风力发电机组及其控制新版系统.doc

题 目风力发电机组及其控制系统 学 院机械交通学院 专 业 电气工程及其自动化 班级 092班 姓 名冉雷 学号 指引教师徐立军 职称专家讲师 11 月 26日新疆农业大学教务处制好好排版风力发电机组及其控制系统冉雷（新疆农业大学，乌鲁木齐，830052）摘要 ：风力发电厂运营状况各种各样，动态特性复杂，在电气设备，保护控制系统选型和设计上有一定特殊性。因而，在设计过程中尽量多地熟悉和掌握各类风力发电电气设备技术特性。这某些是废话，不要，背面再补充某些本文简介了风力发电机组及其控制系统重要设备工作原理和技术特点，并且对风力发电控制设备核心技术研究进行了探讨。核心词：风力发电 控制 变流器 现场控制Brief Analysis of Wind Power Generators and their Control Configuration Ran大写 Lei（XinJiang Agricultural University，Urumqi 830052）Abstract：Wind power generators which have complex dynamic characteristic，are operated in multiplicative conditions. Design of electrical should meet special requirements of Wind power generators operation. According to this paper，the principle and characteristics of wind power generators and their control equipments are introduced. Key technologies research of wind power control equipment is studied.Key words： wind power generator control converter local control0引言21世纪是可再生能源世纪,在不断持续能源紧张中不少人想到了新能源运用。运用干净能源，可再生能源是人类社会文明进步体现、是科学技术发展、是环保理念体现。干净能源指太阳能、风能、潮汐能、生物能等这都是可再生取之不尽能源，特别是风能技术最为成熟，经济可行性较高是一种较抱负发展能源。风是地球上一种自然现象，它是由太阳辐射热引起。风能是太阳能一种转换形式是一种重要自然能源。太阳照射到地球表面地球表面各处受热不同产生温差从而引起大气对流运动形成风。据预计到达地球太阳能中虽然只有大概2%转化为风能，但其总量仍是十分可观。全球风能约为2.74109MW，其中可运用风能为2107MW，比地球上可开发运用水能总量还要大10倍。风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭，又可以在很大范畴内获得，非常干净、没有污染，不会对气候导致影响，因而风力发电具备极大推广价值。国内风能资源总量约42亿千瓦，技术可开发量约3亿千瓦。风能资源丰富地区重要集中在北部、西北和东北草原、戈壁滩以及东部、东南部沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤炭及其她常规能源，并且冬春季节风速高雨水少，夏季风速小，降雨多，风能和水能具备非常好季节补偿。 当前东南沿海是最大风能资源区，风能密度为200W/M2-300W/M2，不不大于6m/s风速时间全年3000h以上就可获得较大经济效益。此外，新疆风能资源丰富，开发运用起步较早，新疆达坂城风电一场于1989年建成，这是中华人民共和国第一座风力发电场。通过近发展，截至底，新疆已在9大风区中5个风区“排兵布阵”，新疆作为中华人民共和国风能资源大区迎来风电开发热潮。截至底，新疆风电装机规模达到27.9万千瓦，占新疆电力装机总量3.4。仅一年，新疆经允许建设风电场项目装机规模就达29万千瓦。下半年以来，受国际国内宏观经济形势影响，新疆供电负荷增长趋缓，老式电力行业面临亏损，但风力发电发展势头依然迅猛。随着大批风电项目陆续开工建设，新疆风力发电装机规模持续扩张。12月，年发电量约1.2亿千瓦时玛依塔斯风电一期项目竣工暨二期项目启动典礼在新疆额敏县举办。1月，投资4亿元，装机4.95万千瓦阿勒泰金风布尔津风电场开始并网发电。新疆风力发电迎来历史性发展机遇。1风力发电机控制系统1.1风力发电机构成 风力发电机由各种某些构成，而控制系统贯穿到每个某些，相称于风电系统神经。因而控制系统好坏直接关系到风力发电机工作状态、发电量多少以及设备安全。当前风力发电亟待研究解决两个问题：发电效率和发电质量都和风电控制系统密切有关。对此国内外学者进行了大量研究，获得了一定进展，随着当代控制技术和电力电子技术发展，为风电控制系统研究提供了技术基本。1.2控制系统构成 风力发电控制系统基本目的分为三个层次：保证风力发电机组安全可靠运营；获取最大能量；提供良好电力质量。 控制系统构成重要涉及各种传感器、变距系统、运营主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。详细控制内容有：信号数据采集、解决，变桨控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。固然对于不同类型风力发电机控制单元会不相似。控制系统构造示意图如下：所有图一定要有标注，背面都同样，并且这个图太小，主线看不清针对上述构造，当前绝大多数风力发电机组控制系统都采用集散型或称分布式控制系统（DCS）工业控制计算机。采用分布式控制最大长处是许多控制功能模块可以直接布置在控制对象位置。就地进行采集、控制、解决。避免了各类传感器、信号线与主控制器之间连接。同步DCS现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运营时可随时修改控制参数。并与其她功能模块保持通信，发出各种控制指令。当前计算机技术突飞猛进，更多新技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来电子设备，当前功能上有较大提高。诸多厂家也开始采用PLC构成控制系统。现场总线技术(FCS)在进入九十年代中期后来发展也十分迅猛，以至于有人已做出预测：基于现场总线FCS将取代DCS成为控制系统主角。2控制系统技术2.1风力发电技术 风力发电系统中控制技术和伺服传动技术是其中核心技术，这是由于自然风速大小和方向是随机变化，风力发电机组并网和退出电网、输入功率限制、风轮积极对风以及对运营过程中故障检测和保护必要可以自动控制。同步，风力资源丰富地区普通都是边远地区或是海上，分散布置风力发电机组普通规定可以无人值班运营和远程监控，这就对风力发电机组控制系统自动化限度和可靠性提出了很高规定。 与普通工业控制过程不同，风力发电机组控制系统是综合性控制系统。它不但要监视电网、风况和机组运营参数，对机组运营进行控制。并且还要依照风速与风向变化，对机组进行优化控制，以提高机组运营效率和发电量。通过发展风力发电系统已经从基本单一定桨距失速控制发展到全桨叶变距和变速恒频控制，当前重要两种控制方式是：双馈异步变桨变速恒频控制方式和低速永磁同步变桨变速恒频控制方式。在讲述风力发电控制系统之前，咱们需要理解风力涡轮机输出功率与风速和转速关系。风力涡轮机特性：2.1.1风能运用系数Cp风力涡轮从自然风能中吸取能量大小限度用风能运用系数Cp表达：P-风力涡轮实际获得轴功率r-空气密度S-风轮扫风面积V-上游风速依照贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机理论最大效率为：Cpmax=0.593。2.1.2叶尖速比l为了表达风轮在不同风速中状态，用叶片叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。n-风轮转速w-风轮叫角频率R-风轮半径V-上游风速在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn关系如图1所示。从图1中看，相应于每个风速曲线，均有一种最大输出功率点，风速越高，最大值点相应得转速越高。如故能随风速变化变化转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将减少。 涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b关于，关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中，每个倾角相应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线均有一种上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增长，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。）它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。2.1.3变速发电控制变速发电不是依照风速信号控制功率和转速，而是依照转速信号控制，由于风速信号扰动大，而转速信号较平稳和精确（机组惯量大）。2.2三段控制规定： 低风速段，按输出功率最大功率规定进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率转速曲线最大值点，得到（）关系，把作为变频器给定量，通过控制电机输出力矩，使风力发电实际输出功率。图是风速变化时调速过程示意图。设开始工作与点，风速增大至后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从移至，这时涡轮机产生机械功率不不大于电机发出电功率，机组加速，沿相应于曲线向移动，最后稳定于点，风速减小至时转速下降过程也类似，将沿轨迹运动。中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值，而功率尚未达到额定值。倾角控制器投入工作，风速增长时，控制器限制转速升，而功率则随着风速增长上升，直至。高风速段为功率和转速均被限制区段，风速增长时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制值）。2.3 双馈发电机双馈电机构造类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具备固定频率对称三根电源勉励，所不同是转子绕组具备可调节频率三相电源勉励，普通采用交一交变频器或交始终一交变频器供以低频电流。双馈电机励磁可调量有三个：一是可以调节励磁电流幅值；二是可以变化励磁电流频率；三是可以变化励磁电流相位通过变化励磁频率，可调节转速这样在负荷突然变化时，迅速变化电机转速，充分运用转子动能，释放和吸取负荷，对电网扰动远比常规电机小。此外，通过调节转子励磁电流幅值和相位，来调节有功功率和无功功率。双馈电机控制系统通过变频器控制器对逆变电路小功率器件控制，可以变化双馈发电机转子励磁电流幅值。频率及相位角，达到调节其转速、有功功率和无功功率目。既提高了机组效率，又对电网起到稳频、稳压作用，下图是双馈电机控制简要框图。整个控制系统可分为好好排版，每段开始应当空两格：转速调节单元、有功功率调节单元和电压调节单元（无功功率调节）。它们分别接受风速和转速。有功功率、无功功率指令，并产生一种综合信号，送给励磁控制装置，变化励磁电流幅值。频率与相位角，以满足系统规定。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补偿装置。 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。同步，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。稳频作用，提高了发电质量。与同步机交始终一交系统相比，它还具备变频装置容量小（普通为发电机额定容量1020左右）、重量轻长处。但这种构造也还存在某些问题，如控制电路复杂某些，不同控制办法效果有一定差别。此外该构造比其她构造更容易受到电网故障影响。 2.4永磁直驱同步发电机永磁直驱同步发电机系统构造如图：由变浆距风轮机直接驱动永磁同步发电机，省去了增速用齿轮箱。发电机输出先经整流器变为直流，再经IGBT（绝缘栅双极晶体管）逆变器将电能送到电网。对风力发电机工作点控制是通过控制逆变器送到电网电流实现对直流环节电压控制，从而控制风轮机转速。发电机发出电能频率、电压、电功率都是随着风速变化而变化，这样有助于最大限度地运用风能资源，而恒频恒压并网任务则由整流逆变系统系统完毕。 永磁直驱同步发电机系统存在缺陷是：对永磁材料性能稳定性规定高，电机重量增长。此外，IGBT逆变器容量较大，普通要选发电机额定功率120以上。但使用IGBT逆变器也带来某些好处：使用脉宽调制（PWM）获得正弦形转子电流，电机内不会产生低次谐波转矩，改进了谐波性能。有功功率和无功功率控制更为以便。大功率IGBT很容易驱动。IGBT有较好电流共享特性，这对于要达到风力发电机所需功率水平，进行并联使用是非常必要。开关时间短，导通时间不到1毫秒，关断时间不大于6毫秒，使得管子功耗小。当前单管容量已经较大，如Eupec公司FZ600R65KF1等器件，可以在6kV电压下控制1.2kA 电流，FZ3600R12KE3 等低电压器件，可以在1.2kV电压下开关3.6kA电流。 发电机控制系统除了控制发电机“获取最大能量”外，还要使发电机向电网提供高品质电能。因而规定发电机控制系统：尽量产生较低谐波电流，可以控制功率因数，使发电机输出电压适应电网电压变化，向电网提供稳定功率当前国内外兆瓦级以上技术较先进、有发展前景风力发电机组重要是双馈型风力发电机组和永磁直驱风力发电机组，两者各有优缺陷。单从控制系统自身来讲，永磁直驱风力发电机组控制回路少，控制简朴，但规定逆变器容量大。而双馈型风力发电机组控制回路多，控制复杂些，但控制灵活，特别是对有功、无功控制，并且逆变器容量小得多。2.5双馈型风力发电机组与永磁直驱风力发电机组综合比较：表格应当有表标，放置在表格正上方3风电机运营控制 3.1无功补偿控制 由于异步发电机要从电网吸取无功功率，使风电机组功率因数减少，而并网运营风力发电机组普通规定其功率因数达到099以上，因此必要用电容器组进行无功补偿由于风速变化随机性，在达到额定功率前，发电机输出功率大小是随机变化，因而对补偿电容投入与切除需要进行自动控制，由计算机依照输出无功功率变化，控制补偿电容器分段投入或切除，保证功率因数达到规定。对于双馈发电机，是直接由控制系统控制和调节无功功率。3.2偏航与自动解缆控制 自动对风 正常运营时偏航控制系统自动对风，即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指令，机舱开始对风，当达到容许误差范畴内时，自动对风停止。 自动解缆 当机舱向同一方向合计偏转2.3圈后，若此时风速不大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合计达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。 风轮保护 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度背风，以保护风轮免受损坏。3.3停机控制 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：切除补偿电容器；释放叶尖阻尼板；发电机脱网；测量发电机转速下降到设定值后，投入机械刹车；若浮现利车故障则收桨，机舱偏航如90度背风。 当浮现紧急停机故障时，执行如不断机操作：一方面切除补偿电容器，叶尖阻尼板动作，延时03秒后卡钳闸动作。检测瞬时功率为负或发电机转达不大于同步速时；发电机解列（脱网），若制动时间超过20秒，转速仍未降到某设定值，则收桨，机舱偏航90度背风。4风力发电机控制系统安全保护控制系统是风力发电机组核心部件，是风力发电机组安全运营主线保证，所觉得了提高风力发电机组运营安全性，必要认真考虑控制系统安全性和可靠性问题。控制系统安全保护构成：4.1雷电安全保护 多数风机都安装在山沟风口处、山顶上、空旷草地、海边海岛等，易受雷击，安装在多雷雨区风力发电机组受雷击也许性更大，其控制系统大多为计算机和电子器件，最容易因雷电感应导致过电压损坏，因而需要考虑防雷问题。普通使用避雷器或防雷组件吸取雷电波。 当雷电击中电网中设备后，大电流将经接地点泄入地网，使接地点电位大大升高，若控制设备接地点接近雷击大电流入地点，则电位将随之升高，会在回路中形成共模干扰，引起过电压，严重时会导致有关设备绝缘击穿。 依照国外风场记录数据表白，风电场因雷击而损坏重要风电机部件是控制系统和通讯系统。雷击事故中4050涉及到风电机控制系统损坏，1525涉及到通讯系统，1520涉及到风机叶片，5涉及到发电机。 国内某些风场记录雷击损坏部件重要也是控制系统和监控系统通讯部件。这阐明以电缆传播420 mA电流环通信方式和RS485串行通信方式由于通讯线长，分布广，部件多，最易受到雷击，而控制部件大某些是弱电器件，耐过压能力低，易导致部件损坏。 防雷是一种系统工程，不能仅仅从控制系统来考虑，需要在风电场整体设计上考虑，采用多层防护办法。4.2运营安全保护 大风安全保护：普通风速达到25米/秒（10分钟）即为停机风速，机组必要按照安全程序停机，停机后，风力发电机组必要90度对风控制。 参数越限保护：各种采集、监控量依照状况设定有上、下限值，当数据达到限定值时，控制系统依照设定好程序进行自动解决。 过压过流保护：当装置元件遭到瞬间高压冲击和电流过流时所进行保护。普通采用隔离、限压、高压瞬态吸取元件、过流保护器等 震动保护：机组应设有三级震动频率保护，震动球开关、震动频率上限1、震动频率极限2，当开关动作时，控制系统将分级进行解决。 开机关机保护：设计机组开机正常顺序控制，保证机组安全。在小风、大风、故障时控制机组按顺序停机。4.3电网掉电保护 风力发电机组离开电网支持是无法工作，一旦有突发故障而停电时，控制器计算机由于失电会及时终结运营，并失去对风机控制，控制叶尖气动刹车和机械刹车电磁阀就会及时打开，液压系统会失去压力，制动系统动作，执行紧急停机。紧急停机意味着在极短时间内，风机制动系统将风机叶轮转数由运营时额定转速变为零。大型机组在极短时间内完毕制动过程，将会对机组制动系统、齿轮箱、主轴和叶片以及塔架产生强烈冲击。紧急停机设立是为了在浮现紧急状况时保护风电机组安全。然而，电网故障不必紧急停机；突然停电往往出当前天气恶劣、风力较强时，紧急停机将会对风机寿命导致一定影响。此外风机主控制计算机突然失电就无法将风机停机前各项状态参数及时存储下来，这样就不利于迅速对风机发生故障作出判断和解决。针对上述状况，可以在控制系统电源中加设在线UPS后备电源，这样当电网突然停电时，UPS自动投入，为风电机控制系统提供电力，使风电控制系统按正常程序完毕停机过程。4.4紧急停机安全链保护 系统安全链是独立于计算机系统硬件保护办法，虽然控制系统发生异常，也不会影响安全链正常动作。安全链是将也许对风力发电机导致致命伤害超常故障串联成一种回路，当安全链动作后将引起紧急停机，执行机构失电，机组瞬间脱网，控制系统在3秒左右，将机组平稳停止，从而最大限度地保证机组安全。发生下列故障时将触发安全链：叶轮过速、机组部件损坏、机组振动、扭缆、电源失电、紧急停机按钮动作。4.5微机控制器抗干扰保护 风电场控制系统重要干扰源有：工业干扰：如高压交流电场、静电场、电弧、可控硅等，自然界干扰：雷电冲击、各种静电放电、磁爆等；高频干扰：微波通讯。无线电信号、雷达等。这些干扰通过直接辐射或由某些电气回路传导进入方式进入到控制系统，干扰控制系统工作稳定性。从干扰种类来看，可分为交变脉冲干扰和单脉冲干扰两种，它们均以电或磁形式干扰控制系统。 参照国家（国际）关于电磁兼容（EMC）关于原则，风电场控制设备也应满足有关规定。如：GBT13926.1（IEC 801 1）工业过程测量和控制装置电磁兼容性总论 GBT13926.2（IEC 801 1）工业过程测量和控制装置电磁兼容性静电放电规定 GBT13926.3（IEC 801 1）工业过程测量和控制装置电磁兼容性辐射电磁场规定 GBT13926.4（IEC 801 1）工业过程测量和控制装置电磁兼容性电迅速瞬变脉冲群规定 。 并应通过有关行业根根原则GB/T 7626（IEC 61000）进行检测。以保证设备可靠性。4.6接地保护 接地保护是非常重要环节。良好接地将保证控制系统免受不必要损害。在整个控制系统中普通采用如下几种接地方式，来达到安全保护目。工作接地、保护接地、防雷接地、防静电接地、屏蔽接地。接地重要作用一方面是为保证电器设备安全运营，另一方面是防止设备绝缘被破坏时也许带电，以致危及人身安全。同步能使保护装置迅速切断故障回路，防止故障扩大。 要使风电机组可靠运营，需要在风电机组控制系统保护功能设计上加以注重。在设计控制系统时候，往往更注重系统最优化设计和提高可运用率，然而进行这些设计前提条件却是风电机组控制系统安全保护，只有在保证机组安全运营前提下，咱们才可以讨论机组最优化设计、提高可运用率等。因而，控制系统具备完善保护功能，是风电机组安全运营首要保证。5风电控制发展动态 尽管当前风电场大多还在使用恒速风机，不少风机厂商也在制造兆瓦级以上恒速风机。但是有趋势表白：将来几年变浆距功率调节方式将取代定浆距功率调节方式；变速恒频方式将取代恒速恒频方式，以达到最大限度地提高风能运用效率。使用变速风机有各种方案可供选取：采用通过电力电子装置与电网相连同步多极电机，取消风机上惯用变速齿轮箱，减少风机故障率；或者采用双馈感应电机，实现风机以最佳叶尖比运营。由于电力电子元件性能不断提高，价格不断下降，以IGBT为代表新型电力电子器件最大功率已经达到MVA级，升关频率达到10kHZ，脉定调制技术（PWM）采用有效地抑制了电力电子器件容易带来谐波。如果把这些技术用于控制系统，可以屏蔽掉风机固有随机特性对电网影响，提高捕获风能效率，较少对桨叶和驱动轴应力损伤，减少空气动力噪声水平，改进风机运营灵活性。同样，电力电子器件性能价格比不断提高为新型风电机应用和新型控制系统应用提供了也许。例如：双馈电机实现了对风机速度和功率因数控制。在风速变化及风机端电压变化状况下，保证风机稳定高效运营。还可以承担有功及无功电压调节任务，在系统中起到常规发电机组作用，这也是风电发展到一定规模后来必然规定。5.1需要重点研究内容有5.1就应当有5.2，文章结束很突然，没有结论，似乎抄一篇文章偷懒没有抄完 风电机最优控制方案、风电机控制器可靠性研究、人性化中文界面监控系统、风机并网静态稳定和动态稳定研究和仿真计算、大功率IGBT逆变器、风电设备防雷保护系统。参照文献：1 李俊峰,时璟丽.风力 12 在中华人民共和国M.北京:化学工业出版社.2 易跃春.风力发电现状、发展前景及市场分析J.国际电力，8(5):18-223 Raina GP Malik O.Wind energy eonversion using a self exeited induetion generator.IEEE Traps on PAS 1983，1258:345369.4 邓禹，邹旭东，康勇.变速恒频双馈风力发电系统最优化风能捕获控制J.通信电源技术，22(3):21315 孙旭东，王善铭.电机学.清华大学出版社，.9.1。6 刘晓林.浅谈风力发电机组液压和电动变桨系统.电气应用，28(15).7 北京机鹏信息征询有限公司.风机部件制造商调查报告，5.8 王民浩. 中华人民共和国风电技术发展研究报告.水利水电出版社，5.9 王树强，刘绍杰.兆瓦级风力发电机液压变桨距系统设计及建模.沈阳工业学院学报，(01).10 祁和生.直面风电设备国产化.电力设备，(8).11 当代风力发电技术及工程应用王志新编著.北京：电子工业出版社，.10（风力发电工程及应用丛书用文献软件加标注，正文中通篇没有发现参照文献标注，整体需要修改）