新能源发电与并网技术 风力发电 3 主讲人 朱晓荣主讲人 朱晓荣 电气与电子工程学院电气与电子工程学院 School of Electrical and Electronics Engineering 电气与电子工程学院2新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 典型结构典型结构 采用绕线感应电机 变流 器与转子绕组之间的电流 通过滑环进行传送 通过 向转子注入频率为转差频 率的可控电压来达到变速 运行 采用绕线感应电机 变流 器与转子绕组之间的电流 通过滑环进行传送 通过 向转子注入频率为转差频 率的可控电压来达到变速 运行 转子绕组通过变频器供 电 该变频器由两个基于 转子绕组通过变频器供 电 该变频器由两个基于 IGBT的的DC AC VSC组 成 两个变流器之间通过 直流环节连接 组 成 两个变流器之间通过 直流环节连接 变流器为转子提供频率可变 的电源 使得转子的机械转 速和电网的同步转速相互解 耦 由此实现了风电机组的 变速运行 变流器为转子提供频率可变 的电源 使得转子的机械转 速和电网的同步转速相互解 耦 由此实现了风电机组的 变速运行 双馈异步发电机组双馈异步发电机组 电气与电子工程学院3新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 典型结构典型结构 DFIG风电机组可以同时 通过发电机定子和变流器 将功率送入电网 风电机组可以同时 通过发电机定子和变流器 将功率送入电网 当转子转速高于定子磁场 的同步转速时 发电机运 行在 当转子转速高于定子磁场 的同步转速时 发电机运 行在超同步速状态超同步速状态 转子 功率通过变流器送入电网 转子 功率通过变流器送入电网 当转子转速低于定子磁场 的同步转速时 发电机运 行在 当转子转速低于定子磁场 的同步转速时 发电机运 行在次同步速状态次同步速状态 转子 通过变流器从电网吸收功 率 转子 通过变流器从电网吸收功 率 电气与电子工程学院4新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 数学模型数学模型 1 稳态模型稳态模型 转子电流转子电流 从气隙传递的功率从气隙传递的功率 从转子传递的功率从转子传递的功率 RsXsXr Vs Ir r Vs r Rs m X s I RsXsXr XmVs Is Ir r Rs r Vs s r r ssr V I r V s R Rj XX s 2 air gap r r R PI s cos r rr V PI s 电气与电子工程学院5新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 数学模型数学模型 1 稳态模型稳态模型 有功功率关系有功功率关系 air gaps PP air gap mr sr PPP PP rsr TTP rrssrss PTTTTssP 1 gsrs PPPs P 1 msrs PPPs P 电气与电子工程学院6新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 电气与电子工程学院7新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 数学模型数学模型 2 动态模型动态模型 以转速以转速 s旋转的同步坐标系下的等效电路旋转的同步坐标系下的等效电路 电气与电子工程学院8新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 2 动态模型动态模型 磁链方程磁链方程 电压方程电压方程 sd sds sdssq sq sqs sqssd rd rdr rdsrrq rq rqr rqsrrd d d d d d d d d vR i t vR i t vR i t vR i t 式中 式中 V I分别为 磁链 电压 电流 分别为 磁链 电压 电流 R L为电阻及电感 下标为电阻及电感 下标s r分别表示定 转子侧分 量 分别表示定 转子侧分 量 r为转子角速度 为转子角速度 Lm为激磁电感 为激磁电感 sds sdm rd sqs sqm rq rdr rdm sd rqr rqm sq L iL i L iL i L iL i L iL i 电气与电子工程学院9新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 2 动态模型动态模型 定子输出功率定子输出功率 当采用定子电压定向时 忽略暂态过程及定子电阻上的压降 当采用定子电压定向时 忽略暂态过程及定子电阻上的压降 s s 3 2 3 2 sd sdsq sq sq sdsd sq pv iv i qv iv i sdssq sqssd 0 s v V v sq sd 0 s s V sds sdm rd sqs sqm rq 0 s s L iL i V L iL i m rq m rd sdsq s ssss L i L iV ii LLL sd 0 ssq vV v 电气与电子工程学院10新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 2 动态模型动态模型 双馈电机的定子侧有功 或电磁转矩 定子侧无功分 别由转子电流的 双馈电机的定子侧有功 或电磁转矩 定子侧无功分 别由转子电流的d q轴分量决定 轴分量决定 s 2 s 33 22 33 22 m sd sdsrd s ssm sd sqrq sss L pv iVi L VV L qv ii LL 电气与电子工程学院11新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 2 动态模型动态模型 定子输出功率定子输出功率 当采用定子磁链定向时 当采用定子磁链定向时 忽略暂态过程及定子电阻上的压降 忽略暂态过程及定子电阻上的压降 sdssq sqssdss 0 v v sds sdm rd sqs sqm rq 0 s L iL i L iL i m rq m rd sqsd s sss L i L i ii LLL sd 0 ssq Sm ss rq s S sssm rd s 3 2 3 2 L pi L qL i L 双馈电机的定子侧有功 或 电磁转矩 定子侧无功分 别由转子电流的q d轴分量 决定 双馈电机的定子侧有功 或 电磁转矩 定子侧无功分 别由转子电流的q d轴分量 决定 电气与电子工程学院12新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 2 动态模型动态模型 转子输出功率转子输出功率 r r 3 2 3 2 rd rdrq rqs rq rdrd rq pv iv isp qv iv i 控制策略控制策略 控制目标 控制目标 控制发电机和电网之间的无功功率交换 控 制风电机组发出的有功功率 以追踪风电机组的最优运 行点 在高风速情况下限值风电机组的出力 控制发电机和电网之间的无功功率交换 控 制风电机组发出的有功功率 以追踪风电机组的最优运 行点 在高风速情况下限值风电机组的出力 包含两个不同 相互之间又紧密联系的控制子系统 包含两个不同 相互之间又紧密联系的控制子系统 双 馈感应发电机控制 双 馈感应发电机控制 用于控制有功 无功功率 用于控制有功 无功功率 风力机 控制 风力机 控制 用于实现转速的控制及浆距角的调节 主要用于 气动子系统和机械子系统中的功能实现 用于实现转速的控制及浆距角的调节 主要用于 气动子系统和机械子系统中的功能实现 电气与电子工程学院13新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 电气与电子工程学院14新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 双馈感应发电机控制双馈感应发电机控制 双馈感应发电机控制双馈感应发电机控制包括转子侧变频器控制和电网侧变 频器控制 包括转子侧变频器控制和电网侧变 频器控制 转子侧变频器控制的主要功能 转子侧变频器控制的主要功能 1 通过施加三相交流电进行励磁 调节励磁电流的幅 值 频率和相位 实现定子侧输出电压恒频恒压 同 时实现无冲击并网 通过施加三相交流电进行励磁 调节励磁电流的幅 值 频率和相位 实现定子侧输出电压恒频恒压 同 时实现无冲击并网 2 通过解耦控制实现有功功率 无功功率独立调节 通过解耦控制实现有功功率 无功功率独立调节 3 实现最大风能追踪和定子侧功率因数的调节 实现最大风能追踪和定子侧功率因数的调节 网侧侧变频器控制的主要功能 网侧侧变频器控制的主要功能 1 保持直流母线电压的稳定 保持直流母线电压的稳定 2 实现网侧功率因数的控制 实现网侧功率因数的控制 电气与电子工程学院15新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 双馈感应发电机控制双馈感应发电机控制 转子侧变频器控制转子侧变频器控制 电气与电子工程学院16新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 风力机运行在最大功率跟踪曲线上将会输出最大功率风力机运行在最大功率跟踪曲线上将会输出最大功率Pmax其值为其值为 对应的转矩为对应的转矩为 3 optoptr Pk 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 1 最大功率追踪控制 最大功率追踪控制 最大功率曲线 最大功率曲线 由不同风速 下风力机输出功率和转速的 关系 可以看到不同风速下 风力机的功率转速曲线组成 了曲线簇 每条曲线上最大 功率点成为风力机的最大功 率曲线 由不同风速 下风力机输出功率和转速的 关系 可以看到不同风速下 风力机的功率转速曲线组成 了曲线簇 每条曲线上最大 功率点成为风力机的最大功 率曲线 2 optoptr Tk 3 max 1 2 optoptp kS RC r pu puP 电气与电子工程学院17新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 1 最大功率跟踪控制 最大功率跟踪控制 启动阶段 此时电机增速 但没有并网 没有功率输出 启动阶段 此时电机增速 但没有并网 没有功率输出 风力发电机并入电网并运行在额定风速以下的区域 这一阶段 又可分为两个区域 变速运行区和恒速运行区 风力发电机并入电网并运行在额定风速以下的区域 这一阶段 又可分为两个区域 变速运行区和恒速运行区 功率恒定区 当风速增加时 通过变桨控制 从而保持功率不 变 功率恒定区 当风速增加时 通过变桨控制 从而保持功率不 变 启动区启动区 Cp恒定区 转速恒定区 功率恒定区 恒定区 转速恒定区 功率恒定区 电气与电子工程学院18新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 双馈感应发电机控制双馈感应发电机控制 转子侧变频器控制 转子侧变频器控制 2 电流控制环 电流控制环 rd rdr rdsrrq rq rqr rqsrrd d d d d vR i t vR i t rdr rdm sd rqr rqm sq L iL i L iL i rdr rdsrr rqm sq rqr rqsrr rdm sd rd rq vR iv L iL i vR iv L iL i 1 1 ref rdpdrdr i ref rqpqrqr i vKii Ts vKii Ts 电气与电子工程学院19新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 双馈感应发电机控制双馈感应发电机控制 网侧变频器控制网侧变频器控制 电气与电子工程学院20新能源发电与并网技术新能源发电与并网技术 3 7 3 7 双馈异步风电机组双馈异步风电机组 网侧变频器控制网侧变频器控制 电网 0 gqggd EEE以网侧电压矢量定向d轴 以网侧电压矢量定向d轴 gdggdgdg iEiEP 2 3 2