风力发电机组及其控制系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,大型风力发电机组,及其控制系统,1,主要内容,中外风力发电概况,风力发电的控制系统,风电系统的最大风能捕获控制,双馈感应发电机励磁控制,风电并网的稳定性与电网安全问题,2,世界一次能源需求在,2005,年到,2030,年期间将增长,55,，年均增长率为,1.8,，,发展中国家在全球一次能源消费增量中约占,74,，,我国的能源需求在此期间也将保持年均,3.2,的增长率,煤炭在整个能源结构中居主导地位的燃料，石油消费量居次席,天然气消费量的增速将高于其他化石燃料。,核电、水电、生物燃料及其它可再生能源发展迅猛，但在能源体系中所占比例很小。,1.,中外风力发电概况,3,全球电力需求的迅猛发展：,电能已成为主要的不可或缺的应用能源之一。,2005,年到,2030,年期间，电力行业的投资约占能源供应总投资的三分之二。,全球电力需求在未来的,25,年中将几乎翻番，从,2005,年的,15016TWh,增加到,2030,年,29737TWh,，年需求增加,2.8,发电总量将从,2005,年的,18197TWh,增加到,2030,年的,35384TWh,，燃煤发电在发电总量中所占的份额则从,20,上升到,23,。,我国是世界上仅次于美国的第二大电力市场，预计到,2030,年的发电总量将达到,8472TWh,，占全球发电总量,24,。,4,风力发电的重要性,民生问题,能源问题,环境问题,经济发展,可持续发展,新型清洁、高效、,可持续源体系,解决能源问题的关键技术,5,解决能源问题的关键技术,6,风力发电的特点,优点,缺点,清洁,环境效益好,噪声,视觉污染,可再生,永不枯竭,占用大片土地,基建周期短、投资少,不稳定，不可控,装机规模灵活,目前成本仍很高,技术相对成熟,7,风力发电发展现状,产研结合的综合体系,电网运营商,风电场开发商,整机制造商,零部件制造商,R&D,技术支持,政府政策支持,8,全球风电产业发展现状,9,中国的风能资源,全国平均风能密度：,100W/m,2,10m,高层风能资源总储量：,3.22610,6,MW,实际可利用陆地风能资源储量：,2.5310,5,MW,近海可开发风能资源是陆地的,3,倍多,（中国气象科学院）,三峡,26,台机组的容量为,18200MW,（约,14,个三峡）,10,11,我国风电产业发展现状,累计装机,11,600,余台，总容量,1215.3,万,kW,共有风电场,158,个，,100MW,级,10,余个,整机开发研制的内外资企业,40,余家,龙源电力等,风电场开发商,风能研究中心（,SUT,）,R&D,基本体系已经建立，进入初始发展阶段后期,12,中国主要风电整机制造商市场份额,制造商名称,占本类型份额,市场份额,装机容量,内、合资前五,金风（,GoldWind,）,35.02%,21.63%,2629.05MW,华锐（,Sinovel,）,28.74%,17.75%,2157MW,东汽（,DEC,）,17.19%,10.61%,1290MW,运达（,Windey,）,4.40%,2.72%,330.25MW,航天安迅能,3.34%,2.06%,250.50MW,前五共计,88.69%,54.77%,6656.8MW,内、合资总计,100%,61.76%,7506.22MW,13,中国主要风电整机制造商市场份额,制造商名称,占本类型份额,市场份额,装机容量,外资前五,歌美飒（,Gamesa,）,33.41%,12.77%,1552.5MW,维斯塔斯（,Vestas,）,31.32%,11.97%,1455.2MW,通用电气（,GE,）,13.72%,5.25%,637.5MW,苏司兰（,Suzlon,）,7.47%,2.86%,347.25MW,Nordex,7.08%,2.71%,328.75MW,前五共计,93%,35.56%,4321.2MW,外资总计,100%,38.23%,4646.57MW,14,风 电 产 业,全球风电发展趋势,机组容量大型化、产业规模化,新时期风电发展要求,整体性要求更高、零部件相关技术有待提高,与电网联系紧密，能效、稳定性要求提高,控制系统重要性越发体现,我国风电发展存在问题,风电建设与技术支持体系的不平衡,控制系统研发、生产最为薄弱,15,2.,风电机组的构成,“丹麦式”,DFIG,或,PMSG,功率控制,变速控制,16,2.1,风力机的构造和气动力特性,17,2.1.1,风力机的类型,从能量转换的角度看，风力发电机组由两大部分组成。其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能,;,其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。,2.1.1,风力机的类型,1,）水平轴风力机，,2,）垂直轴风力机,18,1),水平轴风力机,水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转，工作时，风轮的旋转平面与风向垂直，风轮上的叶片是径向安置的，与旋转轴相垂直，并与风轮的旋转平面成一角度,(,安装角,),。,19,叶片数多的风力机通常称为低速风力机，它在低速运行时，有较高的风能利用系数和较大的转矩。它的起动力矩大，起动风速低，因而适用于提水。,叶片数少的风力机通常称为高速风力机，它在高速运行时有较高的风能利用系数，但起动风速较高。由于其叶片数很少，在输出同样功率的条件下比低速风轮要轻得多，因此适用于发电。,20,上风向：风轮在塔架的前面迎风旋转，叫做上风向风力机。上风向风力机必须有某种调向装置来保持风轮迎风。,下风向：风轮安装在塔架的下风位置的，则称为下风向风力机。而下风向风力机则能够自动对准风向，从而免除了调向装置。但对于下风向风力机，由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮，这样，塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应，使性能有所降低。,水平轴风力机随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向之分。,21,2),垂直轴风力机,垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转。,S,型风轮,达里厄型风力机,22,2),垂直轴风力机,垂直轴风力机的主要优点是可以接受来自任何方向的风，因而当风向改变时，无需对风。由于不需要调向装置，使它们的结构设计简化。垂直轴风力机的另一个优点是齿轮箱和发电机可以安装在地面上，这对于一个往往需要在一片呼啸的大风中为一台离地面几十米高的水平轴风力机进行维修服务的人员来说，无疑是一个值得高度评价的特点。,23,垂直轴风力机可分为两个主要类别：,一类是利用空气动力的阻力作功，典型的结构是,S,型风轮。它由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，其优点是起动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力。对于较大型的风力机，因为受偏转与安全极限应力的限制，采用这种结构形式是比较困难的。,S,型风力机风能利用系数低于高速垂直轴或水平轴风力机，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下提供的功率输出较低，因而用作发电缺乏竞争力。,24,垂直轴风力机可分为两个主要类别,另一类是利用翼型的升力作功，最典型的是达里厄,(,Darrieus,),型风力机。它是法国人,GJMDarrieus,于,1925,年发明的，,1931,年取得专利权。当时这种风力机并没有受到注意，直到,20,世纪,70,年代石油危机后，才得到加拿大国家科学研究委员会,(National Research Council),和美国圣地亚,(Sandia),国家实验室的重视，进行了大量的研究。现在是水平轴风力机的主要竞争者。,H,型,型菱形,Y,型,型,25,2.1.2,风力机的结构和组成,NORDEX,80/2500kW,型,1,、叶轮,2,、轮毂,3,、机舱内框架,4,、叶轮轴与主轴连接,5,、主轴,6,、齿轮箱,7,、刹车盘,8,、发电机的连接,9,、发电机,10,、散热器,11,、冷却风扇,12,、风测量系统,13,、控制系统,14,、液压系统,15,、偏航驱动,16,、偏航轴承,17,、机舱盖,18,、塔架,19,、变桨距部分,26,风力机的结构,风力机,传动链,发电机,变速发电技术,27,2.1.2,风力机的结构和组成,风轮一般由,23,个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。,28,2.1.2,风力机的结构和组成,小型风力机的叶片部分采用木质材料，中、大型风力机的叶片的趋势都倾向于采用玻璃纤维或高强度复合材料。,29,2.1.2,风力机的结构和组成,调速或限速装置,当风速过高时，这些装置还用来限制功率，并减小作用在叶片上的力。调速或限速装置有各种各样的类型，但从原理上来看大致有三类：一类是使风轮偏离主风向，另一类是利用气动阻力，第三类是改变叶片的桨距角。,30,调向装置,下风向风力机的风轮能自然地对准风向，因此一般不需要进行调向控制,(,对大型的下风向风力机，为减轻结构上的振动，往往也采用对风控制系统,),。上风向风力机则必须采用调向装置，常用的有以下几种：,(1),尾舵,主要用于小型风力发电机，它的优点是能自然地对准风向，不需要特殊控制。,31,(2),侧风轮,在机舱的侧面安装一个小风轮，其旋转轴与风轮主轴垂直。如果主风轮没有对准风向，则侧风轮会被风吹动，产生偏向力，通过蜗轮蜗杆机构使主风轮转到对准风向为止 。,32,(3),电动机驱动的风向跟踪系统,对大型风力发电机组，一般采用电动机驱动的风向跟踪系统。整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成。偏航调节系统包括风向标和偏航系统调节软件。风向标对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号，通过偏航系统软件确定其偏航方向和偏航角度，然后将偏航信号放大传送给电动机，通过减速机构转动风力机平台，直到对准风向为止。,33,2.1.2,风力机的结构和组成,传动机构,风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。但不是每一种风力机都必须具备所有这些环节,34,2.1.2,风力机的结构和组成,风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系，如果说塔架对小型风力机影响还不太大的话，对大、中型风力机的影响就不容忽视了。,35,2.1.3,风力机气动力特性,空气动力：,1,）是由于气流绕物体流动时，在物体表面处的流动速度发生变化，引起气流压力的变化，即物体表面各处气流的速度与压力不同，从而对物体产生合成的压力,;,2,）是由于气流绕物体流动时，在物体附面层内由于气流粘性作用产生的摩擦力。,36,2.1.3,风力机气动力特性,升力和阻力 ：,1,）上升,Fy,与气流方向垂直，它使平板上升,2,）阻力,Fx,与气流方向相同,3),升力是使风力机有效工作的力，而阻力则形成对风轮的正面压力。为了使风力机很好地工作，就需要叶片具有这样的翼型断面，使其能得到最大的升力和最小的阻力,37,影响升力系数和阻力系数的因素,翼型的影响 ：,38,影响升力系数和阻力系数的因素,攻角的影响 ：,一种流线型叶片升力系数和阻力系数随攻角变化的曲线。,39,由于风轮旋转时叶片不同半径处的线速度是不同的，因而相对于叶片各处的气流速度,W,在大小和方向上也都不同，如果叶片各处的安装角都一样，则叶片各处的实际攻角都将不同。这样除了攻角接近最佳值的一小段叶片升力较大外，其它部分所得到的升力则由于攻角偏离最佳值而不理想。所以这样的叶片不具备良好的气动力特性。,解决办法：,使叶片每一个截面的安装角随着半径的增大而逐渐减小，可使气流在整个叶片长度均以最有利的攻角吹向每一叶片元，从而具有比较好的气动力性能。而且各处受力比较均匀，也增加了叶片的强度。这种具有变化的安装角的叶片称为螺旋桨型叶片,40,由于风速是在经常变化的，风速的变化也将导致攻角的改变。如果叶片装好后安装角不再变化，那么虽在某一风速下可能得到最好的气动力性能，但在其它风速下则未必如此。,解决办法：,为了适应不同的风速，可以随着风速的变化，调节整个叶片的安装角，从而有可能在很大的风速范围内均可以得到优良的气动力性能。这种桨叶叫做,变桨距,式叶片，而把那种安装角一经装好就不再能变动的叶片称为,定桨距,式叶片。显然，从气动性能来看，变桨距式螺旋桨型叶片是一种性能优良的叶片。,41,影响升力系数和阻力系数的因素,雷诺数的影响 ：,cy,、,cx,不但与翼型及其在气流中的位置有关，也与阻滞空气流动的粘性力,(,即摩擦力,),有关。这种粘性力可以用雷诺数,Re,流体流动时的惯性力,Fg,和粘性力,(,内摩擦力,)Fm,之比称为雷诺数,L,为弦长,为空气的动粘力系数。,=,/,，,为粘性系数,雷诺数是一个无量纲数。雷诺数愈小的流动，粘性作用愈大,;,雷诺数愈大的流动，粘性作用愈小。雷诺数增加，由于翼型附面层气流粘性减小，最大升力系数增加，最小阻力系数减小，因而升阻比增加。,42,影响升力系数和阻力系数的因素,翼型表面粗糙度的影响 ：,翼型表面由于材料加工以及环境的影响，不可能绝对光滑，总有些凹凸不平。我们把凹凸不平的波峰与波谷之间高度的平均值称为粗糙度，记作,k,。翼型表面的粗糙度，特别是前缘附近的粗糙度，对翼型空气动力特性有很大影响。一般情况下，粗糙度增大使,cx,增加，而对,cy,影响不大。实际情况中，真正的气动光滑表面是不存在的。工程上只要表面粗糙度足够小，隐匿在附面层底部，一般就不会引起摩擦阻力的增加。,43,风力机的气动力特性,贝兹,(Betz),理论,动能捕获装置,静压差,动能,44,风力机的气动力特性,贝兹,(Betz),理论,由于风轮在旋转，使气流产生落差，靠近风轮处的空气压力增高，通过风轮后压力急剧下降，形成某种程度的真空，随后真空程度逐渐减弱，直到恢复原来的压力。,设,V,为风轮前方远处的风速，,V,1,为通过风轮截面,A,的实际速度，,V,2,为风轮后方远处的风速，通过风轮的气流在风轮前方的截面为,A,1,，在风轮后方的截面为,A,2,，风轮远处的压力为,p,1,，风轮前后的压力为,p,a,和,p,b,。在单位时间内，从风轮前到风轮后气流动能的变化量就是为风轮所吸收并使风轮旋转的风能,E,：,45,风轮在单位时间内所接收的动能也可用风作用在风轮上的力与风轮截面处的风速之乘积来表示,根据流体的动量方程，风作用在风轮上的力等于单位时间内通过风轮旋转面的气流动量的变化,风轮可能吸收到的最大风能 ？,46,V,2,=V/3,，风轮可能吸收到的最大风能,风能利用系数,C,p,当,V,2,=V/3,47,2.1.4,风能利用系数,在实际应用中常用风能利用系数,Cp,对叶尖速比,的变化曲线表示该风轮的空气动力特性。,尖速比,：风轮叶片的叶尖速度与风速之比,48,现代三叶片风力机的,功率特性曲线,49,叶片实度对运行特性的影响,50,风能利用系数,Cp,只有在叶尖速比,为某一定值,m,时最大。在恒速运行的风力机中，由于风力机转速不变，而风速经常在变化，因此,不可能经常保持在最佳值,(,即使是采用变桨距叶片,),，,Cp,值往往与其最大值相差很多，使风力机常常运行于低效状态。而,变速运行,的风力机，通过适当控制输出功率的办法，有可能使风力机在风轮叶尖速度与风速之比为恒定的最佳值的情况下运转，从而使,Cp,在很大的风速变化范围内均能保持最大值，风能转换为机械能的效率问题有可能得到最佳解决。,51,主要结论,风力机输出功率：,风能利用系数：,最大风能利用系数（贝兹极限）：,52,风力机特性,捕获能量,功率特性,齿轮箱尺寸、匹配发电机类型,转矩特性,塔基设计,推力特性,通常利用,无量纲,的性能曲线来表示风力机的运行特性是很方便的，假定风轮叶片的空气动力特性正常，无量纲的风轮空气动力性能将取决于,叶尖速度比,和,叶片桨距角,。因此，常以叶尖速度比和桨距角的函数来表示功率系数（,Cp,）、力矩系数（,C,Q,）和推力系数（,C,T,）。,53,2.2,风力发电用的发电机,2.2.1,对发电机及发电系统的一般要求,风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程，发电机及其控制系统承担了后一种能量转换任务。,(1),高质量地将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电或电压恒定的直流电。,(2),高效率地实现上述两种能量转换，以降低每度电的成本。,(3),稳定可靠地同电网、柴油发电机及其他发电装置或储能系统联合运行，为用户提供稳定的电能。,54,2.2.2,恒速恒频发电机系统,恒速恒频发电机系统一般来说比较简单，所采用的发电机主要有两种：,）同步发电机，运行于由电机极数和频率所决定的同步转速,）鼠笼型感应发电机，以稍高于同步速的转速运行。,55,感应发电机与同步发电机的比较,项目,感应发电机,同步发电机,结构,定子与同步发电机相同，转子为鼠笼型，结构简单，牢固。,转子上有励磁绕组和阻尼绕组，结构较复杂,励磁,由电网取得励磁电流，不需要励磁装置及励磁调节装置。,需要励磁装置及励磁调节装置。,尺寸,及重量,无励磁装置，尺寸较小，重量较轻。,有励磁装置，尺寸较大，重量较重。,并网,强制并网，不需要同步装置。,需要同步合闸装置。,稳定性,无失步现象，运行时只需适当限制负荷。,负载急剧变化时有可能失步。,维护,检修定子的维护与同步机相同，转子基本上不需要维护。,除定子外，励磁绕组及励磁调节装置需要维护。,56,感应发电机与同步发电机的比较,项目,感应发电机,同步发电机,功率因数,功率因数由输出功率决定，不能调节。由于需要电网供给励磁的无功电流，导致功率因数下降。,功率因数可以很容易地通过励磁调节装置予以调整，既可以在滞后的功率因数下运行，也可以在超前的功率因数下运行。,冲击电流,强制并网，冲击电流大，有时需要采取限流措施。,由于有同步装置，并网时冲击电流很小。,单独运行及电压调节,单独运行时，电压、频率调节比较复杂。,单独运行时可以很方便地调节电压。,57,2.2.3,变速恒频发电机系统,变速恒频发电机系统的,主要优点在于风轮以变速运行，可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率，从风中获取的能量可以比恒速风力机高得多。此外，这种风力机在结构上和实用中还有很多的优越性。利用电力电子学是实现变速运行最佳化的最好方法之一，虽然与恒速恒频系统相比可能使风电转换装置的电气部分变得较为复杂和昂贵，但电气部分的成本在中、大型风力发电机组中所占比例不大，因而发展中、大型变速恒频风电机组受到很多国家的重视。,58,变速发电技术,特点：,可获得实时较优的风能利用系数,减少动态载荷,使得叶轮获得更好的气动效应,需使用变流器，成本增加，效率有所损失,控制系统更为复杂,对稳定性要求更高,变速运行的风力发电机有不连续变速和连续变速两大类。,59,1),不连续变速系统,一般说来，利用不连续变速发电机可以获得连续变速运行的某些好处，但不是全部好处。主要效果是比以单一转速运行的风电机组有较高的年发电量，因为它能在一定的风速范围内运行于最佳叶尖速比附近。但它面对风速的快速变化（湍流）实际上只是一台单速风力机，因此不能期望它像连续变速系统那样有效地获取变化的风能。更重要的是，它不能利用转子的惯性来吸收峰值转矩，所以这种方法不能改善风力机的疲劳寿命。,60,2.,双绕组双速感应发电机这种电机有两个定子绕组，嵌在相同的定子铁心槽内，在某一时间内仅有一个绕组在工作，转子仍是通常的鼠笼型。电机有两种转速，分别决定于两个绕组的极数。比起单速机来，这种发电机要重一些，效率也稍低一些，因为总有一个绕组未被利用，导致损耗相对增大。它的价格当然也比通常的单速电机贵。,1.,采用多台不同转速的发电机通常是采用两台转速、功率不同的感应发电机，在某一时间内只有一台被联接到电网，传动机构的设计使发电机在两种风轮转速下运行在稍高于各自的同步转速。,61,3.,双速极幅调制感应发电机这种感应发电机只有一个定子绕组，转子同前，但可以有两种不同的运行速度，只是绕组的设计不同于普通单速发电机。它的每相绕组由匝数相同的两部分组成，对于一种转速是并联，对于另一种转速是串联，从而使磁场在两种情况下有不同的极数，导致两种不同的运行速度。这种电机定子绕组有六个接线端子，通过开关控制不同的接法，即可得到不同的转速。,62,2),连续变速系统,连续变速系统可以通过多种方法来得到，包括：,机械方法：用变速比液压传动或可变传动比机械传动,电,/,机械方法：采用定子可旋转的感应发电机,电气方法：高滑差感应发电机或双定子感应发电机,电力电子学方法：,发电机可以是市场上已有的通常电机如同步发电机、鼠笼型感应发电机、绕线型感应发电机等，也有近来研制的新型发电机如磁场调制发电机、无刷双馈发电机等,63,变速发电系统（同步发电机）,发电机速度完全与电网解耦,发电机转矩由直流联络线控制,通过去除阻尼绕组可以加速控制，减小不期望的低频拍频振荡,通过,PWM,技术可改善谐波,变流器容量至少等于发电机容量,64,变速发电系统（双馈感应发电机）,实现发电机超同步和次同步工况,控制转子电流幅值和相位，发电机可运行于任何期望的功率因数,变流器产生的频率叠加于转子旋转频率，总合成恒定，变速范围由馈送到转子的频率决定，目前可达到,30%,变流器容量相对较小,控制系统更为复杂,65,66,永磁同步发电机（,PMSG,）,特点：,结构简单，运行可靠,较高的功率质量比,不存在励磁损耗，电机效率提高,永磁材料使得输出电压分散,输出电压、功率因数难以控制,永磁材料生产成本较高,67,2.3,控制系统研究,明确控制系统,目标,、,功能,和相应的,控制策略,各单元控制器（,功率控制器,、,速度控制器,）的理论设计,68,控制目标,运行区域,区域一,区域二,区域三,区域四,69,控制目标,变化风速下的最大风能捕获（区域二）,以额定功率输出（区域三）,可靠的切入、切出（区域一、四）,机械载荷及响应的优化,系统稳定性和电能质量,区域一,区域二,区域三,区域四,70,控制功能,最大风能捕获,额定功率输出,制动控制,最优机械效应,电网稳定性及电能质量控制,71,控制策略,功率控制器,速度控制器,72,风力发电机组控制框图,控制算法,矢量控制,73,3,风电系统的最大风能捕获控制,风机从风中吸收的功率与功率系数和风速的立方成正比。桨距角,一定时，功率系数,Cp,与叶尖速比,呈抛物线关系，其凸点对应最大风能捕获点，此处,称为最佳叶尖速比。,最佳叶尖速比,74,风电系统的最大风能捕获控制,当,固定为最佳叶尖速比时，功率系数又与桨距角呈抛物线关系，其凸点对应此条件下的最大风能捕获点，此处,称为最优桨距角，通常在零度角附近。,思路：控制,固定为最优桨距角；风速变化时，通过控制转速和叶尖速比，直到系统运行在最大风能捕获点。,75,3.1,最佳叶尖速比法,风机的叶尖速比,正比于风机转速,m,，且反比于风速,v,。假设最佳叶尖速比已知，并且风速可实时准确测得，则可以实时计算出当前风速下风机的最优转速（对应最大功率输出点）。控制电磁转矩，使得风机转速趋于此最优转速，可以实现系统的最大风能捕获。该方法物理概念明确，实现简单，但需要实时检测风速,v,和风机转速,m,，而且还需要已知最优叶尖速比,opt,。以下缺点限制了该方法的应用：,76,(1),桨叶迎风面的风速难以准确测得，影响控制精度；而且该方法对风速变化比较敏感，导致输入电网功率的波动较大；,(2),最佳叶尖速比由风机厂家的实验数据求得，而其会随环境因素而变化，限制了该方法的控制精度。,针对风速测量精度的问题，可以设计微型电子的风速、风向传感器等来改善风速测量精度；,其它措施：通过发电机输出功率和风机转速等信息结合已知的转速,-,功率曲线，对迎风面的风速进行估计，再根据估计值进行最大风能捕获控制，提高了控制精度。,77,3.2,最优转矩法,风速一定，风电系统运行在,最大功率点,时发电机输出的电磁转矩称为,最优转矩,。若已知最优风机转速,-,转矩曲线，通过转矩闭环控制，使得发电机电磁转矩实时跟踪此最优曲线，对应系统运行在最大风能捕获点。该方法避免了风速的检测，但需要风机转速和发电机电磁转矩的信息，同时还需已知最优转矩曲线。,78,3.2,最优转矩法,同样，该方法也有以下缺点：,(1),最佳转矩曲线由风机厂家的实验数据拟合而成，会随环境因素而变化，限制了该方法的控制精度；,(2),需已知发电机电磁转矩值，若增加转矩传感器，将导致系统成本显著增加；若由转矩公式求得该信息，则该方法将会对电机参数有很强的依赖性。,79,3.3,电功率信号反馈法,功率信号反馈方法以直接控制发电机输出有功功率为目标。,若不同风速下的最优风机转速,-,功率曲线已知，通过发电机电磁转矩直接控制其输出有功功率跟踪此曲线可实现最大风能捕获。,该方法也无需测量风速，但需检测风机转速和发电机输出功率，还需已知最优功率曲线。由于发电机输出功率可以由其电流电压值计算得到，因此此方法得到了广泛的应用。为更准确的跟踪最佳风能点，有研究采用飞轮等装置直接测量风力机所获取的风能，通过调节风机转速而更准确地实现最大风能捕获。同样，由于最优功率曲线易受环境变化的影响，该方法的控制精度受到了限制。,80,3.4,爬山搜索法,爬山搜索法不依赖于系统参数，给风机转速人为地加入一个变化量，根据发电机输出功率的变化确定风机转速的控制增量，通过控制发电机电磁转矩使得风机转速趋于给定，反复执行上述搜索策略，直到风电系统运行在最大功率点；由于不同风速下，风机的转速,-,功率曲线呈类抛物线关系，搜索法通过不断改变风机转速控制风电系统的运行点沿抛物线变化，直到其最优点，该过程形似爬山，因此称为“爬山搜索法”。根据搜索步长的不同，该方法又有恒定步长法、变步长搜索法等。,81,3.4,爬山搜索法,82,考虑风湍流的,MPPT,控制结构框图,83,尽管该方法不需要风机系统的参数，但是当风机惯性较大的时候，此方法却很难适用。风力机的输出机械功率一部分转换为发电机的输出电功率，一部分为系统损耗，包括轴上摩擦损耗和定转子电损耗，还有一部分转换为动能储存在风机桨叶中。对于大惯性风机，改变风机转速时，由于桨叶的缓冲作用，发电机输出电功率的变化并不明显，这些要素导致该方法每一步的搜索过程大大加长，在系统给定搜索时间的限制下，有时甚至无法搜索到最大风能捕获点。,3.4,爬山搜索法,84,）通过不断在线存储最大风能点信息以建立数据库，并用于以后的寻优控制中，加快了最大风能追踪的速度；,）通过对神经网络的离线训练，实现了快速的最大风能捕获控制。,）利用其它信息实现最大风能捕获的方法。如在采用双馈电机作为发电机的风电系统中，由于转子侧变频装置的直流母线上的功率随风机转速的变化曲线与风机转速,-,功率曲线相似，,）通过控制电磁转矩使得直流母线功率输出最大，从而近似获得了最大风能的转换。,为解决上述问题，可将智能控制融合到搜索法中：,85,3.5,智能最大功率获取算法,研究智能最大功率获取算法的原理是“搜索、记忆、复用”。,首先，为了从风中获取最大能量，系统必须找到最优运行点。,其次，要记录这些运行点，因为当同样状况再次发生时，系统能快速到达该点，不需要算法重新计算，重新计算需要较长的时间。,第三，记录的搜索结果的复用能改善系统响应，提升系统性能。,86,智能最大功率获取算法原理框图,87,4.1,双馈感应发电机的,数学模型,4.2,双馈感应发电机的,稳态分析和静态稳定问题,4.3,双馈感应发电机的,励磁控制,4.4,双馈感应发电机的,稳定性分析,4.,双馈感应发电机励磁控制 及其稳定性分析,88,4.1,双馈感应发电机的数学模型,4.1.1,双馈感应发电机相坐标系中的方程式,4.1.2,同步旋转轴系下双馈感应发电机方程式,89,90,4.1.1,相坐标系中的方程式,定子：,磁链方程：,转子：,91,4.1.2,同步旋转轴系下的方程式,Park,变换：,abc,相变量变换到,dqo,轴系的变换矩阵,逆变换矩阵,92,逆变换矩阵,变换矩阵,正交变换,：,93,4.1.3 Dq0,坐标系下基本方程,定子电压：,转子电压：,磁链方程：,94,4.1.4,标幺值系统下的基本方程式,电压方程,磁链方程,95,运动方程,电磁转矩,发电机的功率,标幺值系统下的基本方程式,96,4.2,双馈感应发电机的稳态分析 和静态稳定问题,4.2.1,双馈感应发电机的,稳态分析,4.2.2,稳态运行时,有功功率和无功功率控制,4.2.3,转子电流的,限制,对定子有功无功调节,的影响,4.2.4,电磁功率特性,和,静态稳定问题,97,4.2.1,双馈感应发电机的稳态分析,基本方程式与等效电路,稳态运行时能量流分析,相量图,稳态运行时有功功率和无功功率的控制,转子电流的限制对定子有功无功调节的影响,98,双馈感应发电机（,DFIG,）,等值电路：,电磁功率：,99,稳态运行时能量流分析,发电机亚同步状态能量流图,100,发电机超同步状态，,|S|,较小时，发电机能量流图,101,发电机超同步状态，,|S|,较大时，发电机能量流图,102,4.2.2,电磁功率特性和静态稳定问题,为定子电流产生的异步转矩,为转子电流产生的异步转矩,为同步转矩,103,静态稳定问题,广义同步运行时的静态稳定分析,确定的转速,n,及相应的转差率,S,广义异步运行时的静态稳定分析,转子励磁电源频率取决于转子的转速,104,转子电压给定时，,P,emmax,-S,的关系曲线,105,广义异步运行时的静态稳定分析,106,广义异步运行的双馈感应发电机有较大的静态稳定区域,(1),电机可以运行在超同步转速，定子电流产生的异步转矩表现为制动性质,(2),转子电流产生的异步转矩也为制动性质；,(3),转子电压相位的可调性，可以得到更大的制动性质的同步转矩。,107,4.3,双馈感应发电机的励磁控制,4.,3.1,定子磁场定向控制,4.,3.2,励磁的模糊,PID,控制,4.,3.3,定子磁链和转子转速的观测,108,基于交流电机变频调速的矢量控制策略,气隙磁场定向的矢量控制,109,双通道多变量反馈的励磁控制策略,110,4.3.1,定子磁场定向控制,111,4.3.1.1,定子有功功率和无功功率的控制,定子侧的有功功率和无功功率：,112,4.3.1.2,定子磁场幅值位置的确定,由观测器观测得到,定子两相静止坐标系中，定子磁链可以由下面的式子计算,纯积分的方法,113,4.3.1.3,转子物理量转换角的确定,通过测量的转子电流确定转换角,114,4.3.1.4,转子电流控制环,转子所需要的电压,115,4.3.1.6,控制系统的构成,控制信号,116,带转子位置传感器的定子磁链定向控制,117,无转子位置传感器的定子磁链定向控制,118,4.3.2,交流励磁的模糊自适应,PID,控制,1,）确定模糊量的隶属度,2,）前件强度,(Premise Quantification),的确定,3,）对比,(Matching),决定规则库中哪些规则被使用。,4,）确定每条规则的推理强度。,5,）解模糊。采用重心法解模糊，即,119,双馈感应发电机的模糊自适应控制,数值仿真,转子电流,d,轴给定有一阶跃模糊自适应控制,120,转子电流,q,轴给定有一阶跃模糊自适应控制,121,4.3.3,定子磁链和转子转速的观测,122,4.4,双馈感应发电机的稳定性分析,4.1,Lyapunov,稳定性的理论,4.2,模糊,PID,控制的双馈感应发电机的稳定性分析,123,4.4.1,Lyapunov,稳定性的理论,间接法,动力系统,雅可比矩阵,1,）若雅可比矩阵的所有特征根的实部,0,，,则系统是不稳定的。,3,）若所有特征根的实部,=0,，若干个特征根的实部,=0,，,则不能通过,Lyapunov,间接法来确定系统,是稳定的或不稳定的。,124,PID,控制下交流发电机的状态方程,125,控制系统的雅克比矩阵,126,平衡点的雅克比矩阵,127,模糊,PID,控制器相当于变参数的,PID,控制器,模糊控制器的输入、输出关系可以表示为,128,4.4.2 PID,控制的异步化同步 发电机的稳定性分析,一、发电机参数和特征根实部的关系,二、电流环电流给定和特征根实部的关系,三、,PI,调节器参数对控制系统稳定性的影响,129,PI,调节器参数对控制系统稳定性的影响,当,dq,轴电流、调节器比例系数给定时，积分系数和各特征根的关系,130,特征根实部最大值和积分系数的关系,由图可见，在一定的比例系数下，当积分系数较大时，特征根实部最大值大于零，系统将失去稳定，但并不是,Ki,越小越好，,Ki,较小时系统收敛趋缓。,131,给定一组,Kp,时，最大特征根和,Ki,的关系,132,特征根实部最大值和,ki,、,kp,的关系,133,不同的,PI,调节器参数,ki,、,kp,特征根实部最大值关系的等高线图,在给定的,kp,下，当积分项系数,ki,较大时，系统趋于不稳定，甚至导致系统失去稳定。并不是积分项系数,ki,越小系统的稳定性就越好，,ki,较小时，系统虽然是稳定的，但此时特征根实部最大值的绝对值较小，系统的收敛速度趋于缓慢。,从系统是否稳定的角度而言，对,kp,的取值范围较为宽松，但当,kp,较大或较小时，特征根实部最大值的绝对值较小，系统的收敛速度趋于缓慢。,134,其它的研究工作,双馈感应发电机的设计,交流励磁侧谐波的分析与抑制,定子磁链观测和转子转速的估计,将双馈感应发电机的控制和电力系统其它机组的控制有机的结合,135,5,风电并网的稳定性与电网安全问题,随着风力发电技术的不断进步，单台风电机组容量越来越大。目前，世界上主流风电机组额定容量一般为,12.SMW,，单台风电机组的最大额定容量已经可以达到,SMW,，因此风电场也能够比以往具有更大的装机容量。随着风电装机容量在各个国家电网中所占的比例越来越高，对电网的影响范围从局部逐渐扩大。目前，从全世界的范围来看，风电接入电网出现了与以往不同的特点，表现为,:,136,风电并网的稳定性与电网安全问题,(1),单个风力发电场容量增大，目前，国内已经有多个规划中容量高于,10,万,k,的风电场，在未来数年中，甚至可能出现,100,万,k,的大型风电基地,(2),风电场接入电网的电压等级更高，由以往接入配电网而发展为直接接入输电网络。,增加的风电接入容量与接入更高的电压等级使得电网受风电的影响范围更广；另外，由于风电机组往往采用不同于常规同步发电机的异步发电机技术，其静态特性及电网发生故障时的暂态特性与传统同步电机也有很大不同。,137,无论风电场装机容量大小、采用何种风电机组技术，风电接入电网都会对接入地区电网的电压稳定性带来不同程度的影响，而在风电穿透功率较大的电网中，风电接入除了会产生电压稳定问题外，由于改变了电网原有的潮流分布、线路传输功率与整个系统的惯量，因此风电接入后电网电压稳定性、暂态稳定性及频率稳定性都会发生变化。,138,另外，大量风电的接入势必替代电网中部分同步机，这部分同步机组的调频调压能力必须由其他同步机组或者是风电机组来承担，因此，国外越来越多的电网公司对于接入电网的大型风电场也提出更高的要求,:,例如有功功率控制能力、无功电压调整能力及风电机组的故障穿越能力。目前，欧洲各国及美国的风电并网导则都有类似的要求。从这个观点来看，对于以后越来越大型化的风电场，己经开始具备了发电厂的特性,:,而由于变速风力发电机组技术的进步及电力电子变频器在风力发电中的应用，其电压调整能力甚至是部分的调频能力已经逐步可以在风电机组中实现。,139,5.1,风电场并网静态电压稳定性研究（）,对于常规的电力系统电压稳定性研究而言，电压失稳或电压崩溃的现象都是从受端系统的负荷点开始的，由于负荷需求超出电力网络传输功率的极限，系统已经不能维持负荷的功率与负荷所需吸收的功率之间的平衡，系统丧失了平衡点，引起电压失稳现象的发生。而对于并网风电场的地区电网而言，在风电场处于高出力运行状态时，本来是受端负荷的系统转化称为送端系统，但根据世界各国实际的风电场运行经验，其电压稳定性降低的问题仍然出现，这是由于风电场的无功特性引起的,:,风电场的无功仍可以看做是一个正的无功负荷，由于电压稳定性与无功功率的强相关性，因此风电场引起的电压稳定性降低或电压崩溃现象在本质上与常规电力系统电压失稳的机理是一致的。,140,5.1,风电场并网静态电压稳定性研究（）,国内外有大量文献对风电并网的电压稳定性问题进行过研究。,采用基于普通异步发电机的恒速风电机组接入对电网电压稳定的影响：,研究表明恒速风电机组运行中发出有功功率的同时需吸收无功功率，整个风电场的无功需求较大，导致接入风电地区电网电压稳定性降低,;,并指出电压稳定问题还与并网点的短路容量、送出线路的,R/X,比、风电场的无功补偿措施有一定的关系。,141,5.1,风电场并网静态电压稳定性研究（）,基于双馈感应电机的变速风电机组的交流励磁控制技术及其对电网电压稳定性的贡献：,研究表明双馈电机的有功、无功解祸控制使得变速风电机组具有一定的无功调节能力，按照系统运行方式的要求及所采用的不同控制策略，风电机组可以吸收或发出无功功率进行电压控制。,142,5.1,风电场并网静态电压稳定性研究（）,进一步研究：,分析风速变化扰动导致的电压失稳的机理，恒速风电机组与变速风电机组不同的无功特性分析风电场影响电网静态电压稳定的机理。,143,5.,风电场并网暂态电压稳定性研究,由于基于普通异步发电机的恒速风电机组的电压稳定问题比较突出，且当前恒速风电机组仍然是绝大多数风电场中的主流机型，因此对于如何改善基于恒速风电机组风电场的电压稳定性尤其是暂态电压稳定性尤为值得关注和研究。,在电力系统中为了改善电网暂态电压稳定性，,可以应用,SVC,、,STATCOM,等动态无功补偿设备，这些动态无功补偿设备同样可以在风电场中应用，发挥其动态无功补偿的作用支撑电压。,144,5.3,风电场并网对电网频率稳定影响（）,在电网发生频率大幅度降低事故时，系统的惯量对于频率降低的变化率起到了决定作用：惯量越低，系统频率降低的越快。在电力系统中，对于严重的频率事故，系统惯量的降低对于电力系统的频率稳定是极为不利的。,基于异步发电机的恒速风电机组与基于双馈感应电机的变速风电机组在电网频率故障下的频率响应特性是不一样的。研究表明：,145,5.3,风电场并网对电网频率稳定影响究（）,对于基于普通异步机的恒速风电机组，由于转子转速与系统频率的耦合作用较强，当电力系统的频率降低时，恒速风电机组转速相应降低释放出其部分的转动动能，能够提供惯量响应,;,而目前的变速风电机组由于其转速与电网频率的完全解耦控制，致使在电网频率发生改变时无法对电网提供频率响应，因此在电网频率改变时，基于双馈电机的变速风电机组固有的惯量对电网则表现成为一个“隐含惯量”，无法帮助电网降低频率变化的速率。,146,5.3,风电场并网对电网频率稳定影响（,3,）,有研究表明，对于双馈电机，可以设计一附加频率控制环节，通过该控制环节，在系统损失部分发电电源后关键的初始几秒钟时间内控制双馈风电机组使其释放出风机叶轮、转子轴系中储存的动能以增加风电机组发出的功率，降低电网频率变化率。,引入附加频率控制环节的变速风电机组仅能够在很短的一段时间内,(,约,12s),对电网频率进行支持，降低频率变化率，而不能从根本上对提高电网频率的稳态值起作用。,147,5.3,风电场并网对电网频率稳定影响（）,整个电网中出现功率缺额后，若要使电网频率恢复到额定运行频率值，还需要部分传统同步机组参与电网的二次调频、发出更多的有功功率补偿整个系统的功率缺额，只有所有机组多发出的有功功率能够完全补偿系统的功率缺额，电网的频率才会恢复到初始的额定值。,148,风电场并网暂态电压稳定性研究的问题,(1),大规模风力发电接入电网后对原有电网暂态功角稳定影响的机理、风电接入后整个电网阻尼变化情况、对包含风电的大规模电力系统低频振荡机理的研究都是后续需要重点研究的内容。,(2),基于全功率变频器驱动的永磁多极同步发电机的变速风电机组也是目前风电机组的另外一个主要发展方向，其建模问题及对电网稳定性影响的研究也是当前需进行研究的工作之一。,149,风电场并网暂态电压稳定性研究的问题,(3),国际上另一个风电场并网研究的热点问题是对基于,VSC-HVDC,轻型直流输电的风电场并网方式的研究，由于,VSC-HVDC,同样具有有功、无功解耦控制的能力，而且通过交直交变频系统有效的隔离了风电场交流系统与主网交流系统，因此其对电网稳定性的影响也需深入研究。,150,Thank you all,谢 谢 ！,151,