大型風電場及風電機組的控制系統

2017-04-11 10:51:50 大云網　點擊量：評論 (0)

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核心提示：　　（國家電力公司熱工研宄院自動化所，西安710032）徐甫榮輪周速比M槳葉尖速度與風速之比）下達到最大值?！　『闼俸泐l機組的風車轉速保持不變，而風速又經常在變化，顯然Cp不可能保持在最佳值。變速恒頻

　　（國家電力公司熱工研宄院自動化所，西安710032）徐甫榮輪周速比M槳葉尖速度與風速之比）下達到最大值。

　　恒速恒頻機組的風車轉速保持不變，而風速又經常在變化，顯然Cp不可能保持在最佳值。變速恒頻機組的特點是風車和發電機的轉速可在很大范圍內變化而不影響輸出電能的頻率。由于風車的轉速可變，可以通過適當的控制，使風車的周速比處于或接近最佳值，從而最大限度地利用風能發電。

　　2.3恒速恒頻機組的特點目前，在風力發電系統中采用最多的異步發電機屬于恒速恒頻發電機組。為了適應大小風速的要求，一般采用兩臺不同容量、不同極數的異步發電機，風速低時用小容量發電機發電，風速高時則用大容量發電機發電，同時一般通過變槳距系統改變槳葉的攻角以調整輸出功率。但這也只能使異步發電機在兩個風速下具有較佳的輸出系數，無法有效地利用不同風速時的風能。

　　2.4變速恒頻系統的實現可用于風力發電的變速恒頻系統有多種：如交-直-交變頻系統、交流勵磁發電機系統、無刷雙饋電機系統、開關磁阻發電機系統、磁場調制發電機系統和同步異步變速恒頻發電機系統等。這種變速恒頻系統有的是通過改造發電機本身結構實現變速恒頻的，有的是發電機與電力電子裝置、微機控制系統相結合而實現變速恒頻的。它們各具特點，適用場合也不同。

　　3恒速恒頻風電機組的控制3.1風電機組的軟啟動并網在風電機組啟動時，控制系統對風速的變化情況進行不間斷的檢測，當10分鐘平均風速大于起動風速時，控制風電機組作好切入電網的一切準備工作：松開機械剎車，收回葉尖阻尼板，風輪處于迎風方向。

　　控制系統不間斷地檢測各傳感器信號是否正常，如液壓系統壓力是否正常，風向是否偏離，電網參數是否正常等。如10分鐘平均風速仍大于起動風速，則檢測風輪是否己開始轉動，并開啟晶閘管限流軟起動裝中國自動化黃頁》業內首部公益性大型工具書，認刊贈書、誠邀廣告加盟！自動化博覽置快速起動風輪機，并對起動電流進行控制，使其不超過最大限定值。當發電機達到同步轉速時，電流驟然下降，控制器發出指令，將晶閘管旁路。

　　異步風電機組也可在起動時轉速低于同步速時不并網，而當接近或達到同步速時再切入電網，既可避免沖擊電流，也可省掉晶閘管限流軟啟動器。

　　3.2大小發電機的切換控制在風電機組運行過程中，因風速的變化而引起發電機的輸出功率發生變化時，控制系統應能根據發電機輸出功率的變化對大小發電機進行自動切換，從而提高風電機組的效率。具體控制方法為：小發電機向大發電機的切換在小發電機并網發電期間，控制系統對其輸出功率進行檢測，若1秒內瞬時功率超過小發電機額定功率的20%或2分鐘內的平均功率大于某一定值時，則實現小發電機向大發電機的切換。

　　大發電機向小發電機的切換檢測大發電機的輸出功率，若2分鐘內平均功率小于某一設定值（此值應小于小發電機的額定功率）時或50秒內瞬時功率小于另一更小的設定值時，立即切換到小發電機運行。

　　3.3變槳距控制方式及其改進風力發電機并網以后，控制系統根據風速的變化，通過槳距調節機構，改變槳葉攻角以調整輸出電功率，以便更有效地利用風能。在額定風速以下時，此時葉片攻角在零度附近，可認為等同于定槳距風力發電機，發電機的輸出功率隨風速的變化而變化。當風速達到額定風速以上時，變槳距機構發揮作用，調整葉片的攻角，保證發電機的輸出功率在允許的范圍內。

　　為了減小變槳距調節方式對電網的不良影響，可采用一種新的功率輔助調節方式，即轉子電流控制（RotorCurrentControl，RCC）方式來配合變槳距機構，共同完成發電機輸出功率的調節。RCC控制必須使用在線繞式異步發電機上，通過電力電子裝置，控制發電機的轉子電流，使普通異步發電機成為可變滑差發電機。RCC控制是一種快速電氣控制方式，用于克服風速的快速變化。

　　3.4無功補償控制由于異步發電機要從電網吸收無功功率，使風電機組的功率因數降低，而并網運行的風力發電機組一般要求其功率因數達到0.99以上，所以必須用電容器組進行無功補償。由于風速變化的隨機性，在達到額定功率前，發電機的輸出功率大小是隨機變化的，因此對補償電容的投入與切除需要進行控制。在控制系統中設有四組容量不同的補償電容，計算機根據輸出無功功率的變化，控制補償電容器分段投入或切除，保證在半功率點的功率因數達到0.99以上。

　　3.5偏航與自動解纜控制偏航控制系統有3個主要功能：正常運療時自動對K當機艙偏離風向一定角度時，控制系統發出向左或向右調向的指令，機艙開始對風，當達到允許的誤差范圍內時，自動對風停止。

　　繞纜時自動解纜當機艙向同一方向累計偏轉2.3圈后，若此時風速小于風電機組啟動風速且無功率輸出，則停機，控制系統使機艙反方向旋轉2.3圈解繞；若此時機組有功率輸出，則暫不自動解繞；若機艙繼續向同一方向偏轉累計達3圈時，則控制停機，解繞；若因故障自動解繞未成功，在扭纜達4圈時，扭纜機械開關將動作，此時報告扭纜故障，自動停機，等待人工解纜操作。

　　失速保護時偏離風向當有特大強風發生時，停機并釋放葉尖阻尼板，槳距調到最大，偏航90背風，以保護風輪免受損壞。

　　3.6停車控制停機過程分為正常停機和緊急停機。

　　當控制器發出正常停機指令后，風電機組將按下列程序停機：①切除補償電容器；②釋放葉尖阻尼板；③發電機脫網；④測量發電機轉速下降到設定值后，投入機械剎車；⑤若出現剎車故障則收槳，機艙偏航90背風。

　　當出現緊急停機故障時，執行如下停機操作：首先切除補償電容器，葉尖阻尼板動作，延時0.3秒后卡鉗閘動作。檢測瞬時功率為負或發電機轉速小于同步速時，發電機解列（脫網），若制動時間超過20s，轉速仍未降到某設定值，則收槳，機艙偏航90*背風。

　　4變速恒頻發電機組的控制4.1同步發電機交-直-交系統的控制這種類型的風電機組采用同步發電機，發電機發出的電能的頻率、電壓、電功率都是隨著風速的變化而變化的，這樣有利于最大限度地利用風能資源，而恒頻恒壓并網的任務則由交-直-交系統完成。

　　風輪機的起動、控制及保護功能基本上與恒速恒頻機組相似，所不同的是這類機組一般采用定槳距風自動化博覽《現場總線技術文集》2002年5月隆重出版丨集現場總線精粹，論業界關注熱點！21輪，因此省去了變槳距控制機構。

　　發電機的輸出功率由勵磁來控制。當輸出功率小于額定功率時，以固定勵磁運行，當輸出功率超過額定功率時，則通過調整勵磁來調整發電機的輸出功率在允許的安全范圍內運行。勵磁的調整是由控制器調整勵磁系統晶閘管的導通角來實現的。

　　頻率和電壓的交流電整流成直流電，再通過微機控制電力電子器件，將直流電再逆變成某種頻率和電壓的交流電的變頻方式。其基本原理如所示，風力發電機發出的三相交流電，經二極管三相全橋整流成直流電后，再由六只絕緣柵雙極型電力晶體管（IGBT），在控制和驅動電路的控制下，逆變成三相交流電并入電網。逆變器的控制一般采用SPWM*VWF方式，即正弦波脈寬調制式變壓變頻方式。采用交-直-交系統的變頻裝置的容量較大，一般要選發電機額定功率的120%以上。

　　4.2雙饋發電機的控制目前的風電機組多采用恒速恒頻系統，發電機多采用同步電機或異步感應電機。在風電機組向恒頻電網送電時，不需要調速，因為電網頻率將強迫控制風輪的轉速。在這種情況下，風力機在不同風速下維持或近似維持同一轉速。效率下降，被迫降低出力，甚至停機，這顯然是不可取的。與之不同的是，無論處于亞同步速或超同步速的雙饋發電機都可以在不同的風速下運行，其轉速可隨風速變化做相應的調整，使風力機的運行始終處于最佳狀態，機組效率提高。

　　同時，定子輸出功率的電壓和頻率卻可以維持不變，既可以調節電網的功率因數，又可以提高系統的穩定性。

　　雙饋電機的結構類似于繞線式感應電機，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三相電源激勵，所不同的是轉子繞組具有可調節頻率的三相電源激勵，一般采用交-交變頻器或交-直-交變頻器供以低頻電流。與同步電機相比，雙饋電機勵磁可調量有三個：一是與同步電機一樣，可以調節勵磁電流的幅值；二是可以改變勵磁電流的頻率；三是可以改變勵磁電流的相位。

　　通過改變勵磁頻率，可調節轉速。這樣在負荷突然變化時，迅速改變電機的轉速，充分利用轉子的動能，釋放和吸收負荷，對電網的擾動遠比常規電機小。另外，通過調節轉子勵磁電流的幅值和相位，來調節有功功率和無功功率。而同步電機的可調量只有一個，即勵磁電流的幅值，所以調節同步電機的勵磁一般只能對無功功率進行補償。而雙饋電機的勵磁除了可以調節電流幅值外，還可以調節其相位，當轉子電流的相位改變時，由轉子電流產生的轉子磁場在氣隙空間的位置就產生一個位移，改變了雙饋電機電勢與電網電壓向量的相對位置，也就改變了電機的功率角。所以雙饋電機不僅可調節無功功率，也可調節有功功率。

　?。?）風力發電中雙饋電機的控制風力發電雙饋電機控制系統框圖在風力發電中，由于風速變幻莫測，利用起來存在一定的困難。所以改善風力發電技術，提高風力發電機組的效率，充分利用風能資源，有著十分重要的意義。通過變頻器控制器對逆變電路中功率器件的控制，可以改變雙饋發電機轉子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，達到調節其轉速、有功功率和無功功率的目的，既提高了機組的效率，又對電網起到穩頻、穩壓的作用。是按這種控制思路設計的風力發電雙饋電機控制系統框圖。

　　整個控制系統可分為：轉速調整單元、有功功率調整單元和電壓調整單元（無功功率調整）。它們分別接受風速和轉速、有功功率、無功功率指令，并產生一個綜合信號，送給勵磁控制裝置，改變勵磁電流的幅值、頻率與相位角，以滿足系統的要求。由于雙饋電機既可調節有功功率，又可調節無功功率，有風時，機組并網發電；無風時，也可作抑制電網頻率和電壓波動的補償裝置。

　　22《中國自動化黃頁》業內首部公益性大型工具書，認刊贈書、誠邀廣告加盟！自動化博覽雙饋風力發電機組應用前景廣闊綜上所述，將雙饋電機應用于風力發電中，可以解決風力機轉速不可調、機組效率低等問題。同時，由于雙饋電機對無功功率、有功功率均可調，對電網可起到穩壓、穩頻的作用，提高了發電質量。與同步機交-直-交系統相比，它還具有變頻裝置容量?。ㄒ话銥榘l電機額定容量的10%20%）、重量輕的優點，更適合于風力發電機組使用。

　　將雙饋電機應用于風力發電的設想，不僅在理論上成立，在技術上也是可行的。與現有的風力發電技術相比，無論從經濟性，還是可靠性來看，都具有無可替代的優勢，具有很強的競爭力，有利于風電機組國產化的進程，其發展前景十分廣闊。

　　風力發電技術己日趨成熟，在可再生的綠色能源的開發領域中占有突出的地位，具有重要的開發利用價值。尤其是在偏遠的山區、牧區和海島等地區，風力發電可為當地居民的生活和生產提供潔凈的能源，緩解能源供應緊張的局面，值得大力推廣。