风力发电机(培训课件)

双馈风力发电机控制基本原理
双馈风力发电机结构原理示意图
fr 变频器
变速恒频发电机
叶轮
• 变速恒频风力发电系统结构框图中，省略了变压 器、滤波器等构件。其定子接入电网，转子绕组 由频率、相位、幅值都可调节的电源供给三相低 频交流励磁电流。由交流异步发电机的基本原理 可得下列关系
• f1= fr±f2= —— ±f2
IGBT特点
• ①使用脉宽调制（PWM）获得正弦形转子电流，发电机 不会产生低次谐波转矩，改善了谐波性能。②有功功率和 无功功率的控制更为方便。 • ③大功率IGBT很容易驱动。 • ④IGBT有很好的电流共享特性，这对于要达到风力发电 机所需的功率水平，进行并联使用是非常必要。 • ⑤开关时间短，导通时间不到1毫秒，关断时间小于6毫秒， 使得管子功耗小。导通角为0度到90度。 • ⑥目前单管容量已经较大，如Eupec公司的 FZ600R65KF1等器件，可以在6kV电压下控制1.2kA 电流， FZ3600R12KE3 等低电压器件，可以在1.2kV电压下开关 3.6kA电流。
一致。
变速恒频发电机控制模型图
变速恒频发电机控制示意图
变频器主回路
变频器关键器件简介
• 绝缘栅双极晶体管：IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor） • 金属氧化物半导体场效应晶体管： MOSFET （metallic oxide semiconductor field effect transistor） • 绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型 晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET, 输出极为PNP晶体管,因此,可以把其看作是MOS 输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点,既 具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点,又具有 双极型器件容量大的优点,因而,在现代电力电子技 术中得到了越来越广泛的应用。 在中大功率的开关电源装置中,IGBT由于其控制驱 动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点,已 逐步取代晶闸管。
特性曲线
• 1)对于某一固定桨距角β，存在唯一的风能利用系 数最大值Cpmax，对应一个最佳叶尖速比λ； • (2)对于任意的叶尖速比λ，桨距角β=0°时的风能 利用系数Cp相对最大。桨距角β=89°时的风能利 用系数Cp最小。 • 以上两点即为变速恒频变桨距控制的理论依据： 在风速低于额定风速时，桨叶节距角β=0°，通 过变速恒频装置，风速变化时改变发电机转子转 速，使风能利用系数恒定在Cpmax，捕获最大风 能；在风速高于额定风速时，调节桨叶节距角从 而减少叶轮输入功率，使发电机输出功率稳定在 额定功率。
何谓线速度
• 线速度:刚体上任一点对定轴作圆周运动时的速度称为 “线速度”。它的一般定义是质点（或物体上各点）作曲 线运动（包括圆周运动）时所具有的即时速度。它的方向 沿运动轨道的切线方向，故又称切向速度。它是描述作曲 线运动的质点运动快慢和方向的物理量。物体上各点作曲 线运动时所具有的即时速度，其方向沿运动轨道的切线方 向。在匀速圆周运动中，线速度的大小等于运动质点通过 的弧长（S）和通过这段弧长所用的时间（△T）的比值。 即V=S/△T，在匀速圆周运动中，线速度的大小虽不改变， 但它的方向时刻在改变。它和角速度的关系是V=ωR。线 速度的单位是米/秒。
IGBT 的优势
• 发电机控制系统除了控制发电机“获取最 大能量”外，还要使发电机向电网提供高 品质的电能。因此发电机通过IGPT控制系 统可获得：①尽可能产生较低的谐波电流， ②能够控制功率因数，③使发电机输出电 压适应电网电压的变化，④向电网提供稳 定的功率
• 这就是IGBT在风力发电机组控制
风力发电机组的 控制策略
变速恒频变桨控制的 理论依据
Cp、β、λ的关系曲线
β
β
β
关键控制策略之一
• 围绕如何控制风力发电机组的Cp值完成对机组的 吸收风能的调整控制 • 通过控制β和电机转速ωr 都可改变风机吸收的风 能。由空气动力学的相关知识可知，Cp 最大可达 59.3%，称为贝兹极限。从图 中看出Cp 与λ， β 的关系曲线。当β一定时，Cp 存在最大值Cpmax， 控制电机转速ωr ，使λ达到最优，可实现风机的 输出功率最大化；当β变化时，Cpmax 也相应变 化。理想状态下， β =0°对应最大Cpmax，实际 系统中，由于桨叶中杂质和气流等的影响，最优β 值一般在0°附近，可通过现场调试获得。
• 式中 f2取负号；当n1等于n2时，处于同步运行状 态，此时发电机作为同步电机运行，f2=0，变频 器向转子提供直流励磁。 • 图中的变频器必须能够满足交流励磁发电机的运 行要求，实现转差功率在发电机转子与电网间的 双向流动。 • 由公式可知，当发电机转速n1变化时，若控制转 子供电频率相应变化，可使其保持恒定不变，始 终与电网频率保持一致，就实现了变速恒频控制。
系统所起到的关键作用。
知识点串联
• • • • • • • 能量守恒理论 风能（动能） 功率曲线 叶速比 Cp控制：变浆、偏航 变流器控制：双向可控 双馈变速恒频控制
谢谢大家！
• 这就是交流励磁发电机变速恒频运
行的基本原理
变浆变频技术关键点
• 变桨矩的目的是为了在任何风速下保持风 力发电机获得最大Cp值，提高不同风速下 的平均Cp值，而不是追求Cp的极限值。 • 追求最佳叶尖速比和最大风能捕获能力 • 通过变流变频技术，双向调整励磁电流和 频率，使发电机的频率始终与电网保持
风力发电技术培训
北京国华爱地风电运行维护技术 服务有限公司
二00九年十二月
•风力发电的理论依据
• 能量守恒定律 • 动能:物体由于运动而具有的能量。 • 势能:物体由于被举高而具有的能量。动能 的转化 • 动能公式：P=1/2 m V ² • 势能公式 ： E＝mg h
与风力发电机组（动能） 功率有关的因数
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• 式中 f1为定子电流频率，n1为转子转速，p为电 机的极对数； f2为转子励磁电流的频率。 • 当发电机的转速n1小于定子旋转磁场的同步转速 n2时，处于亚同步运行状态，此时变频器向发电 机转子提供交流励磁，定子发出电能给电网，式 中 f2取正号；当n1大于n2，时，处于超同步运行 状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给 电网，变频器的能量逆向流动。
• 在风速小于切入风速时，机组不产生电能，桨距 角保持在90°；在风速高于切入风速后，桨距角 转到0°，机组开始并网发电，并通过控制变频器 调节发电机励磁电流（电磁转矩）使风轮转速跟 随风速变化，捕获最大风能，使风能利用系数保 持最大；在风速超过额定值后，变桨机构开始动 作，增大桨距角，减少叶轮的风能捕获，降低风 能利用系数Cp值，使发电机的输出功率稳定在额 定值；在风速大于切除风速时，桨距角变到90°， 机组停机，以保护机组不被大风损坏。
• V1-风速 • P-风轮捕获的风能（功率）
•ρ
-空气密度 • S-叶轮扫掠面积 • Cp-为风能利用系数（贝兹极限，理论值为0.592）
• λ-叶尖速比
• β-桨距角
何谓角速度
• 角速度:连接运动质点和圆心的半径在单位时间内 转过的弧度叫做“角速度”。角速度的单位是弧 度/秒，读作弧度每秒。它是描述物体转动或一质 点绕另一质点转动的快慢和转动方向的物理量。 物体运动角位移的时间变化率叫瞬时角速度（亦 称即时角速度），单位是弧度/秒，方向用右手螺 旋定则决定。对于匀速圆周运动，角速度ω是一 个恒量，可用运动物体与圆心联线所转过的角位 移Δθ和所对应的时间ΔT之比表示ω＝△θ／△T