第3章-风能、风力发电与控制技术-《新能源转换与控制技术》电子课件.ppt

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1、第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术第第3章章风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术机械工业出版社1第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术机械工业出版社2第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术 本章主要内容本章主要内容3.1 3.1 风的特性及风能利用风的特性及风能利用3.2 3.2 风力发电机组及其工作原理风力发电机组及其工作原理3.3 3.3 风力机的调节与控制风力机的调节与控制3.4 3.4 风力发电机组的控制策略风力发电机组的控制策略3.5 3.5 风力发电机组的并网技术风力发电机组的并网技术3.6 3.6

2、风力发电的经济技术性评价风力发电的经济技术性评价机械工业出版社3第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术 绪绪 论论在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、发电机风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、发电机和控制技术等领域。和控制技术等领域。风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的，它首先起风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。源于丹麦，目前丹麦已成为世

3、界上生产风力发电设备的大国。20世纪世纪70年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是21世纪中发展最快的世纪中发展最快的一种可再生能源。一种可再生能源。机械工业出版社4第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术机械工业出版社6第第3章章 风能

4、、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术机械工业出版社7第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术机械工业出版社8第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术3.1.2 3.1.2 风的特性与风能风的特性与风能1 1、随机性、随机性2 2、风随高度的变化而变化、风随高度的变化而变化不同高度风速的表达式：不同高度风速的表达式：式中式中距地面高度为距地面高度为h处的风速（处的风速（ms）；）；0高度为高度为h0处的风速（处的风速（ms），一般取），一般取h0为为10m；k修正指数，它取决于大气稳定度和

5、地面粗糙度等，其值约修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约为为0.1250.5。机械工业出版社10第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术3.1.3 3.1.3 风的表示及应用风的表示及应用1 1、风向、风向 风向一般用风向一般用16个方个方位表示，也可以用角度位表示，也可以用角度表示。图示方向方位图表示。图示方向方位图图图3-2 3-2 风向方位图风向方位图机械工业出版社11第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术4 4、风能、风能（1 1）风能密度风能密度：密度为：密度为的的空气

6、，在一秒钟内以速度空气，在一秒钟内以速度流过流过单位面单位面 积积产生的动能称为风能密度（产生的动能称为风能密度（W/mW/m2 2)。表达式为：表达式为：（2 2）风能风能：空气在一秒钟时间内以速度空气在一秒钟时间内以速度流过流过面积为面积为S截面截面的动能的动能(W)。表达式为：表达式为：（3 3）风能利用风能利用：风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量化为其他形式的能量。风能发电：风的动能风能发电：风的动能电能电能机械工业出版社13第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术第第3章章 风能、风力发电与控制技

7、术风能、风力发电与控制技术3.2 3.2 风力发电机组及其工作原理风力发电机组及其工作原理3.2.1 3.2.1 风力发电机组的分类及结构风力发电机组的分类及结构1 1、风力发电机组的分类、风力发电机组的分类风力发电机组的分类一般有风力发电机组的分类一般有3 3种，如下表所示。种，如下表所示。机械工业出版社15第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术按风轮轴的安装型式按风轮轴的安装型式按风力发电机的功率按风力发电机的功率按运行方式按运行方式水平轴风力发电机组水平轴风力发电机组和和垂直轴风力发电机组垂直轴风力发电机组微型微型（额定功率（额定功率501000W）、）、小型小型（

8、额定功（额定功率率1.010kW）、）、中型中型（额定功率（额定功率10100kW）和）和大型大型（额定功率大于（额定功率大于100kW）独立运行独立运行和和并网运行并网运行机械工业出版社16第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术（1 1）独立运行的风力发电机组独立运行的风力发电机组水平轴独立运行的风水平轴独立运行的风力发电机组主要由风轮力发电机组主要由风轮(包包括尾舵括尾舵)、发电机、支架、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其器、蓄电池组等组成，其主要结构，如图主要结

9、构，如图3-6。图图3-6 3-6 水平轴独立运行的风力发电机组主要结构水平轴独立运行的风力发电机组主要结构机械工业出版社18第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术并网运行的水平轴并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结塔架等部件组成，其结构如图构如图3-7所示所示（2 2）并网运行的风力发电机组并网运行的风力发电机组图图3-7 3-7 并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图机械工业出版社19第第3章章 风能、风力发

10、电与控制技术风能、风力发电与控制技术并网运行的大型风力并网运行的大型风力发电机组的基本结构，它发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成，回转体、制动器）等组成，结构如图结构如图3-8。（3 3）大型风力发电机组大型风力发电机组图图3-8 3-8 大型风力发电机组的基本结构大型风力发电机组的基本结构机械工业出版社20第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术3.2.2 3.2.2 风力机及风能转换原理

11、风力机及风能转换原理一、风力机一、风力机 风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。1 1、水平轴风力机：、水平轴风力机：a.a.荷兰式荷兰式 b.b.农庄式农庄式 c.c.自行车式自行车式 d.d.桨叶式桨叶式 图图3-9 3-9 水平轴风力机水平轴风力机机械工业出版社21第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术2 2、垂直轴风力机：、垂直轴风力机：a.a.萨窝纽斯式萨窝纽斯式 b.b.达里厄式达里厄式 c.c.旋翼式旋翼式图图-10-10 垂直轴风力机垂直轴风力机机械工业出版社22第第3章章 风能、风力发电与

12、控制技术风能、风力发电与控制技术第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术二、二、风力机的气动原理风力机的气动原理 风力发电机组中风力发电机组中的风轮之所以能将风的风轮之所以能将风能转化为机械能，原能转化为机械能，原因是因为风力机具有因是因为风力机具有特殊的翼型。图示为特殊的翼型。图示为现代风力机叶片的翼现代风力机叶片的翼型及翼型受力分析图。型及翼型受力分析图。图图3-11 3-11 风力机的叶片翼型及受力风力机的叶片翼型及受力机械工业出版社24第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术 现分析风轮不动时受到风吹的情况：现分析风轮不动时受到风吹的情况：当风以

13、速度矢量当风以速度矢量 吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成压差，产生垂直于翼弦的力形成压差，产生垂直于翼弦的力 F F，力，力 F F 可以分解为与相对风速可以分解为与相对风速方向平行的阻力方向平行的阻力 F FD D 和垂直于风向的升力和垂直于风向的升力 F FL L，升力使风力机旋转，升力使风力机旋转，实现能量的转换。实现能量的转换。机械工业出版社25第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术风力机的输出功率风力

14、机的输出功率当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机械能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：械能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：机械工业出版社26第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术3.2.3 3.2.3 风力发电机及其工作原理风力发电机及其工作原理 在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制器是整个系统的核在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制器是整个系统的核心心。独立运行的风力发电机组中所用的发电机主要有独立运行的风力发

15、电机组中所用的发电机主要有直流发电机直流发电机、永磁式永磁式交流发电机交流发电机、硅整流自励式交流硅整流自励式交流同步同步发电机发电机及及电容式自励异步发电机电容式自励异步发电机及及开开关磁阻发电机关磁阻发电机等等。并网运行的风力发电机机组中使用的发电机主要有。并网运行的风力发电机机组中使用的发电机主要有同步同步发电机发电机、异步发电机异步发电机、双馈发电机双馈发电机、低速直驱交流发电机低速直驱交流发电机、无刷双馈发电无刷双馈发电机机、交流整流子发电机交流整流子发电机及及高压同步发电机高压同步发电机等。等。机械工业出版社28第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术1 1、独

16、立运行风力发电机组中的发电机独立运行风力发电机组中的发电机 独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给。独立运行的交流风力发电系统结构如实现直流电和交流电的持续供给。独立运行的交流风力发电系统结构如下图所示。下图所示。图图3-14 3-14 独立运行的交流风力发电机系统结构独立运行的交流风力发电机系统结构机械工业出版社29第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术（2 2）硅整流自励式交流同步发电机）硅整流自励式交流

17、同步发电机 图图3-163-16为硅整流自励式交流同步发电机电路原理图。为硅整流自励式交流同步发电机电路原理图。硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节励磁硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节励磁电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。图图3-16 3-16 硅整流自励式交流同步发电机电路原理图硅整流自励式交流同步发电机电路原理图机械工业出版社31第第3章章 风能、风力发电与控制技

18、术风能、风力发电与控制技术（3 3）电容自励式异步发电机）电容自励式异步发电机 电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电容，电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路示意图如以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路示意图如下图所示。下图所示。图图3-17 3-17 电容自励式异步发电机电路原理电容自励式异步发电机电路原理机械工业出版社32第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术并网运行的风力发电机组中所用的发电机并网运行的风力发电机组中所用的发电机 （1 1）异步发电机

19、）异步发电机风力异步发电机并入电网运行时，只要发电机风力异步发电机并入电网运行时，只要发电机转速接近同步转速转速接近同步转速就可以就可以并网，对机组的调速要求不高，不需要同步设备和整步操作。并网，对机组的调速要求不高，不需要同步设备和整步操作。异步发电机异步发电机的输出功率与转速近似成线性关系，可通过转差率来调整负载的输出功率与转速近似成线性关系，可通过转差率来调整负载。（2 2）同步发电机同步发电机当发电机的转速一定时，当发电机的转速一定时，同步发电机的频率稳定，电能质量高同步发电机的频率稳定，电能质量高；同步发；同步发电机运行时可电机运行时可通过调节励磁电流来调节功率因数通过调节励磁电流来

20、调节功率因数，既能输出有功功率，也，既能输出有功功率，也可提供无功功率，可使功率因数为可提供无功功率，可使功率因数为1 1，因此被电力系统广泛接受。，因此被电力系统广泛接受。机械工业出版社33第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术机械工业出版社34第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术（3 3）双馈异步发电机）双馈异步发电机 双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交交变频器、交集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变

21、频器有交交变频器、交直交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。直交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。图图3-23 3-23 双馈异步发电机的系统结构双馈异步发电机的系统结构机械工业出版社35第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术MW级双馈风力发电机组与变流系统原理级双馈风力发电机组与变流系统原理 机械工业出版社36第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术T主回路断路器偏航桨叶距驱动器转子侧变流器(RIU)转子能耗制动（activeCrowbar）主熔断器网侧变流器(GIU)无源滤波线性耦合变压器RIU=转子侧

22、逆变单元GIU=网侧有源逆变单元LCL滤波制动器中压组合开关2MW双馈发电机主接触器及充电电路电源柜电源柜双双PWM变流器单元变流器单元上位控制系统增速齿轮箱风力机2MW双馈风力发电机组及其电气控制系统双馈风力发电机组及其电气控制系统（本课题组项目）（本课题组项目）机械工业出版社37第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术2MW 2MW 2MW 2MW 风力发电机组并网变流器及控制组柜风力发电机组并网变流器及控制组柜风力发电机组并网变流器及控制组柜风力发电机组并网变流器及控制组柜 机械工业出版社38第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术 双馈异步发电机

23、工作原理：双馈异步发电机工作原理：异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：系可表示为：式中式中 f f1 1定子电流的频率（定子电流的频率（HzHz），），f f1 1=pnpn1 1/60/60，n n1 1 为同步转速；为同步转速；p p发电机的极对数；发电机的极对数；n n转子的转速（转子的转速（r/minr/min）；）；f f2 2转子电流的频率（转子电流的频率（Hz

24、Hz），因），因f f2 2=sfsf1 1，故，故f f2 2又称为转差频率。又称为转差频率。机械工业出版社39第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态有三种运行状态：1 1）亚同步运行状态。）亚同步运行状态。此时此时n n 00，频率为频率为f f2 2的转子电流产生的旋的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如下图所示。，功率流向如下图所示。机械工业出版社40第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电

25、与控制技术2 2）超同步运行状态。）超同步运行状态。此时此时n n n n1 1，转差率，转差率s s00，转子中的电流相序发生了改变，转子中的电流相序发生了改变，频率为频率为f f2 2的的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率流向，功率流向如下图所示。如下图所示。3 3）同步运行状态。）同步运行状态。此时此时n n=n n1 1，f f2 2=0=0，转子中的电流为直流，与同步发电机相，转子中的电流为直流，与同步发电机相同。同。机械工业出版社41第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术 双馈异步发电机的转子通过双向

26、变频器与电网连接，双馈异步发电机的转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率的双向流动。可实现功率的双向流动。优点：优点：1 1）功率变换器的容量小，成本低；既可以亚同步运行，）功率变换器的容量小，成本低；既可以亚同步运行，也可以超同步运行，因此调速范围宽；也可以超同步运行，因此调速范围宽；2 2）可跟踪最佳叶尖速，实现最大风能捕获；）可跟踪最佳叶尖速，实现最大风能捕获；3 3）可对有功功率和无功功率进行控制，提高功率因数；）可对有功功率和无功功率进行控制，提高功率因数；4 4）能吸收阵风能量，减小转矩脉动和输出功率的波动，）能吸收阵风能量，减小转矩脉动和输出功率的波动，因此电能质量高，是目前很

27、有发展潜力的变速恒频发电机。因此电能质量高，是目前很有发展潜力的变速恒频发电机。机械工业出版社42第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术（4 4）无刷双馈异步发电机）无刷双馈异步发电机 无刷双馈异步发电机无刷双馈异步发电机(Brushless Doubly(Brushless DoublyFed GeneratorFed Generator，简称，简称BDFG)BDFG)的基本原理与双馈异步发电机相同，不同之外是取消了电刷和集的基本原理与双馈异步发电机相同，不同之外是取消了电刷和集电环，电环，系统运行的可靠性增大，但系统体积也相应增大，常用的有级联系统运行的可靠性增大，但

28、系统体积也相应增大，常用的有级联式和磁场调制型两种类型。式和磁场调制型两种类型。图图3-29 3-29 级联式无刷双馈异步发电机级联式无刷双馈异步发电机图图3-30 3-30 磁场调制型无刷双馈异步发电机磁场调制型无刷双馈异步发电机机械工业出版社43第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术（5 5）开关磁阻发电机）开关磁阻发电机 如图如图3-313-31所示，开关磁阻发电所示，开关磁阻发电机又称为机又称为双凸极式发电机双凸极式发电机（简称（简称SRGSRG），定、转子的凸极均由普通），定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，硅钢片叠压而成，定子极数一般比定子极数一般比转子的极

29、数多转子的极数多，转子上无绕组，定，转子上无绕组，定子凸极上安放有彼此独立的集中绕子凸极上安放有彼此独立的集中绕组，组，径向独立的两个绕组串联起来径向独立的两个绕组串联起来构成一相构成一相。图图3-31 3-31 三相（三相（6/46/4极）开关磁阻发电机结构极）开关磁阻发电机结构 机械工业出版社44第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术 开关磁阻发电机用作为风力发电机时，其系统一般由风力机、开关磁开关磁阻发电机用作为风力发电机时，其系统一般由风力机、开关磁阻发电机及其功率变换器、控制器、蓄电池、逆变器、负载以及辅助电源阻发电机及其功率变换器、控制器、蓄电池、逆变器、负载

30、以及辅助电源等组成，其系统构成如图等组成，其系统构成如图3-323-32所示。所示。开关磁阻发电机的结构简单，控制灵活，效率高而且转矩密度大，在风开关磁阻发电机的结构简单，控制灵活，效率高而且转矩密度大，在风力发电系统中可用于直接驱动、变速运行，有一定的开发、研究价值。力发电系统中可用于直接驱动、变速运行，有一定的开发、研究价值。图图3-32 3-32 开关磁阻风力发电机系统的构成开关磁阻风力发电机系统的构成机械工业出版社45第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术3.2.4 3.2.4 独立运行式风力发电机组的控制系统独立运行式风力发电机组的控制系统 独立运行式风力发电机

31、组一般是独立运行式风力发电机组一般是1kW-10kW1kW-10kW的风力发电系统，适用于远离的风力发电系统，适用于远离电网，有一定用电量的家庭农场，公路、铁路养路站、小型微波发射站、移电网，有一定用电量的家庭农场，公路、铁路养路站、小型微波发射站、移动通讯发射站、光纤通讯信号放大站、输油管线保护站等用户。典型独立运动通讯发射站、光纤通讯信号放大站、输油管线保护站等用户。典型独立运行风电系统如图行风电系统如图3-333-33所示。主要组成部分包括风力机、发电机、蓄电池、逆所示。主要组成部分包括风力机、发电机、蓄电池、逆变器以及控制系统。变器以及控制系统。图图3 33333独立运行风电系统框图独

32、立运行风电系统框图机械工业出版社46第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术风轮将风能转变为机械能，风轮带动发电机再将机械能转风轮将风能转变为机械能，风轮带动发电机再将机械能转变为电能。由于风速的多变，使得风力发电机的电压及频率变变为电能。由于风速的多变，使得风力发电机的电压及频率变化，不易于直接被负载利用，所以一般独立运行小型风力发电化，不易于直接被负载利用，所以一般独立运行小型风力发电系统通过系统通过“AC-DC-AC”“AC-DC-AC”的方式供电，并且由于无风季节的存在，的方式供电，并且由于无风季节的存在，使用了蓄电池进行储能。先用整流器将发电机的交流电变成直使用了

33、蓄电池进行储能。先用整流器将发电机的交流电变成直流电向蓄电池充电，再用逆变器把直流电变换成电压和频率都流电向蓄电池充电，再用逆变器把直流电变换成电压和频率都很稳定的交流电输出供给负载。很稳定的交流电输出供给负载。风力机和发电机的控制前面已经介绍过，下面主要对电力风力机和发电机的控制前面已经介绍过，下面主要对电力变换单元、控制器、最大功率控制、负载跟踪控制作介绍。变换单元、控制器、最大功率控制、负载跟踪控制作介绍。机械工业出版社47第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术1 电力变换单元：由电力变换单元：由AC-DC、DC-DC变换器和变换器和DC-AC逆变器组逆变器组成。给

34、负载提供稳定、高质量的电能和满足交流负载用电。成。给负载提供稳定、高质量的电能和满足交流负载用电。2 控制器控制器：在独立运行系统中是一个非常重要的部件，它控制、：在独立运行系统中是一个非常重要的部件，它控制、协调整个系统的正常运行，实时检测系统各参数以防异常情况协调整个系统的正常运行，实时检测系统各参数以防异常情况的出现，一旦检测到异常，它能够自动保护并报警。这些保护的出现，一旦检测到异常，它能够自动保护并报警。这些保护包括：蓄电池组过压、欠压保护，发电机的超速、过流保护。包括：蓄电池组过压、欠压保护，发电机的超速、过流保护。3 最大功率控制：当风力发电机捕获的风能不能满足负载用电和最大功率

35、控制：当风力发电机捕获的风能不能满足负载用电和蓄电池充电时，需要调节风力机按照最佳叶尖速比运行，跟踪蓄电池充电时，需要调节风力机按照最佳叶尖速比运行，跟踪最大功率。有两种控制方法，采用风速信号的控制方法和采用最大功率。有两种控制方法，采用风速信号的控制方法和采用功率信号的控制方法。功率信号的控制方法。机械工业出版社48第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术4 负载跟踪控制：独立运行系统与并网运行系统的最大区别就是负载跟踪控制：独立运行系统与并网运行系统的最大区别就是负载是不断变化的，捕获的风能要与负载用电量匹配。负载跟负载是不断变化的，捕获的风能要与负载用电量匹配。负载跟

36、踪与蓄电池充电集成控制框图如图踪与蓄电池充电集成控制框图如图3-34所示。所示。图图3 334 34 负载跟踪与充电集成控制框图负载跟踪与充电集成控制框图机械工业出版社49第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术3.3 3.3 风力机的调节与控制风力机的调节与控制风力机和发电机是风力发电中的两个关键部分，有限的机风力机和发电机是风力发电中的两个关键部分，有限的机械强度和电气性能使其速度和功率受到限制，因此械强度和电气性能使其速度和功率受到限制，因此风力机和风力机和发电机的功率发电机的功率和和速度控制速度控制是其关键技术之一。是其关键技术之一。风力机的功率调节利用的是气动功率

37、调节技术风力机的功率调节利用的是气动功率调节技术。风力机的功。风力机的功率调节方式率调节方式有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种种，如图，如图335所示。我们主要介绍前两种调节方式。所示。我们主要介绍前两种调节方式。机械工业出版社50第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术图图335气动功率调节原理气动功率调节原理a）额定风速桨叶状态）额定风速桨叶状态b）定桨距失速）定桨距失速c）变桨距）变桨距d）主动失速）主动失速轴向风速轴向风速桨距角桨距角攻角攻角F作用力作用力FD阻力阻力FL升力升力机械工业出版社51第第3章章 风

38、能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术3.3.1 3.3.1 风力发电机的定桨距调节和控制风力发电机的定桨距调节和控制 风力机的功率调节方式有风力机的功率调节方式有定桨距失速定桨距失速调节、调节、变桨距调节变桨距调节和和主动失速主动失速调节三调节三种种。1 1、定桨距失速调节、定桨距失速调节定桨距失速调节一般用于恒速恒频控制定桨距失速调节一般用于恒速恒频控制，其风力机的结构特点是：桨叶，其风力机的结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。在风速超过额定风速后利用桨叶翼

39、型本身的不能随之变化。在风速超过额定风速后利用桨叶翼型本身的形变失速形变失速特性，特性，维持发电机组的输出功率在额定值附近。维持发电机组的输出功率在额定值附近。机械工业出版社52第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术定桨距失速控制的定桨距失速控制的优点是优点是失速调节简单可靠失速调节简单可靠，由，由风速变化引起的输风速变化引起的输出功率的控制只通过桨叶的被动失速调节实现，没有功率反馈系统和变出功率的控制只通过桨叶的被动失速调节实现，没有功率反馈系统和变桨距机构，使控制系统大为简化，整机结构简单、部件小、造价低桨距机构，使控制系统大为简化，整机结构简单、部件小、造价低。其其

40、缺点是缺点是叶片重量大、成形工艺复杂，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，叶片重量大、成形工艺复杂，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低机组的整体效率较低。3.3.2 3.3.2 变桨距风力发电机组的调节与控制变桨距风力发电机组的调节与控制 变桨距风力机的整个叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片的攻角变桨距风力机的整个叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片的攻角在一定在一定范围（范围（0 09090）变化，变桨距调节是指通过变桨距机构改变安装在轮毂上的）变化，变桨距调节是指通过变桨距机构改变安装在轮毂上的叶片桨距角叶片桨距角的大小，使风轮叶片的桨距角随风速的变化而变化，一般用于的大小，使风轮叶

41、片的桨距角随风速的变化而变化，一般用于变速运行的风力发电机，主要目的是改善机组的起动性能和功率特性。变速运行的风力发电机，主要目的是改善机组的起动性能和功率特性。机械工业出版社53第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术 根据其作用可分为三个控制过程：根据其作用可分为三个控制过程：起动时的转速控制，额定转速以下（欠功率状态）起动时的转速控制，额定转速以下（欠功率状态）的不控制或桨叶角随动控制和额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制。的不控制或桨叶角随动控制和额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制。a.a.起动时的转速控制起动时的转速控制 变距风轮的桨叶在静止时，桨距角变

42、距风轮的桨叶在静止时，桨距角为为9090，当风速达起动风速时，桨叶向，当风速达起动风速时，桨叶向00方方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风力机获得最大的起动转矩，实现风力向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风力机获得最大的起动转矩，实现风力发电机的起动发电机的起动 b.b.额定转速以下（欠功率状态）的控制额定转速以下（欠功率状态）的控制 为了改善低风速时的桨叶性能，近几年来，在并网运行的异步发电机上，利用为了改善低风速时的桨叶性能，近几年来，在并网运行的异步发电机上，利用新技术，根据风速的大小调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比新技术，根据风速的大小调整发电机的转差率，使其尽

43、量运行在最佳叶尖速比m m上，上，以优化功率输出。以优化功率输出。（1）变桨距调节的）变桨距调节的3个过程个过程机械工业出版社54第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术 风力机承受的风力机承受的风速过高时，通过风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，使桨距角角，使桨距角 向迎风面积减小的向迎风面积减小的方向转动一个角度，方向转动一个角度，增大、攻角增大、攻角 减小，配合关系为减小，配合关系为+=9090，大型大型风力机的有效风速利用范围风力机的有效风速利用范围3-3-25M/Sec,25M/Sec,如右图所示。如右图所示。从而改

44、变风力发电机组获得的从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使功率输出保持在额空气动力转矩，使功率输出保持在额定值附近，这时风力机在额定点的附定值附近，这时风力机在额定点的附近具有较高的风能利用因数。近具有较高的风能利用因数。c.额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制机械工业出版社55第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术a a）变桨距风力发电机组的功率曲线变桨距风力发电机组的功率曲线b b）定桨距风力发电机组的功率曲线）定桨距风力发电机组的功率曲线由图由图3-36可见，在额定风速以下，两者相似，但在额定风速以上，变桨距可见，在额

45、定风速以下，两者相似，但在额定风速以上，变桨距风力发电机的输出功率维持恒定，而定桨距风力发电机组的输出功率由于风风力发电机的输出功率维持恒定，而定桨距风力发电机组的输出功率由于风力机的失速当风速增大时而减小。力机的失速当风速增大时而减小。图图336变桨距和定桨距风力发电机组在不同风速下的输出功率曲线变桨距和定桨距风力发电机组在不同风速下的输出功率曲线机械工业出版社56第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术（2 2）变桨距风力发电机组的控制系统）变桨距风力发电机组的控制系统 传统的变桨距风力发电机组传统的变桨距风力发电机组的控制系统框图如图的控制系统框图如图3-373-37

46、所示。在起动时实所示。在起动时实现转速控制，由速度控制器起作用，起动结束后，在额定风速以下，转速环现转速控制，由速度控制器起作用，起动结束后，在额定风速以下，转速环开环，系统不进行控制。当风速达到或超过额定风速时，切换到功率控制，开环，系统不进行控制。当风速达到或超过额定风速时，切换到功率控制，功率控制器根据给定与反馈的功率信号比较后进行功率控制，以维持额定功功率控制器根据给定与反馈的功率信号比较后进行功率控制，以维持额定功率不变。率不变。图图3-37 3-37 传统的变桨距风力发电机组的控制系统框图传统的变桨距风力发电机组的控制系统框图机械工业出版社57第第3章章 风能、风力发电与控制技术风

47、能、风力发电与控制技术新型控制系统新型控制系统与传统控制系统的主要区别是采用了两个速度控制器及与传统控制系统的主要区别是采用了两个速度控制器及增加了转子电流的控制。其中一个速度控制器的作用与传统的速度控制器增加了转子电流的控制。其中一个速度控制器的作用与传统的速度控制器相同，既起动时和同步转速附近的转速控制。相同，既起动时和同步转速附近的转速控制。另一个速度控制器另一个速度控制器的作用是在并网后，和的作用是在并网后，和功率控制器一起通过转功率控制器一起通过转子电流的控制实现电机子电流的控制实现电机转差即转速的控制。带转差即转速的控制。带转子电流控制器的绕线转子电流控制器的绕线转子异步发电机的系

48、统转子异步发电机的系统结构如图结构如图3-38所示。所示。图图3-38 3-38 带转子电流控制器的绕线转子异步发电机的系统结构带转子电流控制器的绕线转子异步发电机的系统结构机械工业出版社58第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术 转子电流控制器安装在绕线转子异步发电机的转子轴上，通过集转子电流控制器安装在绕线转子异步发电机的转子轴上，通过集电环与转子电路相连，转子电路中外接三相电阻，通过一组电力电子电环与转子电路相连，转子电路中外接三相电阻，通过一组电力电子器件来调整转子回路电阻，从而调节发电机的转差率，实现调速的目器件来调整转子回路电阻，从而调节发电机的转差率，实现调

49、速的目的，其控制系统原理如图的，其控制系统原理如图3-393-39所示。所示。图中的开关图中的开关S S代表机组启动并网前的控制方式，为转速闭环控制；代表机组启动并网前的控制方式，为转速闭环控制；开关开关R R代表机组并网后的控制方式，为功率闭环控制；代表机组并网后的控制方式，为功率闭环控制；RCCRCC为异步发电为异步发电机的转子电流控制器。机的转子电流控制器。机械工业出版社59第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术图图3-39 3-39 转差可调异步发电机控制原理框图转差可调异步发电机控制原理框图 机械工业出版社60第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与

50、控制技术 （3 3）变桨距风力发电机组的变桨距控制）变桨距风力发电机组的变桨距控制 现代变桨距控制系统的节距控制可以由现代变桨距控制系统的节距控制可以由液压执行机构（比例阀）、气动执行液压执行机构（比例阀）、气动执行机构机构或或电动执行机构（伺服电机）电动执行机构（伺服电机）三类来实现。三类来实现。液压控制系统的结构如图液压控制系统的结构如图3-403-40所示。所示。图图340节距控制系统结构节距控制系统结构机械工业出版社61第第3章章 风能、风力发电与控制技术风能、风力发电与控制技术q线性系数，线性系数，桨距角桨距角采用采用液压执行机构的液压执行机构的变桨距控制系统的节距角调节示意图变桨距