风力发电技术中的的控制问题课件.ppt

风力发电技术中的控制问题 罗力恒（luoliheng@suda.edu.cn） 苏州大学机电学院自动化系 纲要 绪论 风力发电机控制技术中所涉及的学科 风力发电系统的种类与基本特性 定桨距风力发电机组中的控制问题 变桨距风力发电机组中的控制问题 变速风力发电机组中的控制问题 1 绪论 技术创新使风电技术日益成熟。一个重要原因是各国积极以科学的发展观,采取技术创新,使风电技术日益成熟。在风电机组叶片设计和制造过程中广泛采用了新技术和新材料，风电控制系统和保护系统广泛应用电子技术和计算机技术,有效地提高风力发电总体设计能力和水平,而且新材料和新技术对于增强风电设备的保护功能和控制功能也有重大作用 （1）风力发电单机容量继续稳步上升。 （2）变桨调节方式迅速取代失速功率调节方式 （3）变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式 （4）无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大 近年来，风力发电技术有三个发展趋势 （1）海上风力发电将风机从陆地移向海面成为一种新的趋势 （2）采用无刷双馈电机 （3）应用新型变流器 风力发电机组中的控制技术 自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的切入（电网）和切出（电网）、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的监测和保护必须能够自动控制。 同时，风力资源丰富的地区通常都是海岛或边远地区甚至海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够远程监控，这就对风力发电机组控制的可靠性提出了更高的要求。 2 风力发电机控制技术中所涉及的学科 风力发电系统是一个包涵各学科的复杂独立系统。 空气动力学：叶片；风能的动力学特性等 机械工程：齿轮箱；各种传动设备；液压系统等 电机学：双馈发电机；同步发电机等 电力电子技术：变流模块；IGBT模块等 电力系统自动化：无功补偿；功率检测；输变电等 运动控制系统：变频控制；交流异步电机的矢量控制等 微型计算机及DSP技术：控制单元的CPU。 3 风力发电系统的种类与基本特性 并网的发电系统 并网的风电系统的风电机直流与电网相连接。由于涡轮风机的转速随着外来的风速而改变，不能保持一个恒定的发电频率，因此需要有一套变流变频系统相配套。由风机产生的电力进入交流变频系统，通过交流变频系统转换成交流电网频率的交流电，再进入电网。 异步感应发电机 通过晶闸管控制的软并网装置接入电网。在同步速度附近合闸并网，冲击电流较大，另外需要电容无功补偿装置。这种机型比较普遍。Vestas，NEG Micon，Nordex 绕线转子异步发电机 外接可变转子电阻，通过一组电力电子器件来调整转子回路的电阻，从而调节发电机的转差率。 Vestas V47 双馈感应发电机 转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率的双向流动。根据风速的变化和发电机转速的变化，调整转子电流频率的变化，实现恒频控制。只需要较小容量的变频器，并且可实现有功、无功的灵活控制。DeWind D6 同步发电机 取消了增速齿轮箱，采用风力机对同步发电机的直接驱动方式。Enercon E266 非并网（独立）的风电系统 独立的风电系统主要建造在电网不易达到的边远地区。同样，由于风力发电输出功率的不稳定和随机性，需要配置充电装置（蓄电池）。 混合型发电系统（风力机和柴油机混合，风力机和氢能混合） 风力机的基本特性 1.风力机的能量转换过程 气流的动能： 从上式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。其中空气密度和风速随地理位置、海拔、地形等因素而变。 如果假定空气是不可压缩的，由连续条件可得： 风作用在风轮上的力可由Euler理论写出： 故风轮吸收的功率为 此功率是由动能转换而来的。从上游至下游动能的变化 令上述两式相等，得到 作用在风轮上的力和提供的功率可写为 Betz理论的极限值 对上式求极值可得， 上式说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。 2.风力机的特性系数 (2)叶尖速比 (3)风力机产生的机械功率 (4)风力机输出机械功率与转速的关系曲线 4 定桨距风力发电机组中的控制问题 20世纪80年代进入风力发电市场 解决了并网问题和运行的安全性与可靠性问题。 控制问题：软并网技术；空气动力刹车技术；偏航与自动解缆技术； 特点：功率输出由桨叶自身性能限制，节距角固定，发电机的转速由电网频率限制。在允许的风速范围内，对由于风速变化引起输出能量的变化不作任何控制。 4.1 定桨距风力发电机组的开环控制结构 4.2 定桨距风力发电机组的特点 (1)风轮结构 定桨距风力发电机组的主要特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，即