电机运动控制系统第8章课件.ppt
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1、第第8章章 风力发电控制系统风力发电控制系统8.1 风力发电系统的组成和分类风力发电系统的组成和分类8.2 同步发电机风力发电系统控制同步发电机风力发电系统控制8.3 双馈发电机风力发电系统控制双馈发电机风力发电系统控制 风力发电系统风力发电系统是用来捕获是用来捕获风能风能带动带动发电机发电机发电的装置发电的装置 风能是极待开发的新能源,很具潜力的绿色环保的可再风能是极待开发的新能源,很具潜力的绿色环保的可再生能源,并且是可再生能源开发中技术较成熟的一项,很生能源,并且是可再生能源开发中技术较成熟的一项,很快将超过核电成为火电和水电外的第三大电力来源。现在快将超过核电成为火电和水电外的第三大电
2、力来源。现在风力发电机单机容量从几十瓦到数兆瓦都有,在内陆地区风力发电机单机容量从几十瓦到数兆瓦都有,在内陆地区主流机型额定功率主流机型额定功率1.5MW,海上风电机组的平均单机容量,海上风电机组的平均单机容量3MW,最大已达,最大已达6MW,风力发电的不足是风能不稳定,但是和火电和水电联网可风力发电的不足是风能不稳定,但是和火电和水电联网可以互相补充,本章主要介绍风力发电原理和运行控制。以互相补充,本章主要介绍风力发电原理和运行控制。8.1 风力发电系统的组成和分类风力发电系统的组成和分类 风力发电系统包括风力机、发电机、电力电子变风力发电系统包括风力机、发电机、电力电子变流器和控制等部分。
3、流器和控制等部分。风力机将风能转变为机械能,它包括风轮,变速风力机将风能转变为机械能,它包括风轮,变速箱和桨距调节机构等。箱和桨距调节机构等。发电机将机械能转化为电能,原则上各种发电机发电机将机械能转化为电能,原则上各种发电机都可以用于风力发电,直流发电机,交流发电机,交都可以用于风力发电,直流发电机,交流发电机,交流发电机又包括同步发电机、笼型异步发电机、绕线流发电机又包括同步发电机、笼型异步发电机、绕线型异步发电机(双馈电机)。永磁发电机在中小容量型异步发电机(双馈电机)。永磁发电机在中小容量风力发电中也应用很多,风力发电中也应用很多,直流发电机因为换向器和直流发电机因为换向器和电刷的维护
4、工作量大使用较少。电刷的维护工作量大使用较少。风力发电系统的控制包括风力机控制,如叶片的风力发电系统的控制包括风力机控制,如叶片的桨距调节,风轮方向调节,电力电子变流器和发电机桨距调节,风轮方向调节,电力电子变流器和发电机的控制,并网等。的控制,并网等。8.1.1 风力机风力机 水平轴机组风轮轴平行于风向,工作时风水平轴机组风轮轴平行于风向,工作时风轮与风向垂直,上风向机组风轮在塔架,轮与风向垂直,上风向机组风轮在塔架,下风向机组风先经过塔架再到机组,上风下风向机组风先经过塔架再到机组,上风向水平轴机组需要由转向机构保持风轮与向水平轴机组需要由转向机构保持风轮与风向垂直,下风向机组不需要转向机
5、构,风向垂直,下风向机组不需要转向机构,水平轴机组是目前最常见的,适用功率从水平轴机组是目前最常见的,适用功率从几十几十W到数到数MW。垂直轴机组风力机风轮轴垂垂直轴机组风力机风轮轴垂直于风向,特点是可以从任直于风向,特点是可以从任意方向获取风能,不需要随意方向获取风能,不需要随风向调整风轮方向,噪音小,风向调整风轮方向,噪音小,机舱位置低,结构简单,为机舱位置低,结构简单,为中中小型风力发电机小型风力发电机的首选,的首选,背风叶片消耗了一部分风能,背风叶片消耗了一部分风能,在大功率机组中使用很少。在大功率机组中使用很少。二二 定桨距和变桨距风力机定桨距和变桨距风力机 1.定桨距风力机定桨距风
6、力机 定桨距风力机桨叶与轮毂之间是刚性连接,桨叶固定在轮定桨距风力机桨叶与轮毂之间是刚性连接,桨叶固定在轮毂上,桨叶角度不能调节,其迎风面是固定的,功率输出由毂上,桨叶角度不能调节,其迎风面是固定的,功率输出由风力和叶片自身的气动特性决定,功率随风速变化较大。风力和叶片自身的气动特性决定,功率随风速变化较大。2.变桨距风力机变桨距风力机变桨距风力机桨叶的角度(桨距角)可以调整,变桨距风力机桨叶的角度(桨距角)可以调整,风小时风小时减小减小桨距角桨距角使叶片迎风面积增大,风大时增大桨距角叶片迎风面积使叶片迎风面积增大,风大时增大桨距角叶片迎风面积减小,减小,捕获的风能减小。强风时使桨距角最大,可
7、加深叶片的捕获的风能减小。强风时使桨距角最大,可加深叶片的失速效应避免叶片损坏失速效应避免叶片损坏。改变桨距角可调整桨叶的受力和转动。改变桨距角可调整桨叶的受力和转动速度,速度,在风速变化时使风力机输出功率较好地保持稳定在风速变化时使风力机输出功率较好地保持稳定。三三 风力机的传动形式风力机的传动形式直驱式直驱式 无无齿轮箱齿轮箱,转速低,一般要用多极低速发电机转速低,一般要用多极低速发电机齿轮传动式齿轮传动式 风轮经过齿轮箱增速风轮经过齿轮箱增速半直驱式半直驱式 有齿轮箱但传动比较小有齿轮箱但传动比较小8.1.2 风力发电机组成风力发电机组成 风力发电机的转速受风力变化影响很大,虽风力发电机
8、的转速受风力变化影响很大,虽然有风力机叶桨距调节和齿轮箱升速,发电机转然有风力机叶桨距调节和齿轮箱升速,发电机转速仍是不稳定的,转速不稳定带来的是发电机输速仍是不稳定的,转速不稳定带来的是发电机输出频率不定和输出功率不定,频率相同是并网的出频率不定和输出功率不定,频率相同是并网的必要条件。直接并网对风速的要求很高,风速必必要条件。直接并网对风速的要求很高,风速必须达到一定值才能发电。须达到一定值才能发电。发电机经过电力电子变流器并网,由变流器保发电机经过电力电子变流器并网,由变流器保证发电系统输出频率与电网一致,可以扩大风力证发电系统输出频率与电网一致,可以扩大风力发电机对风速的利用范围发电机
9、对风速的利用范围。风力发电机有,风力发电机有,直流发电机直流发电机 交流发电机交流发电机(笼型异步发电机,双馈发电机,同步发电机,(笼型异步发电机,双馈发电机,同步发电机,永磁发电机)永磁发电机)1.笼型异步发电机风力发电系统笼型异步发电机风力发电系统2.绕线型异步发电机绕线型异步发电机(双馈发电机)(双馈发电机)风力发电系统风力发电系统3.同步发电机风力发电系统同步发电机风力发电系统4.永磁发电机风力发电系统永磁发电机风力发电系统二二 恒速恒频发电和变速恒频发电恒速恒频发电和变速恒频发电1.恒速恒频风电发电(恒速恒频风电发电(Constant Speed Constant Frequency
10、,CSCF)发电机转速恒定,输出频率恒定的系统,实际上风力发电机转速恒定,输出频率恒定的系统,实际上风力发电机转速随风速总有波动,因此恒速恒频风电系发电机转速随风速总有波动,因此恒速恒频风电系统主要使用三相异步发电机,并采用定桨距失速控统主要使用三相异步发电机,并采用定桨距失速控制。制。恒速恒频风电系统靠风力机的失速性能由风力机保恒速恒频风电系统靠风力机的失速性能由风力机保持转速在异步发电机允许的转差范围内运行,对风速持转速在异步发电机允许的转差范围内运行,对风速的适应范围小,风能的利用率不高。为了扩大风能的的适应范围小,风能的利用率不高。为了扩大风能的利用范围,恒速恒频风电系统常用两台不同转
11、速的异利用范围,恒速恒频风电系统常用两台不同转速的异步发电机,或者变极对数发电机,一般是步发电机,或者变极对数发电机,一般是4极和极和6极电极电机,以扩大对风速的利用范围,但是也增加了机舱的机,以扩大对风速的利用范围,但是也增加了机舱的体积和重量体积和重量。2.变速恒频风力发电变速恒频风力发电(Variable Speed Constant Frequency,VSCF)变变速恒频风电系统发电机通过变流器连接电网,速恒频风电系统发电机通过变流器连接电网,发电机的转速就可以不受电网频率的限制,发电机发电机的转速就可以不受电网频率的限制,发电机转速可以根据风力机在不同风速下的最佳输出功率转速可以根
12、据风力机在不同风速下的最佳输出功率调节,达到对风能的最大利用,这是变速恒频风力调节,达到对风能的最大利用,这是变速恒频风力发电的优点。变速恒频发电,发电机转速可以变化,发电的优点。变速恒频发电,发电机转速可以变化,发电机经变频器输出频率恒定的交流电。变速恒频发电机经变频器输出频率恒定的交流电。变速恒频风力发电较恒速恒频风力发电对风能的利用率高,风力发电较恒速恒频风力发电对风能的利用率高,适用于各种交流发电机,是现在主流的风力发电系适用于各种交流发电机,是现在主流的风力发电系统统。不控整流器将定子输出交流整流为直流,中间不控整流器将定子输出交流整流为直流,中间Boost升压电路由升压电路由T1管
13、控制电容管控制电容C两端的直流电压,两端的直流电压,网侧三相逆变器将中间环节直流电转变为与电网同网侧三相逆变器将中间环节直流电转变为与电网同频率的交流电。调节频率的交流电。调节T1管驱动脉冲宽度可以调节管驱动脉冲宽度可以调节直流电压,控制三相逆变器的输出功率,该方案控直流电压,控制三相逆变器的输出功率,该方案控制较简单,成本低,可靠性较高制较简单,成本低,可靠性较高。(1)不控整流)不控整流+Boost直流升压直流升压+三相逆变器三相逆变器(2)采用双采用双PWM变流器变流器 两台两台PWM变流器背靠背连接。通过发电机定子侧变流器背靠背连接。通过发电机定子侧变流器控制发电机的电磁转矩和功率,使
14、发电机在变流器控制发电机的电磁转矩和功率,使发电机在额定风速以下具有最大捕获风能的能力,网侧变流额定风速以下具有最大捕获风能的能力,网侧变流器除逆变外还起保持中间直流电压稳定,和网侧功器除逆变外还起保持中间直流电压稳定,和网侧功率因数控制的作用。双率因数控制的作用。双PWM变流器使用元件多,成变流器使用元件多,成本较高,控制较复杂。本较高,控制较复杂。8.1.3风力发电机的功率调节风力发电机的功率调节风力机输入功率风力机输入功率321vSPwv风力机输出机械功率风力机输出机械功率pwpwvpoCvDCvSPCP33821发电机输出功率和风力机输出功率平衡时,风力机转速稳定发电机输出功率和风力机
15、输出功率平衡时,风力机转速稳定一一 最佳功率曲线最佳功率曲线各风速下的风力机输出功率最大值的连线称为最佳功率曲线各风速下的风力机输出功率最大值的连线称为最佳功率曲线风能利用系数风能利用系数最大最大 时时 maxpC风力机最佳输出功率风力机最佳输出功率3max38vkCvDPCPoptpwvpopt发电机输入机械功率发电机输入机械功率optmechPPP0发电机定子输出功率发电机定子输出功率1111cos3IUP 风力机风力机在在风速较低和较高时的输出功率相差较大,为了在风速较低和较高时的输出功率相差较大,为了在风速较低时也能获得较好的发电效率,定桨距发电系统常采风速较低时也能获得较好的发电效率
16、,定桨距发电系统常采用两台不同功率不同极对数的异步发电机,当风速超过额定用两台不同功率不同极对数的异步发电机,当风速超过额定风速时,由叶片的失速效应或通过偏航控制输出功率相对稳风速时,由叶片的失速效应或通过偏航控制输出功率相对稳定。变桨距发电机组可以通过调节桨距角来调节风力机输出定。变桨距发电机组可以通过调节桨距角来调节风力机输出功率。风力机的桨距调节机构比较复杂,维护较困难,巨大功率。风力机的桨距调节机构比较复杂,维护较困难,巨大风叶使桨距调节的时间常数大响应速度慢,往往赶不上风速风叶使桨距调节的时间常数大响应速度慢,往往赶不上风速的变化,实际运行中最大风能追踪的过程是依据风力机的输的变化,
17、实际运行中最大风能追踪的过程是依据风力机的输出特性,通过对发电机的控制来实现的出特性,通过对发电机的控制来实现的二二 有功功率调节有功功率调节 风力机输出功率增加时要增大发电机的输出功率。增加发电风力机输出功率增加时要增大发电机的输出功率。增加发电机发电机励磁,励磁增加使电机定子感应电动势增加,定子电机发电机励磁,励磁增加使电机定子感应电动势增加,定子电流增加,发电机输出功率增加,从而发电机输出功率与输入功流增加,发电机输出功率增加,从而发电机输出功率与输入功率平衡。若励磁不作调节,发电机输入机械功率大于输出功率,率平衡。若励磁不作调节,发电机输入机械功率大于输出功率,发电机转速要上升,使发电
18、机功率角增大,当功率角超过发电机转速要上升,使发电机功率角增大,当功率角超过 发电机将有失步的危险,发电机将有失步的危险,以增大极限功率来提高静态稳定度,以增大极限功率来提高静态稳定度,这就是有功功率调节这就是有功功率调节90 并网的风力发电机当功率角为负值时,发电机将工作在电并网的风力发电机当功率角为负值时,发电机将工作在电动状态,这时风力发电机就像一台巨大的风扇,无为地从电动状态,这时风力发电机就像一台巨大的风扇,无为地从电网吸取功率,为避免发电机电动运行,当风速降到临界值以网吸取功率,为避免发电机电动运行,当风速降到临界值以下时应及时将发电机与电网脱开。下时应及时将发电机与电网脱开。三三
19、 无功功率调节和无功补偿无功功率调节和无功补偿 当发动机工作在功率因数为当发动机工作在功率因数为1时,同步发电机励时,同步发电机励磁电流为额定值;发电机励磁电流大于额定值时,磁电流为额定值;发电机励磁电流大于额定值时,发动机功率因数是滞后的(发电机和电动机电流的发动机功率因数是滞后的(发电机和电动机电流的正方向规定相反,因此功率因数的超前和滞后的意正方向规定相反,因此功率因数的超前和滞后的意义相反);而发电机励磁电流小于额定值时,发电义相反);而发电机励磁电流小于额定值时,发电机功率因数为是超前的,发电机需要从电网吸收滞机功率因数为是超前的,发电机需要从电网吸收滞后的功率因素,使电网功率因数降
20、低,一般同步发后的功率因素,使电网功率因数降低,一般同步发电机工作在过励状态,以补偿电网的无功功率电机工作在过励状态,以补偿电网的无功功率。8.1.4 风力发电机工作模式风力发电机工作模式一一 风力发电机的工作模式风力发电机的工作模式 四种模式四种模式起动,最大风能追踪,恒转速控制起动,最大风能追踪,恒转速控制,恒功率控制恒功率控制1.起动工作模式起动工作模式 此模式风速上升到切入风速,在切入风速以下发电机与此模式风速上升到切入风速,在切入风速以下发电机与电网脱离,风速大于或等于切入风速时发电机并网发电。电网脱离,风速大于或等于切入风速时发电机并网发电。该模式主要任务是实现发电机的并网控制,在
21、这期间风该模式主要任务是实现发电机的并网控制,在这期间风力机通过改变桨距来调节机组转速,使转速保持恒定或力机通过改变桨距来调节机组转速,使转速保持恒定或在一个允许的范围内变化;发电机系统(包括电力电子在一个允许的范围内变化;发电机系统(包括电力电子变流器)则调节定子电压使其满足并网条件,在适当时变流器)则调节定子电压使其满足并网条件,在适当时间并网。间并网。2.最大风能追踪模式最大风能追踪模式pC 机组并网工作,风力机桨距角处于不调整的定桨距机组并网工作,风力机桨距角处于不调整的定桨距工作状态,通过发电机输出功率来调节机组转速,使工作状态,通过发电机输出功率来调节机组转速,使风能利用系数为最大
22、值风能利用系数为最大值,也称为,也称为恒定区。恒定区。3.恒转速工作模式恒转速工作模式 机组转速已达最高转速,但风力机的输出功率尚未机组转速已达最高转速,但风力机的输出功率尚未达到额定,为保护机组不过载,不再进行最大风能追达到额定,为保护机组不过载,不再进行最大风能追踪控制,而是通过风力机的变桨距控制来调节桨距角,踪控制,而是通过风力机的变桨距控制来调节桨距角,保证在最大允许转速上的恒转速发电运行。保证在最大允许转速上的恒转速发电运行。4.恒功率工作模式恒功率工作模式 随风速增大,风力机输出机械功率不断增大,发随风速增大,风力机输出机械功率不断增大,发电机达到功率极限,需要限制发电机输出功率不
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