2022年风力发电技术系列讲座.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 风力发电技术系列讲座 3 风力发电掌握技术的进呈现状王宏华 河海高校自动化工程系 , 南京 ,210098 摘要 ：本文阐述了风力发电掌握系统的基本结构和工作原理,综述了风力发电掌握技术的进呈现状及进展趋势；关键词： 风力发电,系统,掌握The Series of Lectures on Wind Power TechnologyPart 3 Development of Control Technologiesfor Wind PowerSystem Wang Honghua Department of Automation Engineering ,HohaiUniversity ,Nanjing,210098,China Abstract:This paper describes the principle and structure of wind power control system, and presents the latest development trend and research progress of control technologiesforwind power system . Key words: Wind power,System , Control 0.引言行操作、状态显示、故障记录、趋势曲线、绘制报表、用户治理等功能；软切入掌握的众所周知,风能是一种能量密度低、稳 定性差的能源,保证运行的牢靠性和安全 性、提高风力发电的质量和效率、延长风电 机组的寿命是风力发电掌握系统的基本目 标；图 1 为基于 DCS技术的大型风电机组控 制系统总体结构框图 1-5 ；图 1 风电机组掌握系统总体结构主掌握器监测电力参数、风力参数、机主要功能是限制发电机并网和大小发电机切 换时的冲击电流、平稳风力发电机并网过渡 过程；偏航掌握系统主要包括自动偏航、手 动偏航、 90 o 侧风、自动解缆等功能 2；大 型风电机组均采纳主动对风掌握,当风轮主 轴方向与风向标指向偏离超出答应偏差范畴 且连续肯定时间后,偏航系统掌握伺服（偏 航）电动机运转使风轮主轴方向跟踪主风 向；液压系统执行风力机的变桨距和制动操 作,实现风电机组的功率掌握、转速掌握及 开停机掌握；制动系统是风电机组安全保证 的重要环节,在定桨距机组中,通过叶尖挠 流器执行气动刹车；而在变桨距机组中,通 过掌握变桨距机构也可掌握机械刹车机构；另外,风电机组的掌握设备仍包含安全 爱护系统,其是传感器和工控机的集成,包名师归纳总结 组状态参数,起/停其他功能模块,实时监括超速爱护、电网失电爱护、电气爱护（过第 1 页,共 6 页控风电系统工作状态；人机界面主要实现运电压及短路爱护、防雷击爱护等）、机组振- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 作者简介： 王宏华（ 1963）,男,江苏泰州人,博士；现为河海高校教授、博士生导师；讨论方向为新型交直流电力传动等制器将桨距角调至0 o 邻近并固定,发电机；动爱护、发电机过热爱护等,主要执行停机和紧急停机程序,其具有最高优先权,可进 入至少两套刹车系统；以上概述了风电机组掌握系统的一般 功能,为了更好地实现提高风力发电质量、的功率依据叶片的气动性能随风速变化而变 化；当风速过高,高于额定功率时,增大桨 距角使风轮迎风面积减小,从而将发电机功 率保持在额定值；变桨距调剂具有额定点风效率的目标,应对风电机组的稳态运行工作 能利用系数较高、起 / 制动性能好、输出功点进行精确掌握,其掌握技术进展的 3 个主 率平稳等优点,故成为大型风电机组的正确要阶段为：从起源于丹麦的定桨距恒速恒频 掌握到 20 世纪 90 岁月进展起来的变桨距恒挑选；但随着并网机组向大型化方向进展,桨叶转动惯量庞大（大型风机的单个叶片重速恒频掌握；再到目前已广泛应用的变桨距 达数吨,有的风轮直径已达一百多 M）,仅变速恒频掌握；本文总结了这 3 个进展阶段 采纳桨距角掌握难以适应风速的快速变化；的运行掌握技术,综述了风力发电掌握技术 为了有效掌握快速变化的风速引起的功率波的进展趋势；动 , 近 年 来 出 现 了 采 用 转 子 电 流 控 制1.定桨距失速掌握（RCC）技术以调整绕线型异步发电机转差 率的新型变桨距掌握系统 1 ,如图 2 所示；定桨距风力机的桨叶固定在轮毂上,桨 叶的迎风角度不随风速的变化而转变,即叶 片桨距角不行调；当风速高于额定风速（一 般为 1216m/s）时,其依靠于叶片特殊的 翼形结构所具备的自动失速性能而将功率自 动限制在额定值邻近；20 世纪 80 岁月叶尖 挠流器在定桨距风电机组得到胜利应用,使 桨叶自身具备了制动才能,有效解决了突甩 负载情形下的安全停机问题；为了使机组在低风速段运行时具有较高效率,定桨距风电 机组采纳双速发电机、双绕组双速感应发电 机等以实现不连续变速功能 2 ；对联网运行 的定桨距风电机组,晶闸管恒流软切入装置图 2 带转差率调剂的变桨距掌握系统 图 2 中,转速掌握器的输出为桨距给 定,桨距掌握器为非线性比例掌握器,其输 出掌握液压伺服系统,使桨距角变化；其是其掌握系统的重要部分；中,转速掌握器A 在发电机并网前工作,即定桨距失速掌握无功率反馈系统和变桨 距机构,结构简洁,安全系数较高,不需要 复杂的掌握程序,但其性能受叶片失速性能在机组进入待机状态或从待机状态重新起动 时投入工作,通过调剂桨距角,使发电机以 肯定的加速度升速,当发电机在同步转速限制,起动风速较高,在风速超过额定值时（50Hz 时 1500r/min ）10r/min （可调）发电功率下降；为了提高功率调剂性能,近 年来又研制出主动失速型风电机组 1-2 ；2.变桨距掌握变桨距风轮的桨叶与轮毂不象定桨距那 样采纳刚性联接,其叶片的桨距角可随风速 变化进行调剂,以调剂风电机组的功率；在 额定功率以下时,为最大限度获得风能,控内连续 1s（可调）时发电机将切入电网,并切换为转速掌握器 B 和功率掌握器工作；转速掌握系统 B 的输入为速度偏差和风速,在达到额定值前,速度给定随功率给定按比例增加；如风速和功率输出始终低于额定,将依据风速输出正确的桨距给定,以优化叶尖速比；如风速超出额定,通过转变桨距角使发电机转速跟踪给定,将输出功率稳名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 定在额定；图2 中,风速信号是经低通滤波P optK3 i器后参加桨距掌握的,即桨距掌握对瞬变风速并不响应；在瞬变风速下维护输出功率稳 定是通过功率掌握器进行的,其通过绕线型 异步发电机转子电流掌握环实现（参见本系式中,KS R/opt 3Cpmax/2, 为空气密度, S 为风轮扫风面积,R 为风轮半列讲座（ 2）中的图1“ 绕线转子电流受控径, opt 为正确叶尖速比,Cpmax 为最大风能的异步风力发电机” 结构）,即依据功率控 制器输出的电流给定值,通过电力电子装置 调整转子回路等效电阻（其动作时间在毫秒 级以下）,从而快速调剂发电机转差率,即 快速转变风轮转速,吸取瞬变风速引起的功 率波动,实现额定风速以上且风速频繁变化利用系数；目前常用的最大风能跟踪掌握方法有如 下 3 种基本方法；3.1.1风速跟踪掌握实时测量风速,然后依据风电机组的功 率特性,推算出访风轮叶尖速比保持在正确时的发电机输出额定功率, 削减变距机构的动作频率和幅度；3.变速掌握值的发电机所需正确转速nopt ,掌握变速发电机的转速使其跟踪正确转速nopt ,从而实现 MPPT；目前,变桨距变速恒频风电机组已成为 大型并网风电机组的主流机型,其基本掌握 策略为：低于额定风速时,掌握发电机转速 以跟踪风速变化,使风轮叶尖速比保持在最虽然这种方法的原理简洁明白,但必需 已知风力机特性,且要求测量的风速与作用 在桨叶上的风速有良好的关联性；然而,由 于风速在时间、空间上的随机变化,很难精佳值,实现最大风能跟踪（MPPT）掌握；高确测得与到达风轮上的风速一样的结果,这于额定风速时,调剂桨距以限制风力机吸取 的功率不超过极限值,并在风速大幅度变化 时使发电机保持输出功率恒定；限制了该方法的工程应用；为了克服风速跟 踪掌握方法的缺点,显现了多种基于风速预 测方法的改进掌握系统 1 ；31 额定风速以下实现MPPT的转速掌握3.1.2 功率反馈掌握图 3 为桨距角不变,不同风速Vi 下风实时测量发电机转速（就可得到风轮角力机的输出功率特性；图中,i 是对应Vi速度 ）,依据风轮角速度 和风力机最大使风力机具有正确叶尖速比 opt 的风轮角速功率曲线Popt,实时运算发电机的输出有功功率指令 P *,掌握发电机的输出有功功率使度,将Vi 、i 对应的各风速下最大输出功其跟踪指令P *,即可实现MPPT；以上实现 10 ：设原先在风率点相连即为最大功率曲线Popt；MPPT的过程可用图2 说明速 V5下机组稳固运行在Popt 曲线的 E 点,此时风力机输出功率和发电机输入功率均为PE,两者平稳,风轮以正确角速度 5 稳固 运行；如风速由 V5 突升至 V4,风力机的工 作点将由 E 跳动至 F,对应的输出功率跃变 至 PF,而发电机却因惯性和掌握滞后仍临时 工作在 E 点,因 PF>PE,发电机将升速；在 升速过程中,风轮沿其固有的功率特性 FD 曲线增速,而采纳功率反馈掌握的发电机就图 3 风力机功率特性沿最大功率曲线增速,两者到达D点时,重新建立起功率平稳,风轮以与风速V4 相对在 Popt 曲线上运行的风力机将输出最大应正确角速度 4稳固运行；名师归纳总结 功率 Popt,即该方法不需要测量风速,但需要已知风第 3 页,共 6 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 力机最大功率曲线和发电机损耗特性,以获得有功功率指令 P *；讨论说明 10 ：即使在P *的运算不很精确时,也可使发电系统运行在“ 次正确状态” ,获得较抱负的最大风能跟踪掌握成效,故该方法颇具有用价值；4 1 风力发电系统智能掌握 风电机组是一类复杂的非线性系统,其 精确的数学模型难以建立,采纳基于数学模型的传统掌握难以使系统在全部运行状态下 获得中意的动、静态性能；随着不依靠于数3.1.3 最大功率搜寻掌握学模型的智能掌握技术的进展,模糊掌握和2 维其依据是在某一固定风速下,风力机的人工神经网络在风电机组掌握领域应用方兴 未艾,并成为讨论热点之一 16 ；功率特性 P 为凸函数；在有的文献中,该方法也称为爬山搜寻算法 9 、功率扰动控制 12 ,其通过施加人为的功率扰动进行离文献 13 在桨距掌握器设计中引入模糊掌握算法,仿真结果验证了在风速高于散迭代掌握,使风轮机的工作点“ 一步一 步” 地沿其功率曲线移动到最大值邻近,且 保持肯定的波动；以人为施加转速扰动引起 功率变化从而自动搜寻发电机正确转速 nopt 实现 MPPT为例说明如下 9 ：运算当前风力额定风速且频繁变化时,基于模糊掌握算法 的变桨距掌握器能够随风速变化不断调剂桨 距角,使风力发电机输出功率稳固在额定值 邻近；文献 14 对基于模糊掌握的双馈风力 发电空载并网技术进行了讨论,其在有刷双机功率 Pk, 并和上一掌握周期的风力机功 馈异步发电机转子可逆变流装置的掌握中,率 Pk-1 比较,如 Pk=Pk-Pk-1>0, 采纳了参数自整定模糊 PI 掌握器,即利用就保持发电机转速指令的扰动值 n 的符号 模糊掌握规章对 PI 算法的比例参数和积分不变,连续进行下一周期的转速扰动；否 参数在线调整,仿真说明该掌握算法可有效就,如 Pk=Pk-Pk-1<0, 就应将转速 提高系统的鲁棒性；文献 15 就在基于爬山指令的扰动值 n 的符号反号,连续进行下 搜寻算法实现小型风电系统 MPPT 的掌握一周期的转速扰动；因当前的 n 与上周期 系统中引入模糊 /PI D 双模掌握,大范畴搜的转速指令相加即为新的转速指令,故如风 索用模糊掌握,小范畴搜寻就用 PID,仿真机功率渐增,就将保持转速指令值渐增（或 渐减）；如风机功率减小,就应转变转速指说明：模糊 /PI D 双模掌握能使系统平稳跟 踪最大功率点,发电机稳态输出功率波动较令变化的方向；小；该方法的优点是无需测风装置,对风力 人工神经网络具有映射任意非线性输入机功率特性的明白要求不高,系统有自动跟- 输出关系的才能；可基于 BP网建立桨距角随与自适应才能；缺点是即使风速稳固,发 电机稳态功率输出仍有波动,掌握周期不能 太小,系统调剂时间较长 12 ；1 32 额定风速以上的功率掌握 在风速超过额定风速时,变速风电机组 的掌握系统通过调剂风力机风能利用系数,实现保持发电机输出功率恒定、使机组传动全范畴变化时的风能利用系数模型；也可建 立以风速、风轮角速度、功率为输入,桨距 角指令值为输出的 BP网,构成基于 BP网的 桨距掌握器 1 ,实现桨距掌握的目标；文献 16 挑选风力机转速和风速作为直接样本数 据,运算得到的风力机输出功功率为间接样 本数据,经离线训练,建立了以风力机转速系统具有良好柔性的基本目标；和功率为输入、风速为输出的BP 网风速预目前,有两种转变风力机风能利用系数 的方法；其一,掌握发电机电磁制动转距,测模型,并将该风速猜测模型应用于采纳风 速 跟 踪控 制方 法 的直 驱式 风 力发 电系 统以调剂发电机转速,进而调整叶尖速比；其 MPPT 掌握,仿真结果说明基于 BP 网的风二,调剂桨距角以转变风轮迎风面积,从而 速猜测模型正确、可行；文献 17 在变速恒调剂空气动力转矩；应当指出,抱负的掌握 频双馈异步发电机定子有功功率掌握中引入方案是采纳转速与桨距双重调剂；单神经元掌握算法,实现 MPPT ,仿真结果4.风电机组掌握技术的进展趋势验证了掌握算法的有效性；目前,风电机组智能掌握讨论多数停留名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在仿真阶段,尚缺乏实际工程应用；另一方1 叶杭冶 .风力发电机组的掌握技术. 北京：机械面,模糊掌握和人工神经网络具有互补性,工业出版社 ,第 2 版 ,2022 两者相结合的神经网络模糊掌握在风电机组2 姚兴佳 ,宋俊 .风力发电机组原理与应用. 北京：掌握领域中的应用讨论尚少；基于数据驱动机械工业出版社 ,第 1 版 ,2022 的机器学习方法与风能转换系统掌握相结合 3 宋海辉 .风力发电技术及工程 .北京：中国水利的讨论也有待深化；水电出版社 ,第 1 版 ,2022 42 风力发电系统低电压穿越技术 518-19 4 牛山泉编著 ,刘薇 ,李岩译 .风能技术 . 北京：科随着风电机组装机容量不断增大 , 风力 学出版社 , 第 1 版 ,2022 发电系统对现存电网稳固性的影响成为倍受 5 王志新,张华强 .风力发电及其掌握技术新进关注的课题 , 其中热点之一是讨论电网电压展.低压电器, No.19：1-7, 2022 瞬时跌落情形下风电机组对电力系统的影6 徐大平,张新居,柳亦兵.风力发电掌握问题响；目前 ,世界各国纷纷制定了针对大型风综述 .中国电力, No.4：70-74,2005 电机组并网运行的标准 ,要求在电网发生故 7 顾鑫,惠晶 .风力发电机组掌握系统的讨论分障如电压瞬时跌落时 ,风电机组仍能保持并 析.华东电力, No.2：64-68,2007 网,且能向电网供应肯定的无功功率支持 ,以 8 夏毅琴 .风力发电机组及其掌握系统 . 电气技提高电力系统的稳固性 ,这就要求风电机组 术, No.8：62-64,2022 具有肯定的低电压穿越 LVRT 运行才能；9 闫永勤,乔明,林飞,等 . 变速恒频风力发电双馈异步发电机 DFIG）风电机组在电 系统最大风能跟踪掌握的讨论 .电气技术,网电压跌落时将导致 DFIG 转子侧过电压、No.11：14-17,2006 过电流；转子电路中的 Crowbar 爱护 电路 10刘其辉,贺益康,赵仁德 . 变速恒频风力发电是使 DFIG 风电机组具备 LVRT 才能的关键 , 系统最大风能追踪掌握 .电力系统自动化,其在电网电压故障时可有效对变流器进行保 No.20： 62-67, 2003 护, 且可向电网发出无功功率 ,使电网电压迅 11凌禹,张同庄,邱雪峰 .直驱式风力发电系统速复原正常；但转子 Crowbar 电路无法兼顾 最 大 风 能 追 踪 策 略 研 究 . 电 力 电 子 技 术 ,转子侧变流器及齿轮传动等机械部件实现全 No.7：1-2, 2007 面爱护 , 且不同故障类型及不同故障程度下 12朱学忠,张琦雪,刘迪吉 .开关磁阻风力发电的电路参数难以统一；目前 ,DFIG 风电机组 机系统的掌握方案讨论 .数据采集与处理,的 LVRT 运行讨论仍是难点 ,主要集中于保 No.1：81-85,2001 护电路拓扑结构和变流器掌握算法改进研 13张玉华,李振凯 .基于模糊掌握的风力发电系究；统变桨距掌握器的设计 .现代电力, No.6： 58-对采纳多级永磁同步发电机的直驱型 61,2007 变速恒频风力发电系统而言 ,由于其与电网 14康忠健,陈天立,王升花,等 .基于模糊掌握通过背靠背功率变换器隔离 ,且无功功率控 的双馈风力发电空载并网技术讨论 .电气传制敏捷 ,故在 LVRT 运行方面具有优势；在 动, No.1：47-50,2022 直流侧增加爱护电路、在直流侧和电网间增 15夏晓敏,王坤琳,吴必军 .小型风电系统 MPPT加帮助变流器等爱护措施可增强直驱型风电 模糊 /PID 掌握仿真讨论 .能源工程, No.1： 26-机组 LVRT 运行才能；31,2022 大容量并网型风电机组 LVRT 运行掌握 16任艳锋,毛开富,包广清 .基于神经网络的直策略是有待深化讨论的热点课题；但电网故 驱式风力发电最大风能掌握讨论 .电气自动障具有不行控性 ,故为了测试风电机组 LVRT 化, No.6：42-45,2022 运行性能 ,模拟电网电压跌落特性的“ 电压 17杨勇,阮毅,任志斌,等 .基于单神经元掌握跌落发生器 VSG” 研发也成为一个热点；器的 2.3kW 变速恒频风力发电掌握系统讨论 .微电机, No.9：60-64,2022 名师归纳总结 参考文献18李建林 ,许洪华 .风力发电系统低电压运行技术.第 5 页,共 6 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 北京：机械工业出版社 ,第 1版 ,2022 19李建林 ,许洪华 .风力发电中的电力电子变流技名师归纳总结 术. 北京：机械工业出版社,第 1 版,2022 第 6 页,共 6 页- - - - - - -