风力发电系统的控制原理

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1、风力发电系统的控制原理摘要：本文综述了风力发电机组的电气控制。在介绍风力涡轮机特性的基础上介绍了双馈异步发电系统和永磁同步全馈发电系统，具体介绍了双馈异步发电系统的运行过程，最后简单介绍了风力发电系统的-•些辅助控制系统。关键词：风力涡轮机；双馈异步；永磁同步发电系统概述：经过20年的发展风力发电系统已经从基本单一的定桨距失速控制发展到全桨叶变灰和变速恒频控制，目前主要的两种控制方式是：双馈异步变桨变速恒频控制方式和低速永磁同步变桨变速恒频控制方式。在讲述风力发电控制系统之前，我们需要了解风力涡轮机输出功率与风速和转速的关

2、系。风力涡轮机特性：1,风能利用系数Cp风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利川系数Cp表示：p・••风力涡轮实际获得的轴功率P…空气密度S…风轮的扫风面积V…上游风速根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593o2,叶尖速比入为了表示风轮在不同风速中的状态，川叶片的叶尖恻周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比九。n…风轮的转速co--风轮叫角频率R--风轮半径V--上游风速在桨叶倾角p固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡伦机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1屮看，对应于每

3、个风速的曲线，都有一个最人输出功率点，风速越高，最人值点对应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最人工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。涡轮机转速、输出功率还为桨叶倾角卩有关，关系曲线见图2。图中横处标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2中，每个倾角对应于一条Cp=f（九）曲线，倾角越大,曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，入加人，Cp减小，涡伦机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返冋稳定点。）它是工作区段

4、。在工作区段中，倾角越大，九和Cp越小。3,变速发电的控制变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。三段控制要求：低风速段N

5、及变化，工作点从A2移至Al,这时涡轮机产牛的机械功率大丁电机发出的电功率，机组加速，沿対应于V2的曲线向A3移动，瑕后稳定于A3点，风速减小至V3时的转速下降过程也类似，将沿b2-b1-b3轨迹运动。中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值N=Nn,而功率尚未达到额定值P

6、馈异步风力发电系统的示意见图4,绕线异步电动机的定子直接连接电网，转子经四象限IGET电压型交一直一交变频器接电网。转子电压和频率比例于电机转差率，随着转速变化而变化，变频器把转差频率的转差功率变为恒压、恒频（50HZ）的转差功率，送至电网。山图4可知：P=Ps_Pr；Pr=SPs；P=（1—S）PsP是送至电网总功率；Ps和Pr分别是定子和转子功率转速高丁•同步速时，转差率SV0,转差功率流出转子，经变频器送至电网，电网收到的功率为定、转子功率之和，大于定子功率；转速低于同步转速食，S>0,转差功率从电网，经变频器流入转

7、子，电网收到的功率为定、转子输出功率之差，小于定子功率。2,双馈异步控制系统的运行过程系统的运行分为两个阶段：同步阶段：在此过程中风机已经开始转动，当其转速大于启动转速后，充电回路先闭合,使变频器育流电容电压升高，当电压大于80%额定值后，转子回路主接触器闭合，并且同时断开充电回路接触器。母线电压不断升高至额定值，这时变频器逆变器开始丄作，电机转子屮有电流，所以在定子屮右电压产生，变频器检测电网电压和电机定子电压，通过调节住转子的电压电流，使这两个电压同步，并且闭合定子主接触器，系统便完成了同步切入。运行阶段：同步切入结束

8、后便进入止常运行阶段，这个时候通过上述的三阶段控制方法使风力发电机输出最大的额定功率。在实际运行中，变频器接收主控制传输过来的两个主要控制信号：功率因数和电机力矩。功率因数信号使变频器输入端的输入功率因数始终为1,电机力矩使风力发电系统始终随着风速变化而输出最大的额定功率。主要的控制方式可以通过矢量控制