第5章风力发电技术课件

新能源学院新能源学院风力发电原理 新能源学院 关新1风力发电原理 新能源学院 关新1新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.1 发电系统2第5章 风力发电技术 5.1 发电系统2新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.1.1 发电系统的构成3第5章 风力发电技术 5.1.1 发电系统的构成3新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成1.发电系统的总体结构2024/6/164 5.1.1 发电系统的构成发电系统的总体结构2023/8/新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成2.变压器u变压器的工作原理通常两个绕组中一个接到交流电源，称为一次绕组，简称一次侧。另一个接到负载，称为二次绕组，简称二次侧。原理：一次、二次电压决定于一次二次绕组匝数之比。2024/6/165 5.1.1 发电系统的构成变压器2023/8/95新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成2.变压器u变压器的分类及结构用途分类：电力变压器（220kV超高压，35110kV中压，10kV配电变压器）特种变压器（电炉、整流）仪用互感器（电压、电流互感器）冷却方式：油浸式变压器和干式变压器2024/6/166 5.1.1 发电系统的构成变压器2023/8/96新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成2.变压器u变压器的分类及结构结构铁心：分铁心柱和铁轭材料：表面涂的含桂量较高的厚度为0.35mm硅钢片制成。目的：提高磁路的磁导率和降低铁心内的涡流损耗。2024/6/167 5.1.1 发电系统的构成变压器2023/8/97新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成3.开关电器u开关电器分类1.低压刀开关、接触器、高压负荷开关：正常工作下开端或闭合正常工作电流。2.熔断器：开断过负荷电流或短路电源3.高压隔离开关：检修时隔离电源。4.自动分断器：预定的记忆时间内根据选定的计数次数在无电流的瞬间自动分段故障电路。2024/6/168 5.1.1 发电系统的构成开关电器2023/8/98新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成3.开关电器u开关电器分类5.高压短路器、低压空气短路：开断或闭合正常工作电流，或过负荷电流或短路电流。具有灭弧装置2024/6/169 5.1.1 发电系统的构成开关电器2023/8/99新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成3.开关电器u真空断路器真空灭弧室2024/6/1610 5.1.1 发电系统的构成开关电器2023/8/910新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成3.开关电器u真空断路器断路器的结构分装式、固定式、手车式三种结构。用途以真空作为灭弧和绝缘介质的断路器，多用于1035kV的配电系统中2024/6/1611 5.1.1 发电系统的构成开关电器2023/8/911新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成3.开关电器u交流接触器用途：接通或断开电动机或其他设备的主电路结构主触头：电流较大，接在电动机主电路辅助触头：电流较小，接在控制电路。灭弧装置2024/6/1612 5.1.1 发电系统的构成开关电器2023/8/912新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成3.开关电器u熔断器最简单且最有效的短路保护电路。2024/6/1613 5.1.1 发电系统的构成开关电器2023/8/913新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成4.继电器u用途：用来保护电动机使之免受长期过载的危害。u不能用作短路保护热惯性2024/6/1614 5.1.1 发电系统的构成继电器2023/8/914新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成4.继电器u用途：用来保护电动机使之免受长期过载的危害。u不能用作短路保护热惯性u中间继电器用途：传递信号和同时控制多个电路，或直接用来控制小容量电动机或其他电气执行元件。2024/6/1615 5.1.1 发电系统的构成继电器2023/8/915新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成5.母线与电缆1.母线定义：在各级电压配电装置中，将发电机、变压器与各种电器连线的导线。分类软母线：电压较高的户外配电装置硬母线：电压较低的户内外配电装置2024/6/1616 5.1.1 发电系统的构成母线与电缆2023/8/916新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成5.母线与电缆1.母线1.母线材料铜母线铝母线：电阻率稍高于铜，但比铜经济钢母线：电阻率高于铜7倍，适用于高压小容量电路。2024/6/1617 5.1.1 发电系统的构成母线与电缆2023/8/917新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成5.母线与电缆1.母线1.母线的截面形状矩形截面：一般用于35kV及以下的户内配电装置中。圆形截面：35kV以上的户外配电装置中（可防电晕）。槽型截面：配电时，当三条以上矩形母线不能满足要求。2024/6/1618 5.1.1 发电系统的构成母线与电缆2023/8/918新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成5.母线与电缆2.电力电缆1.电力电缆的种类电压、使用环境、线芯数、结构特征、绝缘材料2.电力电缆的结构特点油纸绝缘电缆塑料绝缘电缆交联聚乙烯绝缘电缆橡胶绝缘电缆2024/6/1619 5.1.1 发电系统的构成母线与电缆2023/8/919新能源学院新能源学院 5.1.1 发电系统的构成5.母线与电缆2.电力电缆3.电力电缆基本结构：电缆的基本结构由线芯、绝缘层、保护层组成2024/6/1620 5.1.1 发电系统的构成母线与电缆2023/8/920新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.1.2 变流器21第5章 风力发电技术 5.1.2 变流器21新能源学院新能源学院5.1.2 变流器1.电力电子器件1.电力电子器件的概念和特征被广泛用于处理电能的主电路中，是实现电能的传输、变换及控制的电子器件。1.主要参数：电功率大小2.处理功率级别大3.由信息电子来控制电力电子器件。2024/6/16225.1.2 变流器电力电子器件2023/8/922新能源学院新能源学院5.1.2 变流器1.电力电子器件2.电力电子器件的分类1.按控制性分类1.不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件2.半控型器件：通过控制极（门极）控制器件导通，但不能控制其关断的电力电子器件。3.全控型器件：既可以通过器件的控制极（门极）控制其导通，又可控制其关断。2.按驱动信号分类电流驱动型和电压驱动型2024/6/16235.1.2 变流器电力电子器件2023/8/923新能源学院新能源学院5.1.2 变流器1.电力电子器件2.电力电子器件的分类3.不可控器件电力二极管特征：正向导电性和反向阻断性原理：正向电压UF大于阈值电压UT0时，导通。UF为二极管的正向同态压降。当反向电压超过一定数值（URB0）后，二极管的反向电流迅速增大，产生雪崩击穿，URB0称为反向击穿电压。2024/6/16245.1.2 变流器电力电子器件2023/8/924新能源学院新能源学院5.1.2 变流器1.电力电子器件2.电力电子器件的分类4.半控型器件晶闸管又称可控硅整流器组成：门极（G）、阳极（A）和阴极（K）特征：1.电流触发性2.单向特性3.半控型特性2024/6/16255.1.2 变流器电力电子器件2023/8/925新能源学院新能源学院5.1.2 变流器1.电力电子器件2.电力电子器件的分类5.电力场效应晶体管电力MOSFET1.原理：用栅极电压来控制漏极电流，实现电流的通断。2.分类：P沟道和N沟道3.特点：栅极电压UGS越高，反型层越厚，导电沟道越宽，漏极电流越大；驱动功率小；反应效率快2024/6/16265.1.2 变流器电力电子器件2023/8/926新能源学院新能源学院5.1.2 变流器1.电力电子器件2.电力电子器件的分类6.绝缘栅型双极性晶体管IGBT特点驱动方便，开关速度快导通后呈电阻性质，电力压降高。电压驱动型通流能力强、耐压等级高2024/6/16275.1.2 变流器电力电子器件2023/8/927新能源学院新能源学院5.1.2 变流器2.AC-DC变换电路1.不控整流二极管1.大小取决于输入电压和电路形式2.特点电流稳定电感滤波电压稳定电容滤波同时稳定电感与电容组成LC滤波电路3.分类半控桥和全控桥2024/6/16285.1.2 变流器AC-DC变换电路2023/8/928新能源学院新能源学院5.1.2 变流器2.AC-DC变换电路2.相控整流晶闸管通过控制门极的触发延迟角，就能控制晶闸管的导通时刻。1.分类半控桥全控桥2.特点控制方便产生的谐波对电网会产生二次污染 2024/6/16295.1.2 变流器AC-DC变换电路2023/8/929新能源学院新能源学院5.1.2 变流器2.AC-DC变换电路3.斩波整流PWM1.特点网侧功率因素高、谐波含量低网侧电流畸变小，功率因素任意可控体积、质量小2.分类拓扑结构：电压型和电流型2024/6/16305.1.2 变流器AC-DC变换电路2023/8/930新能源学院新能源学院5.1.2 变流器2.AC-DC变换电路3.斩波整流PWM分类是否有能量回馈：无能量回馈的整流器（PFC）和有能量回馈的开关模式整流器（SMR）动态响应速度适当控制整流器交流端的幅值和相位可获得所需大小和相位的输入电流。2024/6/16315.1.2 变流器AC-DC变换电路2023/8/931新能源学院新能源学院5.1.2 变流器3.DC-DC交换电路1.特点：可将一种电流电变换成另外一种固定或可调电压的直流电。2.分类不隔离式隔离式2024/6/16325.1.2 变流器DC-DC交换电路2023/8/932新能源学院新能源学院5.1.2 变流器4.DC-AC变换电路分类电压型电流型单相半桥单相全桥三相桥式2024/6/16335.1.2 变流器DC-AC变换电路分类2023/8/933新能源学院新能源学院5.1.2 变流器5.AC-AC变换电路u分类频率不变而仅改变电压大小的AC-AC电压变压器直接将一定频率的交流电变换为较低频率交流电的相控式AC-AC直接变换器，在直接变频的同时也可以实现电压变换，实现降频降压变换。2024/6/16345.1.2 变流器AC-AC变换电路2023/8/934新能源学院新能源学院5.1.2 变流器6.风力发电机组变流器的应用技术u支撑风力发电机组大功率变流器的主要技术有1.正弦脉宽调制技术将参考波形与输出调制波形进行比较，并根据两者比较结果确定逆变桥壁的开关状态。2.大功率变流技术1.采用器件串联技术来提高电压等级2.采用器件并联技术来提高输出电流3.采用模块并联技术2024/6/16355.1.2 变流器风力发电机组变流器的应用技术2023/8/新能源学院新能源学院5.1.2 变流器6.风力发电机组变流器的应用技术3.多重化技术指在电压源型变流器中，为减少谐波，提高功率等级，将输出的PWM波错位叠加，使输出波形更加正弦波。4.低电压穿越技术当电网发生故障如电压跌落时，风力发电机组仍需要保持与电网的连接，只有故障严重时才允许脱网。5.计算机软件控制技术2024/6/16365.1.2 变流器风力发电机组变流器的应用技术2023/8/新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.1.3 异步发电机及其并网37第5章 风力发电技术 5.1.3 异步发电机及其并网3新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网1.结构u笼型和绕线型u笼型组成定子由铁心和定子（励磁）绕组组成转子铁心由硅钢片叠成，槽中嵌入金属导条。铁心两端用铝或铜端环将导条短接，转子不需要外加励磁，没有集电环和电刷。2024/6/16385.1.3 异步发电机及其并网结构2023/8/938新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网1.结构u绕线型定子与笼型异步发电机相同，转子绕组电流通过集电环和电刷流入流出。发电：发电机转子的转速略高于旋转磁场的同步转速，并且恒速运行。异步发电机6极，输入转速为？r/min。2024/6/16395.1.3 异步发电机及其并网结构2023/8/939新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网2.结构u工作原理u同步转速（旋转磁场转速）u转差率2024/6/16405.1.3 异步发电机及其并网结构2023/8/940新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网2.结构u 工作状态当转子的转速小于同步转速时（nn1）电机中的电磁转矩为制动转矩，电机从外部吸收无功功率建立磁场，风力机将机械能转化为电能。2024/6/16415.1.3 异步发电机及其并网结构2023/8/941新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网3.并网方式1.直接并网u条件：发电机的相序与电网的相序相同发电机转速接近同步转速u缺点产生冲击电流（56倍额定电流）2024/6/16425.1.3 异步发电机及其并网并网方式2023/8/942新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网3.并网方式1.直接并网2024/6/16435.1.3 异步发电机及其并网并网方式2023/8/943新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网3.并网方式1.直接并网并网方式2024/6/16445.1.3 异步发电机及其并网并网方式2023/8/944新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网3.并网方式2.降压并网原理：在发电机与电网之间串接电阻或电抗器，或者接入自耦变压器，降低并网时冲击电流和电网下降的幅度。2024/6/16455.1.3 异步发电机及其并网并网方式2023/8/945新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网3.并网方式3.晶闸管软并网原理：定子和电网之间每相串入一只双向晶闸管，通过晶闸管的导通角来控制并网时的电流冲击。2024/6/16465.1.3 异步发电机及其并网并网方式2023/8/946新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网3.并网方式3.晶闸管软并网2024/6/16475.1.3 异步发电机及其并网并网方式2023/8/947新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网3.并网方式3.晶闸管软并网并网过程2024/6/16485.1.3 异步发电机及其并网并网方式2023/8/948新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网3.并网运行时的功率输出及无功功率补偿1.并网运行时的功率输出发电机输出的电流大小及功率因素决定于转差率s和发电机的参数。转差率的大小由发电机的负载决定。2024/6/16495.1.3 异步发电机及其并网并网运行时的功率输出及无功功率新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网3.并网运行时的功率输出及无功功率补偿1.并网运行时的功率输出 飞车产生的原因当风轮传给发电机机械功率增加时，发电机制动转矩也相应增大，当超过最大输出功率时，制动转矩不增反减，发电机转速迅速增加。转矩与电网电压二次方成正比，电网电压下降，制动力矩相应减小，发电机的转矩无法有效控制，造成飞车。2024/6/16505.1.3 异步发电机及其并网并网运行时的功率输出及无功功率新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网3.并网运行时的功率输出及无功功率补偿3.变速恒频技术1.变速恒频：发电机的转速随风速变化，发出的电流通过适当的变化，使输出频率与电网频率相同。2.设备：AC-DC-AC变频器3.缺点：变频器体积过大，成本过高。2024/6/16515.1.3 异步发电机及其并网并网运行时的功率输出及无功功率新能源学院新能源学院5.1.3 异步发电机及其并网3.并网运行时的功率输出及无功功率补偿3.变速恒频技术1.变速恒频：发电机的转速随风速变化，发出的电流通过适当的变化，使输出频率与电网频率相同。2.设备：AC-DC-AC变频器3.缺点：变频器体积过大，成本过高。2024/6/16525.1.3 异步发电机及其并网并网运行时的功率输出及无功功率新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.1.4 同步发电机及其并网53第5章 风力发电技术 5.1.4 同步发电机及其并网5新能源学院新能源学院5.1.4 同步发电机及其并网1.结构u组成定子由定子铁心和三相定子绕组组成转子有转子铁心和转子绕组（励磁）集电环转子轴u分类凸极式和隐极式2024/6/16545.1.4 同步发电机及其并网结构2023/8/954新能源学院新能源学院5.1.4 同步发电机及其并网1.结构u 励磁系统直流发电机作为励磁电流的直流励磁系统。用整流装置将交流变成直流后供给励磁的整流励磁系统（大容量发电机）。2024/6/16555.1.4 同步发电机及其并网结构2023/8/955新能源学院新能源学院5.1.4 同步发电机及其并网2.工作原理u在风力机的拖动下，转子（含磁极）以转速n旋转，旋转的转子磁场切割定子上的三相对称绕组，在定子绕组中产生频率为f1的三相对称的感应电动势和电流输出，从而将机械能转化为电能。2024/6/16565.1.4 同步发电机及其并网工作原理2023/8/956新能源学院新能源学院5.1.4 同步发电机及其并网2.工作原理u优缺点即可输出有用功率，也可提供无功功率，提高功率因数。发电机的转速必须恒定，需要精确的调速机构2024/6/16575.1.4 同步发电机及其并网工作原理2023/8/957新能源学院新能源学院5.1.4 同步发电机及其并网3.并网条件和方式1.并网条件波形；幅值；频率；相序；相位2.并网方式自动准同步并网自同步并网2024/6/16585.1.4 同步发电机及其并网并网条件和方式2023/8/9新能源学院新能源学院5.1.4 同步发电机及其并网3.并网条件和方式1.并网条件波形；幅值；频率；相序；相位2.并网方式自动准同步并网2024/6/16595.1.4 同步发电机及其并网并网条件和方式2023/8/9新能源学院新能源学院5.1.4 同步发电机及其并网3.并网条件和方式2.并网方式自同步并网2024/6/16605.1.4 同步发电机及其并网并网条件和方式2023/8/9新能源学院新能源学院5.1.4 同步发电机及其并网4.转矩-转速特性2024/6/16615.1.4 同步发电机及其并网转矩-转速特性2023/8/9新能源学院新能源学院5.1.4 同步发电机及其并网5.功率调节和补偿1.有功功率的调节1.同步发电机的功率角：转子励磁磁场轴线与定、转子合成磁场轴线之间的夹角。2.调节方法当转速增加，定子电流增加，附加定子励磁磁场增加时，功率角增大，输出功率增加。当功率角达到90时，定子电流最大，发电机转速将失去同步，机组将无法监理平衡。通过调节转子励磁电流使功率角小于90，提高稳定性。（用于短时间剧风调节）2024/6/16625.1.4 同步发电机及其并网功率调节和补偿2023/8/9新能源学院新能源学院5.1.4 同步发电机及其并网5.功率调节和补偿1.有功功率的调节2024/6/16635.1.4 同步发电机及其并网功率调节和补偿2023/8/9新能源学院新能源学院5.1.4 同步发电机及其并网5.功率调节和补偿2.无功功率的补偿无功功率不足，电网的电压将会下降同步发电机带感性负载时，由于定子电流建立的磁场对电机中的励磁磁场有去磁作用。过励时，发电机输出滞后无功功率，改善功率因数；欠励时，从电网吸收滞后无功功率，降低功率因数。同步发电机通常在过励状态下运行，确保机组稳定运行。2024/6/16645.1.4 同步发电机及其并网功率调节和补偿2023/8/9新能源学院新能源学院5.1.4 同步发电机及其并网6.变速恒频技术u使用变频器的优点由于同步发电机与电网之间通过变流器相连接，发电机的频率和电网的频率彼此独立，并网时一般不会发生因频率偏差而产生较大的电流冲击和转矩冲击，并网过程比较平稳。2024/6/16655.1.4 同步发电机及其并网变速恒频技术2023/8/96新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.1.5 双馈异步发电机发电系统66第5章 风力发电技术 5.1.5 双馈异步发电机发电系新能源学院新能源学院5.1.5 双馈异步发电机发电系统1.结构u组成：定子和转子（结构上带有集电环和电刷）与异步发电机相同。变流器（AC-AC，AC-DC-AC，正弦波脉宽调制双向变流器）u电流组成定子输出转子通过逆变器输出2024/6/16675.1.5 双馈异步发电机发电系统结构2023/8/967新能源学院新能源学院5.1.5 双馈异步发电机发电系统2.工作原理u当发电机的转速n发生变化时，可通过调节f2来维持f1不变，以保证与电网频率相同2024/6/16685.1.5 双馈异步发电机发电系统工作原理2023/8/96新能源学院新能源学院5.1.5 双馈异步发电机发电系统3.双馈异步发电机运行时的功率分析2024/6/16695.1.5 双馈异步发电机发电系统双馈异步发电机运行时的功率新能源学院新能源学院5.1.5 双馈异步发电机发电系统3.双馈异步发电机运行时的功率分析u双馈电机在四象限运行过程中的能流关系1.转子运行在亚同步的电动状态（1s0）电动运行状态下，电磁转矩为拖动转矩，机械功率由电机输出给机械负载，转差功率回馈给转子外界电源2024/6/16705.1.5 双馈异步发电机发电系统双馈异步发电机运行时的功率新能源学院新能源学院5.1.5 双馈异步发电机发电系统3.双馈异步发电机运行时的功率分析u双馈电机在四象限运行过程中的能流关系2.转子运行于亚同步的定子回馈制动状态（1s0）电磁功率由定子回馈给电网，机械功率由风力机输入电机，电磁转矩为制动性转矩。2024/6/16715.1.5 双馈异步发电机发电系统双馈异步发电机运行时的功率新能源学院新能源学院5.1.5 双馈异步发电机发电系统3.双馈异步发电机运行时的功率分析u双馈电机在四象限运行过程中的能流关系3.转子运行于与超同步速的电动状态（s0）电磁功率由定子输给电机，机械功率由电机输给负载，转差功率由电网输给负载，电磁转矩为拖动转矩。2024/6/16725.1.5 双馈异步发电机发电系统双馈异步发电机运行时的功率新能源学院新能源学院5.1.5 双馈异步发电机发电系统2024/6/16735.1.5 双馈异步发电机发电系统2023/8/973新能源学院新能源学院5.1.5 双馈异步发电机发电系统4.变速恒频风力发电系统2024/6/16745.1.5 双馈异步发电机发电系统变速恒频风力发电系统202新能源学院新能源学院5.1.5 双馈异步发电机发电系统4.变速恒频风力发电系统u为什么采用双向变流器？u并网过程？2024/6/1675变流器控制转子电流的频率、幅值、相位和相序，从而实现与电网连接。当风力机运行在亚同步状态时，转子中的电流从电网流向转子绕组线圈；当风力机运行在超同步状态时，转子中的电流流向电网。5.1.5 双馈异步发电机发电系统变速恒频风力发电系统202新能源学院新能源学院5.1.5 双馈异步发电机发电系统4.变速恒频风力发电系统u双馈式风力机的优点1.通过调节励磁电流，实现变速运行下的恒频及功率调节2.只有电流频率通过变流器，变流器容量减小。3.系统具有很强的抗干扰性和稳定性u缺点电刷和集电环降低可靠性。2024/6/16765.1.5 双馈异步发电机发电系统变速恒频风力发电系统202新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.1.6 永磁同步发电机发电系统77第5章 风力发电技术 5.1.6 永磁同步发电机发电系新能源学院新能源学院5.1.6 永磁同步发电机发电系统1.结构u定子与普通交流电机相同u转子采用永磁材料励磁2.优点u无励磁绕组的铜损耗u无集电环u发电机体积较小u极对数可做的很多u省去齿轮箱，提高系统的效率和运行可靠性2024/6/16785.1.6 永磁同步发电机发电系统结构2023/8/978新能源学院新能源学院5.1.6 永磁同步发电机发电系统3.缺点u运行时温度高，所以永磁发电机常做成转子型，便于散热。4.直驱式风力发电机采用电机u永磁发电机u电励磁式同步发电机（目前应用）2024/6/16795.1.6 永磁同步发电机发电系统缺点2023/8/979新能源学院新能源学院5.1.6 永磁同步发电机发电系统2024/6/16805.1.6 永磁同步发电机发电系统2023/8/980新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.2 控制系统81第5章 风力发电技术 5.2 控制系统81新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.2.1 控制系统的结构与功能82第5章 风力发电技术 5.2.1 控制系统的结构与功能新能源学院新能源学院5.2.1 控制系统的结构与功能1.控制系统的总体结构(离散控制)2024/6/16835.2.1 控制系统的结构与功能控制系统的总体结构(离散控制新能源学院新能源学院5.2.1 控制系统的结构与功能2.控制系统的功能1.原因：风能密度低、稳定性差风速和风向随机性2.目标：保证系统的可靠性运行、能量利用率最大电能质量高机组寿命长2024/6/16845.2.1 控制系统的结构与功能控制系统的功能2023/8/新能源学院新能源学院5.2.1 控制系统的结构与功能3.常规控制内容1.风力发电机组的稳态工作点稳态工作点：当外部条件（如：负载、风速和空气密度等）和自身的参数确定，风力发电机组经过动态调整后将工作在某一平衡工作点。最佳风能利用系数曲线：在不同风速下，风力机输出功率最大点的连线。2024/6/16855.2.1 控制系统的结构与功能常规控制内容2023/8/9新能源学院新能源学院5.2.1 控制系统的结构与功能3.常规控制内容1.风力发电机组的稳态工作点控制系统的任务：保证机组安全可靠运行的前提下，使风力发电机组的稳态工作点尽可能靠近风力发电机的最佳风能利用系数曲线。2024/6/16865.2.1 控制系统的结构与功能常规控制内容2023/8/9新能源学院新能源学院5.2.1 控制系统的结构与功能3.常规控制内容2.风力发电机组工作状态及其转换工作状态1.运行状态2.暂停状态3.停机状态4.紧急停机状态当紧急停机电路动作时，所有接触器断开，计算机输出信号被旁路，使计算机没有可能去激活任何机构。2024/6/16875.2.1 控制系统的结构与功能常规控制内容2023/8/9新能源学院新能源学院5.2.1 控制系统的结构与功能3.常规控制内容提高工作状态层次只能一层一层地上升，而要降低工作状态层次可以一层或多层2024/6/16885.2.1 控制系统的结构与功能常规控制内容2023/8/9新能源学院新能源学院5.2.1 控制系统的结构与功能u故障处理方式1.故障检测2.故障记录3.对故障的反应4.故障处理后的重新起动当外部条件良好，此外部原因引起的故障状态可能自动复位。一般可以通过远程控制复位，如果操作者发现故障可接受并允许起动风力发电机组，可以复位2024/6/16895.2.1 控制系统的结构与功能故障处理方式2023/8/9新能源学院新能源学院5.2.1 控制系统的结构与功能3.常规控制内容3.机组的起动1.自起动2.本地起动3.远程起动2024/6/16905.2.1 控制系统的结构与功能常规控制内容2023/8/9新能源学院新能源学院5.2.1 控制系统的结构与功能3.常规控制内容4.偏航系统的运行设置一定的允许偏差偏航控制系统包括：1.主动偏航2.90侧风3.自动解缆4.顶部机舱控制偏航5.面板控制偏航和远程控制偏航2024/6/16915.2.1 控制系统的结构与功能常规控制内容2023/8/9新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.2.2 定桨距风电机组的控制92第5章 风力发电技术 5.2.2 定桨距风电机组的控制新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制1.机组的控制特征1.失速和制动1.核心问题自动失速性能突甩负载下的安全停机2.定义：失速2.安装角的调整失速只与风速有关，失速型风机冬夏两季的输出功率不同。2024/6/16935.2.2 定桨距风电机组的控制机组的控制特征2023/8/新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制1.机组的控制特征u结论：1.夏季空气密度低，气压小，定桨距风力机发电量小。增加安装角大小，提高失速点，控制发电机的输出功率在额定功率附近波动。反之亦然。u主动失速风力机2024/6/16945.2.2 定桨距风电机组的控制机组的控制特征2023/8/新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制1.机组的控制特征3.双速发电机2024/6/16955.2.2 定桨距风电机组的控制机组的控制特征2023/8/新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制1.机组的控制特征3.双速发电机u通过改进发电装置实现不连续变速功能方法3.双速发电机4.双绕组双速感应发电机5.双速极幅调制感应发电机2024/6/16965.2.2 定桨距风电机组的控制机组的控制特征2023/8/新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制2.运行过程1.待机状态当风速达到切入风速，不足以将风力发电机组拖动到切入的转速，或者风力发电机组从小功率（逆功率）状态切出，没有重新并入电网。2.风力发电机组的自起动风轮在自然风速的作用下，不依靠其他外力的协助，将发电机拖动到额定转速。2024/6/16975.2.2 定桨距风电机组的控制运行过程2023/8/997新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制2.运行过程3.自起动的条件1.电网：低、过电压（10min）2.风况3.机组风轮对风并制动解除，准备自起动2024/6/16985.2.2 定桨距风电机组的控制运行过程2023/8/998新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制2.运行过程4.风轮对风时间常数控制（10s）5.自动解除扰流器回收与松开钳式制动器2024/6/16995.2.2 定桨距风电机组的控制运行过程2023/8/999新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制2.运行过程6.风力发电机组并网与脱网并网主电路晶闸管完成。为避免火花产生需用旁路接触器首先接通。1.大小发电机软并网程序达到预置切入点晶闸管接通，加速度由大变小转速超过同步转速发电从旁路接触器输送电能至电网2024/6/161005.2.2 定桨距风电机组的控制运行过程2023/8/910新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制2.运行过程6.风力发电机组并网与脱网2.从小发电机向大发电机的切换切换依据：平均功率或瞬时功率3.发电机向小发电机的切换切换依据：持续功率或平均功率4.电动机起动只在调试期间或某些特殊情况下使用2024/6/161015.2.2 定桨距风电机组的控制运行过程2023/8/910新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制3.参数监测和处理1.电力参数监测1.电压：电网冲击2.电流：电路短路保护（断路器保护）；过电流保护（软件）3.频率：电网上下限功率进行比较4.功率因数：通过电压相角和电流相角获得5.功率监测：过低、过高。2024/6/161025.2.2 定桨距风电机组的控制参数监测和处理2023/8/新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制3.参数监测和处理2.风力参数监测1.风速监测1.25m/s，正常停机2.33m/s，持续2s，正常停机3.50m/s，持续2s，紧急停机，90侧风2.风向监测风向与机舱中心线的偏差角2024/6/161035.2.2 定桨距风电机组的控制参数监测和处理2023/8/新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制3.参数监测和处理3.机组状态检测1.转速监测2.温度监测3.机舱振动监测4.电缆扭转监测5.机械制动状况6.油位监测7.各种反馈信号的监测2024/6/161045.2.2 定桨距风电机组的控制参数监测和处理2023/8/新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.2.2 定桨距风电机组的控制105第5章 风力发电技术 5.2.2 定桨距风电机组的控制新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制1.机组的控制特性1.输出功率特征u控制发电功率方式1.调节桨距角2.控制发电机转差率（控制发电机转子电流来）2024/6/161065.2.2 定桨距风电机组的控制机组的控制特性2023/8/新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制1.机组的控制特性2.在额定点具有较高的风能利用系数1.VV额，Cp缓慢下降。变桨距风力机发电量高于定桨距风力机。4.V=V切出，Cp最小2024/6/161075.2.2 定桨距风电机组的控制机组的控制特性2023/8/新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制2.运行状态u变桨距风力机组运行状态1.起动状态（转速控制）2.欠功率状态（不控制）3.额定功率状态（功率控制）2024/6/161085.2.2 定桨距风电机组的控制运行状态2023/8/910新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制2.运行状态2024/6/16109状态风速力矩 发电功率桨距角控制系统启动状态0V切入增大090 0 欠功率状态V切入V额定增大至最大0额定功率V额定V切出减小P额定0 90 5.2.2 定桨距风电机组的控制运行状态2023/8/910新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制3.带调整发电机转差率的变桨系统u变桨距系统有风速低频分量和发电机转速控制，风速的高频分量产生的机械能波动，通过迅速改变发电机的转速来进行平衡，即通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制。2024/6/161105.2.2 定桨距风电机组的控制带调整发电机转差率的变桨系统新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制3.带调整发电机转差率的变桨系统u在发电机并入电网前，发电机转速由速度控制器A直接控制；发电机并入电网后，速度控制器B与功率控制器起作用。u功率控制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线，调整发电机转差率，并确定速度控制器B的速度给定。2024/6/161115.2.2 定桨距风电机组的控制带调整发电机转差率的变桨系统新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制3.带调整发电机转差率的变桨系统2024/6/161125.2.2 定桨距风电机组的控制带调整发电机转差率的变桨系统新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制3.风力机叶轮起动变桨过程2024/6/161135.2.2 定桨距风电机组的控制风力机叶轮起动变桨过程202新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制4.发电机转子电流控制技术u原理通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机转差率，从而改变风轮转速。2024/6/161145.2.2 定桨距风电机组的控制发电机转子电流控制技术202新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制4.发电机转子电流控制技术1.应用RCC的功率控制系统外环通过测量转速产生参考曲线内环是一个功率伺服环，它通过转子电流控制器（RCC）对电机转差率进行控制，是发电机功率跟踪给定值。2024/6/161155.2.2 定桨距风电机组的控制发电机转子电流控制技术202新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制4.发电机转子电流控制技术2.转子电流控制器原理转子电流控制器由快速数字式PI控制器和一个等效电阻构成。2024/6/161165.2.2 定桨距风电机组的控制发电机转子电流控制技术202新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制4.发电机转子电流控制技术3.转子电流控制器的结构将普通三相异步发电机的转子引出，外接转子电阻，电阻值从0变化到100%，则发电机的转差率绝对值增大值10%。特点：开关速度快提高了发电机的效率电路结构简单2024/6/161175.2.2 定桨距风电机组的控制发电机转子电流控制技术202新能源学院新能源学院5.2.2 定桨距风电机组的控制4.发电机转子电流控制技术4.采用转子电流控制器的功率调整（了解）为什么要在短暂风速下使用转子电流控制技术反映速度快，可以对发电功率瞬时调节降低变桨距动作频率，延长变桨距机构的使用寿命。2024/6/161185.2.2 定桨距风电机组的控制发电机转子电流控制技术202新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.2.2 定桨距风电机组的控制119第5章 风力发电技术 5.2.2 定桨距风电机组的控制新能源学院新能源学院2024/6/161202023/8/9120新能源学院新能源学院2024/6/161212023/8/9121新能源学院新能源学院2024/6/161222023/8/9122新能源学院新能源学院2024/6/161232023/8/9123新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术l变桨距控制是为了尽可能地提高风力机风能转化效率和保持风力机输出功率平稳，风力机可进行桨距调整l变桨距型风力机在各种工况可按最佳参数运行，使输出功率曲线得到优化，可使桨叶和整机的受力状况大为改善，还可以使发动机在额定风速以下的工作区段有较高的发电量，而在额定风速以上的高风速区段不超载，不需要过载能力大的发电机2024/6/16124第5章 风力发电技术变桨距控制是为了尽可能地提高风力机风能转新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术l变桨控制系统实际上是一个随动系统，变桨距控制器是一个非线性比例控制器，它可以补偿比例阀的死带和极限l图5.12024/6/16125第5章 风力发电技术变桨控制系统实际上是一个随动系统，变桨距新能源学院新能源学院5.1 功率调节l在超过额定风速后（一般为1216m/s）以后，由于部件机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的限制，必须降低风轮的能量捕获，使功率输出保持在额定值附近，减少叶片承受负荷和整个风力机受到的冲击，保证风力机不受损害2024/6/161265.1 功率调节在超过额定风速后（一般为1216m/s）以新能源学院新能源学院5.1 功率调节l功率调节方式u定桨距失速调节控制最简单，利用高风速时升力系数降低和阻力系数增加，限制功率在高风速时保持恒定u变桨距调节转动桨距叶片安装角以减小攻角，高风速时减小升力系数，以限制功率u主动失速调节利用桨距调节，在中低风速区可优化功率输出2024/6/161275.1 功率调节功率调节方式2023/8/9127新能源学院新能源学院5.1 功率调节1.风力发电技术的发展u在功率调节方式变速恒频技术和变桨调节技术u发电机类型无刷双馈型感应发电机和永磁式发电机u在控制技术计算机分布式控制技术和新的控制理论u驱动方式免齿轮箱的直接驱动技术2024/6/161285.1 功率调节风力发电技术的发展2023/8/9128新能源学院新能源学院5.1 功率调节1.风力发电技术的发展u世界风力发电机组的统一形式水平轴三叶片上风向管式塔2024/6/161295.1 功率调节风力发电技术的发展2023/8/9129新能源学院新能源学院5.1 功率调节1.风力发电技术的发展u发展趋势单机容量不断增大变桨距功率调节方式代替定桨距功率调节方式变速恒频发电系统迅速取代恒速恒频发电系统免齿轮箱系统的直取方式发电系统2024/6/161305.1 功率调节风力发电技术的发展2023/8/9130新能源学院新能源学院5.1 功率调节2.功率调节方式u3种功率调节方式u图5.22024/6/161315.1 功率调节功率调节方式2023/8/9131新能源学院新能源学院5.1 功率调节2.功率调节方式1.定桨距失速控制2.图5.32024/6/161325.1 功率调节功率调节方式2023/8/9132新能源学院新能源学院5.1 功率调节2.功率调节方式u优点：控制简单u缺点：功率曲线由叶片的失速特性决定，功率输出不确定阻尼较低，振动幅度较大，叶片易疲劳损坏高风速时气动载荷较大，叶片及塔架等受载荷较大低风速段风轮转速较低时的功率输出较高2024/6/161335.1 功率调节功率调节方式2023/8/9133新能源学院新能源学院5.1 功率调节2.功率调节方式2.变桨距调节u优点：获取更多的风能，提供气动刹车，减少作用在机组上额极限载荷u变桨速率约为5/s，紧急变桨速率为10/su图5.52024/6/161345.1 功率调节功率调节方式2023/8/9134新能源学院新能源学院5.1 功率调节2.功率调节方式3.主动失速调节u特点：可以补偿空气密度、叶片粗糙度、翼型变化对功率输出的影响，优化中低风速的出力额定点之后可维持额定功率输出叶片可顺桨，制动平稳，冲击小，极限载荷小l图5.62024/6/161355.1 功率调节功率调节方式2023/8/9135新能源学院新能源学院5.1 功率调节2.功率调节方式u恒速与变速运行定桨距机组，在低风速运行时效率较低，若设计低风速时效率过高，叶片会过早失速。2024/6/161365.1 功率调节功率调节方式2023/8/9136新能源学院新能源学院5.1 功率调节2.功率调节方式1.双速运行u将发电机分别设计成4极和6极在低风速段可改变风轮转速，保持最佳叶尖速比，效率高降低叶片噪声叶轮气动扭矩波动小，传动平稳电能波动降低，电能品质提高u图5.72024/6/161375.1 功率调节功率调节方式2023/8/9137新能源学院新能源学院5.1 功率调节2.功率调节方式2.变速运行u宽幅变速风轮转速可在0到额定范围内变化，发电机静子通过变频器与电网连接u窄幅变速风轮转速只在从30%50%的电机同步转速，到额定转速间变化。发电机定子直接连接电网，转子通过滑环和变频器与电网相连2024/6/161385.1 功率调节功率调节方式2023/8/9138新能源学院新能源学院5.1 功率调节3.滑差可调异步发电机的功率调节u由于桨距调节有滞后时间，特别在惯量大的风力机中，邂逅现象更为突出，在阵风或风速变化频繁时，会导致桨距大幅度频繁调节发电机输出功率也将大幅度波动，会对电网造成不良影响，因此单纯靠变桨距来调节风力机的功率输出，并不能实现发电机输出功率的稳定性u图5.92024/6/161395.1 功率调节滑差可调异步发电机的功率调节2023/8/9新能源学院新能源学院5.1 功率调节3.滑差可调异步发电机的功率调节u当风速上升时，发电机的输出功率上升，大于额定功率，则功率控制单元改变转子电流给定值，使异步发电机转子电流控制环节动作，调节发电机转子回路电阻，增大异步发电机的滑差，发电机的转速上升2024/6/161405.1 功率调节滑差可调异步发电机的功率调节2023/8/9新能源学院新能源学院5.1 功率调节4.双速发电机的功率调节2024/6/161415.1 功率调节双速发电机的功率调节2023/8/9141新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.2 变转速运行142第5章 风力发电技术 5.2 变转速运行142新能源学院新能源学院5.2 变转速运行1.概述u变速风力发电机组的优越性在于低风速时能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能高风速时利用风轮转速变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳2024/6/161435.2 变转速运行概述2023/8/9143新能源学院新能源学院5.2 变转速运行1.概述u控制器一：电力电子装置控制发电机的反力矩在额定风速以下时，主要调节发电机反力矩使转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比u控制器二：伺服系统控制桨叶节距在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨距角来限制风力机获取能量，使风力发电机组保持在额定值下发电，并使系统失速负荷最小化2024/6/161445.2 变转速运行概述2023/8/9144新能源学院新能源学院5.2 变转速运行2.变转速发电机u风力机在低于额定风速下运行的时间约占风力机全年运行时间60%70%，为了充分利用低风速时的风能，增加全年的发电量，近年来广泛应用双速异步发电机2024/6/161455.2 变转速运行变转速发电机2023/8/9145新能源学院新能源学院5.2 变转速运行2.变转速发电机u改变电机定子绕组的极对数3种方法：采用两台定子绕组极对数不同的异步电机在一台电机定子上放置两套不同相互独立的绕组，即是双绕组的双速电机在一台电机的定子上仅安置一套绕组，靠改变绕组的连接方式获得不同的极对数，即单绕组双速电机2024/6/161465.2 变转速运行变转速发电机2023/8/9146新能源学院新能源学院5.2 变转速运行2.变转速发电机u双速发电机的转子形式为鼠笼型u双速异步发电机通过晶闸管软并网方法来限制启动并网时的冲击电流，同时也在低速与高速绕组相互切换过程中起限制瞬间电流的作用u双速异步发电机的并网过程如下：u图5.132024/6/161475.2 变转速运行变转速发电机2023/8/9147新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.3 变转速及恒频148第5章 风力发电技术 5.3 变转速及恒频148新能源学院新能源学院5.2 变转速运行l发电机输出频率恒定的方法有两种：u恒转速/恒频系统u变转速/恒频系统异步感应发电机绕线转子异步发电机双馈感应发电机同步发电机2024/6/161495.2 变转速运行发电机输出频率恒定的方法有两种：2023/新能源学院新能源学院第5章 风力发电技术 5.4 发电系统150第5章 风力发电技术 5.4 发电系统150新能源学院新能源学院5.4 发电系统l风力发电系统中的辅助控制系统u桨叶倾角控制系统u偏航控制系统使风轮跟踪变化稳定风向自动解除缠绕u风力机制动系统正常停机、安全停机、紧急停机u其他安全保护系统超速保护、电网失电保护、电气保护等2024/6/161515.4 发电系统风力发电系统中的辅助控制系统2023/8/9新能源学院新能源学院5.4.1 恒频恒速发电系统l概念u在风力发电过程中保持发电机的转速不变，从而得到和电网频率一直的恒频电能l调节类型u定桨距失速型：利用风轮叶片翼型的气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能u变桨距失速型：通过叶轮叶片的变桨距调节机构控制风力机的输出功率2024/6/161525.4.1 恒频恒速发电系统概念2023/8/9152新能源学院新能源学院5.4.1 恒频恒速发电系统1.定桨距失速控制l特点u当风速变化时，桨叶的迎风角度固定不变。利用桨叶翼型本身的固有失速特征，在高于额定风速下，气流的攻角增大到失速条件时，桨叶表面产生紊流，效率降低，达到限制功率的目的。2024/6/161535.4.1 恒频恒速发电系统定桨距失速控制2023/8/91新能源学院新能源学院5.4.1 恒频恒速发电系统1.定桨距失速控制1.风轮结构自动地将功率限制在额定值附近玻璃钢复合材料突然失去电网（突甩负载）的情况下，桨叶自身具备制动能力叶尖扰流器2024/6/161545.4.1 恒频恒速发电系统定桨距失速控制2023/8/91