1、風(fēng)電機組控制與優(yōu)化運行,長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,第1章 緒論,風(fēng)力發(fā)電機組的控制目標(biāo)、任務(wù)及要求 風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容和基本組成 風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展趨勢,1.1 風(fēng)力發(fā)電機組的控制目標(biāo)、任務(wù)及要求,風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)是機組正常運行的核心，其控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電機組的關(guān)鍵技術(shù)之一，與風(fēng)力發(fā)電機組的其他部分關(guān)系密切，其精確的控制、完善的功能將直接影響機組的安全與效率。,風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機組的運行參數(shù)，在各種正?；蚬收锨闆r下脫網(wǎng)停機，以確保運行的安全性和可靠性；還要根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)向的變化，對機組進行優(yōu)化控制，以保證機組穩(wěn)定、高效

2、地運行。,一、 風(fēng)力發(fā)電機組的控制目標(biāo),由于風(fēng)力發(fā)電的特點，風(fēng)力發(fā)電機組是一個復(fù)雜、多變量、非線性系統(tǒng)，且有不確定性和多干擾等特點。,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制目標(biāo)分為三個層次：,保證風(fēng)力發(fā)電機組的安全可靠運行 獲取最大能量 提供高質(zhì)量的電能,二、 風(fēng)力發(fā)電機組的控制任務(wù)及要求,在運行的風(fēng)速范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定； 低風(fēng)速時，跟蹤最佳葉尖速比，獲取最大風(fēng)能； 高風(fēng)速時，限制風(fēng)能的捕獲，保持風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率為額定值； 減小陣風(fēng)引起的轉(zhuǎn)矩波動峰值，減小風(fēng)輪的機械應(yīng)力和輸出功率的波動，避免共振； 減小功率傳動鏈的暫態(tài)響應(yīng)； 控制器簡單，控制代價小，對一些輸入信號進行限幅； 確保機組輸出電壓和頻率的穩(wěn)定

3、。,1.2 風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容和基本組成,控制系統(tǒng)貫穿到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的每個部分，相當(dāng)于神經(jīng)系統(tǒng)。因此控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機組的工作狀態(tài)、發(fā)電量多少以及設(shè)備的安全。對于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機組，控制單元有所不同（尤其是轉(zhuǎn)速和功率控制系統(tǒng)），這主要是因為發(fā)電機的結(jié)構(gòu)或類型不同而使得控制方法和手段也不相同，從而形成多種結(jié)構(gòu)和控制方案。,一、 風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容,風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速和功率控制 風(fēng)力發(fā)電機組的偏航控制和解纜控制 風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)控制 風(fēng)力發(fā)電機組全自動啟動/停機控制 風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)監(jiān)測 補償電容投切控制 風(fēng)力發(fā)電機組故障診斷 液壓與制動系統(tǒng) 遠程通

4、信,二、 風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的基本組成,風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和軟/硬件處理器系統(tǒng)組成。,各傳感器,各執(zhí)行機構(gòu),軟/硬件處理器系統(tǒng),風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng),二、 風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的基本組成,（一） 傳感器,風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo) 轉(zhuǎn)速傳感器 電量采集傳感器 槳距角位置傳感器 各種限位開關(guān) 振動傳感器 溫度和油位傳感器 液壓系統(tǒng)壓力傳感器 操作開關(guān)、按鈕等,傳感器負責(zé)采集反映風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作狀態(tài)的各個模擬量、數(shù)字量等工作參數(shù)信息。一般包括如下裝置：,二、 風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的基本組成,（二） 執(zhí)行機構(gòu),執(zhí)行機構(gòu)是控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件。一般包括液壓驅(qū)動裝置或電動變槳距執(zhí)行機構(gòu)、發(fā)電機轉(zhuǎn)

5、矩控制器、發(fā)電機接觸器、剎車裝置、偏航電機等。(祥見教材第7章),（三） 軟/硬件處理器系統(tǒng),處理器系統(tǒng)負責(zé)處理傳感器的輸入信號，并發(fā)出輸出信號控制執(zhí)行機構(gòu)的動作。,處理器系統(tǒng)通常由計算機或微型控制器和可靠性很高的硬件安全鏈組成，以實現(xiàn)風(fēng)力機運行過程中的各種控制功能，同時必須滿足當(dāng)發(fā)生嚴重故障時，能夠保障風(fēng)力發(fā)電機組處于安全的狀態(tài)。,二、 風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的基本組成,1.3 風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)的發(fā)展趨勢,一、 風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,20世紀(jì)80年代中期開始使用風(fēng)力發(fā)電場的定槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機組，主要解決了風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)問題和運行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動力

6、剎車技術(shù)、偏航與自動解纜技術(shù)，這些都是并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機組需要解決的最基本問題。,20世紀(jì)90年代開始，風(fēng)電機組的可靠性已經(jīng)大大提高，變槳距風(fēng)電機組開始進入風(fēng)力發(fā)電市場。采用變槳距的風(fēng)力發(fā)電機組，起動時可以對轉(zhuǎn)速進行控制，并網(wǎng)后可以對功率進行控制，使風(fēng)力機的起動性能和功率輸出特性都有顯著的改善。變槳距閉環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用使風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的水平提高到一個新的階段。,一、 風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,20世紀(jì)90年代中期，基于變槳距技術(shù)的各種變速風(fēng)力發(fā)電機組開始進入風(fēng)電場。變速風(fēng)電機組的控制系統(tǒng)與定速風(fēng)電機組控制系統(tǒng)的根本區(qū)別在于：變速風(fēng)電機組是把風(fēng)速信號作為控制系統(tǒng)的輸入變量來進行轉(zhuǎn)速和

7、功率控制的。,變速風(fēng)電機組的主要特點是：低于額定風(fēng)速時，它能跟蹤最佳功率曲線，使風(fēng)電機組具有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；高于額度風(fēng)速時，它增加了傳動系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加穩(wěn)定。特別是解決了高次諧波與功率因數(shù)等問題后，使供電效率、質(zhì)量有所提高。,目前的控制方法是：當(dāng)風(fēng)速變化時通過調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩或風(fēng)力機槳距角使葉尖速比保持最佳值，實現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。,一、 風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,基于線性化模型的最佳葉尖速比的跟蹤控制以及利用風(fēng)速測量值或電功率測量值進行的反饋控制，這些傳統(tǒng)的控制方法在隨機擾動大、不確定因素多、非線性嚴重的風(fēng)電系統(tǒng)會產(chǎn)生較大誤差。,一些新的控制理論開始應(yīng)用于風(fēng)電機組控制系統(tǒng)：

8、 模糊邏輯控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制 魯棒控制 ,二、 風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展趨勢,隨著計算機、電力電子以及控制技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外大型風(fēng)力發(fā)電機組的控制方式正朝以下方向發(fā)展： 由定槳距向變槳距發(fā)展 由恒速恒頻向變速恒頻發(fā)展 由常規(guī)PID控制向智能控制方向發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略根據(jù)控制器的不同可分為兩大類： 以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)控制方法 模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的智能控制,二、 風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展趨勢,由于風(fēng)力發(fā)電機組是一個復(fù)雜的、強耦合、多變量的非線性系統(tǒng)，具有不確定性和多干擾等特點，所以傳統(tǒng)控制方法在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中難以取得好的控制效果。而智能控制可充分利用非線性、變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)等各種功能來克服系統(tǒng)的參數(shù)時變與非線性因素，因此各種智能控制方案已開始應(yīng)用于風(fēng)電機組控制領(lǐng)域。,二、 風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)發(fā)展趨勢,風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)除了控制發(fā)電機“獲取最大能量”外，還要使發(fā)電機向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能。因此要求控制系統(tǒng)： 盡可能產(chǎn)生較低的諧波電流； 能夠控制功率因數(shù)； 使發(fā)電機輸出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化； 向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率。,目前國內(nèi)外兆瓦級以上技術(shù)較先進的、有發(fā)展前景的