台直驱永磁低风速1.5兆瓦 风力发电机组已于近日成功并网运行。作为国内 最早并网运行的低风速风力发电机组，这标志着 金风科技在拓展国内低风速市场方面已经占据先 机。
1) 起动阶段：发电机转速在达到切入风速以 前，发电机并没有工作，处于挂机状态， 桨距角为0°，只是叶轮在作机械转动，不 涉及变速控制。 2) 最佳叶尖速比工作区：风电机组并网并运 行在额定风速以下区域时开始发电，并且 发电机可以运行在限定转速之下的任意转 速，风机能实现最大风能捕获。 3) 恒转速工作区：风轮保持恒定的转速运行。 4) 恒功率工作区：由于电气和机械强度的极 限问题，发电机的转速和输出功率必须维 持在限定值以下，功率输出保持不变。
1.5MW、2MW双馈电机，有齿轮箱，变速变桨距 1.2MW、2MW和2.3MW双馈电机，有齿轮箱，变速变桨距 直流励磁同步电机，无齿轮箱，变速变桨距 双馈电机，有齿轮箱，变速变桨距鼠笼式异步电机，有齿轮 箱，恒速变桨距
3 4
Gamesa Enercon
5
Suzlon
2、控制系统介绍
• 各类机型中，变速变距型风电机组控制技术较复杂，其控 制系统主要由三部分组成：主控制器、桨距调节器、功率 控制器。 • 主控制器主要完成机组运行逻辑控制，如偏航、对风、解 绕等，并在桨距调节器和功率控制器之间进行协调控制。 • 桨距调节器主要完成叶片节距调节，控制叶片桨距角，在 额定风速之下，保持最大风能捕获效率，在额定风速之上， 限制功率输出。 • 功率控制器主要完成变速恒频控制，保证上网电能质量， 与电网同压、同频、同相输出，在额定风速之下，在最大 升力桨距角位置，调节发电机、叶轮转速，保持最佳叶尖 速比运行，达到最大风能捕获效率，在额定风速之上，配 合变桨距机构，最大恒功率输出。 • 小范围内的抑制功率波动，由功率控制器驱动变流器完成， 大范围内的超功率由变桨距控制完成。
塔架
推力 发电机转速
转矩
气动特性
风速 风轮转速
驱动链
转矩 转矩给定
发电机
变距角
传感器
变距执行 机构
桨距给定
控制算法
偏差
给定
根据风轮的气动特性，风机实际捕获的风 能转化为有用功率为：
Pr ACP (, )U / 2
3
风机的输出转矩与风速U的关系式为：
Tr CT (, ) R U / 2
3 2
风能利用系数定义为：
Cp ( , ) 0.22(116 / λ 0.4 5)e(12.5/ λ ) 1 1 0.035 3 λ λ 0.08 1
传动链主要有风轮、低速轴、齿轮箱、高 速轴和发电机转子组成的。如图所示，假 设主轴为刚性轴，即为传动系统的扭转刚 度足够大，则传动链的动力学方程为：
变距执行系统模型所描述的应是控制器产 生的参考桨距角与实际桨距角之间的动态 关系。系统方程为：
d 1 ( r ) dt T
3、控制系统设计
控制系统是风电机组的信息枢纽和大脑， 其稳定、安全运行是机组安全运行的重要 保障。在当今各类机型中，变速变距风电 机组的控制技术尤为复杂。其控制系统主 要包括：主控系统、桨距调节系统和功率 控制系统，其控制系统构成如图所示：
电网 变流器 齿轮箱 发电机
功率反馈
桨距角反馈
桨距调 节系统
桨距角 参考值
主控系统
功率 参考值
功率控 制系统
• 主控制器主要完成机组运行逻辑控制，Βιβλιοθήκη Baidu偏航、 对风、解绕等，并在桨距调节器和功率控制器之 间进行协调控制。 • 桨距调节器主要完成叶片节距调节，控制叶片桨 距角，在额定风速之下，保持最大风能捕获效率， 在额定风速之上，限制功率输出。 • 功率控制器主要完成变速恒频控制，保证上网电 能质量，与电网同压、同频、同相输出，在额定 风速之下，在最大升力桨距角位置，调节发电机、 叶轮转速，保持最佳叶尖速比运行，达到最大风 能捕获效率，在额定风速之上，配合变桨距机构， 最大恒功率输出。 • 小范围内的抑制功率波动，由功率控制器驱动变 流器完成，大范围内的超功率由变桨距控制完成。
控制区域的划分 如图所示：变速变距风机运行时分三个工作 区域 uc u ub 变速/最佳叶尖速比工作区 • 区域一： ub u ur 恒速/可变叶尖速比工作区 • 区域二： • 区域三：ur u u f 变速/恒功率工作区
主轴输出功率
uc
ub u r
uf
风速
风轮转速
uc
ub u r
2009 2008
2008~2009年全球风电总装机容量占有率前10名的国家
国外主要风电机组制造商的机型
排 名 1 公司 名称 Vestas 主流机型 1.65MW、2MW和3MW双馈电机，有齿轮箱，变速变桨距
2
GE Wind
1.5MW双馈电机，有齿轮箱，变速变桨距 2MW永磁同步电机，无齿轮箱，变速变桨距
控制控制系统涉及的范围：
– 主控系统软硬件设计； – 变距系统软硬件设计； – 变流系统设计； – 通讯链路设计(本机和风场)； – 防雷及布线设计； – 安全系统设计； – 外围传感设计。
整体控制系统主要按机组型号分类
• 失速机型控制系统 • 双馈式变速恒频型 • 直驱永磁式变速控制系统
控制技术所涉及的内容有：