風力發電機控制系統論文)word格式(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 雙饋電機勵磁可調量有三個：一是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。 雙饋電機控制系統通過變頻器控制器對逆變電路小功率器件的控制，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。下圖是雙饋電機控制簡要框圖。 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。 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。與同步機交一直一交系統相比，它還具有變頻裝置容量小（一般為發電機額定容量的 10％～20％左右）、重量輕的優點。但這種結構也還存在一些問題，如控制電路復雜一些，不同的控制方法效果有一定差異。另外該結構比其他結構更容易受到電網故障的影響。 目前國內有多家開發成功雙饋電機控制系統，如蘭州電機有限責任公司與清華大學、沈陽工業大學合作研制的兆 瓦級變速恒頻雙饋異步風力發電系統控制設備，采用全數字化矢量控制方法。中科院電工研究所研制的兆瓦級變速恒頻風電機組電控系統，該系統采用 IGBT 技術、雙 PWM 雙向可逆變流控制。 風力發電機控制系統（六） 4 永磁直驅同步發電機 永磁直驅同步發電機系統結構如圖： 由變漿距風輪機直接驅動永磁同步發電機，省去了 增速用齒輪箱。發電機輸出先經整流器變為直流，再經 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）逆變器將電能送到電網。對風力發電機工作點的控制是通過控制逆變器送到電網的電流實現對直流環節電壓的控制，從而控制風輪機的轉速。 發電機發出電能的頻率、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整流逆變系統系統完成。 除了永磁直驅同步發電機可以直接并網外，還可以構成風力發電機（群），比如 ABB 公司的“Windformer” 采用的是高壓永磁直驅同步發電機（群），結構如下： 單機容量為 3～ 5MW，輸出額定電壓高達 20kV，頻率為 5～ 10Hz，每一臺發電機機端只配置有整流器，把交流變換為直流，通過直流母線實現與風電場其他機組 (群 )的并聯運行，既提高了可靠性，又改進了效率。風電場由一臺大容量公用逆變器把直流母線的直流電轉換成50Hz 的交流電，電壓為 12kV，可直接并入當地電網使用，也可 經變壓器升壓至更高電壓后并入更高壓電網傳輸到遠處。 永磁直驅同步發電機系統存在的缺點是：對永磁材料的性能穩定性要求高，電機重量增加。另外， IGBT 逆變器的容量較大，一般要選發電機額定功率的 120％以上。 但使用 IGBT 逆變器也帶來一些好處： ① 使用脈寬調制（ PWM）獲得正弦形轉子電流，電機內不會產生低次諧波轉矩，改善了諧波性能。 ② 有功功率和無功功率的控制更為方便。 ③ 大功率 IGBT 很容易驅動。 ④ IGBT 有很好的電流共享特性，這對于要達到風力發電機所需的功率水平，進行并聯使用是非常必要。 ⑤ 開關時間短，導通 時間不到 1毫秒，關斷時間小于6 毫秒，使得管子功耗小。 ⑥ 目前單管容量已經較大，如 Eupec 公司的 FZ600R65KF1 等器件，可以在 6kV 電壓下控制 電流， FZ3600R12KE3 等低電壓器件，可以在 電壓下開關 電流。 發電機控制系統除了控制發電機 “獲取最大能量 ”外，還要使發電機向電網提供高品質的電能。因此要求發電機控制系統： ① 盡可能產生較低的諧波電流， ② 能夠控制功率因數， ③使發電機輸出電壓適應電網電壓的變化， ④ 向電網提供穩定的功率 目前國內外兆瓦級以上技術較先進的、有發展前景的風力發電機組主要是雙饋型風力發電機組和永磁直驅風力發電機組，二者各有優缺點。單從控制系統本身來講，永磁直驅風力發電機組控制回路少，控制簡單，但要求逆變器容量大。而雙饋型風力發電機組控制回路多，控制復雜些，但控制靈活，尤其是對有功、無功的控制，而且逆變器容量小得多。 雙饋型風力發電機組與永磁直驅風力發電機組的綜合比較： 風力發電機控制系統（七） 風電機的運行控制 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自動控制，由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，保證功率因數達到要求 。對于雙饋發電機，是直接由控制系統控制和調節無功功率的。 偏航與自動解纜控制 ① 自動對風 正常運行時偏航控制系統自動對風，即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。 ② 自動解纜 當機艙向同一方向累計偏轉 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 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。 ③ 風輪保護 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 度背風，以保護風輪免受損壞。 停機控制 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 若出現利車故障則收槳，機艙偏航如 90 度背風。 當出現緊急停機故障時，執行如不停機操作：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達小于同步速時；發電機解列（脫網），若制動時間超過 20 秒，轉速仍未降到某設定值，則收槳，機艙偏航 90 度背風。 風力發電機控制系統（八） 安全保護 控制系統是風力發電機組核心部件，是風力發電機組安全運行根本保證，所以為了提高風力發電機組運行安全性，必須認真考慮控制系統的安全性和可靠性問題。 控制系統的安全保護組成： 雷電安全保護 多數風機都安裝在山谷的風口處、山頂上、空曠的草地、海邊海島等，易受雷擊，安裝在多雷雨區的風力發電機組受雷擊的可能性更大，其控制系統大多為計算機和電子器件，最容易因雷電感應造成過電壓損壞，因此需要考慮防雷問題。一般使用避雷器或防雷組件吸收雷電波。 當雷電擊中電網中的設備后，大電流將經接地點泄入地網，使接地點電位大大升高，若控制設備接地點靠近雷擊大電流的入地點，則電位將隨之升高，會在回路中形成共模干擾，引起過電壓，嚴重時會造成相關 設備絕緣擊穿。 根據國外風場的統計數據表明，風電場因雷擊而損壞的主要風電機部件是控制系統和通訊系統。雷擊事故中的 40％～ 50％涉及到風電機控制系統的損壞， 15％～ 25％涉及到通訊系統，15％～ 20％涉及到風機葉片， 5％涉及到發電機。 我國一些風場統計雷擊損壞的部件主要也是控制系統和監控系統的通訊部件。這說明以電纜傳輸的 4～ 20 mA電流環通信方式和 RS485串行通信方式由于通訊線長，分布廣，部件多，最易受到雷擊，而控制部件大部分是弱電器件，耐過壓能力低，易造成部件損壞。 防雷是一個系統工程，不能僅僅從控制系 統來考慮，需要在風電場整體設計上考慮，采取多層防護措施。 運行安全保護 大風安全保護：一般風速達到 25 米 /秒（ 10 分鐘）即為停機風速，機組必須按照安全程序停機，停機后，風力發電機組必須 90 度對風控制。 參數越限保護：各種采集、監控的量根據情況設定有上、下限值，當數據達到限定值時，控制系統根據設定好的程序進行自動處理。 過壓過流保護：當裝置元件遭到瞬間高壓沖擊和電流過流時所進行的保護。通常采用隔離、限壓、高壓瞬態吸收元件、過流保護器等 震動保護：機組應設有三級震動頻率保護，震動球開關、震動頻 率上限 震動頻率極限2，當開關動作時，控制系統將分級進行處理。 開機關機保護：設計機組開機正常順序控制，確保機組安全。在小風、大風、故障時控制機組按順序停機。 電網掉電保護 風力發電機組離開電網的支持是無法工作的，一旦有突發故障而停電時，控制器的計算機由于失電會立即終止運行，并失去對風機的控制，控制葉尖氣動剎車和機械剎車的電磁閥就會立即打開，液壓系統會失去壓力，制動系統動作，執行緊急停機。緊急停機意味著在極短的時間內，風機的制動系統將風機葉輪轉數由運行時的額定轉速變為零。大型的機組在極短的時間 內完成制動過程，將會對機組的制動系統、齒輪箱、主軸和葉片以及塔架產生強烈