永磁同步风力发电系统的组成、工作原理及控制机理.pdfVIP

永磁同步风力发电系统的系统基本组成、工作原理、控制 模式论述 PSMG AC DC GRID DC AC Figure 1 直驱式永磁同步风力发电机 1. 系统的基本组成： 直驱式同步风力发电系统主要采用如下结构组成：风力机（这里概括为：叶 片、轮毂、导航罩）、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风 速仪、风向标、变流器、风机总控系统等组成。其中全功率变流器又可分为发电 机侧整流器、直流环节和电网侧逆变器。就空间位置而言，变流器和风机总控系 统一般放在塔筒底部，其余主要部件均位于塔顶。 2. 工作原理： 系统中能量传递和转换路径为：风力机把捕获的流动空气的动能转换为机械 能，直驱系统中的永磁同步发电机把风力机传递的机械能转换为频率和电压随风 速变化而变化的不控电能，变流器把不控的电能转换为频率和电压与电网同步的 可控电能并馈入电网，从而最终实现直驱系统的发电并网控制。 3. 控制模式： 风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网、风况和机 组运行参数，对机组运行进行控制。而且还要根据风速与风向的变化，对机组进 行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。 风力发电控制系统的基本目标分为三个层次： 分别为保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质 量。 控制系统主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、 无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。 具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最大 功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机 制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。 一、系统运行时控制： 1、偏航系统控制： 偏航系统的控制包括三个方面：自动对风、自动解缆和风轮保护。 1) 自动对风 正常运行时偏航控制系统自动对风，即当机舱偏离风向一定角度时，控 制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，当达到允许的误差范围 内时，自动对风停止。 2) 自动解缆 当机舱向同一方向累计偏转2~3 圈后，若此时风速小于风电机组启动风 速且无功率输出，则停机，控制系统使机舱反方向旋转2~3 圈解绕；若此时 机组有功率输出，则暂不自动解绕；若机舱继续向同一方向偏转累计达3 圈 时，则控制停机，解绕；若因故障自动解绕未成功，在扭缆达4 圈时，扭缆 机械开关将动作，此时报告扭缆故障，自动停机，等待人工解缆操作。 3) 风轮保护 当产生特大强风时，停机并释放叶尖阻尼板，桨距调到最大，偏航90 ° 背风，以保护风轮免受损坏。 2、变桨距系统控制 变桨系统的控制包括三个方面：启动状态（转速控制）、欠功率状态（不控 制）和额定功率状态（功率控制）。 1) 起动状态 桨叶在静止时，节距角为90 °，这时气流对桨叶不产生转矩，整个桨叶 实际上是一块阻尼板。当风速达到启动风速时，桨叶向0 °方向转动，知道 气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始起动。在发电机并入电网以前，变桨 距系统的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按照一定的速度上 升斜率给出速度参考值。为确保并网平稳，对电网产生的冲击尽可能小，变 桨距系统可以在一定时间内，保持发电机的转速在同步转速附近。 2) 欠功率状态 当风速低于额定风速时，发电机在额定功率以下工作，此时变桨距系统 不加控制，节距角为0 ，以实现最大功率跟踪。 3) 额定功率状态 当风速达到或超过额定风速后，风力发电机进入额定功率状态。变桨距 系统根据发电机的功率信号进行控制。 3、机侧变流器的控制 永磁同步发电机侧变流器的控制目标是： 1) 将永磁同步发电机发出的频率和电压幅值变化无序的交流电整流成直流 电 2) 控制风力机转速，实现最大风能捕获 3) 控制与永磁同步发电机间的无功交换。 4 、网侧变流器的控制 网侧变流器可以工作在整流和逆变状态，一般情况下在单位功率因数逆 变运行。此时，能量由直流侧流向电源，且无功功率为零。 网侧逆