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风力发电机组控制技术

第一章概述

第二章风力机基本理论

第三章风力发电机组控制

第四章典型风力发电机组控制系统

(定桨距机组)

(变桨距机组)

(变速机组)

第五章现代控制理论及其在风力发电中的应用

王要内谷

一、风力发电机组及其分类

按风轮桨叶分类：定桨型、变桨型；

按风轮转速分类：定速型、变速型；

按传动机构分类：齿轮箱升速型、直驱型；

按发电机分类：异步型、同步型；

按并网方式分类：并网型、离网型。

二、风力发电发展现状

控制系统是风力机组可靠运行以及实现最

佳运行的可靠保证。国内已具备桨叶、发电机、齿轮箱、变距轴承、偏航轴承和主轴承等关键部件的开发能力。控制系统、变频器和变桨系统还有待完善。

机舱：传动链液压系统偏航系统制动系统润滑系统主控系统

塔下：控制系统

变流系统

人机界面和远程通信

第一章概述

叶轮：变桨系统润滑系统

风电机组子系统分布图

第一章概述

SpinnerNacelleOilCoolerHeatExchanger

旋转罩机舱油冷却器热交换器

RotorHubRotorShaftGearBox

轴毂低速轴齿轮ou接来

pling

旋转

C

箱

变桨驱动

PitchDrive

支撑轴承

BearingPillowBlock

偏航驱动

YawDrive

隔离减震

SoundIsolationMainFrame

ControlPanel控制箱

发电机

Generator

风力发电机组结构图

通风

Ventilation

机舱座

三、风力发电发展趋势

从国内外近几年风电产业发展看，随着风电产业的不断发展，

风力机组控制技术也在不断发展，以满足其自身对风速变化、成本、

环境及稳定运行等各方面的要求，主要发展趋势包括以下几个方面：

变桨距调节方式迅速取代失速调节方式；

变速运行方式迅速取代恒速运行方式；

机组规模向大型化发展；

直驱永磁、异步双馈两种形式共同发展。

第一章概述

三、风力发电发展趋势

第一章概述

基于双馈异步发电机(DFIG)

PWM变频器

AC/DC/AC

齿轮箱

变压器

DFIG

十

三、风力发电发展趋势

第一章概述

基于鼠笼异步发电机(SCIG)

无功补偿电容器组

齿轮箱

叶轮

电网

低速轴

高速轴

三、风力发电发展趋势

PWM变频器AC/DC/AC

第一章概述

基于永磁同步发电机(PMSG)

叶轮

电网

PMSG

十

变速风电机组-双馈电机异步

优点：交流励磁，可以调节转速和无功功率，空气动力学效率相对高，变流器容量小，噪音低

缺点：部分功率馈入转子，电气效率低，成本较高

直驱风电机组-永磁同步机

优点：可以调节转速和无功功率，空气动力学效率相对高，噪音低，无齿轮箱

缺点：变流器容量大，电气效率低，发 电机大，成本高

固定转速风电机组-异步发电机

优点：结构简单，成本低，电效率相对高

缺点：吸收无功且无功不可控，空气动力学效率低，不能控制转速，机械特性差，噪音大

三、风力发电发展趋势

第一草慨还

第二章风力机基本理论

一、风力机能量转换过程

气流动能为m空气质量，v气流速度

密度为p的气流过面积S的气体体积为V,M=pV=pSv

则单位时间内气流所具有的动能为

理想风轮与贝兹(Betz)理论：

前后空气体积相等：S1v1=Sv=S2v2

与气流扫掠面积风的能量相比，可得风力机的理论最大效率：

其最大功率可令得,代入后得到的最大理想功率为

令两式相等，得

经过风轮风速变化产生的功率为

风轮吸收的功率P=Fv=pSv²(v1-v2)

风轮吸收的功率又等于风轮前后动能(单位时间)的变化：

根据牛顿第二定律，单位时间内风轮上的受力F=mv1-mv2=pSv(v1-v2)

一、风力机能量转换过程

有限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使风力机效率有所下降。实际风力机曲线如下图所示：

第二草风力机控制

0

第二章风力机基本理论

二、风力机的主要特性系数

风力机的实际功率

其中Cp为风能利用系数，它小于0.593

2、叶尖速比入

为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量，称叶尖速比

1、风能利用系