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大型风电场及风电机组的控制系统

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发表于 2017-8-16 09:01:17 |显示全部楼层
(国家电力公司热工研宄院自动化所,西安710032)徐甫荣轮周速比M桨叶尖速度与风速之比)下达到最大值。
  恒速恒频机组的风车转速保持不变,而风速又经常在变化,显然Cp不可能保持在最佳值。变速恒频机组的特点是风车和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。由于风车的转速可变,可以通过适当的控制,使风车的周速比处于或接近最佳值,从而最大限度地利用风能发电。
  2.3恒速恒频机组的特点目前,在风力发电系统中采用最多的异步发电机属于恒速恒频发电机组。为了适应大小风速的要求,一般采用两台不同容量、不同极数的异步发电机,风速低时用小容量发电机发电,风速高时则用大容量发电机发电,同时一般通过变桨距系统改变桨叶的攻角以调整输出功率。但这也只能使异步发电机在两个风速下具有较佳的输出系数,无法有效地利用不同风速时的风能。
  2.4变速恒频系统的实现可用于风力发电的变速恒频系统有多种:如交-直-交变频系统、交流励磁发电机系统、无刷双馈电机系统、开关磁阻发电机系统、磁场调制发电机系统和同步异步变速恒频发电机系统等。这种变速恒频系统有的是通过改造发电机本身结构实现变速恒频的,有的是发电机与电力电子装置、微机控制系统相结合而实现变速恒频的。它们各具特点,适用场合也不同。
  3恒速恒频风电机组的控制3.1风电机组的软启动并网在风电机组启动时,控制系统对风速的变化情况进行不间断的检测,当10分钟平均风速大于起动风速时,控制风电机组作好切入电网的一切准备工作:松开机械刹车,收回叶尖阻尼板,风轮处于迎风方向。
  控制系统不间断地检测各传感器信号是否正常,如液压系统压力是否正常,风向是否偏离,电网参数是否正常等。如10分钟平均风速仍大于起动风速,则检测风轮是否己开始转动,并开启晶闸管限流软起动装中国自动化黄页》业内首部公益性大型工具书,认刊赠书、诚邀广告加盟!自动化博览置快速起动风轮机,并对起动电流进行控制,使其不超过最大限定值。当发电机达到同步转速时,电流骤然下降,控制器发出指令,将晶闸管旁路。
  异步风电机组也可在起动时转速低于同步速时不并网,而当接近或达到同步速时再切入电网,既可避免冲击电流,也可省掉晶闸管限流软启动器。
  3.2大小发电机的切换控制在风电机组运行过程中,因风速的变化而引起发电机的输出功率发生变化时,控制系统应能根据发电机输出功率的变化对大小发电机进行自动切换,从而提高风电机组的效率。具体控制方法为:小发电机向大发电机的切换在小发电机并网发电期间,控制系统对其输出功率进行检测,若1秒内瞬时功率超过小发电机额定功率的20%或2分钟内的平均功率大于某一定值时,则实现小发电机向大发电机的切换。
  大发电机向小发电机的切换检测大发电机的输出功率,若2分钟内平均功率小于某一设定值(此值应小于小发电机的额定功率)时或50秒内瞬时功率小于另一更小的设定值时,立即切换到小发电机运行。
  3.3变桨距控制方式及其改进风力发电机并网以后,控制系统根据风速的变化,通过桨距调节机构,改变桨叶攻角以调整输出电功率,以便更有效地利用风能。在额定风速以下时,此时叶片攻角在零度附近,可认为等同于定桨距风力发电机,发电机的输出功率随风速的变化而变化。当风速达到额定风速以上时,变桨距机构发挥作用,调整叶片的攻角,保证发电机的输出功率在允许的范围内。
  为了减小变桨距调节方式对电网的不良影响,可采用一种新的功率辅助调节方式,即转子电流控制(RotorCurrentControl,RCC)方式来配合变桨距机构,共同完成发电机输出功率的调节。RCC控制必须使用在线绕式异步发电机上,通过电力电子装置,控制发电机的转子电流,使普通异步发电机成为可变滑差发电机。RCC控制是一种快速电气控制方式,用于克服风速的快速变化。
  3.4无功补偿控制由于异步发电机要从电网吸收无功功率,使风电机组的功率因数降低,而并网运行的风力发电机组一般要求其功率因数达到0.99以上,所以必须用电容器组进行无功补偿。由于风速变化的随机性,在达到额定功率前,发电机的输出功率大小是随机变化的,因此对补偿电容的投入与切除需要进行控制。在控制系统中设有四组容量不同的补偿电容,计算机根据输出无功功率的变化,控制补偿电容器分段投入或切除,保证在半功率点的功率因数达到0.99以上。
  3.5偏航与自动解缆控制偏航控制系统有3个主要功能:正常运疗时自动对K当机舱偏离风向一定角度时,控制系统发出向左或向右调向的指令,机舱开始对风,当达到允许的误差范围内时,自动对风停止。
  绕缆时自动解缆当机舱向同一方向累计偏转2.3圈后,若此时风速小于风电机组启动风速且无功率输出,则停机,控制系统使机舱反方向旋转2.3圈解绕;若此时机组有功率输出,则暂不自动解绕;若机舱继续向同一方向偏转累计达3圈时,则控制停机,解绕;若因故障自动解绕未成功,在扭缆达4圈时,扭缆机械开关将动作,此时报告扭缆故障,自动停机,等待人工解缆操作。
  失速保护时偏离风向当有特大强风发生时,停机并释放叶尖阻尼板,桨距调到最大,偏航90背风,以保护风轮免受损坏。
  3.6停车控制停机过程分为正常停机和紧急停机。
  当控制器发出正常停机指令后,风电机组将按下列程序停机:①切除补偿电容器;②释放叶尖阻尼板;③发电机脱网;④测量发电机转速下降到设定值后,投入机械刹车;⑤若出现刹车故障则收桨,机舱偏航90背风。
  当出现紧急停机故障时,执行如下停机操作:首先切除补偿电容器,叶尖阻尼板动作,延时0.3秒后卡钳闸动作。检测瞬时功率为负或发电机转速小于同步速时,发电机解列(脱网),若制动时间超过20s,转速仍未降到某设定值,则收桨,机舱偏航90*背风。
  4变速恒频发电机组的控制4.1同步发电机交-直-交系统的控制这种类型的风电机组采用同步发电机,发电机发出的电能的频率、电压、电功率都是随着风速的变化而变化的,这样有利于最大限度地利用风能资源,而恒频恒压并网的任务则由交-直-交系统完成。
  风轮机的起动、控制及保护功能基本上与恒速恒频机组相似,所不同的是这类机组一般采用定桨距风自动化博览《现场总线技术文集》2002年5月隆重出版丨集现场总线精粹,论业界关注热点!21轮,因此省去了变桨距控制机构。
  发电机的输出功率由励磁来控制。当输出功率小于额定功率时,以固定励磁运行,当输出功率超过额定功率时,则通过调整励磁来调整发电机的输出功率在允许的安全范围内运行。励磁的调整是由控制器调整励磁系统晶闸管的导通角来实现的。
  频率和电压的交流电整流成直流电,再通过微机控制电力电子器件,将直流电再逆变成某种频率和电压的交流电的变频方式。其基本原理如所示,风力发电机发出的三相交流电,经二极管三相全桥整流成直流电后,再由六只绝缘栅双极型电力晶体管(IGBT),在控制和驱动电路的控制下,逆变成三相交流电并入电网。逆变器的控制一般采用SPWM*VWF方式,即正弦波脉宽调制式变压变频方式。采用交-直-交系统的变频装置的容量较大,一般要选发电机额定功率的120%以上。
  4.2双馈发电机的控制目前的风电机组多采用恒速恒频系统,发电机多采用同步电机或异步感应电机。在风电机组向恒频电网送电时,不需要调速,因为电网频率将强迫控制风轮的转速。在这种情况下,风力机在不同风速下维持或近似维持同一转速。效率下降,被迫降低出力,甚至停机,这显然是不可取的。与之不同的是,无论处于亚同步速或超同步速的双馈发电机都可以在不同的风速下运行,其转速可随风速变化做相应的调整,使风力机的运行始终处于最佳状态,机组效率提高。
  同时,定子输出功率的电压和频率却可以维持不变,既可以调节电网的功率因数,又可以提高系统的稳定性。
  双馈电机的结构类似于绕线式感应电机,定子绕组也由具有固定频率的对称三相电源激励,所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励,一般采用交-交变频器或交-直-交变频器供以低频电流。与同步电机相比,双馈电机励磁可调量有三个:一是与同步电机一样,可以调节励磁电流的幅值;二是可以改变励磁电流的频率;三是可以改变励磁电流的相位。
  通过改变励磁频率,可调节转速。这样在负荷突然变化时,迅速改变电机的转速,充分利用转子的动能,释放和吸收负荷,对电网的扰动远比常规电机小。另外,通过调节转子励磁电流的幅值和相位,来调节有功功率和无功功率。而同步电机的可调量只有一个,即励磁电流的幅值,所以调节同步电机的励磁一般只能对无功功率进行补偿。而双馈电机的励磁除了可以调节电流幅值外,还可以调节其相位,当转子电流的相位改变时,由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置就产生一个位移,改变了双馈电机电势与电网电压向量的相对位置,也就改变了电机的功率角。所以双馈电机不仅可调节无功功率,也可调节有功功率。
  (2)风力发电中双馈电机的控制风力发电双馈电机控制系统框图在风力发电中,由于风速变幻莫测,利用起来存在一定的困难。所以改善风力发电技术,提高风力发电机组的效率,充分利用风能资源,有着十分重要的意义。通过变频器控制器对逆变电路中功率器件的控制,可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值、频率及相位角,达到调节其转速、有功功率和无功功率的目的,既提高了机组的效率,又对电网起到稳频、稳压的作用。是按这种控制思路设计的风力发电双馈电机控制系统框图。
  整个控制系统可分为:转速调整单元、有功功率调整单元和电压调整单元(无功功率调整)。它们分别接受风速和转速、有功功率、无功功率指令,并产生一个综合信号,送给励磁控制装置,改变励磁电流的幅值、频率与相位角,以满足系统的要求。由于双馈电机既可调节有功功率,又可调节无功功率,有风时,机组并网发电;无风时,也可作抑制电网频率和电压波动的补偿装置。
  22《中国自动化黄页》业内首部公益性大型工具书,认刊赠书、诚邀广告加盟!自动化博览双馈风力发电机组应用前景广阔综上所述,将双馈电机应用于风力发电中,可以解决风力机转速不可调、机组效率低等问题。同时,由于双馈电机对无功功率、有功功率均可调,对电网可起到稳压、稳频的作用,提高了发电质量。与同步机交-直-交系统相比,它还具有变频装置容量小(一般为发电机额定容量的10%20%)、重量轻的优点,更适合于风力发电机组使用。
  将双馈电机应用于风力发电的设想,不仅在理论上成立,在技术上也是可行的。与现有的风力发电技术相比,无论从经济性,还是可靠性来看,都具有无可替代的优势,具有很强的竞争力,有利于风电机组国产化的进程,其发展前景十分广阔。
  风力发电技术己日趋成熟,在可再生的绿色能源的开发领域中占有突出的地位,具有重要的开发利用价值。尤其是在偏远的山区、牧区和海岛等地区,风力发电可为当地居民的生活和生产提供洁净的能源,缓解能源供应紧张的局面,值得大力推广。



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