风力发电机组的电气控制

图8 电网侧pwm变换器控制框图

双馈系统电机侧pwm变换器控制的输入给定量为送至电网的总有功功率设定pg set和总无功功率设定q_g set。p_g set按p_target=f(n)曲线设定(含最大值限制)，q_g set根据电网所需无功量设定，也可设为零(功率因数=1)。经有功功率及无功功率两个pi调节器的总有功电流和无功电流给定值，计及式(2)关系，得定子电流和转子电流的有功和无功分量给定值，通过基于矢量变换的电流控制(解耦和旋转模块)，使定、转子电的有功和无功分量实际值(i_{s dq} 和i_{r dq})分别等于其给定值。旋转模块所需之角度信号f_vs是定子电压向量vs的相位角(用三相电压信号计算得到)，f_vs－f _r是f_vs角与用编码器测得的转子位置角φr之差。

电网侧pwm变换器控制的输入给定量为直流母线电压给定信号v_dc set，经直流电压pi调节器，输出该变换器输入电流igc的有功分量给定i_gc p set。通常设定i_gc的无功分量给定i_{gc q} set =0。通过由两个直流电流pi调节器和两个旋转模块构成的基于矢量变换的电流控制，使变换器输入电流i_gc的有功和无功分量实际值分别等于其给定值。旋转模块所需之角度信号也是定子电压向量v_s的相位角f_vs。若转速高于同步速，转差率s<0，i_{gc p} set<0，表示有功电流从变换器流入电网，这時如果风速增大，更多功率从电机转子流出，直流母线电压v_dc将升高，i_{gc p} set的数值将加大(更负)，更多的有功电流经电网侧变换器流向电网，v_dc回落，直至返回设定值v_dc set。

(3) 桨叶倾角控制

桨叶倾角控制通过液压执行机构来实现，它在变速控制中的任务是:在转速随风速增加升至额定转速后，通过加大倾角β来维持转速不变。由于倾角与涡轮机功率、转速之间存在非线性关系，宜采用非线性或智能控制器，但目前工程上使用的仍大多是线性pid控制器。要用线性控制器去控制非线性对象，必须使闭环控制限于小信号，输出量的大范围变化宜通过改变开环设定量实现。系统框图示于图9。

图9 桨叶倾角控制系统框图

图9中倾角β主要由开环给定量β_ref所决定，β_ref从维持n=n_n要求出发，通过用风速信号和涡轮机特性计算得到。闭环系统的给定是额定角速度ω_ref=(2πn_n)/60，反馈量是角速度实际值ω_r，pid控制器的输出是倾角给定的校正量δβ，通过闭环校正开环给定误差，使转速实际值维持在其额定值附近不变。在低风速段，控制器输出置零(δβ=0)，β_ref设置到最小值，倾角被固定在最小位置。为防止机件疲劳损坏，需减少执行机构的动作次数，因此在控制器中设置了不灵敏区，偏差小于设定值时，执行机构不动作。

6 试验结果

德国seg公司生产的1500kw双馈式变速风力发电机组运行波形示于图10，从图10中看出:

图10 1500kw变速发电机组运行波形

(1) 在转速n<nn=1800r/min期间，倾角控制不工作;在n达1800r/min到后，倾角控制才开始工作，维持输出功率在1500kw和转速在1800r/min左右，基本不变，波形中微小的波动是由于倾角控制响应滞后造成的。

(2) 在t=450s附近，一股强阵风突然吹来，风速达17m/s，转速短期升至约1940r/min，把部分风能贮存在机组转子的惯量中，输出功率和转矩仅很小波动，这就是变速发电的“弹性”效果。

7 一个设想—锥形转子(coning rotor)风力发电机

锥形转子(coning rotor)风力发电机是一种新型风力发电技术的设想，有可能在近期实现，其外形示于图11。

图11 锥形转子风力发电机外形

锥形转子风力发电机的特点是:

(1) 桨叶向后倾斜，呈锥形，随风力加大，倾斜角度越大，受力减少，结构强度和重量减小;

(2) 塔体由圆筒结构改为用牵索拉紧的桁架结构;

(3) 采用直接驱动的低速风冷永磁同步发电机，取消增速箱，简化机构，可靠(图12)。(双馈电机常用风-水冷却，1500r/min，需要增速箱);

图12 旋转部分示意

(4) 若维持倾角液压系统适当压力不变，根据仿真结果，有可能省去倾角闭环控制;

(5) 变速发电, 永磁同步发电机通过一套单象限变频器接至电网, 电机侧变换器为二极管整流+直流斩波, 简单;

(6) 由于风力发电中机械部分的价格占80％以上，估计锥形转子风机可节省投资30％左右。

变频器的主电路示于图13，由带直流斩波的整流器(电机侧变换器)和dc-ac逆变器(电网侧变换器)两大部分构成。控制框图示于图14，其中变频器中电网侧变换器控制同图8，本图中不再画出。

图13 变频器主电路

图14 变频器控制框图

由图14，有功功率(p_g)调节器输出直流电流(idc)给定值，经斩波器电流控制，使p_g和i_dc的实际值分别等于它们的给定值。无功功率(q_g)调节器输出电网侧无功电流(i_{gc q} )给定值，送至电网侧变换器(逆变器)控制系统(图8)，使q_g和i_{gc q} 的实际值分别等于它们的给定值。

8 结束语

(1) 变速发电适合用于1000kw以上机组，是当今主流;

(2) 变速发电有同步发电机和双馈异步发电机两个方案;

(3) 变速发电机组的控制有变流器控制和倾角控制两大部分:低风速，变流器功率-转速控制;高风速，倾角控制;

(4) 锥形转子风力发电机组可能是发展方向。

上一页  [1] [2] [3] 

本文关键字：发电机组  设计参考，变频技术 - 设计参考