第三章_双馈风力发电机运行控制.doc
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第三章
双馈型变速恒频风力发电系统运行控制
机组主结构及控制系统
运行区域及控制目标
总体控制方案
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
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(桨距)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
动作频率为数kHz-十几kHz
并网机构
4.偏航/解缆系统
偏航机构
风向标
偏航伺服电机(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
通过控制发电机电磁阻转矩实现
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。
不要小看风力发电控制,它是高科技,曾经的国家级科技攻关计划,沈阳工业大学曾经申请过863计划。
为什么是高科技?
主要是由几个方面:
①风的随机性
②风电机组工作环境恶劣,对控制系统可靠性要求较高
③叶片设计制造技术需要很高的空气动力学基础
④高功率大容量的变频器具有很高的工艺和控制难度。
比较普遍采用的是分布式控制系统。
分为三个控制柜
①塔底柜
②变流柜
③机舱柜
一般情况下,塔底柜和变流柜都位于塔筒内部,而机舱柜在机舱内。
塔底柜和机舱柜通过光线通信,变流柜和塔底柜则一般是工业Ethernet网联络。
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
从控制器实现案例
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
(一)主要运行区域
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(maximumpowerpointtrack)区
转速限制区(过渡区)
功率限制区
切出停机区
不同运行区域的功率特性
2.不同运行区域的风能系数
(二)各运行区域的控制目标
三.总体控制方案
总体控制方案主要内容
几种典型总体控制方案
优选总体方案及其优越性
(一).总体控制方案主要内容
总体控制方案指在不同运行区域内主、从控制器间的分工与协调控制方法。
不同运行区域指并网区、MPPT区、转速限制区、功率限制区、切出停机区。
主控制器中主要讨论变桨控制部分,从控制器即指发电机控制。
(二).几种典型总体控制方案
典型总体控制方案概述
不同方案中各运行区域的划分标准和实现措施一致。
在并网区、切出停机区内各总体控制方案基本一致。
在MPPT区内,各总体控制方案变桨控制一致(桨距角固定为接近零度),发电机控制则体现为具有不同的MPPT策略,大致可分为直接转速控制和间接转速控制两种模式。
转速限制区为(由MPPT区到功率限制区的)过渡区域,可由变桨控制或发电机控制限速。
功率控制器内变桨控制和发电机控制同时起作用,该区域内两个控制功能间的协调非常重要,协调方案众多构成了总体控制方案的多样性。
几种典型总体控制方案
德国AERODYN公司GD77/82(1.5MW)机组控制算法
四.励磁变换器结构及原理
DFIG转子励磁电源的要求
双PWM变流器的结构特点
(一)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
两个PWM变换器运行状态可控,可实现可逆运行,能量可双向流
全控器件变换器
拓扑及调制波形
(三)双PWM变流器的原理
基本调制技术SPWM(正弦PWM)技术
SVPWM(空间矢量PWM)技术
五.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
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,由转子流入电网
DFIG数学模型
(二).DFIG功率解耦控制策略
基于DFIG功率控制的MPPT
DFIG参考功率的计算
基于定子磁链定向矢量控制的功率解耦
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。
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。
桨距角固定为零,由发电机控制转速(保持最佳叶尖速比λ)实现。
变速机组常用。
真正意义MPPT。
直接转速控制模式
检测风速方式
不检测风速方式,如爬山法
间接转速控制模式
功率控制模式
转矩控制方式
基于DFIG功率控制的MPPT机理
双馈变桨变速机组能量转换关系
风力机轴上输入的净机械功率(扣除损耗后)为,发电机定子向电网输出的电磁功率为,转子输入/输出的电磁功率为,s为转差率,转子转速小于同步转速时为正,反之为负。
又称为转差功率,它与定子的电磁功率存在如下关系(数值关系)
如果将定义为转子吸收的电磁功率,那么将有
此处s可正可负,即若,则,转子从电网吸收电磁功率,若,则,转子向电网馈送电磁功率。
下面考虑发电机超同步和亚同步两种运行状态下的功率流向
(1)超同步运行状态,顾名思义,超同步就是转子转速超过电机的同步转速时的一种运行状态,我们称之为正常发电状态。
(因为对于普通的异步电机,当转子转速超过同步转速时,就会处于发电机状态。
)
图(3-5)超同步运行时双馈电机的功率流向
根据图中的功率流向和能量守恒原理:
流入的功率等于流出的功率
因为发电机超同步运行,所以,上式可以进一步写成
将上述式子归纳得:
超同步速,,
图(3-6)超同步速时双馈电机的功率流向示意图
(2)亚同步运行状态,即转子转速低于同步转速时的运行状态,我们可以称之为补偿发电状态(在亚同步转速时,正常应为电动机运行,但可以在转子回路中通入励磁电流使其工作于发电状态)
图(3-7)亚同步运行时双馈电机的功率流向
根据图中(3-7)以及能量守恒原理,流入的功率等于流出的功率
由于亚同步运行时,所以上式可以化成
将上述式子归纳得到:
亚同步速,,
图(3-8)亚同步运行时双馈电机的功率流向示意图
综合超同步和亚同步两种运行状态可以得到下面的一般关系
与的关系为
与的关系为
超同步时有,亚同步时有
以上推导的是稳态的机械功率与电磁功率的关系,但是在实际的风况中,风力机都是处于动态中,Pmech和(1-s)P1在动态中会不相等,这就使得风力机的转速发生变化。
在某特定风速下通过DFIG功率控制可改变发电机的电磁转矩,从而调整机组至最佳转速,实现MPPT。
由DFIG功率控制实现MPPT的原理及方法
DFIG的电磁功率控制规律取为
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Pe,但由于DFIG定子输出有功功率P1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(Pe和P1关系)分析,可得实现MPPT的DFIG定子输出参考有功功率
参考无功功率计算
参考无功功率的计算原则有很多
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- 第三 风力发电机 运行 控制
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