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风力发电机组控制系统的发展

2012-07-30 10:41
默菲
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  风力发电机组主要由风轮、发电机、电能变换单元和控制系统组成。

        风轮通过叶片捕获风能,是吸收风能并将其转换成机械能的部件。

        发电机实现机械能--电能转换。由于异步发电机结构简单、运行可靠,目前风力发电几乎均采用异步发电机。发电机所发出的电能有两种处理方式:可以直接给负载供电或并入电网;也可以通过储能设备进行蓄能,再由电能变换单元将储能设备输出的直流电转换成交流电再供给负载或并网。储能设备作为中间环节不仅可以将能量储存起来,还兼有稳定电压的优点,这样对负载供电更平稳,对电网的冲击亦可减小。

        风力发电机组的控制系统是综合性控制系统,不仅要监视电网、风况和机组运行参数,对机组进行并网、脱网控制,以确保运行过程的安全性和可靠性,而且还要根据风速、风向的变化,对机组进行优化控制,以提高机组的运行效率和发电量。

  风力发电控制系统的基本目标分为3 个层次:保证可靠运行、获取最大能量、提供良好的电力质量。因此,为了达到这一控制目标,风力发电系统的控制技术从定桨距发展到变桨距又发展到近年来采用的变速控制技术。

  20 世纪80 年代中期开始进入风力发电市场的定浆距风力发电机组,主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题,采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术,这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本问题。20 世纪90 年代以后,风力发电机组的可靠性已不是问题,变距风力发电机组开始进入风力发电市场。此种机组起动时可对转速进行控制,并网后可对功率进行控制,使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著改善。由于变距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想,到了20 世纪90 年代中期,基于变距技术的各种变速风力发电机组开始进入风电市场

  变速与定速风力发电机组控制系统的根本区别在于,变速风力发电机组是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率控制的。变速风力发电机组的主要特点是:低于额定风速时,能跟踪最佳功率曲线,使风力发电机组具有最高的风能转换效率;高于额定风速时,增加了传动系统的柔性,使功率输出更加稳定,特别是解决了高次谐波与功率因素等问题后,达到了高效率、高质量地向电网提供电力的目的。风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展到基于变距技术的变速运行,已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标。

  风力发电机组控制系统的作用是对整个风力发电机组实施正常操作、调节和保护。

  ①    启动控制

  当风速检测系统在一段持续时间内测得风速平均值达到切入风速,并且系统自检无故障时,控制系统发出释放制动器命令,机组由待风状态进入低风速起动;

  ② 并/ 脱网控制

  当风力发电机转速达到同步转速时,执行并网操作。为了减小对电网的冲击,通常采用晶闸管软切入并网。软切入时,限制发电机并网电流并监视三相电流的平衡度,如果不平衡度超出限制则需停机。除此之外,软切入装置还可以使风力发电机在低风速下起动。当风速低于切入风速时,应控制已并网的发电机脱离电网,并在风速低于4 m/ s 时进行机械制动;

  ③ 偏航与解缆

  偏航控制即根据风向自动跟风。由于连续跟踪风向可能造成电缆缠绕,因此控制系统还具有解缆功能;

  ④ 限速及刹车

  当转速超越上限发生飞车时,发电机自动脱离电网,桨叶打开实行软刹车,液压制动系统动作,抱闸刹车,使桨叶停止转动,调向系统将机舱整体偏转90o侧风,对整个塔架实施保护。另外,控制系统还应具有以下功能:根据功率以及风速自动进行转速和功率控制;根据功率因数自动投入(或切出)相应的补偿电容;机组运行过程中,对电网、风况和机组运行状况进行检测和记录,对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施,而且还能根据记录的数据生成各种图表,以反映风力发电机组的各项性能指标;对在风电场中运行的风力发电机组还应具备远

  程通信功能。运行过程中,控制系统需要监测的主要参数包括以下几个方面:① 电力参数———电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率及发电机功率因数等;② 风力参数———风速、风向;③ 机组状态参数———转速(发电

  机、风轮)、温度( 发电机、控制器、轴承、增速器油温等)、电缆扭转、机械刹车状况、机舱振动、油位(润滑油位、液压系统油位);④ 反馈信号———回收叶间扰流器、松开机械刹车、松开偏航制动器、发电机脱网及脱网后的转速降落信号。

  目前绝大多数风力发电机组的控制系统都选用集散型或分布式(DCS)工业控制计算机。有各种功能的专用模块可供选择,可以方便地实现就地控制,许多控制模块可直接布置在控制对象的工作点,就地采集信号进行处理;同时DCS 现场适应性强,便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数。

  目前发电机组的运行通常由单片机或可编程逻辑控制器件等进行控制。MCS-80C32、8XCl96MC 等各种单片机用于控制风力发电机的运行,实现了自动跟风、并/ 脱电网控制,甚至是通信功能等。C60P 等各型PLC 也作为主控单元被用于风力发电控制系统中,适应了集群控制和单机无人值守的应用要求。

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