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風力發(fā)電機組及其控制系統(tǒng)_第2頁
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文檔簡介

風力發(fā)電機組及其控制系統(tǒng)第1頁/共152頁2主要內(nèi)容中外風力發(fā)電概況風力發(fā)電的控制系統(tǒng)風電系統(tǒng)的最大風能捕獲控制雙饋感應發(fā)電機勵磁控制風電并網(wǎng)的穩(wěn)定性與電網(wǎng)安全問題第2頁/共152頁3世界一次能源需求在2005年到2030年期間將增長55%,年均增長率為1.8%,發(fā)展中國家在全球一次能源消費增量中約占74%,我國的能源需求在此期間也將保持年均3.2%的增長率煤炭在整個能源結構中居主導地位的燃料,石油消費量居次席,天然氣消費量的增速將高于其他化石燃料。核電、水電、生物燃料及其它可再生能源發(fā)展迅猛,但在能源體系中所占比例很小。1.中外風力發(fā)電概況第3頁/共152頁4全球電力需求的迅猛發(fā)展:電能已成為主要的不可或缺的應用能源之一。2005年到2030年期間,電力行業(yè)的投資約占能源供應總投資的三分之二。全球電力需求在未來的25年中將幾乎翻番,從2005年的15016TWh增加到2030年29737TWh,年需求增加2.8%發(fā)電總量將從2005年的18197TWh增加到2030年的35384TWh,燃煤發(fā)電在發(fā)電總量中所占的份額則從20%上升到23%。我國是世界上僅次于美國的第二大電力市場,預計到2030年的發(fā)電總量將達到8472TWh,占全球發(fā)電總量24%。第4頁/共152頁5風力發(fā)電的重要性民生問題能源問題環(huán)境問題經(jīng)濟發(fā)展可持續(xù)發(fā)展新型清潔、高效、可持續(xù)源體系解決能源問題的關鍵技術第5頁/共152頁6解決能源問題的關鍵技術第6頁/共152頁7風力發(fā)電的特點優(yōu)點缺點清潔,環(huán)境效益好噪聲,視覺污染可再生,永不枯竭占用大片土地基建周期短、投資少不穩(wěn)定,不可控裝機規(guī)模靈活目前成本仍很高技術相對成熟第7頁/共152頁8風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀產(chǎn)研結合的綜合體系電網(wǎng)運營商風電場開發(fā)商整機制造商零部件制造商R&D技術支持政府政策支持第8頁/共152頁9全球風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀第9頁/共152頁10中國的風能資源全國平均風能密度:100W/m210m高層風能資源總儲量:3.226×106MW實際可利用陸地風能資源儲量:2.53×105MW近海可開發(fā)風能資源是陸地的3倍多(中國氣象科學院)三峽26臺機組的容量為18200MW(約14個三峽)第10頁/共152頁11第11頁/共152頁12我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

累計裝機11,600余臺,總容量1215.3萬kW

共有風電場158個,100MW級10余個

整機開發(fā)研制的內(nèi)外資企業(yè)40余家

龍源電力等——風電場開發(fā)商風能研究中心(SUT)——R&D

基本體系已經(jīng)建立,進入初始發(fā)展階段后期第12頁/共152頁13中國主要風電整機制造商市場份額制造商名稱占本類型份額市場份額裝機容量內(nèi)、合資前五金風(GoldWind)35.02%21.63%2629.05MW華銳(Sinovel)28.74%17.75%2157MW東汽(DEC)17.19%10.61%1290MW運達(Windey)4.40%2.72%330.25MW航天安迅能3.34%2.06%250.50MW前五共計88.69%54.77%6656.8MW內(nèi)、合資總計100%61.76%7506.22MW第13頁/共152頁14中國主要風電整機制造商市場份額制造商名稱占本類型份額市場份額裝機容量外資前五歌美颯(Gamesa)33.41%12.77%1552.5MW維斯塔斯(Vestas)31.32%11.97%1455.2MW通用電氣(GE)13.72%5.25%637.5MW蘇司蘭(Suzlon)7.47%2.86%347.25MWNordex7.08%2.71%328.75MW前五共計93%35.56%4321.2MW外資總計100%38.23%4646.57MW第14頁/共152頁15風電產(chǎn)業(yè)全球風電發(fā)展趨勢機組容量大型化、產(chǎn)業(yè)規(guī)?;聲r期風電發(fā)展要求整體性要求更高、零部件相關技術有待提高與電網(wǎng)聯(lián)系緊密,能效、穩(wěn)定性要求提高控制系統(tǒng)重要性越發(fā)體現(xiàn)我國風電發(fā)展存在問題風電建設與技術支持體系的不平衡控制系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)最為薄弱第15頁/共152頁162.風電機組的構成“丹麥式”DFIG或PMSG功率控制

變速控制第16頁/共152頁172.1風力機的構造和氣動力特性第17頁/共152頁182.1.1風力機的類型從能量轉換的角度看,風力發(fā)電機組由兩大部分組成。其一是風力機,它的功能是將風能轉換為機械能;其二是發(fā)電機,它的功能是將機械能轉換為電能。2.1.1風力機的類型 1)水平軸風力機, 2)垂直軸風力機第18頁/共152頁191)水平軸風力機水平軸風力機的風輪圍繞一個水平軸旋轉,工作時,風輪的旋轉平面與風向垂直,風輪上的葉片是徑向安置的,與旋轉軸相垂直,并與風輪的旋轉平面成一角度φ(安裝角)。第19頁/共152頁20葉片數(shù)多的風力機通常稱為低速風力機,它在低速運行時,有較高的風能利用系數(shù)和較大的轉矩。它的起動力矩大,起動風速低,因而適用于提水。葉片數(shù)少的風力機通常稱為高速風力機,它在高速運行時有較高的風能利用系數(shù),但起動風速較高。由于其葉片數(shù)很少,在輸出同樣功率的條件下比低速風輪要輕得多,因此適用于發(fā)電。第20頁/共152頁21上風向:風輪在塔架的前面迎風旋轉,叫做上風向風力機。上風向風力機必須有某種調(diào)向裝置來保持風輪迎風。下風向:風輪安裝在塔架的下風位置的,則稱為下風向風力機。而下風向風力機則能夠自動對準風向,從而免除了調(diào)向裝置。但對于下風向風力機,由于一部分空氣通過塔架后再吹向風輪,這樣,塔架就干擾了流過葉片的氣流而形成所謂塔影效應,使性能有所降低。水平軸風力機隨風輪與塔架相對位置的不同而有上風向與下風向之分。第21頁/共152頁222)垂直軸風力機垂直軸風力機的風輪圍繞一個垂直軸旋轉。S型風輪達里厄型風力機第22頁/共152頁232)垂直軸風力機垂直軸風力機的主要優(yōu)點是可以接受來自任何方向的風,因而當風向改變時,無需對風。由于不需要調(diào)向裝置,使它們的結構設計簡化。垂直軸風力機的另一個優(yōu)點是齒輪箱和發(fā)電機可以安裝在地面上,這對于一個往往需要在一片呼嘯的大風中為一臺離地面幾十米高的水平軸風力機進行維修服務的人員來說,無疑是一個值得高度評價的特點。第23頁/共152頁24垂直軸風力機可分為兩個主要類別:一類是利用空氣動力的阻力作功,典型的結構是S型風輪。它由兩個軸線錯開的半圓柱形葉片組成,其優(yōu)點是起動轉矩較大,缺點是由于圍繞著風輪產(chǎn)生不對稱氣流,從而對它產(chǎn)生側向推力。對于較大型的風力機,因為受偏轉與安全極限應力的限制,采用這種結構形式是比較困難的。S型風力機風能利用系數(shù)低于高速垂直軸或水平軸風力機,在風輪尺寸、重量和成本一定的情況下提供的功率輸出較低,因而用作發(fā)電缺乏競爭力。第24頁/共152頁25垂直軸風力機可分為兩個主要類別另一類是利用翼型的升力作功,最典型的是達里厄(Darrieus)型風力機。它是法國人G·J·M·Darrieus于1925年發(fā)明的,1931年取得專利權。當時這種風力機并沒有受到注意,直到20世紀70年代石油危機后,才得到加拿大國家科學研究委員會(NationalResearchCouncil)和美國圣地亞(Sandia)國家實驗室的重視,進行了大量的研究?,F(xiàn)在是水平軸風力機的主要競爭者。

H型Δ型菱形Y型φ型第25頁/共152頁262.1.2風力機的結構和組成NORDEX80/2500kW型1、葉輪2、輪轂

3、機艙內(nèi)框架

4、葉輪軸與主軸連接5、主軸6、齒輪箱7、剎車盤

8、發(fā)電機的連接

9、發(fā)電機10、散熱器

11、冷卻風扇

12、風測量系統(tǒng)

13、控制系統(tǒng)

14、液壓系統(tǒng)15、偏航驅動16、偏航軸承

17、機艙蓋18、塔架

19、變槳距部分第26頁/共152頁27風力機的結構風力機

傳動鏈發(fā)電機變速發(fā)電技術第27頁/共152頁282.1.2風力機的結構和組成風輪一般由2~3個葉片和輪轂所組成,其功能是將風能轉換為機械能。第28頁/共152頁292.1.2風力機的結構和組成小型風力機的葉片部分采用木質(zhì)材料,中、大型風力機的葉片的趨勢都傾向于采用玻璃纖維或高強度復合材料。第29頁/共152頁302.1.2風力機的結構和組成調(diào)速或限速裝置當風速過高時,這些裝置還用來限制功率,并減小作用在葉片上的力。調(diào)速或限速裝置有各種各樣的類型,但從原理上來看大致有三類:一類是使風輪偏離主風向,另一類是利用氣動阻力,第三類是改變?nèi)~片的槳距角。第30頁/共152頁31調(diào)向裝置下風向風力機的風輪能自然地對準風向,因此一般不需要進行調(diào)向控制(對大型的下風向風力機,為減輕結構上的振動,往往也采用對風控制系統(tǒng))。上風向風力機則必須采用調(diào)向裝置,常用的有以下幾種:(1)尾舵主要用于小型風力發(fā)電機,它的優(yōu)點是能自然地對準風向,不需要特殊控制。第31頁/共152頁32(2)側風輪在機艙的側面安裝一個小風輪,其旋轉軸與風輪主軸垂直。如果主風輪沒有對準風向,則側風輪會被風吹動,產(chǎn)生偏向力,通過蝸輪蝸桿機構使主風輪轉到對準風向為止。第32頁/共152頁33(3)電動機驅動的風向跟蹤系統(tǒng)對大型風力發(fā)電機組,一般采用電動機驅動的風向跟蹤系統(tǒng)。整個偏航系統(tǒng)由電動機及減速機構、偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)和扭纜保護裝置等部分組成。偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括風向標和偏航系統(tǒng)調(diào)節(jié)軟件。風向標對應每一個風向都有一個相應的脈沖輸出信號,通過偏航系統(tǒng)軟件確定其偏航方向和偏航角度,然后將偏航信號放大傳送給電動機,通過減速機構轉動風力機平臺,直到對準風向為止。第33頁/共152頁342.1.2風力機的結構和組成傳動機構風力機的傳動機構一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和制動器等。但不是每一種風力機都必須具備所有這些環(huán)節(jié)第34頁/共152頁352.1.2風力機的結構和組成風力機的塔架除了要支撐風力機的重量,還要承受吹向風力機和塔架的風壓,以及風力機運行中的動載荷。它的剛度和風力機的振動有密切關系,如果說塔架對小型風力機影響還不太大的話,對大、中型風力機的影響就不容忽視了。第35頁/共152頁362.1.3風力機氣動力特性空氣動力:1)是由于氣流繞物體流動時,在物體表面處的流動速度發(fā)生變化,引起氣流壓力的變化,即物體表面各處氣流的速度與壓力不同,從而對物體產(chǎn)生合成的壓力;2)是由于氣流繞物體流動時,在物體附面層內(nèi)由于氣流粘性作用產(chǎn)生的摩擦力。第36頁/共152頁372.1.3風力機氣動力特性升力和阻力:1)上升Fy與氣流方向垂直,它使平板上升2)阻力Fx與氣流方向相同3)升力是使風力機有效工作的力,而阻力則形成對風輪的正面壓力。為了使風力機很好地工作,就需要葉片具有這樣的翼型斷面,使其能得到最大的升力和最小的阻力第37頁/共152頁38影響升力系數(shù)和阻力系數(shù)的因素

翼型的影響:第38頁/共152頁39影響升力系數(shù)和阻力系數(shù)的因素

攻角的影響:一種流線型葉片升力系數(shù)和阻力系數(shù)隨攻角變化的曲線。第39頁/共152頁40由于風輪旋轉時葉片不同半徑處的線速度是不同的,因而相對于葉片各處的氣流速度W在大小和方向上也都不同,如果葉片各處的安裝角都一樣,則葉片各處的實際攻角都將不同。這樣除了攻角接近最佳值的一小段葉片升力較大外,其它部分所得到的升力則由于攻角偏離最佳值而不理想。所以這樣的葉片不具備良好的氣動力特性。解決辦法:使葉片每一個截面的安裝角隨著半徑的增大而逐漸減小,可使氣流在整個葉片長度均以最有利的攻角吹向每一葉片元,從而具有比較好的氣動力性能。而且各處受力比較均勻,也增加了葉片的強度。這種具有變化的安裝角的葉片稱為螺旋槳型葉片第40頁/共152頁41由于風速是在經(jīng)常變化的,風速的變化也將導致攻角的改變。如果葉片裝好后安裝角不再變化,那么雖在某一風速下可能得到最好的氣動力性能,但在其它風速下則未必如此。解決辦法:為了適應不同的風速,可以隨著風速的變化,調(diào)節(jié)整個葉片的安裝角,從而有可能在很大的風速范圍內(nèi)均可以得到優(yōu)良的氣動力性能。這種槳葉叫做變槳距式葉片,而把那種安裝角一經(jīng)裝好就不再能變動的葉片稱為定槳距式葉片。顯然,從氣動性能來看,變槳距式螺旋槳型葉片是一種性能優(yōu)良的葉片。第41頁/共152頁42影響升力系數(shù)和阻力系數(shù)的因素

雷諾數(shù)的影響:

cy、cx不但與翼型及其在氣流中的位置有關,也與阻滯空氣流動的粘性力(即摩擦力)有關。這種粘性力可以用雷諾數(shù)Re[流體流動時的慣性力Fg和粘性力(內(nèi)摩擦力)Fm之比稱為雷諾數(shù)]L為弦長,γ為空氣的動粘力系數(shù)。γ=μ/ρ,μ為粘性系數(shù)雷諾數(shù)是一個無量綱數(shù)。雷諾數(shù)愈小的流動,粘性作用愈大;雷諾數(shù)愈大的流動,粘性作用愈小。雷諾數(shù)增加,由于翼型附面層氣流粘性減小,最大升力系數(shù)增加,最小阻力系數(shù)減小,因而升阻比增加。第42頁/共152頁43影響升力系數(shù)和阻力系數(shù)的因素

翼型表面粗糙度的影響:翼型表面由于材料加工以及環(huán)境的影響,不可能絕對光滑,總有些凹凸不平。我們把凹凸不平的波峰與波谷之間高度的平均值稱為粗糙度,記作k。翼型表面的粗糙度,特別是前緣附近的粗糙度,對翼型空氣動力特性有很大影響。一般情況下,粗糙度增大使cx增加,而對cy影響不大。實際情況中,真正的氣動光滑表面是不存在的。工程上只要表面粗糙度足夠小,隱匿在附面層底部,一般就不會引起摩擦阻力的增加。第43頁/共152頁44風力機的氣動力特性貝茲(Betz)理論動能捕獲裝置靜壓差動能第44頁/共152頁45風力機的氣動力特性貝茲(Betz)理論由于風輪在旋轉,使氣流產(chǎn)生落差,靠近風輪處的空氣壓力增高,通過風輪后壓力急劇下降,形成某種程度的真空,隨后真空程度逐漸減弱,直到恢復原來的壓力。設V為風輪前方遠處的風速,V1為通過風輪截面A的實際速度,V2為風輪后方遠處的風速,通過風輪的氣流在風輪前方的截面為A1,在風輪后方的截面為A2,風輪遠處的壓力為p1,風輪前后的壓力為pa和pb。在單位時間內(nèi),從風輪前到風輪后氣流動能的變化量就是為風輪所吸收并使風輪旋轉的風能E:第45頁/共152頁46風輪在單位時間內(nèi)所接收的動能也可用風作用在風輪上的力與風輪截面處的風速之乘積來表示根據(jù)流體的動量方程,風作用在風輪上的力等于單位時間內(nèi)通過風輪旋轉面的氣流動量的變化風輪可能吸收到的最大風能??第46頁/共152頁47V2=V/3,風輪可能吸收到的最大風能風能利用系數(shù)Cp

當V2=V/3第47頁/共152頁482.1.4風能利用系數(shù)在實際應用中常用風能利用系數(shù)Cp對葉尖速比λ的變化曲線表示該風輪的空氣動力特性。尖速比λ:風輪葉片的葉尖速度與風速之比第48頁/共152頁49現(xiàn)代三葉片風力機的功率特性曲線

第49頁/共152頁50葉片實度對運行特性的影響第50頁/共152頁51風能利用系數(shù)Cp只有在葉尖速比λ為某一定值λm時最大。在恒速運行的風力機中,由于風力機轉速不變,而風速經(jīng)常在變化,因此λ不可能經(jīng)常保持在最佳值(即使是采用變槳距葉片),Cp值往往與其最大值相差很多,使風力機常常運行于低效狀態(tài)。而變速運行的風力機,通過適當控制輸出功率的辦法,有可能使風力機在風輪葉尖速度與風速之比為恒定的最佳值的情況下運轉,從而使Cp在很大的風速變化范圍內(nèi)均能保持最大值,風能轉換為機械能的效率問題有可能得到最佳解決。第51頁/共152頁52主要結論風力機輸出功率:風能利用系數(shù):最大風能利用系數(shù)(貝茲極限):第52頁/共152頁53風力機特性捕獲能量—功率特性齒輪箱尺寸、匹配發(fā)電機類型—轉矩特性塔基設計—推力特性通常利用無量綱的性能曲線來表示風力機的運行特性是很方便的,假定風輪葉片的空氣動力特性正常,無量綱的風輪空氣動力性能將取決于葉尖速度比λ

和葉片槳距角β。因此,常以葉尖速度比和槳距角的函數(shù)來表示功率系數(shù)(Cp)、力矩系數(shù)(CQ)和推力系數(shù)(CT)。第53頁/共152頁542.2風力發(fā)電用的發(fā)電機2.2.1對發(fā)電機及發(fā)電系統(tǒng)的一般要求風力發(fā)電包含了由風能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉換過程,發(fā)電機及其控制系統(tǒng)承擔了后一種能量轉換任務。(1)高質(zhì)量地將不斷變化的風能轉換為頻率、電壓恒定的交流電或電壓恒定的直流電。(2)高效率地實現(xiàn)上述兩種能量轉換,以降低每度電的成本。(3)穩(wěn)定可靠地同電網(wǎng)、柴油發(fā)電機及其他發(fā)電裝置或儲能系統(tǒng)聯(lián)合運行,為用戶提供穩(wěn)定的電能。第54頁/共152頁552.2.2恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)一般來說比較簡單,所采用的發(fā)電機主要有兩種:1)同步發(fā)電機,運行于由電機極數(shù)和頻率所決定的同步轉速2)鼠籠型感應發(fā)電機,以稍高于同步速的轉速運行。第55頁/共152頁56感應發(fā)電機與同步發(fā)電機的比較項目感應發(fā)電機同步發(fā)電機結構定子與同步發(fā)電機相同,轉子為鼠籠型,結構簡單,牢固。轉子上有勵磁繞組和阻尼繞組,結構較復雜勵磁由電網(wǎng)取得勵磁電流,不需要勵磁裝置及勵磁調(diào)節(jié)裝置。需要勵磁裝置及勵磁調(diào)節(jié)裝置。尺寸及重量無勵磁裝置,尺寸較小,重量較輕。有勵磁裝置,尺寸較大,重量較重。并網(wǎng)強制并網(wǎng),不需要同步裝置。需要同步合閘裝置。穩(wěn)定性無失步現(xiàn)象,運行時只需適當限制負荷。負載急劇變化時有可能失步。維護檢修定子的維護與同步機相同,轉子基本上不需要維護。除定子外,勵磁繞組及勵磁調(diào)節(jié)裝置需要維護。第56頁/共152頁57感應發(fā)電機與同步發(fā)電機的比較項目感應發(fā)電機同步發(fā)電機功率因數(shù)功率因數(shù)由輸出功率決定,不能調(diào)節(jié)。由于需要電網(wǎng)供給勵磁的無功電流,導致功率因數(shù)下降。功率因數(shù)可以很容易地通過勵磁調(diào)節(jié)裝置予以調(diào)整,既可以在滯后的功率因數(shù)下運行,也可以在超前的功率因數(shù)下運行。沖擊電流強制并網(wǎng),沖擊電流大,有時需要采取限流措施。由于有同步裝置,并網(wǎng)時沖擊電流很小。單獨運行及電壓調(diào)節(jié)單獨運行時,電壓、頻率調(diào)節(jié)比較復雜。單獨運行時可以很方便地調(diào)節(jié)電壓。第57頁/共152頁582.2.3變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于風輪以變速運行,可以在很寬的風速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比,從而提高了風力機的運行效率,從風中獲取的能量可以比恒速風力機高得多。此外,這種風力機在結構上和實用中還有很多的優(yōu)越性。利用電力電子學是實現(xiàn)變速運行最佳化的最好方法之一,雖然與恒速恒頻系統(tǒng)相比可能使風電轉換裝置的電氣部分變得較為復雜和昂貴,但電氣部分的成本在中、大型風力發(fā)電機組中所占比例不大,因而發(fā)展中、大型變速恒頻風電機組受到很多國家的重視。第58頁/共152頁59變速發(fā)電技術特點:可獲得實時較優(yōu)的風能利用系數(shù)減少動態(tài)載荷使得葉輪獲得更好的氣動效應需使用變流器,成本增加,效率有所損失控制系統(tǒng)更為復雜對穩(wěn)定性要求更高變速運行的風力發(fā)電機有不連續(xù)變速和連續(xù)變速兩大類。第59頁/共152頁601)不連續(xù)變速系統(tǒng)一般說來,利用不連續(xù)變速發(fā)電機可以獲得連續(xù)變速運行的某些好處,但不是全部好處。主要效果是比以單一轉速運行的風電機組有較高的年發(fā)電量,因為它能在一定的風速范圍內(nèi)運行于最佳葉尖速比附近。但它面對風速的快速變化(湍流)實際上只是一臺單速風力機,因此不能期望它像連續(xù)變速系統(tǒng)那樣有效地獲取變化的風能。更重要的是,它不能利用轉子的慣性來吸收峰值轉矩,所以這種方法不能改善風力機的疲勞壽命。第60頁/共152頁612.雙繞組雙速感應發(fā)電機這種電機有兩個定子繞組,嵌在相同的定子鐵心槽內(nèi),在某一時間內(nèi)僅有一個繞組在工作,轉子仍是通常的鼠籠型。電機有兩種轉速,分別決定于兩個繞組的極數(shù)。比起單速機來,這種發(fā)電機要重一些,效率也稍低一些,因為總有一個繞組未被利用,導致?lián)p耗相對增大。它的價格當然也比通常的單速電機貴。1.采用多臺不同轉速的發(fā)電機通常是采用兩臺轉速、功率不同的感應發(fā)電機,在某一時間內(nèi)只有一臺被聯(lián)接到電網(wǎng),傳動機構的設計使發(fā)電機在兩種風輪轉速下運行在稍高于各自的同步轉速。第61頁/共152頁623.雙速極幅調(diào)制感應發(fā)電機這種感應發(fā)電機只有一個定子繞組,轉子同前,但可以有兩種不同的運行速度,只是繞組的設計不同于普通單速發(fā)電機。它的每相繞組由匝數(shù)相同的兩部分組成,對于一種轉速是并聯(lián),對于另一種轉速是串聯(lián),從而使磁場在兩種情況下有不同的極數(shù),導致兩種不同的運行速度。這種電機定子繞組有六個接線端子,通過開關控制不同的接法,即可得到不同的轉速。第62頁/共152頁632)連續(xù)變速系統(tǒng)連續(xù)變速系統(tǒng)可以通過多種方法來得到,包括:機械方法:用變速比液壓傳動或可變傳動比機械傳動電/機械方法:采用定子可旋轉的感應發(fā)電機電氣方法:高滑差感應發(fā)電機或雙定子感應發(fā)電機電力電子學方法:發(fā)電機可以是市場上已有的通常電機如同步發(fā)電機、鼠籠型感應發(fā)電機、繞線型感應發(fā)電機等,也有近來研制的新型發(fā)電機如磁場調(diào)制發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機等第63頁/共152頁64變速發(fā)電系統(tǒng)(同步發(fā)電機)發(fā)電機速度完全與電網(wǎng)解耦發(fā)電機轉矩由直流聯(lián)絡線控制通過去除阻尼繞組可以加速控制,減小不期望的低頻拍頻振蕩通過PWM技術可改善諧波變流器容量至少等于發(fā)電機容量第64頁/共152頁65變速發(fā)電系統(tǒng)(雙饋感應發(fā)電機)實現(xiàn)發(fā)電機超同步和次同步工況控制轉子電流幅值和相位,發(fā)電機可運行于任何期望的功率因數(shù)變流器產(chǎn)生的頻率疊加于轉子旋轉頻率,總合成恒定,變速范圍由饋送到轉子的頻率決定,目前可達到30%變流器容量相對較小控制系統(tǒng)更為復雜第65頁/共152頁66第66頁/共152頁67永磁同步發(fā)電機(PMSG)特點:結構簡單,運行可靠較高的功率質(zhì)量比不存在勵磁損耗,電機效率提高永磁材料使得輸出電壓分散輸出電壓、功率因數(shù)難以控制永磁材料生產(chǎn)成本較高第67頁/共152頁682.3控制系統(tǒng)研究明確控制系統(tǒng)目標、功能和相應的控制策略各單元控制器(功率控制器、速度控制器)的理論設計第68頁/共152頁69控制目標運行區(qū)域區(qū)域一區(qū)域二區(qū)域三區(qū)域四第69頁/共152頁70控制目標變化風速下的最大風能捕獲(區(qū)域二)以額定功率輸出(區(qū)域三)可靠的切入、切出(區(qū)域一、四)機械載荷及響應的優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量區(qū)域一區(qū)域二區(qū)域三區(qū)域四第70頁/共152頁71控制功能最大風能捕獲額定功率輸出制動控制最優(yōu)機械效應電網(wǎng)穩(wěn)定性及電能質(zhì)量控制第71頁/共152頁72控制策略功率控制器速度控制器第72頁/共152頁73風力發(fā)電機組控制框圖控制算法矢量控制第73頁/共152頁743風電系統(tǒng)的最大風能捕獲控制風機從風中吸收的功率與功率系數(shù)和風速的立方成正比。槳距角β一定時,功率系數(shù)Cp與葉尖速比λ呈拋物線關系,其凸點對應最大風能捕獲點,此處λ稱為最佳葉尖速比。最佳葉尖速比第74頁/共152頁75風電系統(tǒng)的最大風能捕獲控制當λ固定為最佳葉尖速比時,功率系數(shù)又與槳距角呈拋物線關系,其凸點對應此條件下的最大風能捕獲點,此處β稱為最優(yōu)槳距角,通常在零度角附近。思路:控制β固定為最優(yōu)槳距角;風速變化時,通過控制轉速和葉尖速比,直到系統(tǒng)運行在最大風能捕獲點。第75頁/共152頁763.1最佳葉尖速比法風機的葉尖速比λ正比于風機轉速Ωm,且反比于風速v。假設最佳葉尖速比已知,并且風速可實時準確測得,則可以實時計算出當前風速下風機的最優(yōu)轉速(對應最大功率輸出點)??刂齐姶呸D矩,使得風機轉速趨于此最優(yōu)轉速,可以實現(xiàn)系統(tǒng)的最大風能捕獲。該方法物理概念明確,實現(xiàn)簡單,但需要實時檢測風速v和風機轉速Ωm,而且還需要已知最優(yōu)葉尖速比λopt。以下缺點限制了該方法的應用:第76頁/共152頁77(1)槳葉迎風面的風速難以準確測得,影響控制精度;而且該方法對風速變化比較敏感,導致輸入電網(wǎng)功率的波動較大;(2)最佳葉尖速比由風機廠家的實驗數(shù)據(jù)求得,而其會隨環(huán)境因素而變化,限制了該方法的控制精度。針對風速測量精度的問題,可以設計微型電子的風速、風向傳感器等來改善風速測量精度;

其它措施:通過發(fā)電機輸出功率和風機轉速等信息結合已知的轉速—-功率曲線,對迎風面的風速進行估計,再根據(jù)估計值進行最大風能捕獲控制,提高了控制精度。第77頁/共152頁783.2最優(yōu)轉矩法風速一定,風電系統(tǒng)運行在最大功率點時發(fā)電機輸出的電磁轉矩稱為最優(yōu)轉矩。若已知最優(yōu)風機轉速—-轉矩曲線,通過轉矩閉環(huán)控制,使得發(fā)電機電磁轉矩實時跟蹤此最優(yōu)曲線,對應系統(tǒng)運行在最大風能捕獲點。該方法避免了風速的檢測,但需要風機轉速和發(fā)電機電磁轉矩的信息,同時還需已知最優(yōu)轉矩曲線。第78頁/共152頁793.2最優(yōu)轉矩法同樣,該方法也有以下缺點:(1)最佳轉矩曲線由風機廠家的實驗數(shù)據(jù)擬合而成,會隨環(huán)境因素而變化,限制了該方法的控制精度;(2)需已知發(fā)電機電磁轉矩值,若增加轉矩傳感器,將導致系統(tǒng)成本顯著增加;若由轉矩公式求得該信息,則該方法將會對電機參數(shù)有很強的依賴性。第79頁/共152頁803.3電功率信號反饋法功率信號反饋方法以直接控制發(fā)電機輸出有功功率為目標。若不同風速下的最優(yōu)風機轉速—-功率曲線已知,通過發(fā)電機電磁轉矩直接控制其輸出有功功率跟蹤此曲線可實現(xiàn)最大風能捕獲。該方法也無需測量風速,但需檢測風機轉速和發(fā)電機輸出功率,還需已知最優(yōu)功率曲線。由于發(fā)電機輸出功率可以由其電流電壓值計算得到,因此此方法得到了廣泛的應用。為更準確的跟蹤最佳風能點,有研究采用飛輪等裝置直接測量風力機所獲取的風能,通過調(diào)節(jié)風機轉速而更準確地實現(xiàn)最大風能捕獲。同樣,由于最優(yōu)功率曲線易受環(huán)境變化的影響,該方法的控制精度受到了限制。第80頁/共152頁813.4爬山搜索法爬山搜索法不依賴于系統(tǒng)參數(shù),給風機轉速人為地加入一個變化量,根據(jù)發(fā)電機輸出功率的變化確定風機轉速的控制增量,通過控制發(fā)電機電磁轉矩使得風機轉速趨于給定,反復執(zhí)行上述搜索策略,直到風電系統(tǒng)運行在最大功率點;由于不同風速下,風機的轉速—-功率曲線呈類拋物線關系,搜索法通過不斷改變風機轉速控制風電系統(tǒng)的運行點沿拋物線變化,直到其最優(yōu)點,該過程形似爬山,因此稱為“爬山搜索法”。根據(jù)搜索步長的不同,該方法又有恒定步長法、變步長搜索法等。第81頁/共152頁823.4爬山搜索法第82頁/共152頁83考慮風湍流的MPPT控制結構框圖第83頁/共152頁84盡管該方法不需要風機系統(tǒng)的參數(shù),但是當風機慣性較大的時候,此方法卻很難適用。風力機的輸出機械功率一部分轉換為發(fā)電機的輸出電功率,一部分為系統(tǒng)損耗,包括軸上摩擦損耗和定轉子電損耗,還有一部分轉換為動能儲存在風機槳葉中。對于大慣性風機,改變風機轉速時,由于槳葉的緩沖作用,發(fā)電機輸出電功率的變化并不明顯,這些要素導致該方法每一步的搜索過程大大加長,在系統(tǒng)給定搜索時間的限制下,有時甚至無法搜索到最大風能捕獲點。3.4爬山搜索法第84頁/共152頁851)通過不斷在線存儲最大風能點信息以建立數(shù)據(jù)庫,并用于以后的尋優(yōu)控制中,加快了最大風能追蹤的速度;2)通過對神經(jīng)網(wǎng)絡的離線訓練,實現(xiàn)了快速的最大風能捕獲控制。3)利用其它信息實現(xiàn)最大風能捕獲的方法。如在采用雙饋電機作為發(fā)電機的風電系統(tǒng)中,由于轉子側變頻裝置的直流母線上的功率隨風機轉速的變化曲線與風機轉速—-功率曲線相似,4)通過控制電磁轉矩使得直流母線功率輸出最大,從而近似獲得了最大風能的轉換。為解決上述問題,可將智能控制融合到搜索法中:第85頁/共152頁863.5智能最大功率獲取算法研究智能最大功率獲取算法的原理是“搜索、記憶、復用”。首先,為了從風中獲取最大能量,系統(tǒng)必須找到最優(yōu)運行點。其次,要記錄這些運行點,因為當同樣狀況再次發(fā)生時,系統(tǒng)能快速到達該點,不需要算法重新計算,重新計算需要較長的時間。第三,記錄的搜索結果的復用能改善系統(tǒng)響應,提升系統(tǒng)性能。第86頁/共152頁87智能最大功率獲取算法原理框圖第87頁/共152頁884.1雙饋感應發(fā)電機的數(shù)學模型

4.2雙饋感應發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)分析和靜態(tài)穩(wěn)定問題

4.3雙饋感應發(fā)電機的勵磁控制4.4雙饋感應發(fā)電機的穩(wěn)定性分析

4.雙饋感應發(fā)電機勵磁控制

及其穩(wěn)定性分析第88頁/共152頁894.1雙饋感應發(fā)電機的數(shù)學模型4.1.1雙饋感應發(fā)電機相坐標系中的方程式4.1.2同步旋轉軸系下雙饋感應發(fā)電機方程式

第89頁/共152頁90第90頁/共152頁914.1.1相坐標系中的方程式定子:

磁鏈方程:

轉子:

第91頁/共152頁924.1.2同步旋轉軸系下的方程式

Park變換:abc相變量變換到dqo軸系的變換矩陣逆變換矩陣第92頁/共152頁93逆變換矩陣變換矩陣正交變換:第93頁/共152頁944.1.3Dq0坐標系下基本方程定子電壓:轉子電壓:磁鏈方程:第94頁/共152頁954.1.4標幺值系統(tǒng)下的基本方程式

電壓方程

磁鏈方程

第95頁/共152頁96運動方程

電磁轉矩發(fā)電機的功率

標幺值系統(tǒng)下的基本方程式第96頁/共152頁974.2

雙饋感應發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)分析

和靜態(tài)穩(wěn)定問題

4.2.1雙饋感應發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)分析4.2.2穩(wěn)態(tài)運行時有功功率和無功功率控制4.2.3轉子電流的限制對定子有功無功調(diào)節(jié)的影響4.2.4電磁功率特性和靜態(tài)穩(wěn)定問題

第97頁/共152頁984.2.1雙饋感應發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)分析基本方程式與等效電路穩(wěn)態(tài)運行時能量流分析相量圖穩(wěn)態(tài)運行時有功功率和無功功率的控制轉子電流的限制對定子有功無功調(diào)節(jié)的影響

第98頁/共152頁99雙饋感應發(fā)電機(DFIG)等值電路:電磁功率:第99頁/共152頁100穩(wěn)態(tài)運行時能量流分析

發(fā)電機亞同步狀態(tài)能量流圖

第100頁/共152頁101發(fā)電機超同步狀態(tài),|S|較小時,發(fā)電機能量流圖

第101頁/共152頁102發(fā)電機超同步狀態(tài),|S|較大時,發(fā)電機能量流圖第102頁/共152頁1034.2.2電磁功率特性和靜態(tài)穩(wěn)定問題

為定子電流產(chǎn)生的異步轉矩

為轉子電流產(chǎn)生的異步轉矩

為同步轉矩

第103頁/共152頁104靜態(tài)穩(wěn)定問題廣義同步運行時的靜態(tài)穩(wěn)定分析

——確定的轉速n及相應的轉差率S

廣義異步運行時的靜態(tài)穩(wěn)定分析

——轉子勵磁電源頻率取決于轉子的轉速

第104頁/共152頁105轉子電壓給定時,Pemmax-S的關系曲線

第105頁/共152頁106廣義異步運行時的靜態(tài)穩(wěn)定分析第106頁/共152頁107廣義異步運行的雙饋感應發(fā)電機有較大的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域

(1)電機可以運行在超同步轉速,定子電流產(chǎn)生的異步轉矩表現(xiàn)為制動性質(zhì)(2)轉子電流產(chǎn)生的異步轉矩也為制動性質(zhì);(3)轉子電壓相位的可調(diào)性,可以得到更大的制動性質(zhì)的同步轉矩。第107頁/共152頁1084.3雙饋感應發(fā)電機的勵磁控制

4.3.1定子磁場定向控制4.3.2勵磁的模糊PID控制4.3.3定子磁鏈和轉子轉速的觀測第108頁/共152頁109基于交流電機變頻調(diào)速的矢量控制策略氣隙磁場定向的矢量控制

第109頁/共152頁110雙通道多變量反饋的勵磁控制策略第110頁/共152頁1114.3.1定子磁場定向控制第111頁/共152頁1124.3.1.1定子有功功率和無功功率的控制

定子側的有功功率和無功功率:

第112頁/共152頁1134.3.1.2定子磁場幅值位置的確定

由觀測器觀測得到定子兩相靜止坐標系中,定子磁鏈可以由下面的式子計算純積分的方法第113頁/共152頁1144.3.1.3轉子物理量轉換角的確定

通過測量的轉子電流確定轉換角

第114頁/共152頁1154.3.1.4轉子電流控制環(huán)

轉子所需要的電壓第115頁/共152頁1164.3.1.6控制系統(tǒng)的構成

控制信號第116頁/共152頁117帶轉子位置傳感器的定子磁鏈定向控制第117頁/共152頁118無轉子位置傳感器的定子磁鏈定向控制

第118頁/共152頁1194.3.2交流勵磁的模糊自適應PID控制

1)確定模糊量的隸屬度2)前件強度(PremiseQuantification)的確定3)對比(Matching),決定規(guī)則庫中哪些規(guī)則被使用。4)確定每條規(guī)則的推理強度。5)解模糊。采用重心法解模糊,即第119頁/共152頁120雙饋感應發(fā)電機的模糊自適應控制數(shù)值仿真轉子電流d軸給定有一階躍模糊自適應控制

第120頁/共152頁121轉子電流q軸給定有一階躍模糊自適應控制第121頁/共152頁122§4.3.3定子磁鏈和轉子轉速的觀測

第122頁/共152頁1234.4雙饋感應發(fā)電機的穩(wěn)定性分析

4.1Lyapunov穩(wěn)定性的理論4.2模糊PID控制的雙饋感應發(fā)電機的穩(wěn)定性分析第123頁/共152頁124

4.4.1Lyapunov穩(wěn)定性的理論——間接法

動力系統(tǒng)

雅可比矩陣

1)若雅可比矩陣的所有特征根的實部<0,則系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的。2)若雅可比矩陣的有一個或若干個特征根的實部>0,則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。3)若所有特征根的實部<=0,若干個特征根的實部=0,則不能通過Lyapunov間接法來確定系統(tǒng)是穩(wěn)定的或不穩(wěn)定的。第124頁/共152頁125PID控制下交流發(fā)電機的狀態(tài)方程

第125頁/共152頁126控制系統(tǒng)的雅克比矩陣第126頁/共152頁127平衡點的雅克比矩陣第127頁/共152頁128模糊PID控制器相當于變參數(shù)的PID控制器

模糊控制器的輸入、輸出關系可以表示為

第128頁/共152頁1294.4.2PID控制的異步化同步

發(fā)電機的穩(wěn)定性分析

一、發(fā)電機參數(shù)和特征根實部的關系二、電流環(huán)電流給定和特征根實部的關系三、PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

第129頁/共152頁130PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

當dq軸電流、調(diào)節(jié)器比例系數(shù)給定時,積分系數(shù)和各特征根的關系第130頁/共152頁131特征根實部最大值和積分系數(shù)的關系

由圖可見,在一定的比例系數(shù)下,當積分系數(shù)較大時,特征根實部最大值大于零,系統(tǒng)將失去穩(wěn)定,但并不是Ki越小越好,Ki較小時系統(tǒng)收斂趨緩。第131頁/共152頁132給定一組Kp時,最大特征根和Ki的關系第132頁/共152頁133特征根實部最大值和ki、kp的關系第133頁/共152頁134不同的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)ki、kp特征根實部最大值關系的等高線圖在給定的kp下,當積分項系數(shù)ki較大時,系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定,甚至導致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。并不是積分項系數(shù)ki越小系統(tǒng)的穩(wěn)定性就越好,ki較小時,系統(tǒng)雖然是穩(wěn)定的,但此時特征根實部最大值的絕對值較小,系統(tǒng)的收斂速度趨于緩慢。從系統(tǒng)是否穩(wěn)定的角度而言,對kp的取值范圍較為寬松,但當kp較大或較小時,特征根實部最大值的絕對值較小,系統(tǒng)的收斂速度趨于緩慢。第134頁/共152頁135其它的研究工作雙饋感應發(fā)電機的設計交流勵磁側諧波的分析與抑制定子磁鏈觀測和轉子轉速的估計將雙饋感應發(fā)電機的控制和電力系統(tǒng)其它機組的控制有機的結合第135頁/共152頁1365風電并網(wǎng)的穩(wěn)定性與電網(wǎng)安全問題隨著風力發(fā)電技術的不斷進步,單臺風電機組容量越來越大。目前,世界上主流風電機組額定容量一般為1~2.SMW,單臺風電機組的最大額定容量已經(jīng)可以達到SMW,因此風電場也能夠比以往具有更大的裝機容量。隨著風電裝機容量在各個國家電網(wǎng)中所占的比例越來越高,對電網(wǎng)的影響范圍從局部逐漸擴大。目前,從全世界的范圍來看,風電接入電網(wǎng)出現(xiàn)了與以往不同的特點,表現(xiàn)為:第136頁/共152頁137風電并網(wǎng)的穩(wěn)定性與電網(wǎng)安全問題(1)單個風力發(fā)電場容量增大,目前,國內(nèi)已經(jīng)有多個規(guī)劃中容量高于10萬kW的風電場,在未來數(shù)年中,甚至可能出現(xiàn)100萬kW的大型風電基地(2)風電場接入電網(wǎng)的電壓等級更高,由以往接入配電網(wǎng)而發(fā)展為直接接入輸電網(wǎng)絡。增加的風電接入容量與接入更高的電壓等級使得電網(wǎng)受風電的影響范圍更廣;另外,由于風電機組往往采用不同于常規(guī)同步發(fā)電機的異步發(fā)電機技術,其靜態(tài)特性及電網(wǎng)發(fā)生故障時的暫態(tài)特性與傳統(tǒng)同步電機也有很大不同。第137頁/共152頁138無論風電場裝機容量大小、采用何種風電機組技術,風電接入電網(wǎng)都會對接入地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性帶來不同程度的影響,而在風電穿透功率較大的電網(wǎng)中,風電接入除了會產(chǎn)生電壓穩(wěn)定問題外,由于改變了電網(wǎng)原有的潮流分布、線路傳輸功率與整個系統(tǒng)的慣量,因此風電接入后電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性及頻率穩(wěn)定性都會發(fā)生變化。第138頁/共152頁139另外,大量風電的接入勢必替代電網(wǎng)中部分同步機,這部分同步機組的調(diào)頻調(diào)壓能力必須由其他同步機組或者是風電機組來承擔,因此,國外越來越多的電網(wǎng)公司對于接入電網(wǎng)的大型風電場也提出更高的要求:例如有功功率控制能力、無功電壓調(diào)整能力及風電機組的故障穿越能力。目前,歐洲各國及美國的風電并網(wǎng)導則都有類似的要求。從這個觀點來看,對于以后越來越大型化的風電場,己經(jīng)開始具備了發(fā)電廠的特性:而由于變速風力發(fā)電機組技術的進步及電力電子變頻器在風力發(fā)電中的應用,其電壓調(diào)整能力甚至是部分的調(diào)頻能力已經(jīng)逐步可以在風電機組中實現(xiàn)。第139頁/共152頁1405.1風電場并網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性研究(1)對于常規(guī)的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性研究而言,電壓失穩(wěn)或電壓崩潰的現(xiàn)象都是從受端系統(tǒng)的負荷點開始的,由于負荷需求超出電力網(wǎng)絡傳輸功率的極限,系統(tǒng)已經(jīng)不能維持負荷的功率與負荷所需吸收的功率之間的平衡,系統(tǒng)喪失了平衡點,引起電壓失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。而對于并網(wǎng)風電場的地區(qū)電網(wǎng)而言,在風電場處于高出力運行狀態(tài)時,本來是受端負荷的系統(tǒng)轉化稱為送端系統(tǒng),但根據(jù)世界各國實際的風電場運行經(jīng)驗,其電壓穩(wěn)定性降低的問題仍然出現(xiàn),這是由于風電場的無功特性引起的:風電場的無功仍可以看做是一個正的無功負荷,由于電壓穩(wěn)定性與無功功率的強相關性,因此風電場引起的電壓穩(wěn)定性降低或電壓崩潰現(xiàn)象在本質(zhì)上與常規(guī)電力系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的機理是一致的。第140頁/共152頁1415.1風電場并網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性研究(2)國內(nèi)外有大量文獻對風電并網(wǎng)

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