交流励磁变速恒频风力发电技术-浙大

浙大 -贺益康老师的课件,很经典。贺老师是国内研究风力发电方面的大牛人

交流励磁变速恒频风力发电技术

交流励磁变速恒频风力发电技术

浙江大学

贺益康 教授

© 浙江大学电气工程学院

贺益康 教授

浙大 -贺益康老师的课件,很经典。贺老师是国内研究风力发电方面的大牛人

交流励磁变速恒频风力发电技术

风力发电的发展现况 到2006年底，全球装机容量达到7422万 kW。 年底， 7422万 。 年底 在最近的 年内，风力发电以约30%的增长率逐年递增。 在最近的5年内，风力发电以约 %的增长率逐年递增。 年内

全球风力发电的概况 © 浙江大学电气工程学院 贺益康 教授

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风力发电的发展现况

全球风电的总容量和年装机容量的 变化情况

风电机组单机容量的增长情况

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风力发电技术的发展概况

现代化的风力发电，已不只是一台风力机和一台发电机的简单组合，而是一个高度集成了空气动 现代化的风力发电，已不只是一台风力机和一台发电机的简单组合，而是一个高度集成了空气动 力学、机械学、电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学以及电力系统分析、继电保护技术、 力学、机械学、电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学以及电力系统分析、继电保护技术、 先进控制技术和数据通讯等各方面知识为一体的复杂的机电能量转换系统 等各方面知识为一体的复杂的机电能量转换系统。 先进控制技术和数据通讯等各方面知识为一体的复杂的机电能量转换系统。

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风力发电技术的发展概况发展趋势MW级单机容量的发电系统运行 MW级单机容量的发电系统运行 风力机的变桨距功率调节方式 发电机的变速恒频发电方式 风力机与发电机直接驱动方式 电网故障下风电系统的不间断运行方式 从陆地到海洋拓展

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风力发电技术的发展概况风力发电技术的分类

恒速恒频 定浆矩 变浆矩定浆矩 恒速恒频

变速恒频定浆矩变速恒频 定浆矩变速恒频

变浆矩 恒速恒频

变浆矩 变速恒频

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风力发电技术的发展概况变速恒频发电方式优点

提高能量转换效率 ( 最大风能追踪控制 ) 改善原动机运行状况，延长其工作寿命 改善原动机运行状况， 便于发电机的并网 ( “柔性”并网 ) 柔性”类型

全功率变换变速恒频风力发电系统 全功率变换变速恒频风力发电系统 转差功率变换变速恒频风力发电系统 转差功率变换变速恒频风力发电系统© 浙江大学电气工程学院 贺益康

教授

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风力发电技术的发展概况

全功率变换的变速恒频风力发电系统(含齿轮箱) 全功率变换的变速恒频风力发电系统(含齿轮箱) 变换的变速恒频风力发电系统 © 浙江大学电气工程学院 贺益康 教授

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风力发电技术的发展概况

全功率变换的变速恒频风力发电系统 全功率变换的变速恒频风力发电系统 (永磁直驱型)© 浙江大学电气工程学院 贺益康 教授

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风力发电技术的发展概况

转差功率变换( 转差功率变换(双馈异步发电机 (DFIG 变换 变速恒频风力发电系统 © 浙江大学电气工程学院 贺益康 教授

))

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变速恒频双馈发电技术关键技术研究 讨论DFIG基本运行控制 DFIG基本运行控制变速恒频实现机理 P、Q解耦、最大风能追踪控制机理 解耦、 “柔性”并网控制技术 柔性”

交流励磁电源变速恒频双馈风力发电对励磁电源的要求

电网故障下DFIG 电网故障下DFIG风电系统运行与控制 DFIG风电系统运行与控制电网电压对称故障下DFIG 电网电压对称故障下DFIG风电系统不间断运行 DFIG风电系统不间断运行 电网电压不对称故障下DFIG 电网电压不对称故障下DFIG风电系统控制策略 DFIG风电系统控制策略 © 浙江大学电气工程学院 贺益康 教授

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DFIG运行控制VSCF的实现机理 VSCF的实现机理

恒定

nm p + f 2 = f1 60

f2

nm

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双馈异步发电机 (DFIG )运行控制 运行控制DFIG的 DFIG的优势转子励磁电流幅值、相位、频率均可调 转子励磁电流幅值、相位、频率均可调 幅值

有功功率、无功功率均可调 有功功率、无功功率均可调 功率

可实现变速恒频运行，适用于风力、 可实现变速恒频运行，适用于风力、潮汐等绿色发电领域 变速恒频运行

可实现与电网的柔性并网 可实现与电网的柔性并网，并网特性优良 柔性并网，

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最大风能追踪机理VSCF风力发电 VSCF风力发电 系统运行区域

额定风速

并网控 制区域

最大风能 追踪区域

转速限 制区域

功率限 制区域

风力机变浆矩运 行，控制机组转 速，同时对发电 机进行并网控制

控制机组转速以追踪 风力机变浆矩运行 最大风能，风能系数 ，控制机组转速为 保持恒定，为最佳值 最高转速，防止转 速越限。

风力机变浆矩运行， 控制机组功率为最大 功率，防止功率越限 。

转速控制

转速控制

转速控制

功率控

制

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最大风能追踪机理风力机运行特性 风力机运行特性风力机输入风能，输出机械能。其输出功率为： 风力机输入风能，输出机械能。其输出功率为：Po = C p Pv = 1 π ρ S w v 3 C p = ρ Dw 2 v 3 C p 2 8

为风能转换系数， 有关。 其中Cp为风能转换系数，与叶尖速比λ、浆叶节距角β有关。 /v。 λ=ωwRw/v。

风力机最佳功率为 风力机最佳功率为： 最佳功率

3 Pmax = k wω w

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最大风能追踪机理最大风能追踪实现1.实现最大风能追踪，本质就是在风速发 生变化时调节机组转速 调节机组转速，保持最佳叶尖速 调节机组转速 最佳叶尖速 比。 2.实现最大风能追踪，可以通过风力机控 制实现，也可以通过发电机控制实现 可以通过发电机控制实现。 可以通过发电机控制实现 3.实现最大风能追踪，可以检测风速，也 可以不检测风速 不检测风速。 不检测风速 采用不需要检测风速、通过发电机功 率控制实现最大风能追踪的方案。其原理 原理 是：通过控制发电机输出功率来控制机组 通过控制发电机输出功率来控制机组 转速， 转速，以求在风速变化时保持最佳叶尖速 实现最大风能追踪。 比，实现最大风能追踪。

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最大风能追踪机理DFIG 的P、Q解耦矢量控制策略DFIG的控制目的：实现P、Q解 、 解 耦控制，进而实现最大风能追踪 耦控制 最大风能追踪

将矢量变换技术 矢量变换技术移植到DFIG控 矢量变换技术 制上，导出基于定子磁链定向 基于定子磁链定向的 基于定子磁链定向 DFIG矢量控制策略。 须建立M-T同步旋转坐标系中DFIG数学模型 M 同步旋转坐标系中 数学模型

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DFIG运行控制DFIG的数学模型 DFIG的数学模型同步旋转坐标系中DFIG 同步旋转坐标系中DFIG的数学模型 DFIG的数学模型 u m 1 = r1 i m 1 p ψ m 1 + ω 1ψ t 1 定子电压方程: u t 1 = r1 i t 1 p ψ t 1 ω 1ψ m 1ub1 ib1

u m 2 = r2 i m 2 + p ψ m 2 ω sψ t 2 转子电压方程: θ ω u t 2 = 坐标变换 p ψ t 2 + ω sψ m 2 r2 it 2 + ψ m 1 = L 1 i m 1 L m i m 2 定子磁链方程: ψ = L i L i 1 t1 m t2 t1ωrub 2 i b2r

1

ia 2

ua 2

ia1

ic 2

u a1

uc 2

uc1

ic1

ψ 转子磁链方程: ψ 转矩方程:

m2 t2

= L m im 1 + L 2 im 2 = L m it 1 + L 2 it 2 运动方程:

Te = p n Lm (im1it 2 it1im 2 )© 浙江大学电气工程学院

Tm Te = J

d

ω r dt

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最大风能追踪机理DFIG 的P、Q解耦矢量控制策略在定子磁链定向 定子磁链定向下： 定子磁链定向 R =0 um1 =0 ut1 = u1、m1 =ψ1、t1 =0 、 、 ψ ψ 1 根据DFIG数学模型 数学模型得 数学模型

u ψ1 = 1 ω1 pψ = 0 1

1 im 2 = ( L1im1 ψ 1 ) Lm ψ m 2 = a1ψ 1 + a 2 im 2 i = L1 i t2 t1 ψ t 2 = a 2 it 2 Lm 2 其中 a1 = Lm / L1、a2 = L2 Lm / L1

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