风力发电技术-第二章：双馈式风电机组运行与控制

华北电力大学刘其辉风力发电技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2011.5.3风力发电技术风力发电基本知识双馈式风电机组运行与控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章双馈式风力发电系统运行与控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20纵览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、保护第二章：双馈式风电机组运行与控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20一.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、硬件第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制（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辅助系统华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制机组主结构示意图华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制1.风轮系统桨叶轮毂变距（桨矩）机构华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制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联轴器华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制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力矩限定华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制传动链系统布局华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制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并网机构华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制4.偏航/解缆系统偏航机构风向标偏航饲服电机（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华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制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华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制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华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制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华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制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其他部分华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制（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。比较普遍采用的是分布式控制系统。信号处理通常有两个独立的计算机或高速数字信号处理芯片。主控制器在地面控制室的开关柜内,从机设在机舱内。主控制器监控风轮所有的运行状态。主控制器和从控制器间通过光纤达到可靠快速地交换信息。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制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华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制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系统级控制协调华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制主控制器实现案例华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制变流控制器（DSP，矢量动态控制算法）机侧变流器控制网侧变流器控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制变流控制器实现案例（硬件配置）DSP1最小系统及扩展输入输出电路IPM驱动电路信号前级处理电路信号采集电路键盘显示电路DSP2最小系统及扩展输入输出电路IPM驱动电路信号前级处理电路信号采集电路保护驱动操作电路电源模块网侧变换器机侧变换器并网控制信号,,abcu,,abcidcu5V15V15V1,1,1abcu1,1,1abci,,asbscsum网侧变换器交流侧电压电流、直流侧电压并行通讯（主机）串行通讯（主机）电网电网电网电压、定子电压、电流、转子电流、转速15V15V15V15VIPM驱动电路控制电路华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制变流控制器实现案例（软件算法）微机控制界面转子边矢量控制定子边矢量控制定子矢量定向磁通观测器三相电网DFIGPWMPWM3331/sθ2θcθsid2*iq2*iq1*U*Uia,b,ci1a,b,cu1a,b,ci2a,b,c华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20英国EU-ENERGYWIND公司SEG1250型风机变频器控制系统第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20二.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第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制（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区转速限制区（过渡区）功率限制区切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制并网控制区域转速控制区域最大风能追踪区域功率控制区域不同运行区域的功率特性华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制pCpCpCmaxpCmaxpCmaxpC（a）（b）（c）OOO(a)最大风能追踪区；(b)转速限制区域；(c)功率限制区域。2.不同运行区域的风能系数华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：双馈式变桨变速风电机组控制（二）各运行区域的控制目标并网区在合适速度下控制发电机端电压符合并网条件并并网并网控制额定风速切入风速切出风速追踪风速变化，保持最佳叶尖速比，转换最大风能MPPT区MPPT控制转速限制区限制机组转速不超过极限转速限制极限转速限制机组输出功率等于机组额定功率限制额定功率功率限制区输出功率降为零并切出停机切出停机切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20三.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第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20（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。第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20（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（桨距角固定为零），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。第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20几种典型总体控制方案第二章：双馈式变桨变速风电机组控制华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20方案一*第二章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适转速；发电机控制空载电压，符合并网条件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固定为零；发电机控制功率实现MPPTMPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制限制极限转速；发电机控制功率输出限制极限转速变桨控制合适转速；发电机控制功率实现额定功率输出限制额定功率功率限制区变桨控制顺桨实现启动刹车，发电机控制离网切出停机切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20方案二第二章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适转速；发电机控制空载电压，符合并网条件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固定为零；发电机控制转矩实现MPPTMPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制限制极限转速；发电机控制功率（或转矩）输出限制极限转速变桨控制合适转速；发电机控制功率实现额定功率输出限制额定功率功率限制区变桨控制顺桨实现启动刹车，发电机控制离网切出停机切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20方案三第二章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适转速；发电机控制空载电压，符合并网条件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固定为零；发电机控制转速实现MPPT(检测风速)MPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制桨距角固定为零；发电机控制转速限制转速越限限制极限转速变桨控制功率实现机组额定功率输出；发电机控制合适转速限制额定功率功率限制区变桨控制顺桨实现启动刹车，发电机控制离网切出停机切出停机区华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20方案四*第二章：双馈式变桨变速风电机组控制并网区变桨控制合适转速；发电机控制空载电压，符合并网条件时并入电网并网控制额定风速切入风速切出风速变桨控制桨距角固定为零；发电机控制转速实现MPPT(不检测风速)MPPT区MPPT控制转速限制区变桨控制桨距角固定为零；发电机控制转速限制转速越限限制极限转速变桨控制功率实现机组额定功率输出；发电机控制合适转速限制额定功率功率限制区变桨控制顺桨实现启动刹车，发电机控制离