風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)

1、風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)功能研究風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)簡介風(fēng)力發(fā)電機組由多個部分組成，而控制系統(tǒng)貫穿到每個部分，其相當于風(fēng)電 系統(tǒng)的神經(jīng)。因此控制系統(tǒng)的質(zhì)量直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機組的工作狀態(tài)、 發(fā)電量 的多少以及設(shè)備的安全性。自熱風(fēng)速的大小和方向是隨機變化的， 風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)和退出電網(wǎng)、 輸 入功率的限制、風(fēng)輪的主動對封以及運行過程中故障的檢測和保護必須能夠自動 控制。同時，風(fēng)力資源豐富的地區(qū)通常都是邊遠地區(qū)或是海上，分散布置的風(fēng)力發(fā)電機組通常要求能夠無人值班運行和遠程控制，這就對風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)的自動化程度和可靠性提出了很高的要求。 與一般的工業(yè)控制過程不同，風(fēng)力 發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是綜合

2、性控制系統(tǒng)。 他不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機組運行參， 對機組進行控制。而且還要根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化， 對機組進行優(yōu)化控制，以提 高機組的運行效率。控制系統(tǒng)的組成風(fēng)力發(fā)電機由多個部分組成，而控制系統(tǒng)貫穿到每個部分，相當于風(fēng)電系統(tǒng) 的神經(jīng)。因此控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機的工作狀態(tài)、發(fā)電量的多少以及設(shè)備的安全。目前風(fēng)力發(fā)電亟待研究解決的的兩個問題： 發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì) 量都和風(fēng)電控制系統(tǒng)密切相關(guān)。對此國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究， 取得了一定 進展，隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，為風(fēng)電控制系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標分為三個層次： 這就是保證風(fēng)力發(fā)電機組安全 可靠運

3、行，獲取最大能量，提供良好的電力質(zhì)量。控制系統(tǒng)組成主要包括各種傳感器、變距系統(tǒng)、運行主控制器、功率輸出單 元、無功補償單元、并網(wǎng)控制單元、安全保護單元、通訊接口電路、監(jiān)控單元。 具體控制內(nèi)容有：信號的數(shù)據(jù)采集、處理，變槳控制、轉(zhuǎn)速控制、自動最大功率點跟蹤控制、功率因數(shù)控制、偏航控制、自動解纜、并網(wǎng)和解列控制、停機制動 控制、安全保護系統(tǒng)、就地監(jiān)控、遠程監(jiān)控。當然對于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機控 制單元會不相同?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-1所示：軟切入控制啟動與切換控制啟 動電流控制三相不 平衡保護k變距系統(tǒng) 功率控制轉(zhuǎn)速 控制X.>用戶界面輸入用戶指令，義更參數(shù)顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，數(shù)據(jù)和故障等

4、情況介、 產(chǎn)SZ /、r主控制器1、-仍g4今切廣控制投切補償電容s_運行監(jiān)控、系統(tǒng)起、停_,其它功能模塊控制電 網(wǎng)、風(fēng)況監(jiān)測液壓系統(tǒng)制動系統(tǒng)調(diào)向系統(tǒng)剎車機構(gòu)壓力剎車機構(gòu)根據(jù)風(fēng)向調(diào)向保持自動解纜) / )圖2-1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖控制系統(tǒng)的類型對于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機，控制單元會有所不同，但主要是因為發(fā)電機的結(jié)構(gòu)或類型不同而使得控制方法不同案。雙饋發(fā)電機雙饋電機的結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應(yīng)電機， 定子繞組也由具有固定頻率的對稱三根電源激勵，所不同的是轉(zhuǎn)子繞組具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵， 一般采用 交一交變頻器或交一直一交變頻器供以低頻電流。通行狀態(tài)檢測一控制器圖2-2雙饋風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)示意圖雙饋

5、電機勵磁可調(diào)量有三個：一是可以調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn) 速.這樣在負荷突然變化時，迅速改變電機的轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子的動能，釋放 和吸收負荷，對電網(wǎng)的擾動遠比常規(guī)電機小。另外，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅 值和相位，來調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。雙饋電機控制系統(tǒng)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(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值。頻率及相位角，達到調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)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(wǎng)起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的作用。下 圖是雙饋電機控制簡要框圖。整個控制系統(tǒng)可分為：轉(zhuǎn)速調(diào)整單元、有功功率調(diào)整

6、單元和電壓調(diào)整單元（無 功功率調(diào)整）。它們分別接受風(fēng)速和轉(zhuǎn)速。有功功率、無功功率指令，并產(chǎn)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(tǒng)的要求。由于雙饋電機既可調(diào)節(jié)有功功率；又可調(diào)節(jié)無功功率，有風(fēng)時，機 組并網(wǎng)發(fā)電；無風(fēng)時，也可作抑制電網(wǎng)頻率和電壓波動的補償裝置。雙饋電機應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中，可以解決風(fēng)力機轉(zhuǎn)速不可調(diào)。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(diào)，對電網(wǎng)可起到穩(wěn)壓。穩(wěn) 頻的作用，提高了發(fā)電質(zhì)量。與同步機交一直一交系統(tǒng)相比，它還具有變頻裝置 容量?。ㄒ话銥榘l(fā)電機額定容量的10%20%左右）、重量輕的優(yōu)點。但這種結(jié) 構(gòu)也還存在一些問

7、題，如控制電路復(fù)雜一些，不同的控制方法效果有一定差異。 另外該結(jié)構(gòu)比其他結(jié)構(gòu)更容易受到電網(wǎng)故障的影響。目前國內(nèi)有多家開發(fā)成功雙饋電機控制系統(tǒng)， 如蘭州電機有限責(zé)任公司與清 華大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)合作研制的兆瓦級變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制設(shè) 備，采用全數(shù)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(fēng)電 機組電控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用IGBT技術(shù)、雙PWM（向可逆變流控制。永磁直驅(qū)同步發(fā)電機由變漿距風(fēng)輪機直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機，省去了增速用齒輪箱。發(fā)電機輸 出先經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?，再?jīng)IGBT （絕緣柵雙極晶體管）逆變器將電能送到電 網(wǎng)。對風(fēng)力發(fā)電機工作點的控制是通過控制逆變器送到電網(wǎng)的電流

8、實現(xiàn)對直流環(huán) 節(jié)電壓的控制，從而控制風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)速。發(fā)電機發(fā)出電能的頻率、電壓、電功率都是隨著風(fēng)速的變化而變化的， 這樣 有利于最大限度地利用風(fēng)能資源，而恒頻恒壓并網(wǎng)的任務(wù)則由整流逆變系統(tǒng)系統(tǒng) 完成。永磁直驅(qū)同步發(fā)電機系統(tǒng)存在的缺點是：對永磁材料的性能穩(wěn)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(fā)電機額定功率的120% 以上。發(fā)電機控制系統(tǒng)除了控制發(fā)電機 求取最大能量”外，還要使發(fā)電機向電網(wǎng)提 供高品質(zhì)的電能。因此要求發(fā)電機控制系統(tǒng)：盡可能產(chǎn)生較低的諧波電流；能夠控制功率因數(shù)；使發(fā)電機輸出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化；向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率。目前國內(nèi)外兆瓦級以上技術(shù)較先進的、有

9、發(fā)展前景的風(fēng)力發(fā)電機組主要是雙 饋型風(fēng)力發(fā)電機組和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組， 二者各有優(yōu)缺點。單從控制系統(tǒng)本 身來講，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)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(fēng)力發(fā)電機組控制回路多，控制復(fù)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。風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的目標風(fēng)力發(fā)電機組是利用風(fēng)輪系統(tǒng)實現(xiàn)了從風(fēng)能到機械能的能量轉(zhuǎn)換， 再利用發(fā) 發(fā)電機和控制系統(tǒng)實現(xiàn)了從機械能到電能的轉(zhuǎn)換過程， 在空阿里風(fēng)力發(fā)電機組控 制系統(tǒng)的控制目標時，必須結(jié)合他們的運行方式和工作特點。 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng) 的基本目標就是保證風(fēng)力機發(fā)電機組安全可靠運行， 獲取最大風(fēng)能，并提供良好 的電力保證。(1)控制系統(tǒng)應(yīng)保持風(fēng)力發(fā)電機組安全可靠運行，同時高質(zhì)量地將不斷變 化的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率、電壓穩(wěn)定的交流電送人電網(wǎng)。(2)控制系統(tǒng)曹勇計算機控制技術(shù)實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機組的運行參數(shù)、工作 狀態(tài)進行監(jiān)控、顯示以及故障處理。(3)利用計算機智能控