风电机组的控制及并网11PPT课件
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风电机组的控制及并网等问题的 研究
2021/3/20
1
一 前言
❖ 1、风力发电研究的背景和意义
风力ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电是电力可持续发展的最佳战略。技术
创新使风电技术日益成熟，具有市场竞争能力，
风电作为一项高新技术产业而将带来的巨大前景
。风力发电将能迅速缓解我国能源急需和电力短
缺的局面，是解决边远农村供电的重要途径，减
器。 ❖ 它的缺点主要有： 1：复杂的系统控制（FOC），其性能依靠对于电机
参数的了解，而电机参数是随温度和频率而变化。 2：为了满足电机的磁场需要，定子侧变流器容量要
比额定功率高30~40%。
2021/3/20
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图2.5 无刷双馈风力发电系统
2021/3/20
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❖ 这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了 可实现变速恒频控制，降低变频器的容量 外，还可实现有功、无功功率的灵活控制， 对电网而言可起到无功补偿的作用，同时 发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电 机的成本，又提高了系统运行的可靠性。
永磁直驱式风电系统是未来风电系统发展的一个重 要方向。
2021/3/20
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图2.3 绕线转子型异步双馈风力发电系统
2021/3/20
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❖ 它的优点是：
1：减小了逆变器损失，因为逆变器功率只需为 整个系统总功率的1/4，这是因为变流器只需要 控制转子滑差功率。
2：减小逆变器和电磁噪声滤波损失。
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图2.1 变速恒频风力发电系统框图
2021/3/20
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(1)风力机把风能转化为动能。
(2)变速齿轮箱进行转速转换，将风力机的低 转速转化为发电机运行所需要的高转速。
(3)风力发电发电机把风力机输出的机械能转 变为电能。
(4)发电机侧变流器由自关断器件（如GIR、 IGBT、GTO等）构成的AC/DC变流器，采 用一定的控制方法将发电机发出的变频的 交流转换为直流。
3：在外部扰动下，双馈电机具有更好的鲁棒性 和可靠性。
❖ 双馈电机的缺点就是使用滑环，需要定期维修， 这极为不方便，尤其是用于海上风力发电时。
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图2.4 异步电机风力发电系统
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❖ 使用异步电机具有以下优点： 1：异步电机相当结实，无电刷，可靠，经济而普遍。 2：整流器可产生用于电机的可调励磁。 3：快速瞬态响应。 4：当有剩余容量时，逆变器可作为无功或谐波补偿
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二 变速恒频风力发电系统
❖ 风力发电技术经历了从恒速恒频风电系统到变速恒 频风电系统的演变过程。早期的风电系统中大多采 用恒速恒频风电系统，恒速恒频风电系统的发电机 转速保持不变，其运行范围比较窄，因此逐步被后 来的变速恒频系统所取代。变速恒频风电系统的发 电机的转速能随风速的变换而变换，能够按照最佳 效率运行，变速恒频发电系统是当今风电系统发展 的一个趋势。
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2.1 变速恒频风力发电系统的分类
❖ 在变速恒频风电系统中，主要有以下几种风 电系统：(a)永磁直驱风力发电系统; (b)绕线 转子型异步双馈风力发电系统;(c) 异步电机风 力发电系统;(d)无刷双馈风力发电系统; 但目前应用较为广泛且较有发展前景的主要 是双馈式和永磁直驱式。
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❖ 变速恒频风力发电机组的运行分三个阶段。
(1)起动阶段。发电机转速从静止上升到切入速度。 在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风 力作用下作机械转动，并不涉及发电机变速的控 制。
(2) 在变速运行阶段。发电机转速被控制以跟踪风速 的变化，从而获取最大的能量。
(3)功率恒定阶段。在额定风速以上，风力发电机组 的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持 在限定值以下。
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2.2 变速恒频机组的控制
变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发 电机的转速可在很大范围内变化而不影响输 出电能的频率。可以通过适当的控制，使风 力机的转速可变，使风力机的尖速比处于或 接近于最佳值，从而最大限度的利用风能。
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图2.6 风力机的输出功率与发电机转速的关系图
2021/3/20
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变速恒频指在风力发电过程中发电机的转速
可随风速变化，而通过其他控制方式来得到恒 频电能。采用变速恒频发电方式,就可按照捕获 最大风能的要求,在风速变化的情况下实时地调 节风力机转速,使之始终运行在最佳转速上,从 而提高了机组发电效率,优化了风力机的运行条 件。
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图2.2 永磁直驱风力发电系统
2021/3/20
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❖ 永磁直驱式风电系统的风轮与永磁同步发电机直接 相连，无需升速齿轮箱，同时转子为永磁式结构， 无需励磁绕组，因此不存在励磁绕组的损耗，提高 了效率。另外转子上没有滑环，运行更加安全可靠。
❖ 缺点是永磁体增加了电机的成本，永磁物质具去磁 性，并且电机的功率因数不可控。
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变流器
桨距角度
发电机 发电机转速
桨距驱动
AC DC
电流 PWM 直流电压
DC AC PWM
有功功率和无 直流母线电压
功功率控制
控制
电流
电网
有功功率和无 功功率
P 负载曲线 功率因数控制
风速 风向
桨叶角控制
转速控制
-启动
-满载时
-半载
-关机
桨距控制
桨距控制模式 风机主控制系统
少资源消耗和环境污染,减少温室气体等有害气
体的排放,缓解全球变暖,保护环境，有着巨大的
社会效益和经济效益,中央把风力发电自主创新
提高到战略高度，风力发电技术的研究和产业化
对于我国的发展具有深远的意义。
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❖ 近年来，风力发电在技术上日趋成熟，商业 化应用不断提高，同时，风力发电的成本也 在不断降低，这为充分利用风能提供了诸多 有利条件。现就当前流行的几种风电系统的 控制方式和风电机组并网的相关问题做下简 单介绍
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(5)直流环节：一般直流环节的电压控制为恒 定。
(6)网侧变流器由自关断器件构成的DC/AC变 流器，采用某种控制方法使直流电转变为三 相正弦波交流电（如50Hz、690V的三相交 流电），并能有效的补偿电网功率因数。
(7)变压器通过变压器以及一些开关设备和保 护设备，把电能变为高压交流电（如11kV 或33kV等）。
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一 前言
❖ 1、风力发电研究的背景和意义
风力ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电是电力可持续发展的最佳战略。技术
创新使风电技术日益成熟，具有市场竞争能力，
风电作为一项高新技术产业而将带来的巨大前景
。风力发电将能迅速缓解我国能源急需和电力短
缺的局面，是解决边远农村供电的重要途径，减
器。 ❖ 它的缺点主要有： 1：复杂的系统控制（FOC），其性能依靠对于电机
参数的了解，而电机参数是随温度和频率而变化。 2：为了满足电机的磁场需要，定子侧变流器容量要
比额定功率高30~40%。
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图2.5 无刷双馈风力发电系统
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❖ 这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了 可实现变速恒频控制，降低变频器的容量 外，还可实现有功、无功功率的灵活控制， 对电网而言可起到无功补偿的作用，同时 发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电 机的成本，又提高了系统运行的可靠性。
永磁直驱式风电系统是未来风电系统发展的一个重 要方向。
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图2.3 绕线转子型异步双馈风力发电系统
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❖ 它的优点是：
1：减小了逆变器损失，因为逆变器功率只需为 整个系统总功率的1/4，这是因为变流器只需要 控制转子滑差功率。
2：减小逆变器和电磁噪声滤波损失。
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图2.1 变速恒频风力发电系统框图
2021/3/20
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(1)风力机把风能转化为动能。
(2)变速齿轮箱进行转速转换，将风力机的低 转速转化为发电机运行所需要的高转速。
(3)风力发电发电机把风力机输出的机械能转 变为电能。
(4)发电机侧变流器由自关断器件（如GIR、 IGBT、GTO等）构成的AC/DC变流器，采 用一定的控制方法将发电机发出的变频的 交流转换为直流。
3：在外部扰动下，双馈电机具有更好的鲁棒性 和可靠性。
❖ 双馈电机的缺点就是使用滑环，需要定期维修， 这极为不方便，尤其是用于海上风力发电时。
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图2.4 异步电机风力发电系统
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❖ 使用异步电机具有以下优点： 1：异步电机相当结实，无电刷，可靠，经济而普遍。 2：整流器可产生用于电机的可调励磁。 3：快速瞬态响应。 4：当有剩余容量时，逆变器可作为无功或谐波补偿
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二 变速恒频风力发电系统
❖ 风力发电技术经历了从恒速恒频风电系统到变速恒 频风电系统的演变过程。早期的风电系统中大多采 用恒速恒频风电系统，恒速恒频风电系统的发电机 转速保持不变，其运行范围比较窄，因此逐步被后 来的变速恒频系统所取代。变速恒频风电系统的发 电机的转速能随风速的变换而变换，能够按照最佳 效率运行，变速恒频发电系统是当今风电系统发展 的一个趋势。
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2.1 变速恒频风力发电系统的分类
❖ 在变速恒频风电系统中，主要有以下几种风 电系统：(a)永磁直驱风力发电系统; (b)绕线 转子型异步双馈风力发电系统;(c) 异步电机风 力发电系统;(d)无刷双馈风力发电系统; 但目前应用较为广泛且较有发展前景的主要 是双馈式和永磁直驱式。
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❖ 变速恒频风力发电机组的运行分三个阶段。
(1)起动阶段。发电机转速从静止上升到切入速度。 在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风 力作用下作机械转动，并不涉及发电机变速的控 制。
(2) 在变速运行阶段。发电机转速被控制以跟踪风速 的变化，从而获取最大的能量。
(3)功率恒定阶段。在额定风速以上，风力发电机组 的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持 在限定值以下。
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2.2 变速恒频机组的控制
变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发 电机的转速可在很大范围内变化而不影响输 出电能的频率。可以通过适当的控制，使风 力机的转速可变，使风力机的尖速比处于或 接近于最佳值，从而最大限度的利用风能。
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图2.6 风力机的输出功率与发电机转速的关系图
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变速恒频指在风力发电过程中发电机的转速
可随风速变化，而通过其他控制方式来得到恒 频电能。采用变速恒频发电方式,就可按照捕获 最大风能的要求,在风速变化的情况下实时地调 节风力机转速,使之始终运行在最佳转速上,从 而提高了机组发电效率,优化了风力机的运行条 件。
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图2.2 永磁直驱风力发电系统
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❖ 永磁直驱式风电系统的风轮与永磁同步发电机直接 相连，无需升速齿轮箱，同时转子为永磁式结构， 无需励磁绕组，因此不存在励磁绕组的损耗，提高 了效率。另外转子上没有滑环，运行更加安全可靠。
❖ 缺点是永磁体增加了电机的成本，永磁物质具去磁 性，并且电机的功率因数不可控。
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变流器
桨距角度
发电机 发电机转速
桨距驱动
AC DC
电流 PWM 直流电压
DC AC PWM
有功功率和无 直流母线电压
功功率控制
控制
电流
电网
有功功率和无 功功率
P 负载曲线 功率因数控制
风速 风向
桨叶角控制
转速控制
-启动
-满载时
-半载
-关机
桨距控制
桨距控制模式 风机主控制系统
少资源消耗和环境污染,减少温室气体等有害气
体的排放,缓解全球变暖,保护环境，有着巨大的
社会效益和经济效益,中央把风力发电自主创新
提高到战略高度，风力发电技术的研究和产业化
对于我国的发展具有深远的意义。
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❖ 近年来，风力发电在技术上日趋成熟，商业 化应用不断提高，同时，风力发电的成本也 在不断降低，这为充分利用风能提供了诸多 有利条件。现就当前流行的几种风电系统的 控制方式和风电机组并网的相关问题做下简 单介绍
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(5)直流环节：一般直流环节的电压控制为恒 定。
(6)网侧变流器由自关断器件构成的DC/AC变 流器，采用某种控制方法使直流电转变为三 相正弦波交流电（如50Hz、690V的三相交 流电），并能有效的补偿电网功率因数。
(7)变压器通过变压器以及一些开关设备和保 护设备，把电能变为高压交流电（如11kV 或33kV等）。