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1、风力发电机组控制技术介绍,一、1.5MW变桨双馈型风力发电机简介,能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体素系极大地推动了人类社会的发展。然而人类在物质、精神生活不断提高的同吋感悟到大规模使用化石燃料所造成严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化，因此人类注意到大力开发一种凊洁、安全、可持续能源系统风力发电。,太阳的辐射造成地表面受热不均，空气流动产生了风，风能是储量非常巨大可再生能源，它不会因人类的开发利用而枯竭。大力开发、利用风能进行发电，功在当代，利在千秋。,1.5MW风力发电机为例进行，该风力发电机组型号为：UP77-1.5MW。
2、该风力发电机是三叶片、上风向、叶片变浆距、主动偏航、叶轮直径为77米、额定容量为1500kW、设计使用寿命20年的风力机。该机采用双馈异步发电机，该电机可以使风力机在比较宽的风轮转子转速变化范围内运转,以获取更多的电能。风轮由3个叶片（全长控制）、叶片轴承及球墨铸铁轮毂构成。叶片全长37.5米。叶片通过4-点球式轴承，安装在叶片轮毂上，以实现叶片的迎角可调。风力机可以根据发电量及产生的噪音调节叶片运行时的角度。,在高风速下，双馈发电机和变浆距系统将风力机的输出功率保持在额定功率。在低风速条件下，双馈发电机和变浆距系统通过选择风轮转子的转速和叶片角度的最佳结合使风力机的输出功率最大。风力机通过主
3、轴将机械功率由齿轮箱传输到发电机。齿轮箱由1级行星齿和2级螺旋齿轴传动。从齿轮箱通过万向联轴节柔性联结，将能量耦合到发电机。,发电机是一台高效率的4极双馈式发电机,带有绕组转子和滑差线圈，采用绝缘轴承配置。双馈异步发电机，又称交流励磁发电机。其结构与绕线式异步电机类似，但转子上需要4个滑环。馈电方式则和双馈电机或异步电动机超同步串级调速系统相似，即定子绕组接电网，转子绕组由变频器提供频率、相位、幅值都可调节的电源，实现恒频输出，还可以通过改变励磁电流的幅值和相位实现发电机有功、无功功率的独立调节。,由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所
4、决定的转差功率，该转差功率仅为额定功率的一部分，这样该变频器的成本以及控制难度大大降低。另外发电机运行时，既可超同步转速运行，也可亚同步转速运行，变速运行在11001810rmp之间，而定子输出电压和频率可以维持不变，既可调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。这种采用双馈异步发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制、减小变频器的容量外，还可以实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。,风力机的基本制动方法是全顺浆制动。高速轴的制动是紧急状态下的紧急制动，通过液压系统启动安装在齿轮箱高速主轴上的紧急碟式制动器。,风力机的功能通过几台微处理器构成的控制单元监控。控制系统安装
5、在机舱内。在风力机全工况的过程中调节控制系统可以使叶片的转动角度变化在090。控制系统根据安装在机舱顶部的风向仪提供的风向信息控制偏航系统转向。,偏航系统是由回转支撑轴承、弹簧阻尼装置和四台电机驱动的齿轮传动机构组成的。机舱盖是由玻璃纤维强化聚脂材料制成，可以保护机舱内部的设备，防雨、雪、尘和阳光的照射。机舱内还安装了一台起重量为200千克的链式提升机，提升高度为80米。风力机的塔架是钢制圆锥型筒式结构。,变桨双馈风力发电机电气原理图如下：,风力发电控制系统组成示意图,控制器的配置,控制系统硬件分别安装在三个不同部分：机舱控制，安装在机舱内地面控制，安装在塔架底部轮毂控制，安装在轮毂内部机舱控
6、制部分按功能可分为三部分：控制部分：主要控制机舱内各部分工作，如风况监控，变桨控制，温度控制等变频器：控制发电，与电网联接以及断开等功能压力和保护控制：电器保护装置,控制器监控风机的全部功能以保证在任何风速下风机的运行保持最佳状态。它连续地扫描来自风机各个传感器的信号，所以一旦发现错误，马上处理。如果出现的错误要求停止风机，控制系统会立刻停止风机。塔筒柜有一个触摸屏显示风机运转数据。控制器允许进行远程监控。它同时受系统的监控系统监控，以保障风机的正确的运行。,二、变浆距控制系统介绍,1、双馈发电机的变浆距系统组成：变桨驱动控制柜（3个）、配电柜（1个）、变桨电机及减速箱（3个）、电池柜（3个）
7、，固定在轮毂内。供电运行相关的控制、远程诊断、通讯与远程控制可采用RS接口或现场总线（CANOpen，PROFIBUS，DeviceNet，EtherCAT等）通过滑环送 入机舱电气柜。轮毂內电源、通讯线通过滑环接入机舱电气柜。,1.1 风机控制系统结构,风力发电机由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于风电系统的大脑。因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。目前风力发电亟待研究解决的的两个问题：发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。对此国内外学者进行了大量的研究，取得了一定进展，随着现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的研究提供
8、了技术基础。,风机控制系统的结构图,1.2 模块简介,如何从模块型号鉴别其功能KL：表示Kbus模块EL：表示Ebus模块，在Lust变桨系统内可以看到第一个数字的意义1：数字输入模块2：数字输出模块3：模拟输入模块4：模拟输出模块5：编码器模块特殊的：1904，2904，6904，属于安全端子（黄色）9：功能端子，9210，电源模块；9010，末端端子,KL3403 三相电力测量端子KL3403 总线端子可以测量电网中所有的电气数据。电压测量可以直接连接 L1、L2、L3 和 N 线。电流的测量则需通过简单的电流互感器。所有被测量的电压和电流数据都是有效值。通过 KL3403 还可以计算每相
9、的有功功率和能量消耗。通过和电压 U、电流 I 和有功功率 P 等有效值的运算关系，还可获得所有其它相关的数据，如视在功率 S、功率因数 cos 等。KL3403 提供了完整的电网分析和能源管理功能，可应用到各种现场总线系统中。,1.3 工厂调试培训,工厂调试是对风力发电机组整体设备的测试，包括齿轮箱、发电机、液压系统、偏航系统、变桨系统等的测试工作以及机舱柜和塔底柜之间的通讯配置等工作。机舱与塔底柜均吊装就位后，先检查电路是否有短接现象，排除后再上电，机柜24V得电后，先配置Profibus通讯，具体方法如下。,1.3.1 Profibus站号如何配置,如上图所示，靠上的地址选择开关1，靠下
10、的地址选择开关10，两者相加就是该profibus站的地址。,1.3.2 Profibus接线，profibus接头，屏蔽层如何接地如下,整个风机的系统结构,绿色线接A，红色线接B,注意terminal switch的位置,按下前后的卡钳拔出PCB电路板，需要注意不能完全拔出把Terminal switch设置在需要的位置上将PCB电路板推回直至卡钳卡住为止,NPBA-12的Terminal switch的设置方法,具体方法可见下图,1.3.3 屏蔽层的处理,首先，Profibus线在进入柜体处必须屏蔽层接地，接地处接触面积越大越好。如图所示：,其次，Profibus线的屏蔽层在profibu
11、s接头处必须暴露在外皮外，并被profibus接头压紧。,1.3.4 安全链端子的DIP switch如何设置,每个安全端子都有一个自己的TwinSAFE地址，地址由模块左侧的10通道DIP switch决定。,TwinSAFE地址可配置为1到1023中的任意值，地址与DIP switch的对应关系如下所示：,1号站KL6904：2；11号站的KL1904：10；20号站的KL1904：20，22；20号站的KL2904：24,1.3.5 通讯线连接，profibus接头，可能的故障，以及调试方法,如：站号错误，接线错误，虚接及接线牢固程度等，这些都是厂内检测的重点内容。,风电变频器的概念和方
12、案,ABB DrivesSystem AC,带滑环的双馈异步发电机,10.24 kV,f=50 Hz or 60 Hz,line coupling transformer,generatorsideconverter,grid sideconverter,gearbox,brake,pitch drive,rotor bearing,main circuit breaker for protection,converter control,wind turbine control,asynchronous generator with slip rings,medium voltageswit
13、chgear,frequency converter,main contactor for normal on-off operation,带滑环的双馈异步发电机,调速风机的主流概念与风机相比，较低的变频器容量发电机通常为 4 极 6 极发电机滑环需要定期维护(周期为12 个月)轮机典型功率范围600kW至5MW,带滑环的双馈异步发电机,低的电流谐波THD,典型值为3%由发电机控制无功功率并且可以由网侧变流器提供支持较高的效率，因为变频器容量较低,当有尺寸要求时的永磁方案,新的电网标准需要新技术电网故障时快速响应低电压穿越和电网支撑功能全功率的变流器将发电机与电网隔离永磁发电机带来更简单的和更
14、好的解决方案永磁方案的三种基本方式高速型，机械结构与双馈系统相同中速型，集成齿轮箱低速型，直驱,领先方案：无齿轮箱的永磁发电机,frequency converter,DC,generator sideconverter,line sideconverter,wind turbine control,brake,pitch drive,rotor bearing,synchronousgenerator,converter control,10.24 kV,f=50 Hz,line coupling transformer,main circuitbreaker,medium voltages
15、witchgear,领先方案：无齿轮箱的永磁发电机,带永磁体转子的现代同步发电机方案高极数发电机，典型极数 p=5080转速通常为 17.30 rpm转子结构简单，转子不含绕组几乎没有转子损耗发电机效率高，因为转子损耗可忽略不计机械结构简单，可以集成在风机结构中较低的机械损耗，因为转速低典型功率范围：600 kW3 MW(5 MW),领先方案：带低速集成齿轮箱的永磁发电机,frequency converter,synchronous generator(speed typically 120.450 rpm),integratedgear,brake,pitch drive,rotor be
16、aring,wind turbine control,converter control,DC,generator sideconverter,line sideconverter,10.24 kV,f=50 Hz or 60 Hz,line coupling transformer,main circuitbreaker,medium voltageswitchgear,领先方案：带低速集成齿轮箱的永磁发电机,1现代化的紧凑设计2集成化的发电机-齿轮箱一体化3最新型的机械结构4低速发电机，通常极数 p 205额定转速一般为 120-450 rpm6总重量较轻7更可靠和更长使用寿命，因为运行转
17、速低8典型功率范围为：1-5 MW,海上应用的最佳方案：,水冷型 ACS 变频器 更适用于海上应用,领先方案：带高速齿轮箱的永磁发电机,frequency converter,synchronous generator(speed typically 1000.2000 rpm),gearbox,pitch drive,rotor bearing,wind turbine control,converter control,DC,generator sideconverter,line sideconverter,10.24 kV,f=50 Hz or 60 Hz,line coupling
18、transformer,main circuitbreaker,brake,medium voltageswitchgear,领先方案：带高速齿轮箱的永磁发电机,机械结构与双馈型相同没有滑环通常极数为 6 或 8 极发电机转速一般为 10002000 rpm发电机重量轻，紧凑化设计与双馈方案相比，发电机效率高,领先方案：1.5MW 永磁同步机型水冷变频器,领先方案：2.5MW 永磁同步机型风冷变频器,领先方案：2.5MW 永磁同步机型风冷变频器,ABB 变频器应用于风能领域,ABB 是交流传动市场的领导者风电变频器借鉴了广泛使用的工业调速变频器的技术全球化的应用高质量有竞争力的产品首批应用于风
19、力轮机的产品于 2002年交付总共 12 个 OEM 客户，分布于欧洲和亚洲两种主要机型带滑环的双馈机型感应式和永磁式的全功率机型水冷和风冷变频器,风力发电的要求和趋势,电网扰动克服系统正常运行和电网故障时的支撑功能分布式的电网电压控制分布式的电网频率控制电网故障时产生无功功率电网闪变的快速响应ABB 与主要的风电国际组织合作IEC 61400-21(电能质量)CIGRE WG C4.6.01(电力系统可靠性)北欧能量研究项目组织其他主要的国际风能研究机构,变流器技术发展趋势,变频器将变得更小，得益于：先进的功率半导体器件更有效的冷却更深层次的集成变频器变得更容易使用变频器变得更聪明远程访问和监视 互联网技术 自我调试(即插即用)永磁发电机方案带来新的利益,未来的风力发电变频器装置,可配置的主回路适用于海上型风机适用于大功率风机低发电量时只使用部分变流器装置更低的电流谐波，因为功率更小有源滤波使得电网更干净损耗更低冗余运行更高的可用性,谢谢!Thank you!Vielen dank!,
