125MW双馈异步风力发电系统设计.docx

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125MW双馈异步风力发电系统设计

学号：

2013210516

XinjiangInstituteofEngineering

毕业设计

设计题目：

1.25MW双馈异步风力发电系统设计

学生：

××××××

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气工程13-2

系部：

电力工程系

指导教师：

××××××

二〇一七年六月七日

摘要

随着一些地区风电供应比例的急剧增加，大规模风电场对地区电网稳定性造成的影响愈发显著。

风力发电机的低电压穿越技术越来越受关注。

文中首先介绍了低电压穿越技术的概念、国外的相应标准，继而分析比较了有关此技术的双馈感应发电机建模问题、各种常见的实现低电压穿越的技术手段及改进控制策略。

最后描述了具备此技术的风电场对电力系统的影响。

根据电机学中异步电机的相关知识推导了双馈感应发电机在三相静止坐标系下的数学模型以及运动方程；在对双PWM电压型变流器原理分析基础上，推导了网侧PWM变流器在三相静止坐标系下数学模型；为了便于控制系统设计，应用坐标变换技术将所建数学模型转换到两相旋转坐标系下；基于坐标变换技术和电机矢量控制理论，进行了电网电压定向的网侧变流器矢量控制设计和定子磁链定向的转子侧变流器矢量控制设计的研究；进行了亚同步速和超同步速时电机变速恒频发电和有功无功独立调节的仿真研究，仿真结果表明所设计的系统在实现了变速恒频发电的同时，实现了P、Q的完全解耦控制，验证了双馈感应风力发电系统理论分析和控制策略设计的正确性与可行性。

关键字风力发电；变速恒频；双馈发电机；矢量控制

Abstract

Withtherapidincreaseoftheproportionofwindpowersupplyinsomeareas,theimpactoflarge-scalewindfarmsonthestabilityofregionalpowergridisbecomingmoreandmoreobvious.Thelowvoltageridethroughtechnologyofwindturbineshasattractedmoreandmoreattention.Thispaperfirstintroducestheconceptofthecorrespondingstandard,lowvoltageridethroughtechnologyabroad,technicalmeanstorealizethelowvoltageridethroughtheanalysisandcomparisonofallkindsofdoublyfedinductiongeneratormodelingproblem,thistechniqueiscommonandimprovedcontrolstrategy.Finally,theinfluenceofwindfarmwiththistechnologyonpowersystemisdescribed.

Accordingtomotorlearningrelatedknowledgeofinductionmotormathematicalmodelisdeducedinthethree-phasestaticcoordinatesystemofdoublyfedinductiongeneratorandtheequationofmotion;intheanalysisofdualPWMvoltagesourceconverterbasedontheprinciple,derivationofthegridsidePWMconverterinthethree-phasestaticcoordinatesystemmathematicalmodel;inordertofacilitatethedesignofcontrolsystem,theapplicationofcoordinatetechnologywilltransformthemathematicalmodelintothetwo-phaserotatingcoordinatesystem;coordinatetransformationtechnologyandmotorvectorcontrolbasedonthetheoryofrotorsideconvertervectorcontroldesignandthedesignofthestatorfluxorientationvectorcontrolgridvoltageorientednetworksideconverter;simulatedsubsynchronousspeedandsupersynchronousspeedmotorVSCFandindependentactiveandreactivepowerregulation,simulationresultsshowthatthedesignofthesystemintherealizationoftheVSCFwindpowergenerationatthesametimeThecompletedecouplingcontrolofPandQisrealized,andthecorrectnessandfeasibilityofthetheoreticalanalysisandcontrolstrategydesignofdoublyfedinductiongeneratorareverified.

Keywordswindpowergeneration;variablespeedconstantfrequency;doublyfedgenerator;vectorcontrol

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1风力发电机概况1

1.2研究风力发电机的目的和意义1

2双馈风力发电的电气部分设计3

2.1双馈风力发电系统结构特点3

2.2风力机最大风能捕获原理3

2.3双馈感应发电机的运行原理6

3风力双馈发电系统的控制方案选择8

3.1主配电系统8

3.2中央监控系统8

3.2.1中央监控系统功能8

3.2.2中央监控的实现方式9

3.2.3风力发电机监控网络9

3.3塔底主控系统10

3.3.1主控系统功能10

3.3.2主控系统流程10

3.4变流控制系统11

3.4.1双馈电机工作原理12

3.4.2变流系统组成及功能部件13

3.4.3变流系统并网控制过程16

4双馈风力发电的并网方式选择18

4.1风电机组控制系统抗干扰研究18

4.1.1风电机组电源系统抗干扰技术及保护18

4.1.1交流电源系统及保护19

4.3.2控制系统抗干扰及保护22

4.3.4变流系统抗干扰技术26

4.3.5风电机组变流系统直流母线及Crowbar保护29

5双馈风力发电的继电保护和接地设计31

5.1风电机组安全保护系统设计31

5.2风电机组安全链系统32

5.2.1双馈型风电机组安全链组成及功能32

5.2.2风力发电机组的紧急停机过程34

5.2.3风电机组安全链逻辑结构35

5.3风力发电机组防雷保护36

5.3.3电控系统防雷36

5.3.4接地保护37

结论38

参考文献39

1绪论

1.1风力发电机概况

随着现代技术的发展，风力发电迅猛发展。

以机组大型化（50kW～2MW）、集中安装和控制为特点的风电场（也称风力田、风田）成为主要的发展方向。

20年来，世界上已有近30个国家开发建设了风电场（是前期总数的3倍），风电场总装机容量约1400万kW（是前期总数的100倍）。

目前,德国、美国、丹麦以及亚洲的印度位居风力发电总装机容量前列,且未来计划投资有增无减。

美国能源部预测2010年风电至少达到国电力消耗的10%。

欧盟5国要在2000～2002年达到本国总发电量的10%左右,丹麦甚至计划2030年要达到40%。

中国是一个风力资源丰富的国家,风力发电潜力巨大。

据1998年统计,风力风电累计装机22.36万kW,仅占全国电网发电总装机的0.%,相对于可开发风能资源的开发率仅为0.088%。

中国第一座风力发电场于1986年在荣成落成,总装机较小,为3×55kW。

到1993年我国风电场总装机容量达17.1MW,1999年底,我国共建了24个风力发电场,总装机268MW。

我国风力发电场主要分布在风能资源比较丰富的东南沿海、西北、东北和华北地区,其中风电装机容量最多的是新疆已达72.35kW。

在未来2～3年,我国计划新增风电场装机容量将在800MW以上,并且将会出现300～400MW的特大型风力发电场。

1.2研究风力发电机的目的和意义

风能是对人类生存环境影响最小的能源。

除此之外，风能资源非常丰富，取之不尽，用之不竭。

据统计，太阳向地球辐射的巨大能量中，约有1%转化为风能。

这些能量相当于全球每年消耗的煤、石油等化石燃料能量的总和，可见风能的潜力是非常大的。

随着风力发电技术日趋成熟，风力发电规模也不断扩大，美国加州由数家风能公司提供给电网的电量，足以供应旧金山这样的大城市的居民需求。

我国风电事业近年来发展较快，已有16万台微型风力发电机用于边远山区、牧区、海岛，初步解决了地处边远，居住分散，电网难以到达地区的居民用电问题。

同时也遏制了微型汽油发电机的发展，在节约石化燃料的同时，避免了各种有害气体的排放。

国家“九五”新能源发展计划提出，“九五”期间全国风力发电的总装机容量要突破40万千瓦。

为此，国家从宏观规划角度出发，制定了“乘风计划”，面向国外市场发展风力发电。

“乘风计划”不仅会大大促进我国风电事业的发展，而且对减排有害污染物，促进环境的改善有着重要意义。

风力发电近几年发展特别快，是因为它有许多优点：

1.设备简单，投资少，成本低，风力发电机的成本不足火力发电，水力发电和核电站成本的1/4，在二、三年就可以收回全产投资；2.节省燃料和运输费用。

在风力资源丰富的地区，风力是取之不尽，用之不竭的，可就地建立风力发电站，就地用电，这样就可以节省大量的输电设备和能源。

许多燃料是十分重要的化学原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。

我国资源并不十分丰富，充分利用风力资源意义就更重大了；3.利用风力可以减少对大气的污染，保护我们人类赖以生存的自然环境。

化学燃料不断向大气中排放对生物有害物质，严重的威胁人们健康，而风力能源则没有任何影响人类健康的有害物质。

由于它是清洁能源，对环境无污染，又由于我们国家地形复杂，人口又多，居住分散，对于电网涉及不到的地区，特殊行业，可以补充大电网的缺陷，起到拾遗补缺的作用，可以利用小型风机风力发电的地方主要有：

（l）航运系统我们有长江等水系几条大河流，如长江航运中的拖船，一般在100一200吨，经常被搁置在江中间的锚地上，用电主要靠蓄电池。

使用风力发电机对蓄电池补充充电效果很好，这方面有成功的经验。

但是，由于国有运输企业的不景气，影响了市场。

另外，我们大小河流湖泊上的船舶数量惊人，用小型风力发电机解决它们的照明、收视电视、听广播，有很重要的意义和市场。

（2）森林防火高山观察站据林业部防火指挥部介绍，东北约有400个观察站，西南也有几百个高山观察站，各省市都有一些森林高山防火观察站，站上的工作人员，在防火期从10月到第二年4、5月期间昼夜在站上值勤，解决他们的照明及听广播、看电视颇为费神。

由于山高、道路狭窄崎岖、运输困难，又不能使用明火，使用小型风力发电机可以基本解决观察站的照明及娱乐用电。

90年代初，个别观察站曾使用过小型风力发电机。

由于风力发电机的某些技术问题及使用人员的素质因素，没有得到推广。

（3）无人值守的差转台和微波站。

（4）东南沿海各孤立的岛屿。

（5）围网养殖系统。

（6）农牧区。

（7）国际市场。

2双馈风力发电的电气部分设计

2.1双馈风力发电系统结构特点

图2-1双馈风力发电系统结构

双馈风力发电系统结构图如图2-1所示。

系统包括风力机，齿轮箱，双馈感应发电机，变流器，控制器等，其主要作用是从风中捕获能量并将其转换成电能。

当风作用在叶片上带动叶片的旋转从而产生相应的转矩，该转矩驱动轮轴转动，由于风能密度低，叶片旋转速度会比较慢，一般为10-30转／分钟，为了使其旋转速度达到双馈感应发电机的转速要求，在风力机和双馈感应发电机之间装有一个变速箱来进行变速，变速箱的变比由风力机和双馈发电机的转速要求确定，变速箱的低速轴通过低速联轴器和风力机相连，而其高速轴通过高速联轴器和双馈感应发电机的转子相连，带动发电机的转子旋转，从而将叶片吸收的风能转换成机械能。

双馈感应发电机吸收机械能后，在变流器的控制作用下，负责将机械能转换成符合电网规则的电能传送至电网。

2.2风力机最大风能捕获原理

风力机是风力发电系统中能量转换的首要部件，用以截获流动空气的动能，并将风力机叶片迎风扫掠面积的一部分动能转换为机械能。

它不仅决定整个风力发电系统的有效输出功率，而且直接影响机组的安全、稳定、可靠运行，是风力发电系统中关键部件之一。

根据贝兹理论，风力机捕获的风能功率为：

（2.1）

公式中：

ρ——空气密度；

v——风速；

A——风力机扫掠面积；

Cp——风力机的功率系数；它是叶尖速比λ和浆叶节距角β的函数，其中

，ωm为风力机机械角速度,R为风轮半径。

由公式（2.1）可见，在风速给定的情况下，风轮获得的功率将取决于风能利用系数Cp。

如果在任何风速下，风力机都能在Cpmax点运行，便可增加其输出功率。

在任何风速下，只要使得风轮的叶尖速比λ=λopt，就可维持风力机在Cpmax下运行。

因此，风速变化时，只要调节风轮转速，使其叶尖速比保持λopt不变，就可获得最佳的风能利用系数。

由公式（2.1）可知风力发电机组的输出功率是风速的立方函数，即风速越大，机组输出的电功率越大。

然而，实际系统中存在两个限制：

一是电气回路中各电气装置及元件的最大功率限制，二是风力机组的各转动部件尤其是风轮，存在一个转速上限。

风力机的特性通常由一簇风能利用系数Cp的无因次性能曲线来表示，如图2.2（a）所示。

风能利用系数Cp是风机叶尖速比λ的函数，同时也是桨叶节距角β的函数，理论上最大为0.593，也称为Betz极限。

从图中可以看出，当桨叶节距角逐渐增大时，该曲线将显著减小。

若保持节距角不变，图2.2（a）的一簇曲线就变成了图2.2（b）的一条曲线。

a）b）

（c）

图2.2风力机特性曲线

图2.2（c）是一组在不同风速（v1>v2>v3）下风力机的输出功率特性，Popt曲线是各风速下最大输出功率点的连线,即最佳功率曲线。

风力机运行在Popt曲线上将会输出最大功率Pmax，其值为：

（2-2）

式中：

可以看出,在同一个风速下，不同转速会使风力机输出不同的功率，要想追踪Popt曲线，必须在风速变化时及时调整转速ωm，保持最佳叶尖速比。

当达到起始风速后，风轮转速由零增大到发电机可以切入的转速后，风力发电机组开始发电运行，通过对发电机的转速的控制，Cp不断上升，直至Cp=Cpmax，进入Cp恒定区，这时机组在最佳状态下运行这段区域主要是发电机组机械转矩（即有功功率给定值）使转速随着风速而变化，使λ=λopt，实现最大风能捕获。

对于每个风速，都有一个相对应的最佳风机转速，可得：

（2-3）

式中：

ｎ——电机转速；

Ｎ——齿轮箱传速比。

2.3双馈感应发电机的运行原理

双馈发电机结构类似于绕线式感应电机，其定子和转子上均放置对称三相绕组，其定子与普通交流电机定子相似，只是转子绕组上加有滑环和电刷，这样转子侧既可以输入电能也可以输出电能。

因采用交流励磁，转子的转速与励磁电流的频率有关，从而使得双馈发电机的部电磁关系既不同于感应电机又不同于同步电机。

双馈发电机在正常工作时，其定子绕组接工频电网，转子绕组经一个频率、幅值、相位可调的三相变频电源供电，如图2.3。

图2.3中f1、f2分别为双馈发电机定、转子电压和电流的频率，n1为定子磁场的旋转转速，即同步转速，n2为转子磁场相对于转子的旋转转速，nr为双馈发电机转子的转速。

双馈发电机在稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止。

当定子旋转磁场在空间上以ω1的速度旋转时，则转子旋转磁场相对于转子的旋转速度ω2应为：

（2-4）

其中，ωr为转子机械旋转角速度，s为双馈发电机的转差率。

f1

n1f2

n2

图2.3双馈发电机结构简图

按照通常转差率的定义有：

（2-5）

转子转差角速度与s成正比。

若双馈发电机的转子转速低于同步转速，那么转子旋转磁场和旋转方向相同，如果转子的转速高于同步转速，那么二者的旋转方向相反。

根据ω=2πf推出励磁电流频率和定子电流频率之间存在如下关系：

（2-6）

当双馈发电机的转速发生变化时，只要改变通入电机转子里面励磁电流的频率f2就可以保持电机定子侧频率f1不变，即保持电机输出电压的频率恒定；通过改变通入电机转子里面励磁电流的幅值、相位就可以改变定子侧电压幅值。

3风力双馈发电系统的控制方案选择

3.1主配电系统

风电机组的主配电系统如图3.1所示，由电网通过变压器提供690V/50HZ三相交流电，给整个风电机组进行供电。

对于双馈发电机及变频系统，由690V直接供电，其余用电设备则要通过690V/400V变压器后再进行供电。

其中，每一路供电设备线路入口端都要加相应的保护装置（保险丝），这样可以保证在任一路出现故障时迅速切除，而不影响其他用电设备。

图3.1主配电系统图

3.2中央监控系统

由于风力发电机组单机容量的限制，一般的风力发电场需要占用较大场地，有的甚至绵延数公里，因而集中监控系统就变得尤为重要。

3.2.1中央监控系统功能

通信管理：

系统自动与事先设定的风电机组建立通信连接，并具有通信中断后的自动重连接功能；

监视功能：

实时监视可控风电机组的运行状态及运行数据；

绘制曲线：

绘制风速－功率曲线、风速分布曲线、风速趋势曲线；

远控功能：

在中央控制室实现对风电机组的远程开机、停机、左/右偏航、复位等功能；

数据管理：

机组运行数据自动存储与维护，自动生成报表，支持数据查询，具有数据导出功能；

修改参数：

远程修改风电机组运行参数。

故障报警与处理：

风机故障报警（视觉报警和红色警示条报警）、故障数据保存、故障现场数据读取显示。

3.2.2中央监控的实现方式

数据通讯接口：

TCP/IP网络接口。

数据通讯方式：

中央监控为主站，就地控制器为从站。

主轮询方式读取数据方式。

通讯介质：

风机和风机之间，风机到中央监控之间均采用光纤介质。

3.2.3风力发电机监控网络

图3.2风机监控网络

风力发电机监控网络如图3.2所示，中央监控器一般由一台中央监控计算机、一台路由器和中心交换机和若干子网（单个风力发电机）组成。

中央监控计算机负责通过以太网监控所有风机的状态及控制，并可以通过路由器连接到internet。

中心交换机负责整个监控系统的数据交换和网络传输，其中包括中央监控计算机与各子网通讯，子网域子网之间通讯。

所有网络之间均采用TCP/IP协议通讯，通过光纤实现网络连接。

每个风力发电机都有一个现场监控系统，可以设定相应的权限，可以对本机组和其他机组进行设置和控制。

3.3塔底主控系统

3.3.1主控系统功能

塔底主控制系统是机组可靠运行的核心，主要完成数据采集及输入、输出信号处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱柜通讯，接收机舱信号，并根据实时情况进行判断发出偏航或液压站的工作信号；与三个独立的变桨柜通信，接收三个变桨柜的信号，并对变桨系统发送实时控制信号控制变桨动作；对变流系统进行实时的检测，根据不同的风况对变流系统输出扭矩要求，使风机的发电功率保持最佳；与中央监控系统通讯、传递信息。

控制包括机组自动启动，变流器并网，主要零部件除湿加热，机舱自动跟踪风向，液压系统开停，散热器开停，机舱扭缆和自动解缆，功率因数调整，电容滤波投切以及低于切入风速时自动停机。

风电机组各控制系统之间通信一般采用标准的现场总线通信协议，一般采用RS485、Profibus-DP或CAN总线通信，本系统根据需要可以上述采取多种通信协议进行通信，以下系统部之间均采用Profibus-DP通信协议，如图3.3所示。

图3.3Profibus-DP通信

3.3.2主控系统流程

主控系统控制流程如图3.4所示。

首先系统要进行初始化，先给整个系统上电，对相关信号量、执行机构和保护系统进行复位，然后对这些状态进行检测判断，如果一切正常，则完成初始化阶段工作，进入准备（standstill）状态。

在准备状态，需要检测启动、停机信号是否正常，风电机组故障情况和风机启动是否准备好。

检测扭缆情况，有扭缆则进行解缆控制。

检测变桨距系统状态，若有故障则需要停机。

上述情况一切正常后进入待机状态，此时风轮刹车释放，发电机随风轮转动，偏航系统开始对风。

检测风速是否在规定的围，若低于此围，则继续停留在待机状态；超出此围，则进入停机状态。

同时，在待机状态还要检测其他信号是否正常，若有故障随时进入停机状态。

等一切条件符合时，通过变流器给发电机转子励磁，检测定子输出三相电压的幅值和相位，当符合并网条件时，进行并网发电。

在并网发电过程中，控制系统需要实时监控各信号量和执行机构状态，一旦有故障和异常发生，立即根据故障情况进入相应的停机状态。

图3.4主控制系统流程

3.4变流控制系统

异步型风力发电机组变流控制系统主要是对双馈电机转子励磁的控制。

下面先介绍双馈电机的工作原理，然后对变流系统进行研究和设计。

3.4.1双馈电机工作原理

双馈型风力发电机采用异步双馈电机，如图3.5所示。

双馈电机由于转子方采用交流电压励磁，使其具有灵活的运行方式，在解决电站持续工频过电压、变速恒频发电等问题方面有着传统同步发电机无法比拟的优越性。

双馈发电机的定子绕组接工频电网，转子绕组由具有可调节频率、相位、幅值和相序的三相电源激励，一般采用交–直–交变流器。

双馈发电机可以在不同的风速状态下运行，其转速可以随风速的变化相应调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，提高了风能的利用率。

同时通过控制馈入转子绕组的电流参数，不仅可以保持定子输出的电压和频率不变，还可以调节电网的功率因数，提高系统的稳定性。

图3.5异步双馈电机原理图

根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可以得出

VSCF（VariableSpeedConstantFrequency，变速恒频）风力发电机运行时电机转速与定、转子绕组电流频率关系的数学表达式：

（3-1）

式中：

—定子电流频率，由于定子与电网相连，所以

与电网频率相同；

—转子机械频率