風電機組控制與優(yōu)化運行

1、長沙理工大學 能源與動力工程學院第第1章章 緒論緒論風力發(fā)電機組的控制目標、風力發(fā)電機組的控制目標、任務及要求任務及要求風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容和基本組成要內(nèi)容和基本組成風力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展風力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展趨勢趨勢1.1 風力發(fā)電機組的控制目標、任務及要求風力發(fā)電機組的控制目標、任務及要求 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)是機組正常運行的核心，其控制技術(shù)是風力發(fā)電機組的關(guān)鍵技術(shù)之一，與風力發(fā)電機組的其他部分關(guān)系密切，其精確的控制、完善的功能將直接影響機組的安全與效率。 風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風況和機組的運行參數(shù)，在各種正?；蚬收?/p>

2、情況下脫網(wǎng)停機，以確保運行的安全性和可靠性；還要根據(jù)風速與風向的變化，對機組進行優(yōu)化控制，以保證機組穩(wěn)定、高效地運行。一、一、 風力發(fā)電機組的控制目標風力發(fā)電機組的控制目標 由于風力發(fā)電的特點，風力發(fā)電機組是一個復雜、多變量、非線性系統(tǒng)復雜、多變量、非線性系統(tǒng)，且有不確定性和多不確定性和多干擾干擾等特點。 風力發(fā)電系統(tǒng)的控制目標分為三個層次：保證風力發(fā)電機組的安全可靠運行保證風力發(fā)電機組的安全可靠運行獲取最大能量獲取最大能量提供高質(zhì)量的電能提供高質(zhì)量的電能二、二、 風力發(fā)電機組的控制任務及要求風力發(fā)電機組的控制任務及要求在運行的風速范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定；低風速時，跟蹤最佳葉尖速比，獲取最大風

3、能；高風速時，限制風能的捕獲，保持風力發(fā)電機組的輸出功率為額定值；減小陣風引起的轉(zhuǎn)矩波動峰值，減小風輪的機械應力和輸出功率的波動，避免共振；減小功率傳動鏈的暫態(tài)響應；控制器簡單，控制代價小，對一些輸入信號進行限幅；確保機組輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。1.2 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容和基本組成和基本組成 控制系統(tǒng)貫穿到風力發(fā)電系統(tǒng)的每個部分，相當于神經(jīng)系統(tǒng)。因此控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到風力發(fā)電機組的工作狀態(tài)、發(fā)電量多少以及設(shè)備的安全。對于不同類型的風力發(fā)電機組，控制單元有所不同（尤其是轉(zhuǎn)速和功率控制系統(tǒng)），這主要是因為發(fā)電機的結(jié)構(gòu)或類型不同而使得控制方法和手段也不相

4、同，從而形成多種結(jié)構(gòu)和控制方案。一、一、 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速和功率控制風力發(fā)電機組的偏航控制和解纜控制風力發(fā)電機組并網(wǎng)控制風力發(fā)電機組全自動啟動/停機控制風力發(fā)電機組運行狀態(tài)監(jiān)測補償電容投切控制風力發(fā)電機組故障診斷液壓與制動系統(tǒng)遠程通信二、二、 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的基本組成風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的基本組成 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和軟/硬件處理器系統(tǒng)組成。傳動系統(tǒng)制動裝置發(fā)電機換流器開關(guān)電網(wǎng)風補償電容各傳感器各執(zhí)行機構(gòu)軟/硬件處理器系統(tǒng)風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)二、二、 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的基本組成風力發(fā)

5、電機組控制系統(tǒng)的基本組成（一）（一） 傳感器傳感器 風速儀、風向標風速儀、風向標 轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器 電量采集傳感器電量采集傳感器 槳距角位置傳感器槳距角位置傳感器 各種限位開關(guān)各種限位開關(guān) 振動傳感器振動傳感器 溫度和油位傳感器溫度和油位傳感器 液壓系統(tǒng)壓力傳感器液壓系統(tǒng)壓力傳感器 操作開關(guān)、按鈕等操作開關(guān)、按鈕等 傳感器負責采集反映風力發(fā)電系統(tǒng)工作狀態(tài)的各個模擬量、數(shù)字量等工作參數(shù)信息。一般包括如下裝置：二、二、 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的基本組成風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的基本組成（二）（二） 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)是控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件。一般包括液壓驅(qū)液壓驅(qū)動裝置或電動變槳距執(zhí)行機構(gòu)動裝置或

6、電動變槳距執(zhí)行機構(gòu)、發(fā)電機轉(zhuǎn)矩控制器發(fā)電機轉(zhuǎn)矩控制器、發(fā)發(fā)電機接觸器電機接觸器、剎車裝置剎車裝置、偏航電機偏航電機等。(祥見教材第7章)（三）（三） 軟軟/硬件處理器系統(tǒng)硬件處理器系統(tǒng) 處理器系統(tǒng)負責處理傳感器的輸入信號，并發(fā)出輸出信號控制執(zhí)行機構(gòu)的動作。 處理器系統(tǒng)通常由計算機或微型控制器和可靠性很高的硬件安全鏈組成，以實現(xiàn)風力機運行過程中的各種控制功能，同時必須滿足當發(fā)生嚴重故障時，能夠保障風力發(fā)電機組處于安全的狀態(tài)。二、二、 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的基本組成風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的基本組成1.3 風力發(fā)電機組控制技術(shù)的發(fā)展趨勢風力發(fā)電機組控制技術(shù)的發(fā)展趨勢一、一、 風力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)

7、狀風力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀80年代中期開始使用風力發(fā)電場的定槳距恒定槳距恒速風力發(fā)電機組速風力發(fā)電機組，主要解決了風力發(fā)電機組的并網(wǎng)問題和運行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網(wǎng)技術(shù)軟并網(wǎng)技術(shù)、空空氣動力剎車技術(shù)氣動力剎車技術(shù)、偏航與自動解纜技術(shù)偏航與自動解纜技術(shù)，這些都是并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組需要解決的最基本問題。 20世紀90年代開始，風電機組的可靠性已經(jīng)大大提高，變槳距風電機組開始進入風力發(fā)電市場。采用變槳距的風力發(fā)電機組，起動時可以對轉(zhuǎn)速進行控制起動時可以對轉(zhuǎn)速進行控制，并網(wǎng)并網(wǎng)后可以對功率進行控制后可以對功率進行控制，使風力機的起動性能和功率輸出特性都有顯著的改善。變槳距

8、閉環(huán)控制系統(tǒng)的應用使風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的水平提高到一個新的階段。一、一、 風力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀風力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀90年代中期，基于變槳距技術(shù)的各種變速風力發(fā)電機組開始進入風電場。變速風電機組的控制系統(tǒng)與定速風電機組控制系統(tǒng)的根本區(qū)別在于：變速風電機變速風電機組是把風速信號作為控制系統(tǒng)的輸入變量來進行轉(zhuǎn)速和組是把風速信號作為控制系統(tǒng)的輸入變量來進行轉(zhuǎn)速和功率控制的功率控制的。 變速風電機組的主要特點是：低于額定風速時，它能跟蹤最佳功率曲線，使風電機組具有最高的風能轉(zhuǎn)換效率；高于額度風速時，它增加了傳動系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加穩(wěn)定。特別是解決了高次諧波與功率因數(shù)等問

9、題后，使供電效率、質(zhì)量有所提高。 目前的控制方法是：當風速變化時通過調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩或風力機槳距角使葉尖速比保持最佳值，實現(xiàn)風能的最大捕獲。一、一、 風力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀風力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 基于線性化模型的最佳葉尖速比的跟蹤控制以及利用風速測量值或電功率測量值進行的反饋控制，這些傳統(tǒng)的控制方法在隨機擾動大、不確定因素多、非線性嚴重的風電系統(tǒng)會產(chǎn)生較大誤差。 一些新的控制理論開始應用于風電機組控制系統(tǒng)： 模糊邏輯控制 神經(jīng)網(wǎng)絡智能控制 魯棒控制 二、二、 風力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展趨勢風力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展趨勢 隨著計算機、電力電子以及控制技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外大型風力發(fā)電機

10、組的控制方式正朝以下方向發(fā)展： 由定槳距向變槳距發(fā)展 由恒速恒頻向變速恒頻發(fā)展 由常規(guī)由常規(guī)PID控制向智能控制方向發(fā)展控制向智能控制方向發(fā)展 風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略根據(jù)控制器的不同可分為兩大類： 以數(shù)學模型為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)控制方法 模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的智能控制 二、二、 風力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展趨勢風力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展趨勢 由于風力發(fā)電機組是一個復雜的、強耦合、多變量的非線性系統(tǒng)，具有不確定性和多干擾等特點，所以傳統(tǒng)控制方法在風力發(fā)電系統(tǒng)中難以取得好的控制效果。而智能控制可充分利用非線性、變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)等各種功能來克服系統(tǒng)的參數(shù)時變與非線性因素，因此各種智能控制方案已開始

11、應用于風電機組控制領(lǐng)域。二、二、 風力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展趨勢風力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展趨勢 風力發(fā)電機控制系統(tǒng)除了控制發(fā)電機“獲取最大能量”外，還要使發(fā)電機向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能。因此要求控制系統(tǒng)： 盡可能產(chǎn)生較低的諧波電流； 能夠控制功率因數(shù)； 使發(fā)電機輸出電壓適應電網(wǎng)電壓的變化； 向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率。 目前國內(nèi)外兆瓦級以上技術(shù)較先進的、有發(fā)展前景的風力發(fā)電機組主要是雙饋型異步發(fā)電機雙饋型異步發(fā)電機和永磁直驅(qū)型同步發(fā)電永磁直驅(qū)型同步發(fā)電機機，兩者各有優(yōu)缺點。項目雙饋型風力發(fā)電機組永磁直驅(qū)型風力發(fā)電機組電控系統(tǒng)價格中高電控系統(tǒng)體積中大電控系統(tǒng)維護成本較高低電控系統(tǒng)平均效率較高高變流單元IGBT，單管額定電流小，技術(shù)難度大IGBT，單管額定電流大，技術(shù)難度小變流容量僅需要全功率的1/4全功率變流系統(tǒng)穩(wěn)定性中高電網(wǎng)電壓突然降低的影響電機端電流迅速升高電機扭矩迅速增大電流維持穩(wěn)定扭矩保持不變電機滑環(huán)需每半年更換碳刷，每2年更換滑環(huán)無表表1-1 雙饋型風力發(fā)電機組與永磁直驅(qū)型風力發(fā)電機組的綜合比較雙饋型風力發(fā)電機組與永磁直驅(qū)型風力發(fā)電機組的綜合比較項目雙饋型風力發(fā)電機組永磁直驅(qū)型風力發(fā)電機組電壓變化率電壓變化率高時需進行電壓濾波無高電壓變化電機電纜的電磁釋放有，需要屏蔽線無電磁釋放電機造價低高電機尺寸小大電機重量輕重塔架內(nèi)電纜工作電流類型高頻非正弦波，具有較大諧波分