風力發電系統電氣控制設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 專用微控制器過載開關 自動對風偏差范圍 風力發電機組自動起、停機時間 系統測量精度 自動解纜時間 55min 手動操作響應時間 (3)保護功能超電壓保護范圍 連續欠電流保護范圍 連續風輪轉速極限 發電機轉速極限 發電機過功率保護值 連續發電機過電流保護值 連續大風保護風速 連續 系統接地電阻 防雷感應電壓 控制系統工作原理[6]主開關合上后，風力發電機組控制器準備自動運作。首先系統初始化檢查控制程序、微控制器硬件和外設、傳感器來的脈沖及比較所選的操作參數備份系統工作表，接著就正式起運。起動的第一秒內先檢查電網、設置各個計算器、輸出機構初始工作狀態及晶閘管的開通角。所有這些完成后，風力發電機組開始自動運行于風輪的葉尖本來是90176。，現在恢復為0176。，風輪開始轉動。計算機開始時監測各個參數、輸入，判斷是否可以并網，判斷參數有否超過極限、執行偏航、相位補償、機械制動或空氣制動。 風力發電機組的變距控制原理(1)變槳距風力發電機組的控制方式風力發電機組的變距系統主要包括兩種控制方式，即并網前的速度控制與并網后的功率控制。由于異步發電機的功率與轉速是嚴格對應的，功率控制最終也是通過速度控制來實現的。變槳距風輪的葉片在靜止時節距角為90176。，這時氣流對葉片不產生力矩，整個葉片實際上是一塊阻尼板。當風速達到起動風速時，葉片向0度方向轉動，直到氣流對葉片產生一定的功角，風輪開始起運。風輪從起運到額定轉速，其葉片的節距角隨轉速的升高是一個連續變化的過程。根據給定的速度參考值調整節距角，進行所謂的速度控制。當轉速達到額定轉速后電機并入電網。這時，電機轉速受到電網頻率的牽制變化不大，主要取決于電機的轉差，電機的轉速控制實際上已轉為功率控制。為了優化功率曲線，在進行功率控制的同時通過轉子電流控制器對電機轉差進行調整，從而調整風輪轉速。當風速較低時，風輪轉差調到很小(1%)，轉速在同步速附近；當風速高于額定風速時，電機轉差要調整到很大（10%），使葉尖速比得到優化，使功率曲線達到理想的狀態。（2）變距控制[7]變槳距控制系統實際上是一個隨動系統，變距控制器是一個非線性比例控制器，它可以補償比例閥的死帶和極限。變距系統的執行機構是液壓系統，節距控制器的輸出信號經D/A轉換后變成電壓信號，控制比例閥（或電液伺服閥）驅動油缸活塞推動變距機構，使葉片節距角變化。活塞的位移反饋信號由位移傳感器測量，經轉換后輸入比較器。 風力發電系統的控制策略在風力發電控制系統中，風輪機應在轉速極限和功率極限內追求在最佳Cp目標曲線附近運行，應當把動能轉換作為設計策略的重點加以規劃；當達到轉速限值和功率標稱值時，要及時準確的進行調節，以使輸出功率平穩。必須分清異步發電機和功率變換器的絕對極限和常用上限的差別，盡量減小對電網的污染。下面概述的風力發電系統的各種控制策略在國內外大中型并網發電的風力發電機中均有應用。 風輪機的氣動特性[8]風輪機通過葉片捕獲風能，將風能轉換為作用在輪轂上的機械轉矩。風輪機的特性通常用風能轉換效率Cp尖速比λ曲線來表示，圖22是一條典型的曲線。尖速比可表示為 （21） 式中 為風輪機的機械轉速(rad/s)；為葉片半徑(m)；為來流的線性風速(m/s)。根據風機葉片的空氣動力特性，風能轉換效率是尖速比λ和槳矩β的函數，即。典型與和的關系可用圖23來表示。由圖中可見，對于同一個值風輪機可能運行在A和B兩個點，它們分別對應于風輪機的高風速運行區和低風速運行區，當風速發生變化時風輪機的運行點將要發生變化。在恒頻應用中，發電機轉速的變化只比同步轉速高百分之幾，但風速的變化范圍可以很寬。按(21)式，尖速比便可以在很寬范圍內變化(取決于葉片設計)，風輪機捕獲風力可以寫成 (22)式中 是氣動功率(W)；是空氣密度(kg/m3)；是掃掠面積(m2)；是風輪機的功率系數。 由(22)式可知，風機整體設計和相應的運行控制策略應在追求最大的情況下進行相應的調整，便可增加其輸出功率。如圖24所示是理想風輪機的功率曲線。從理論上講風輪機組的輸出功率是無限大的，它是風速立方的函數。但在實際應用中，它卻受到了如下的限制：（1）功率限制：由于構成電路的所有電氣元件都受到了功率限制；(2)轉速限制：由于系統中的齒輪箱、電機都存在轉速的上限。因而風輪機的運行存在三個典型區：在低風速段，按恒定途徑控制風輪機直到轉速達到極限；然后按恒定轉速控制風輪機，直到功率最大；功率最大后，風輪機按恒定功率控制。 定槳距風力發電機的控制策略傳統概念的風力發電機一般都是上風向、三葉片的風輪機，通過齒輪增速箱來驅動異步發電機，并與電網相連來發電的。風輪機的功率調節完全依靠葉片的氣動特性的風力發電機組稱為定槳距風力發電機組。風輪機吸收的功率隨風速不停地變化，發電機工作于同步轉速附近，而風電機組的設計一般在額定功率時風輪的轉換效率在最佳區段。當風速超過額定風速時，為了保持發電機輸出功率恒定，必須通過葉片失速效應特性來降低值，以維持輸出功率的恒定。對于定槳距系統，發電機正常工作的滑差小于1%，允許滑差范圍一般在5%以內，而風速的變化范圍卻很大。從的函數關系來看，難以保證在額定風速之前使值達到最大，特別是在低風速段。通常系統設計有兩個不同功率、不同極對數的異步發電機，以滿足不同風速的要求。大功率高轉速的異步發電機工作于高風速區，小功率低轉速的異步發電機則工作于低風速區，由此來調整尖速比，實現追求最大下的整體運行控制。定槳矩風機的功角一般設定在0176。，在不同風頻密度的地區可根據具體情況在安裝時予以調整，但必須充分考慮到對于風機失速點的影響。從設計的角度考慮，葉片的翼形難以做到在失速點之后功率恒定，通常都有些下降，因其發生在高風速段，對發電量有一定影響。風機采用異步發電技術，存在功率流向的不確定性，發電機可能低于同步轉速運行，也可能工作在同步轉速之上。在大小發電機軟切換控制過程中必須慎重處理。 變槳距風力發電機的控制策略為了盡可能提高風輪機風能轉換效率和保證風輪機輸出功率平穩，風輪機將進行槳距調整。在定槳距風輪機的基礎上加裝槳距調整環節，稱為變槳距風輪機組。變槳距風力發電機組的功率調節不完全依靠葉片的氣動特性，主要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進行調節。在額定風速以下時，葉片攻角處于零度附近，此時葉片角度受控制環節精度的影響，變化范圍很小，可等同于定槳距風機。在額定風速以上時，變槳距機構發揮作用，調整葉片攻角，保證發電機的輸出功率在允許范圍內。風輪機的槳距控制系統，通常采用典型的PID轉速、功率和槳距角三模態控制。速度控制和直接槳距控制常用于風力發電機的起動、停止和緊急事故處理。因而，變槳距風輪機的起動風速較定槳距風輪機低，但對功率的貢獻沒有意義；停機時對傳動機械的沖擊應力相對緩和。風機正常工作時，主要采用功率控制。對于功率調節速度的反映取決于風機槳距調節系統的靈敏度。在實際應用中，由于功率與風速的三次方成正比，風速的較小變化將造成風能較大變化，風機輸出功率處于不斷變化中。風速變化頻繁幅度大的狀況出現時將引起風機槳距調節機構頻繁動作。風機槳距調節機構對風速的反應有一定的時延，在陣風出現時槳距調節機構來不及動作而造成風機的瞬時過載，不利于風機的運行。針對這一點，提出了混合失速的風機設計概念。即仍然發揮葉片的失速效應，在失速點之前進行槳距調整，即便槳距調節機構來不及動作通過葉片的失速效應發揮作用也不會造成風機的瞬時過載。 變速風力發電機的控制策略[9]上面的風輪機直接由追求值最優進入功率最大的限制，調整的范圍和靈敏度很有限。從圖26可以看出，風機轉速對于功率系數影響很大。工業控制領域交流電動機調速技術在很多設備中已有成熟應用。同樣，通過調節發電機轉子電流的大小和相位(RCC)從而實現轉速調節，進而實現追求最優和無功功率的平衡。這一調速系統與變槳距環節結合起來，就構成了變速恒頻變槳距風力發電機的主要技術特點。交流發電機采用高滑差繞線式轉子的異步發電機。變速風機要求轉子轉速隨風變化，相應轉子電流頻率是不定的。轉子機械旋轉的速度為，使得定子旋轉磁場的頻率。控制的值以使等于電網頻率。這一點與鼠籠式轉子電流頻率的結論是一致的(為電機轉差)。值得指出的是發電狀態與電動狀態的區別在于轉差和功率流向的不同，因而造成兩者在功率(能量)平衡上存在差別(特別是轉子能量)。在實際應用中，發電機轉速與風速的對應關系不必完全覆蓋風速的范圍，電機轉速范圍為1100~1700RPM，僅有部分超同步范圍。控制系統負責控制和轉子電流相角。也就是說，可以向電網提供無功，同時，調速系統調節更靈敏，風機運行的柔性更好，有利于風機輸出功率更平穩和減小傳動機械的沖擊應力。功率元件采用IGBT管，一般通過查表獲得調節信號：風速5~7m/s，風機工作于同步轉速以下(1100~1500RPM)；風速7~9m/s風機工作于同步轉速附近(1500RPM)，與一般風機工作方式一致； 風速9~15m/s，風機工作于同步轉速以上(1500~1625RPM)；風速15~25m/s，風機工作于負荷調節狀態，根據功率調節風機行為，電機允許轉速范圍為1600~1650RPM。 變槳距風力發電機組控制系統 [2] 變槳距風力發電機組根據變距系統所起的作用可分為三種運行狀態，即風力發電機組的起動狀態（轉速控制）、欠功率控制（不控制）和額定功率狀態（功率控制）。（1） 起動狀態變槳距風輪的槳葉在靜止時，節距角為90176。，氣流對槳葉不產生轉矩，當風速達到起動風速時，槳葉向0176。方向轉動，直到氣流對槳葉產生一定的攻角，風輪起動。在發電機并入電網以前，變距系統的節距給定值由發電機的轉速信號控制。轉速控制器按一定的速度上升斜率給出速度參考值，變槳距系統根據給定的速度參考值，調整槳葉節距角，進行速度控制。（2） 欠功率狀態欠功率狀態是指發電機并入電網后，由于風速低于額定風速，發電機在額定功率以下的低功率狀態運行。為了改善低風速時的風輪氣動特性，采用了Optitip技術，即根據風速的大小，調整發電機的轉差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，以優化功率輸出。（3） 額定功率狀態當風速達到或超過額定風速后，風力發電機組進入額定功率狀態。在傳統的變槳距控制方式中，將轉速控制切換為功率控制，變距系統開始根據發電機的功率信號進行控制。功率反饋信號與額定功率進行比較，功率超過額定功率時，槳葉節距向迎風面積減少的方向轉動一個角度，反之則向迎風面積增大的方向轉動一個角度。由于變槳距系統的響應速度受到限制,對快速變化的風速,通過改變節距來控制輸出功率的效果并不理想。因此，為了優化功率曲線，最新設計的變槳風力發電機組在進行功率控制的過程中，其功率反饋信號不再作為直接控制槳葉節距的變量。變槳距系統由風速低頻分量和發電機轉速控制，風速的高頻分量產生的機械能波動，通過迅速改變發電機的轉速來進行平衡，即通過轉子電流控制器對發電機轉差率進行控制，當風速高于額定風速時，允許發電機轉速升高，將瞬變的風能以風輪動能的形式儲存起來；轉速降低時，再將動能釋放出來，使功率曲線達到理想的狀態。 變槳距控制系統（1）變槳距控制系統[10]在發電機并入電網時前，發電機轉速由速度控制器A根據發電機轉速反饋信號與給定信號直接控制；發電機并入電網后，速度控制B與功率控制器起作用。功率控制器的任務主要是根據發電機轉速給出相應的功率曲線，調整發電機轉差率，并確定速度控制器B的速度給定。節距的給定參考值由控制器根據風力發電機組的運行狀態給出。如圖28所示，當風力發電機組并入電網前，由速度控制器A給出；當風力發電機組并入電網后由速度控制B給出。（2）變距控制變距控制系統是一個隨動系統，如圖29所示。變距控制器是一個非線性比例控制器，它可以補償比例閥的死帶和極限。變距系統的執行機構是液壓系統，節距控制器的輸出信號經D/A轉換后變成電壓信號控制比例閥（或電液伺服閥），驅動液壓缸活塞，推動變槳距機構，使槳葉節距角變化。活塞的位移反饋信號由位移傳感器測量，經轉換后輸入比較器。（4） 速度控制器A轉速控制器A在風力發電機組進入待機狀態或從待機狀態重新起動時投入工作，如圖210所示在這些過程中通過對節距角的控制，轉速以一定的變化率上升。控制器也用于在同步速（50Hz時1500轉/min）時的控制。當發電機轉速在同步轉速177。10內持續1s發電機將切入電網。控制器包含著常規的PD控制器和PI控制器，接著是節距角的非線性化環節，通過非線性化處理，增益隨節距角的增加而減小，以此補償由于轉子空氣動力學產生的非線性，因為當功率不變時，轉矩對節距角的比是隨節距角的增加而增加的。 當風力發電機組從待機狀態進入運行狀態時，變槳距系統先將槳葉節距角快速地轉到45176。，風輪在空轉狀態進入同步轉速。當轉速從0增加到1500時，節距角給定值從45176。線性的減小到5176。這一過程不僅使轉子具有高起動力矩，而且在風速快速地增大時能夠快速起動。 （4）速度控制器B 發電機切入電網后，速度控制系統B作用。如圖211所示，速度控制器B受發電機轉速和風速的雙重控制。在達到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加。額定的速度給定值是1569r/min,相