风电机组的输出特性与运行控制

朱永强 风电场电气工程 华北电力大学 风电场电气工程 风电场电气一次系统 第 4章 风电机组的输出特性与运行控制 章节设置 4.1 风电机组运行原理 4.2 笼型感应风电机组的运行特性与控制 4.3 双馈感应风电机组的运行特性与控制 4.4 直驱式永磁同步风电机组的运行特性 风电场电气工程 风电场电气一次系统 第 4章 风电机组的输出特性与运行控制 教学目标： 理解风力机的运行特性与发电机的基本运行原理，以及风电 机组并网换流器的电路结构和工作原理，掌握鼠笼型感应风 电机组、双馈感应式风电机组和直驱式永磁同步风电机组的 输出特性和控制原理，了解三种风电机组的基本运行操作。 风电场电气工程 风电场电气一次系统 第 4章 风电机组的输出特性与运行控制 知识点 风力机的运行特性； 三种发电机的运行原理； 鼠笼型感应风电机组的输出特性与控制原理； 双馈感应式风电机组的输出特性与控制原理； 直驱式永磁同步风电机组的运行特性与控制原理； 三种风电机组的运行操作。 风电场电气工程 风电场电气一次系统 4.1 风电机组运行原理 4.1.1 风力机的运行特性 4.1.2 发电机的运行原理 4.1.3 并网换流器的结构和原理 风电场电气工程 风电场电气一次系统 4.1.1 风力机的运行特性 风力机的机械功率可用下式表达： Cp为 风能利用系数 ， 是可以控制的 。根据 Betz理论，风力 机 Cp的理论最大值是 0.59，实际值通常在 0.47左右。 叶尖速比 ， 常用 表示为： 风能利用系数 Cp与 叶尖速比 的关系大致如下图所示： 为了使 Cp维持最大值 ，当风速变化时，风力机转速也需要随 之变化，使之运行于 最佳叶尖速 。 3m p w p 1 w= 0 . 5 CP C P A v wv R C p 风电场电气工程 风电场电气一次系统 4.1.1 风力机的运行特性 不同风速下（风速 v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v6）风力机 的 输出功率特性 ，如下图： P P o p t 风电场电气工程 风电场电气一次系统 4.1.2 发电机的运行原理 1.同步发电机 同步发电机的工作原理示意图： 从而在定子绕组中产生 感应电动势 。若定子绕组接有外部闭 合回路，就会有电流从定子绕组流入外电路，或者说有功率 送到外电路。 同步发电机的转子绕组 中要通入 直流励磁电流 ， 形成相对于转子静止的 恒定磁场 。当转子在风 力机的驱动下以转速 n旋 转时，转子磁场将随着 转子一起以转速 n旋转 。 风电场电气工程 风电场电气一次系统 1.同步发电机 定子旋转磁场的转速 n1由定子绕组中流过的交流电流的频率 f1决定，还与定子铁心的磁极对数 p有关，其关系为 同步发电机的定子电流主要是感应出来的，事实上，定子电 流的频率反过来是由转子的转速（在同步机中，转子转速 n 等于同步速 n1）决定的，即 11 60 ( / m in )fnrp 11 60pnf 风电场电气系统 风电场主要一次设备 2.异步发电机 异步发电机的工作原理下图所示： 异步机的定子绕组与外电路相连，当绕组中流过对称的三相电流时，就会形成 同步旋转磁场 。仍假设定子旋转磁场的 转速为 n1，当异步机的转子在风力机 的驱动下，以转速 n旋转时，转子绕组 的导体与定子旋转磁场之间有 n-n1的 转速差 。该转速差造成转子绕组与定子 磁场之间相对运动，因而会在转子绕组 中 感应出电动势 ，同时在闭合的转子绕 组回路中产生电流。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 2.异步发电机 异步电机转子中感应电流的频率应为 转子磁场相对于定子绕组的转速为 转子磁场相对于定子绕组的转速为 定子绕组中电流的频率 f1 为 转差率的定义为 1 2 () 60 p n nf 2 1 1()n n n n n n 11 60pnf 1 1 nns n 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.交流励磁式发电机 交流励磁式发电机，是在 转子绕组 中通入 低频交流励磁电流 。 励磁电流是外部提供的，因而可以进行准确控制，从而影响 到发电机中的相对运动速度。 当转子以转速 n旋转时，如果能够控制转子绕组励磁电流的、 频率 f2，使得转子磁场相对于转子本身的转速 n2（可以与转 子旋转方向相同或相反）始终满足 则可以在发电机转速 n发生变化的情况下，仍能保持 定子输 出电压频率恒定。 21n n n 风电场电气工程 风电场电气一次系统 4.1.3 并网换流器的结构和原理 目前，应用于风力发电中的电力电子换流器主要是基于全控 型电力电子器件的交 -直 -交（ AC-DC-AC） 电压源型变流器 （ Voltage Source Converter,VSC）。 4.1.3.1 三相电压源型变流器的基本工作原理 三相电压源型变流器（ VSC） 的原理结构如下图： R R R L L L + - A B C O - E a E b E c i a i b dc 2 U dc 2 U V T 1 V T 3 V T 5 V T 4 V T 6 V T 2 V D 1 V D 3 V D 5 V D 4 V D 6 V D 2 i c N 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.1.3.1 三相电压源型变流器的基本工作原理 以 A相输出控制为例，分析电压源型变流器的工作原理：当 可关断器件 VT1开通、 VT2处于关断状态 时，正向直流端和交 流侧 A相连，相对于直流侧电源假想中点的交流输出电压跳 变为 Udc/2。当可关断器件 VT1关断、 VT2开通 时，负向直流 端和交流侧 A相连，相对于直流侧电源假想中点的交流输出 电压跳变为 -Udc/2。 具体波形见下图： 表达式为： dc A O A O .1 A dc B O B O .1 B dc C O C O .1 C 2 2 2 U u u m U u u m U u u m 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.1.3.2 背靠背四象限电压源型变流器联网运行特性 背靠背电压源型变流器是由两个结构相同的电压源型变流器 以 背靠背 方式、通过中间的直流环节耦合而成。如下图： VSC1、 VSC2分别通过断路器与交流电网相联，相关接线如 下： R 2 R 2 R 2 L 2 L 2 L 2 + - E a 2 E b 2 E c 2 i a 2 i b 2 i c 2 R 1 R 1 R 1 L 1 L 1 L 1 E a 1 E b 1 E c 1 i a 1 i b 1 i c 1 U d c C i 0 1 i 0 2 i C V S C 1 V S C 2 u a 1 u b 1 u c 1 u a 2 u b 2 u c 2 风电场电气工程 风电场电气一次系统 4.2 笼型感应风电机组的运行特性与控制 4.2.1 笼型感应风电机组的运行原理 4.2.2 笼型感应风电机组的风速 -功率特性 4.2.3 笼型感应风电机组的运行控制 风电场电气工程 风电场电气一次系统 4.2 笼型感应风电机组的运行特性与控制 4.2.1 笼型感应风电机组的运行原理 笼型感应电机等效电路图 ： 上图： 笼型感应电机 T型等效电路 下图： 笼型感应 电机 型等效电路 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.2.1 笼型感应风电机组的运行原理 根据 型等效电路图 ，可得： 发电机发出的有功功率 Ps： 其中： 发电机组发出的无功功率为 笼型感应电机运行于发电状态时， s0。 运行于电动状态（ s0），还是发电状态（ s0），笼型电机 发出的无功功率都小于零，即需要外部电源提供无功。 2s r rs s m s. C u r .C u 22s r s r 3 ( 1 ) / 2 ( / ) ( ) R R R s sP U P P P R R s x x 2sr m 22s r s r3 ( 1 )2 ( / ) ( )U R sP R R s x x s 2 srss 22 s r s r m 31 02 ( / ) ( )xxQU R R s x x x 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.2.2 笼型感应风电机组的风速 -功率特性 下图为金风公司 750kW笼型感应恒速恒频风电机组的风速 - 功率曲线 ， 切入风速为 4m/s， 额定风速为 15m/s， 切出风速 为 25m/s。 风 速 v ( m / s ) 功 率 P ( k W ) 1.风速高于切入风速时，随着风 速的逐渐增大，风电机组输出功 率也随之增大，直到风速达到额 定风速时，风电机组输出功率也 达到额定值； 2.当注入风速进一步增加、超过额 定风速时，定桨距风力机叶片的气 动特性开始发生变化而失速，导致 风轮的风能捕获效率降低，限制叶 片吸收过大的风能，风力机所捕获 的风功率维持在额定值附近，达到 限制功率的目的，从而使发电机组 的输出功率也维持在额定值附近。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.2.2 笼型感应风电机组的风速 -功率特性 下图为笼型感应发电机的有功 -无功曲线： 随着风电机组出力的增加， 发电机组从电网吸收的无 功功率也随之增加。 故通常需要在发电机定子侧安 装一定容量的电容器以进行无 功功率补偿，改善风电机组的 联网运行性能。 因此，多台笼型风电机组联 网运行需要从电网吸收大量 的无功功率，而容易导致风 电机组接入点电压下降。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.2.3 笼型感应风电机组的运行控制 笼型感应风电机组的运行控制主要包括 机组起动控制、待机 检测并网控制、发电时的电容器投切控制、定桨距失速控制 和停机控制。 1.机组起动控制 （ 1）电动机起动 风力发电机组在静止状态时，先把发电 机用作电动机，将机组起动到额定转速 。 （ 2）风力机自起动 风力机自起动是指风力发电机组在风速 超过切入风速时，由风力机将机组起动到某一设定转速（额 定转速附近）。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.2.3 笼型感应风电机组的运行控制 2.待机检测并网控制 笼型感应风力发电系统中的并网方法主要有以下三种。 （ 1）直接并网 在并网时 发电机的相序 与 电网的相序 相同， 当风力驱动的笼型感应发电机转速接近同步转速时即可 自动 并入电网 。 （ 2）降压并网 在异步电机与电网之间串接电阻或电抗器或 者接入自耦变压器，以达到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值 及电网电压下降的幅度。 （ 3）通过晶闸管软并网 在异步发电机定子与电网之间，通 过基于双向晶闸管的软启动器并网。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.2.3 笼型感应风电机组的运行控制 3.电容器投切控制 通常在笼型感应发电机端口安装一定容量的电容器 （ 机组额 定容量的 20%， 以减小发电机组对电网无功功率的需求 。 4.定桨距失速控制 当风速变化并且超过额定速度时 ， 风力机叶片失速 ， 效率降 低 ， 限制叶片吸收过大的风能 ， 风力机所捕获风功率维持恒 定 ， 即 定桨距失速 。 5.停机控制 当检测到风速持续超过切出速度时，为了保证风电机组的运 行安全， 风力机制动，风力机停止旋转 ；同时，发电机组 并 网开关断开 ，机组 退出电网运行 。 风电场电气工程 风电场电气一次系统 4.3 双馈感应风电机组的运行特性与控制 4.3.1 双馈感应风电机组的功率传输特性 4.3.2 双馈感应风电机组的运行控制原理 4.3.3 双馈感应异步风电机组的运行操作 4.3.4 双馈感应异步风电机组的撬杠保护 *（选修） 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.3.1 双馈感应风电机组的功率传输特性 双馈感应风电系统的原理图如下： 风 力 机 齿 轮 箱 电 网 双 馈 感 应 发 电 机 S 3 S 4 背 靠 背 四 象 限 变 流 器 A C 转 子 侧 变 流 器 网 侧 变 流 器 D C D C A C S 1 S 2 C r o w b a r 保 护 电 路 双馈感应式发电机是交 流励磁式发电机。 背靠背四象限变流器， 用于为转子绕组提供频 率可调的交流励磁电流。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.3.1 双馈感应风电机组的功率传输特性 忽略电机定转子绕组铜耗时，双馈感应发电机的功率具有 如下关系 （ 1）亚同步发电状态 (0s0，由双馈发 电机定子绕组馈入电网。 转差功率 Ps0，双馈发电机转 子需要馈入能量，由电网通过 “ 背靠背 ” 四象限变流器 提供给双馈发电机转子绕组，双馈发电机实际发电功率 为 (1-s)Pem。 r e m sP s P s P m e c s r e m( 1 )P P P s P 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.3.1 双馈感应风电机组的功率传输特性 （ 2）超同步发电状态 (s0，由电机定子绕 组馈入电网； 转差功率 Ps0，由转子绕组经变流器将其馈 入电网，电机实际发电功率为 (1+|s|)Pem，即除定子向电 网馈送电能外，转子也经过背靠背四象限变流器向电网馈 送一部分电能。 （ 3）同步发电状态（ s=0）此时 Pem=Pmec，机械能全部转化 为电能并通过定子绕组馈入电网，转子绕组仅提供较小容 量的直流励磁功率。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.3.2 双馈感应风电机组的运行控制原理 如果风力机的运行控制策略是在不同的风速下追求最大输出 功率 （ Popt） ， 由于转速 r与风速成比例 ， 则功率就随着 3 和 r3增加 ， 转矩随着 2和 r2增加 。 用于控制策略的发电机转矩 -转速特性曲线 ， 如下图所示 。 AB点之间，风电机组运行 在几乎恒定的转速下 BC在最大功率跟踪阶段， 转矩 -转速特性曲线符合公 式 Topt=Kopt r2。 DE段断 风速继续增加，风 力机转矩超过其额定值， 此时电磁转矩恒定。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.3.3 双馈感应异步风电机组的运行操作 当风速超过切入风速时，并持续一段时间之后，控制系统发 出机组起动命令。机组开始起动时，风力机桨距角不调节， 风力机叶片处于最有利于风能捕获方向位置。 背靠背四象限变流器控制系统将完成以下控制任务： （ 1） “ 背靠背 ” 四象限变流器的并网过程操作 （ 2）双馈感应发电机的并网操作 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.3.4 双馈感应异步风电机组的撬杠保护 *（ 选修 ） 为防止过压或过流对转子侧变流器所造成的危害，通常在转 子侧安装撬杠（ Crowbar）保护电路对变流器进行保护。 Crowbar的基本原理为：当检测到转子绕组电流超过所整定 阈值时， Crowbar保护动作，将短接双馈感应发电机的转子 绕组，切除转子侧变流器，达到 保护转子变流器 的目的 。 1.被动式 Crowbar保护电路 双 馈 感 应 发 电 机 定 子 转 子 双 馈 感 应 发 电 机 二 极 管 定 子 转 子 晶 闸 管 转 子 侧 变 频 器 转 子 侧 变 频 器 a ） 反 并 联 式 b ） 整 流 桥 式 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.3.4 双馈感应异步风电机组的撬杠保护 *（选修） 2.主动式 Crowbar保护电路 双 馈 感 应 发 电 机 R c 定 子 转 子 转 子 侧 变 频 器 双 馈 感 应 发 电 机 R c 定 子 转 子 转 子 侧 变 频 器 a ） 反 并 联 式 b ） 整 流 桥 式 b ） 整 流 桥 式 主动式 Crowbar保护和被动式 Crowbar保护的基本保护原理相 同。两者的 不同点 之处在于：被动式 Crowbar保护电路主要采 用不可控电力电子元件作为投切控制开关，不能按电网要求在 任何需要的时候马上恢复转子侧变流的正常工作。 风电场电气工程 风电场电气一次系统 4.4 直驱式永磁同步风电机组的运行特性 4.4.1 永磁同步发电机的外特性 4.4.2 直驱式永磁同步风电机组的运行控制原理 4.4.3 直驱式永磁同步风电机组的运行操作 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.4.1 永磁同步发电机的外特性 永磁同步发电机的稳态等效电路图 R s j r y f j r L dsU sI 永磁同步发电机定子 绕组的电压可以表示 为 s s r d s 0( j )U R L I E 当电机负载运行时，由于永磁同步发电机励磁不可 调，故定子电枢绕组电流所产生的磁动势将影响气 隙磁场的分布和大小，使得机端电压将随负载变化 而变化。 固有 电压调整率 来描述负载对发电机端电压的影 响： 0S N 100% EUU U 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.4.2 直驱式永磁同步风电机组的运行控制原理 直驱式永磁同步风电机组的运行控制，主要包括风力机桨距 角控制、永磁同步发电机组发电控制和接口变流器联网运行 控制。 采用背靠背四象限变流器的永磁同步风电机组网接线 如下： P W M 发 电 机 侧 变 流 器 控 制 电 网 侧 变 流 器 控 制 m U d c r e f Q 2 r e f P s r e f 电 网 P M S G P W M 桨 距 角 控 制 风 力 机 功 率 曲 线 i d r e f U d c 风电场电气系统 风电场主要一次设备 4.4.3 直驱式永磁同步风电机组的运行操作 1.启动与并网 （ 1）网侧变流器的充电及软并网控制 （ 2）发电机侧变压器的软并机控制 2.并网运行 3.停机 分为 正常停机、快速停机和紧急停机 ，风机根据不同的情 况选择不同的停机方式。 以下情况发生时，风电机组将进入停机状态： 1）风速高于切出风速或低于切入风速。 2）风电机组发生故障。 3）运行人员手动停机。