风电机组控制系统概述

2024-07-23

风电机组控制系统概述（精选7篇）

风电机组控制系统概述篇1

近年来, 随着风力发电技术的成熟, 大功率变速恒频风力发电机组得到广泛的应用, 而作为风电产业链核心的环节之一的风电机组的控制系统, 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, 从而达到可靠运行、获取最大能量、提供良好的电力质量3个层次的目标。相信随着国内技术的发展和大容量电力电子器件应用技术的成熟再加上对风力发电机组控制系统的研究, 将会对我国掌握风力发电的核心技术, 打破国外的技术垄断具有重要的意义!同时也能降低风电机组的维护成本, 提高经济效益和社会效益。

1 风力发电控制方案研究的目的与意义

据资料显示, 全球化石燃料的储备量逐年下降, 并且使用化石燃料所带来的环境污染、温室效应也被世界很多国家担心。所以寻找替代化石燃料途径的研究应运而生!而风能储量达, 风电清洁作为替代能源之一越来越受到各个国家的青睐!风电的优点体现在以下方面。

(1) 充分利用风能资源, 减少常规能源的消耗, 符合很多国家能源改革的方向。

(2) 风力发电场对比同规模使用燃煤电厂其向大气排放的污染物为零, 实现固体、气体零排放。对保护大气环境有积极作用。

(3) 风力发电场比燃煤电厂可节省大量淡水资源, 减少水环境污染。特别是对缺少淡水资源的沿海及干旱地区更重要。

(4) 建设风力电场对发展沿海经济有重大意义。如建海产冷库、开展海水淡化、进行电量季节调峰等都起到关键作用。

2 国内外风电行业发展概述

近年, 世界风力发电如雨后春笋, 逐年以二位数速度迅猛增长, 截至1998年, 全球装机9689 MW。装机容量前10名的国家是:德国2874 MW、美国1890 MW、丹麦1400 MW、印度968 MW、西班牙834 MW、荷兰364 MW、英国331 MW、中国223 MW、意大利180 MW和瑞典174 MW。

我国风力发电起步于20世纪80年代末, 集中在沿海和新疆、内蒙风能带。1986年至1994年试点, 1994年新疆达坂城2号风场首次突破装机10 MW (当年全国装机25 MW) , 4年后, 全国装机223 MW, 增长9倍, 占全球风力发电装机的2.3%。

2.1 风电机组结构的确定

2.1.1 风电机组类型的选择

(1) 按风力发电机组类型选择。

根据风电场的风能资源状况, 地区属于Ⅲ级风场, 70 m高度年平均风速7.2 m/s, 适宜选择中低风速区型风电机组;根据推算的风场不同高度实测年历时风速资料, 按不同风电机组功率曲线, 对各类机组的理论发电量和理论利用小时数进行了初步估算, 推荐选择叶轮直径较大的风电机组。

(2) 按风力发电机组单机容量选择。

目前风电机组单机容量最大已可达到3 MW以上, 如东特许权项目要求设备国产化率达到50%, 在与各设备供应商咨询了解后, 初步确定4种可满足国产化率要求的风电机组, 其单机容量分别为85 0 k W、1000 kW、1250 kW和2000 kW。

(3) 按风力发电机组参数对比选择。

查阅相关资料对比可得WT G 1与WTG3、WTG4型机组均采用变桨功率调节方式, 在高风速区段, 叶轮保持较高的效率, 对风能资源的利用效率高, WTG4机组采用全变速运行, 为目前较新发展的技术。

2.1.2 变流系统拓扑结构的选择

风能机组是把风能变成频率和幅值都变化的交流电, 然后经过整流, 把交流电变成直流电, 再经过三相逆变器把直流变成幅值和频率一丁点额交流电输入到电网中去。所以中间电力电子系统变幻的好坏在很大程度上影响风电系统发电的好坏, 当然对控制系统的稳定性也产生很大的影响, 因此对变流器系统拓扑结构的确定是必要的。变流系统拓扑结构的分类及其特点。

(1) 不可控二极管整流器接三相电压型PWM逆变器, 这种类型拓扑结构作用是将风电机组产生的那种幅值、频率都变化的交流电通过整流器整流变成直流电, 然后再经过PWM电压源型逆变器作用变成幅值和频率都恒定的交流电。

优点是:开关频率较高, 从而减少了对电网的谐波。

缺点是:由于前端是不可控整流所以输出为不稳定的直流电, 当风速较低时, 逆变器输入电压也会随着较低, 当要并网时, 就必须提高逆变器调制深度。

(2) 电压型PWM逆变器的拓扑结构。

这种结构因为升压斩波电路相对第一种结构可以解决在低风速时逆变器输入电压低、运行差等问题。同时通过斩波电路可以矫正功率因数, 从而改变开关器件的占空比, 进而达到输出电流与输出的电压同步的目的。这种结构的主要的特点是:控制点额结构简单, 控制方法灵活, 开关的利用效率提高!

(3) 接三相电压型PWM逆变器。

使用这种结构目的主要是采用交叉并联的方法减小流过开关管的电流。其本质两个周期对单个升压斩波电路电流控制一次。采用此方法能够有效地提高放大倍数, 调节占空比。其优点是:保护开关管, 减小流过开关管的电流, 增加输入电流的稳定性, 削弱纹波的影响。缺点:设计的技术瓶颈是并联运行时的均流问题。

2.2 风力发电机组控制系统功能的实现

风力发电机组控制系统应完成的功能。

(1) 启动控制。

(2) 并/脱网控制。

(3) 偏航与解缆。

(4) 限速及刹车。

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。

通常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。

3 结语

本文主要对风力发电机组控制系统为研究对象, 即从分电机组的选择、变流系统拓扑结构的选择、风电控制系统控制的实现等方面阐述了风力发电机组中存在的问题及其相应的解决方法, 对风电机组控制整个系统的稳定、高效运行都有十分重要的意义!

摘要：风能是一种清洁能源, 但风电机组系统结构的合理性和控制系统的稳定性直接影响风能发电的效率。风电机组结构复杂, 本文着重从风电机组的结构和控制系统选择为主线, 对控制系统多种方案进行比较与选择, 进而达到使风电机组控制系统稳定性与高效工作的目的。

关键词：控制,风电机组,结构选择

参考文献

[1]焦冲, 风电控制与物理实验设计系统[D].北京:华北电力大学, 2011:14-25.

[2]金利祥, 张德华, 陈绍聂, 等.基于P L C的风力发电机组控制系统的研究[J].机电工程, 2012 (2) :188-191.

风电机组控制系统的智能化篇2

1 风电机组运行控制的特点

1.1 风的不确定性

瞬息万变的风在物理规律上具有高度的不确定性, 从年度上看有大风年、小风年之分, 季节上有明显的大风季, 就算是一天之中不同时段, 由于光照、气温等条件也有风速分布的规律。在空间上, 不同的气候带, 如大陆沙漠性气候和海洋性气候有明显的风资源分布差异。具体到某个风电场, 由于地形不同, 山地、丘陵、平原;地表环境不同, 海面、戈壁、森林;日照辐射不同, 阳面、阴面;甚至于前方运行的风机, 都会对机位上的风速风向等风资源情况产生影响, 导致机位点风资源的随机性和不确定性。风机叶轮平面内的不同区域也面对着湍流、风切变、入流角等时刻随机变化的现象。对于风电机组来说, 不确定的风能输入, 就好比飞机驾驶员面对乱流, 需要不断地调整、控制, 以保证设备的稳定运行。为了进一步提高风电机组运行效率, 提升设备发电量, 需要对风电机组进行精确控制。

1.2 运行环境的差异

为了捕捉世界各地的风, 风电机组需运行在各类差异巨大的环境下。为了使风电机组在各种开放环境下安全可靠地运行20年, 风电机组必须具备可靠的环境适应性技术, 保证设备结构、运行电力电子器件的安全。

1.3 机组结构的特点

风电机组由叶轮、机舱、塔架和基础4个主要部分构成。目前2兆瓦风电机组叶轮直径已达到120米, 扫风面积超过26个标准篮球场, 塔架高度超过90米, 机头质量超过140吨。其技术基础包含复杂的空气动力学、多体动力学、传动、液压、电气、控制、信息系统等多学科交叉领域。这样的机组结构对设计和控制提出了很高的要求。

1.4 运行质量的要求

与一般的工业设备不同, 风力发电机组连接在公共电网上运行, 任何机组的异常和故障都会引起电网的运行变化。为了保障电网的安全运行, 对风机机组的运行质量提出了更高的要求, 不但要求风电机组本身具备很高的可靠性, 还要求其能够抵御外部的扰动, 参与电网的整体调控功能。加之风电机组往往安装在较偏远的地域, 检修维护、物料运输都极为不便, 也要求风电机组有较高的可靠性和自我检测故障、处理故障的能力。

2 控制系统智能化的基本目标

风电机组控制系统的基本功能是保障设备高效稳定运行。在此前提下, 通过各种技术手段, 综合各种内部外部因素, 进一步提高风机发电效率, 降低机组运行载荷, 提升机组适应性, 成为当前风电机组控制系统研发的主要方向。目前提出的智能型风机, 业界并没有统一的标准, 但基本上都是基于以上目标。将风力发电机组这一传统机械行业的设备扩展到信息化领域, 通过先进的传感器、高效的控制策略与算法、开放的设计思路进一步加强风电机组自识别和自适应能力, 应对上述的多种不确定性, 有效地将风能转变成优质、清洁的电能。

3 控制系统智能化的主要方法

风电机组控制系统的主要组成如图1所示。从风机控制系统角度来看, 包括输入、决策和执行3个主要步骤。通过先进传感器体系、智能的控制策略和先进的变桨、偏航、变流子系统, 将智能化的思路植入风机系统, 应对各类运行环境的挑战。

现代风电机组依靠各类传感器了解作用在风机叶轮上的驱动力。除了现有的风速风向仪、轮毂转速旋转编码器、叶片桨角编码器之外, 为了更全面地了解风在叶轮上的特性, 一系列更先进的传感器被研发和应用。典型的包括叶片载荷传感器阵列、激光雷达、更全面的气象信息传感器。其中叶片载荷传感器阵列通过在叶片根部和其他部位的应力应变传感器, 实时侦测、反馈叶片所受的载荷, 借以优化叶片极限和疲劳载荷, 将设备运行的疲劳损耗降到最低, 延长设备的服役年限。激光雷达通过激光波束照射在空气中气溶胶上回波的多普勒频移效应, 侦测来流风速和风况, 在风面未达到叶轮平面, 对风机产生影响之前, 提前通知控制系统做出响应。精确到具体的气动力学, 空气的密度、温度、空气中的沙尘、盐雾等对风机的运行产生影响, 收集这些信息, 可以精确地自动调试风机, 适应不同的工况环境。同时多台风机的传感器又构成了一个传感器网络, 通过搜集区域内的气象特性, 形成辅助风机运行的预测类功能, 如风功率预测、风速预警、尾流偏航优化等。总之, 通过先进传感器和网络技术的应用, 将风机置于一个广域的信息环境之中, 使得一系列的预测和优化方法有了信息来源。

智能化的控制策略和控制算法针对的不仅仅是典型的运行工况, 扩展到针对低风速、强阵风、高湍流、风切变、复杂地形、高风速、台风环境等特殊运行条件做出响应, 确保风机在可能遇到的运行环境中处变不惊, 游刃有余。风机通过高性能的控制器和先进的软件平台, 将传统的稳定可靠的PID控制与先进的预测算法、模式识别、优化算法相结合。通过强大的处理能力, 解析传感器收集的信息, 将非线性的控制模型线性化。通过全面的状态机控制, 将风机的运行控制与外部环境结合起来。比如, 叶轮轴向推力与叶轮的转速和风速直接相关, 但其关系并不是线性的, 在接近额定转速的运行区间, 叶片推力有一个明显的尖峰, 将对叶片的结构产生破坏性的影响。与之对应的, 在风机控制算法中, 专门有功能检测叶轮的运行转速范围和风速范围, 在叶轮工作在推力尖峰区域时, 采用专门的变桨策略和运动控制, 减低叶片受载, 保证风机稳定。在智能化的风机中, 存在着一系列的专门代码, 针对特殊的工况进行识别和处理, 提升风机的运行适应性, 典型的包括独立变桨技术、低速气动优化技术、智能偏航技术、阵风控制技术、振动抑制技术等。

同时, 智能化的控制系统还通过通信, 与上层集控系统和其他风机交互信息, 统计归纳风机运行数据, 自动积累运行经验, 通过对比、判断自身状态, 提前预测风机故障, 并执行相应的故障运行策略, 在不影响风机长期效益的前提下, 保障设备当前收益。

为了有效执行控制系统的指令, 智能型风机也具备智能化的执行系统, 主要包括叶片变桨系统、机舱偏航系统和功率变流系统。在单机功率等级和叶片直径越来越大的趋势下, 叶片和变桨系统也出现了新的技术。部分变桨和边缘变桨的智能叶片, 通过更灵巧的方式达到改变叶片气动外形的目的, 调节风机载荷, 同时避免巨大叶片自身惯量带来的变桨驱动系统负荷。自动均衡负载和阻尼的偏航系统, 将传统的电机驱动方式, 通过控制多个偏航电机协同工作的方式, 根据偏航力矩的情况施加制动力矩, 同时在偏航运动的过程中通过运动控制方式, 平滑系统启动停止特性, 降低对传动和机械部分的冲击。模块化的变流器, 通过功能模块化、定制化的变频器, 协同风机设计与控制的参数需求, 提高风机整机效率, 同时具备一定的自我意识, 在特殊工况下, 协同整机控制, 实现故障穿越。

风电机组在风场中运行, 由于单机功率的限制, 普遍形成风机群或多个风场组成的风场群同时运行的情况。前期风机的设计旨在最优化自身运行, 但风机之间存在普遍的相互影响, 如上风向风机在运行时会产生旋转的尾流, 直接影响下风向风机的运行, 在风机密集的集中风场, 这样的影响不容忽视。同时, 大量的风机接入电网, 需要良好的协调控制, 以保证电网本身频率、电压的稳定。因此, 风机智能化的很重要的一个方面是风机之间的协作。通过控制功能的集中和分布式配置, 以及标准化的通信接口实现信息的交互, 使得整体效益最优。

4 风能利用的智能化

风电机组选型辅助决策系统研究篇3

针对行业现状, 本文提出了一套风电机组选型辅助决策软件系统并在工程应用得到了推广, 为发电企业的风电机组优化选型起到了积极作用, 并在工程应用中起到了良好的社会效益和经济效益。

1 风电行业面临的主要问题

面对巨大的风电市场需求, 中国的风机制造企业从2007年初的10余家迅速增加到目前的80余家。大量风机制造企业的产生, 给风电场投资商提供了更多的选择。然而, 这些宏观环境的变化使得风电投资者面临一系列问题[2]:

(1) 大量风机制造企业的竞争促进了我国风机制造业的发展, 但是由于各个企业的制造基础、技术来源、技术力量都不尽不同, 造成市场上的风机质量也良莠不齐, 对风机制造企业的实力及其产品、供应链进行深入了解, 对于关注风电产业的投资者非常必要。但是, 目前国内缺乏一个这样的综合平台, 尤其是大型发电集团, 以实现对风机制造厂商全方位信息的了解。

(2) 由于近年风电发展快速, 投产的风电场数量巨大, 而且出质保期的项目很少, 这就导致风电投资者重心不在风机的运行情况。然而, 风机的质量, 直接影响了投资者的收益, 通过全面的风电场机组运行数据库, 获得同类风场机组选型、运行情况对于新建风场风机选型来说可以取到重要的参考作用。

(3) 大量企业进入风机制造行业, 一定程度上改变了风机的供求关系, 带来了风机造价的下降。对于风电投资者来说, 获得及时的风机价格走势信息, 并适时进行规模化风机采购, 对于降低风电投资非常关键。

2 决策系统设计思路

针对当前的行业现状并结合国内外研究现状[3], 本文提出了风电机组优化选型方法, 其主要设计思路为:以风电投资者的需求为导向, 以提高风电场经济效益和运行安全性为核心实现风电机组的优化选型。首先对风电机组进行初选, 筛选出能满足风电场建设基本要求的机组, 然后通过运行经济分析筛选出发电量和风机可用系数较高的机组, 再通过技术经济分析筛选出对风电场的适宜性和经济性较好的机组[4], 最后通过风电机组选型辅助决策软件系统构建风机制造厂商全方位的商务、技术资料库, 设立全面的风电场机组运行数据库, 实现完善的风机价格走势分析功能, 合理划分风场类型, 完成同类风场机组选型查询功能。将风机制造企业资料、风电场机组运行数据、风机价格走势等各方面的资源有效地整合到一个综合平台上, 以实现对风电机组全方位信息的了解和比较, 从而对新建风电场实现风机优化选型。其风电机组优化选型方法的四个步骤如图1所示。

其构建特点如下:

(1) 为了对风机制造厂商全方位信息的了解, 系统主要通过对主流风机厂商的调研, 结合深入的市场调查资料, 收集风机制造厂商商务、技术资料, 构建制造厂商数据库、风电机组数据库。

(2) 为了获得同类风场机组选型、运行情况, 系统主要通过与风电投资者、风机制造厂商合作, 获取国内已投产或正在建设风电项目的地形条件、风资源状况、海拔高度、使用机组型号及参数、年发电量 (已投产项目) 等信息, 构建国内风电场建设 (主机) 数据库;通过对风场类型进行合理划分, 使得系统具备同类风场机组选型查询功能。

(3) 为了获得及时的风机价格走势信息, 系统主要通过统计近年来风电机组招投标价格数据, 分析国内外主流厂商风机千瓦造价变化趋势, 构建风电主机造价数据库, 实现完善的风机价格走势分析功能。

3 决策系统的开发

为了促进系统的实践和应用, 作者组织开发了“风电机组优化选型辅助决策软件系统”。软件系统的成功开发, 为实现风电机组选型辅助决策系统的科学应用奠定了良好的工作平台, 如图2所示。

根据系统的构建思路, 主要由五个功能模块组成, 分别是制造厂商数据库、风电机组数据库、国内风电场建设 (主机) 数据库、风电主机造价数据库以及同类风电场机组选型查询模块。其风电机组优化选型辅助决策软件系统结构图如图3所示。

本辅助决策软件系统采用模块化设计思想进行系统设计, 通过不能功能模块的选择和组合可以构成完整的模块, 以满足风电机组选型不同需求的设计方法。最终, 系统以地形条件、风资源状况、海拔高度为三要素, 对风场类型进行划分。新建风场对比国内风电场建设 (主机) 数据库, 可获得同类风场机组选型、运行情况, 从而为新建风场风机选型提供参考, 具体原理如图4。

4 结论

(1) 提出了一种应用于风电机组优化选型辅助决策软件系统, 该系统以风电投资者的需求为导向, 以提高风电场经济效益和运行安全性为核心实现风电机组的优化选型。通过将风电各种资源有效地整合到一个综合平台上, 淡化了主观因素影响, 使得风电机组选型更加客观、科学。

(2) 该系统目前已在某大型发电集团工程应用中起到了良好的社会效益和经济效益, 为发电企业的风电机组优化选型起到了积极作用, 验证了该方法体系是合理有效的。

参考文献

[1]赵福平.从近10年数据看我国风能的利用与发展[J].近日科苑, 2010, 2:42-43.

[2]于汉启.我国风电发展的成本与风机选型研究[D].北京:华北电力大学, 2009.

[3]范炜, 张文忠, 刘庆超.基于费用-效益模型的风电机组优化选型研究[J].华东电力, 2010, 38 (6) :914-916.

风电机组的照明配电系统设计篇4

关键词：风力发电机组,照明配电,照度,正常照明,应急照明

0 引言

风能是目前最具备规模开发条件的可再生洁净能源,随着现代科学技术的迅猛发展,风电机组的单机容量越来越大,为了能吸收更多的能量,机组的安装高度不断增加,叶轮直径加大[1]。而机组内的照明配电系统,对整机安全运行和设备检修有着不可或缺的作用。风电机组的照明系统主要是分为机舱照明和塔筒照明两部分。

照明配电系统的设计跟风力发电机组安装地点的自然条件和周围环境有关,存在不确定性,需要具体问题具体分析,本研究针对风电机组的照明配电系统进行分析与设计。

1 机组结构简述

水平轴风力发电机组示意图如图1所示。

1—风轮;2—机舱;3—塔架上段;4—塔架中段;5—塔架下段;6—电器控制柜;7—基础

1.1 机舱

机舱包括机舱座和机舱罩两部份[2]。机舱内有足够的空间用于维护,并配有相应的照明系统,即使在恶劣的天气条件下也可以不打开机舱罩进行维护,具有可靠的防雨、防霜、防雪、防沙尘等性能。

1.2 塔筒

风力发电机组的塔架为圆锥形钢结构焊接构件,是风力发电机组的主要承重构件。塔筒通常分为上段、中段、下段和基础段等四部分,各部分采用高强度螺栓连接,塔筒的空间较小,无窗口而呈封闭状态。根据安装高度的不同,塔筒内部的照明设备布置也有所不同。

以WD750型风力发电机组为例,不同轮毂高度的塔架各段的外形尺寸数据如表1所示。

2 照明配电系统设计目的

照明配电系统的设计目的:(1)优化照明设计,节约电能;(2)选择合理的照度标准;(3)合理采用电光源、电气附件等;(4)优化照明控制。

风力发电机组的照明通常分为正常照明、局部照明和应急照明:

(1)正常照明。保证风力发电机组稳定安全运行,方便维护人员日常工作要求,一般由市电供电。

(2)局部照明。为临时性电源供电,以满足机组运行过程中监控和检修设备之需要。可在机舱和塔筒内部主要设备的安装处,设置若干备用电源插座。

(3)应急照明。一般为安全照明和疏散指示标志照明,安全照明为正常照明的一部分。当正常照明因故失电时,无论应急照明的控制开关处于何种状态(开、闭),都应自动点亮。

本研究结合风电机组的结构特点和安装地区的自然环境,进行了照明配电系统的优化设计,实现绿色照明。在塔筒和塔架透光性较差的情况下,通过电气照明实现光过渡,使得由于机组内、外亮度对比变化引起的“黑洞”效应降至最低,设置了应急照明,采用UPS或EPS电源供电,在紧急情况下维持约30 min的供电能力,以便维护人员进行特殊环境下的照明要求和安全撤离,并保障机组的安全运行。照明控制方式根据运行需要,可集中控制、分组控制或单独控制。

3 照度计算

3.1 机组最小照度值

目前,尚未有风力发电机组的统一照明标准,可以根据《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008关于“电梯井道的照度不小于50 lx”的要求,或根据业主对照度的要求,选择最小照度值[3]。正常照明时,塔筒的最低照度为50 lx,机舱的最低照度为100 lx;局部照明时,按照度300 lx以上来选择和配置灯具;安全照明时,光照度维持在10 lx以上。

3.2 几点假定

由于风电机组结构的特殊性,为简化计算起见,本研究作如下的假定:

3.2.1 塔架

本研究以WD750风电机组65 m高的塔架为例进行照度的计算。

假定在塔筒的内壁表面涂浅灰色油漆,并设置检修用铁扶梯,如图2(a)所示。

由于塔筒的空间较小,无窗口呈封闭状态,相当于一条竖立的狭长的走廊。以铁扶梯为假想光照工作面,在其对面的塔壁上安装照明灯具,每一安装高度设置照明灯具。两种不同间距的照明灯具的均匀布置方案如图2(b)、图2(c)所示,采用不同的光源,对上、中、下各段分别进行照度计算。

由于塔筒截面为圆形,本研究用等效正方形断面来进行照度计算。各段塔筒的尺寸示意图如图3所示。设塔筒的平均直径为d,等效正方形边长为a,则:

具体计算数据如表2所示。

3.2.2 机舱

WD750风电机组的机舱外形尺寸为6 600×2 930×2 730 mm,两种不同的照明灯具布置方案如图4所示。机舱的照明灯具可依机舱的具体结构进行布置,以高出机组底部安装平面的0.65 mm处为光照工作面。

3.3 计算步骤

3.3.1 计算公式

利用系数法适用于灯具均匀布置的一般照明及利用周围墙、天花板作为反射面的场所。每一个灯具内灯泡的光通量:

最小照度值:

式中:K—减光补偿系数;S—房间面积,m2;N—灯具数量;η—光通利用系数;Z—最小照度系数(平均照度与最小照度之比)。

式(3)是当要求最小照度为E时,每一个灯具所应发出的光通量(lm);如果只需保证平均照度时,则不必乘以最小照度系数Z,一般是按照最小照度计算的。

3.3.2 计算步骤

(1)将所选灯具布置好,确定合适的计算高度。

(2)根据灯具的计算高度h及房间尺寸a、b确定室形指数i(i=a·b/[h·(a+b)],a·b=S)。

(3)根据所选灯具的型号和墙壁、天花板与地面的反射系数以及室形指数i,查得相应的光通系数η。

(4)确定系数Z值和K值。

(5)根据规定的最小照度,按式(1)计算每只灯具所必须的光通量。

(6)根据计算的光通量选择灯泡的功率。

(7)按式(2)验算实际的最小照度。

3.4 计算数据处理

3.4.1 正常照明时的照度计算

本研究选择照明灯具为普通白炽灯(PZ220-100、PZ220-60)和电子节能灯(YPZ220/35、YPZ220/65、YPZ220/85),在上、下层灯具的不同间距或不同的灯具数量的情况下,分别进行照度计算,选择较好的布置方案。

塔筒内,照明灯具为垂直安装:

(1)图2(b)方案,上、下层的灯具间距为5 m,每一安装高度分别安装2盏和1盏灯具,计算数据如表3、表4所示。

(2)图2(c)方案,上、下层的灯具间距为3.5 m,每一安装高度分别安装2盏和1盏灯具,计算数据如表5、表6所示。

机舱内照明灯具水平安装。计算数据如表7所示。

3.4.2 局部照明时的照度计算

在机舱和塔筒内部,局部照明作为正常照明的补充,局部照明的照度保证在300 lx以上,可利用临时移动照明灯具来实现。

3.4.3 应急(安全)照明时的照度计算

应急照明灯具的布置情况如图2(b)、图2(c)、图4所示,其光照度为:

(1)塔筒,不同间距时的计算数据如表8、表9所示。

(2)机舱,不同间距时的计算数据如表10所示。

4 照明灯具的选择与布置

4.1 概述

照明设计应对光源的各种性能(例如技术性和经济性)进行综合对比。光源的种类大概分为:白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯及LED灯[4]。各光源的技术指标如表11所示。为节约电能,应积极推广使用高光效、长寿命光源[5]。就风力发电机组而言,塔筒和机舱照明基本要求:

(1)保证足够的照度和必要的照明质量,包括良好的颜色显现,合理地限制眩光等。确保使用安全,包括防止照明系统运行引起火灾和电击事故,以及发生意外事故时保证人员安全疏散所必需的照明。

(2)尽可能选用寿命长、安全可靠、维护简单方便且有防潮、防溅、防污性能的照明灯具;光源品种尽可能少,以减少维护工作量;照明灯具要合理布置,有效发挥灯具作用。

(3)实现绿色照明,节约电能。

(4)考虑灯具的投资成本。

4.2 塔筒

塔筒的空间较小呈封闭状态,通风条件极差。塔筒内部潮湿,在运行过程中,电气元件的电磁线圈等散发的热量和空气中大量水汽,常在各种电气元件表面凝露,严重时使电气元件绝缘损坏和电气短路。因此,照明灯具应具有防潮、防溅、防污的性能,并且透烟雾性能好,以及寿命长、易启动、高效节能等特点。

照明灯具的安装位置视电气和机械设备的布置情况灵活安排。光线不宜被机械和电气设备或电缆等物件遮挡。同时应保证各段塔筒有足够的亮度,避免产生眩光或有不舒适的感觉。由于发电机组至控制屏之间,连接着许多电力电缆、控制电缆和通信电缆,它们或悬挂敷设,或沿塔架内壁敷设,施工时应尽量避免灯具与电力电缆安装在同一侧。不同安装高度的灯具,其安装位置应予适当的调整,或对临近敷设的电缆采取固紧措施。

为了便于机组的运行检修,本研究在塔筒底部的配电控制间设置局部照明,选用手提式、移动式照明灯具,电气连接线选用橡皮电力电缆,易于移动和避免损伤。照明电源由备用单相电源插座引出。为了便于机组检修时的临时用电,设置若干三相电源插座箱。

关于上、下层灯具的间距问题,应按最低照度的要求来确定。

4.3 机舱

机舱通风条件比塔筒好,但常有表面凝露的现象,灯具应具有防潮、防溅、防污的性能,同样要易于维护和更换,如选用矿用安全灯、防水防潮灯或平面灯等,照明光源选用白炽灯或裸钨灯等。需要临时观察设备的局部照明,其实施方法与塔筒相同。

4.4 其他

(1)在塔筒的门框上方,设置自充电式应急疏散指示标志灯,提供安全出口标记;

(2)宜在机舱顶部设置航空障碍灯。

5 供电系统

5.1 概述

(1)由于机组输出电压为3Φ～690 V,而照明配电系统输入电压为3Φ～400 V,需要通过自偶变压器或电力变压器进行电压变换。

(2)风力发电机组的照明配电系统为TN-S制或TN-C-S制,电气中性线(N)与保护零线(PE)分开敷设,以利人身安全[6]。

(3)照明配电系统为放射式配电系统,塔筒和机舱内的照明灯具分别实行就地集中控制。为了满足应急照明的要求,供电系统内设置EPS电源或UPS电源,由专用电源供电;照明配电回路应满足正常照明和应急照明的自动切换;工作照明回路和应急照明回路可共同安装在同一配电箱内。

(4)各照明配电支路在电气布线时增设PE线,选用漏电式保护自动开关。

(5)设置备用电源,内含三相和单相电源,以利于检修和维护。

5.2 用电负荷计算

机组照明设备的配置情况,如表12所示。

5.2.1 计算公式

低压用电设备的电气负荷计算采用需要系数法,按用电设备的性质进行分类。同类单组用电设备的计算公式为[7]:

或:

三相电源,且Ue.x=380 V时:

单相电源,且Ue.Φ=220 V时:

式中:Pjs、Qjs、Sjs、Ijs—该用电设备组的有功、无功、视在计算负荷和计算电流;Pe—该用电设备组的设备容量总和,但不包括备用设备容量;Ue.x—额定线电压;Ue.Ф—额定相电压;tgφ—与运行功率因数相对应的正切值;Kx—该用电设备组的需用系数。

5.2.2 计算数据处理

照明灯具(以图2和图4为例)选用PZ220-100型白炽灯为例,进行用电设备的负荷计算。

(1)正常照明容量估算,如表13所示。

(2)应急照明容量估算,如表14所示。

5.3 配电系统设计

由表13～14知,虽然用电容量不大,但考虑到日常的电气维修,本研究采用三相四线电源(3Ф380/220 V)供电。整台风力发电机组在配电间设置总照明配电箱,在机舱设置分照明配电箱。照明灯具以集中控制为主,应急照明作为正常照明的一部分并与此同时使用,考虑由同一单相电源供电。

6 应急照明的电源及其控制

6.1 应急照明切换时间

应急照明由EPS电源供电。EPS的电气原理方框图如图5所示。系统主要包括整流器、充电器、蓄电池组、逆变器、互投装置等部分。其中,逆变器是核心。整流器的作用是将交流电变成直流电,充电器对蓄电池及逆变器模块供电。逆变器的作用则是将直流电变成交流电,给负载稳定持续地供电,互投装置保证负载在市电及逆变器输出间的顺利切换[8]。在市电供电正常时,EPS是通过它的交流旁路向负载供电。在市电故障时,EPS必须瞬间切换至蓄电池组侧供电,要求转换时间≤250 ms。即在市电供电中断或市电电压超限(±15%或±20%额定输入电压)时,由EPS中的逆变器来供电。

6.2 EPS的装机容量

应急照明对EPS的应急供电时间按工艺要求来决定,但要保证应急照明的照度值不低于正常照度值的5%。

EPS的带负载能力,不仅需要考虑逆变器在不同功率因数时的额定输出特性,还需要根据所使用的不同型号的应急照明灯具来选配EPS的输出功率和机型。同时,EPS的输出功率需考虑留有50%～100%的余量。若带有感性负荷,输出功率应留有更大的余量。

(1)当应急照明采用白炽灯时,EPS的满载输出功率为:

式中:S—EPS满载输出的视在功率,kVA;P—应急照明灯具的总安装容量,kW;功率因数取0.8(因EPS逆变器的输出功率按CosΦ=0.8时的视在功率标注的)。

(2)当应急照明采用荧光灯时,实际选用EPS的满载输出功率为:

其中:系数取(1.3～1.5),其原因是荧光灯启动时,存在较大的浪涌电流,故容量应增大。

6.3 EPS电池配置方案

原则上,EPS可以带具有各种不同功率因数的负载。EPS为应急照明系统供电,要求持续工作时间不宜≤30 min。

应急电源采用单体逆变技术,集充电器、蓄电池、逆变器及控制器于一体。系统内部设计了电池检测、分路检测回路。

(1)基本公式:

式中:S—EPS容量,VA;Cosφ—功率因数;Emin—电池放电终止电压,V;η—逆变器效率;Imax—最大放电电流。

(2)EPS技术参数:

电池供电标称为192 VAC时,正常电压220 VAC,放电终止电压165 VAC;

逆变器效率0.92;每只为12 V的电池,放电终止电压按10.3 V计算。

(3)计算举例:

由表12知,应急电源的计算容量P=2.9 kW,EPS的计算容量为:

选取S=4 kVA,则:

应急时间为30 min,蓄电池的安时为10.86 Ah(21.71×0.5)。本研究选择一组16节12 V/17 Ah(NP17-12型)蓄电池。

6.4 逆变器及整流器容量计算

如图5所示,则:

C点逆变器输出功率为:4×0.8=3.2 kW;

B点直流侧(DC)功率为:3.2/0.92=3.48 kW;

直流侧(DC)电压:额定192 V,最低值165 V;

EPS由电池供电之低电压点为3.2×103/192=16.67 A(额定值),3.2×103/165=19.39 A(最大值)。

6.5 控制

在进行应急照明供电设计时,本研究可采取“应急照明作为正常照明的一部分并与此同时使用”的这一形式,并设有单独的控制开关及配电线路,没有必要将全部应急照明灯都选用带蓄电池的照明灯具。

7 现场应用情况

该照明配电系统已应用于WD750型风电机组,从现场实际使用情况来看,该照明配电系统合理地分配了光源降低了“黑洞”效应,又兼顾各类照明的要求。在现场出外电网因故障突然断电时,风电机组的应急照明系统能迅速投入,保证临时的紧急照明需要,为风电机组的正常维护和临时应急照明提供了保障。

8 结束语

本研究就照明配电系统、照明灯具的选择、照度的选择与确定、应急电源的计算与选择等问题进行了分析与研究,并在风电场现场实际使用。现场使用情况良好,既方便实用又增加了风电机组的安全性。目前已批量推广使用。

参考文献

[1]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].2版.北京:机械工业出版社,2006.

[2]叶杭冶.风力发电系统的设计、运行与维护[M].北京:电子工业出版社,2010.

[3]国家标准化工作委员会.GB50034-2004建筑照明设计标准[S].北京:中国标准出版社,2004.

[4]王晶.电气照明的节能设计探讨[J].低温建筑技术,2009,31(9):34-35.

[5]田长虹.关于对大中型商业建筑照明的浅析[J],电工技术,2004(7):43-44.

[6]姚兴佳,宋俊.风力发电机组原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2009.

[7]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].北京:中国电力出版社,2005.

风电机组控制系统概述篇5

紧跟着经济的不断进步,全球对于能源的需求日益增加,常规能源也因此面临着枯竭的难题,为此,当前急需一些比较可再生、清洁、没有污染的能源取代常规能源。当前,在比较多的新能源中,风能占有一定的优势,而且在新能源开发的领域中,风能处于比较突出的地位,因此,受到世界各国的重视。紧跟着风能发电的不断应用,风电控制的相关内容已经成为热门的话题。

1 风电机组控制系统相关内容

对于风电机组控制系统而言,主要有以下构成部分 :上位机监视系统、并网控制器、功率控制系统、偏航系统、变桨距系统、数据采集接口、PLC系统。其中,PLC是风电机组控制系统的关键部分,PLC和风电机组的相关部分都有着十分紧密的关系,进而能够确保风电机组的安全及其效率。

对于风电机组而言,大部分都是在环境比较恶劣的前提下运行的,所以要求分风电机组控制系统具备一定的可靠性以及抗干扰能力。在风电机组运行过程中,要准确的对参数进行测量以及合理的对策略进行控制,进而能够准确的判断出故障的所在地以及能够及时对故障进行处理。因为在风电机组控制中具备比较多的顺序控制,而且在控制的过程中要对参数中一定量的开关量信号进行合理的处理,为此,合理的对风电机组的控制特征以及要求进行分析,从而能够选择能够满足风电机组控制系统要求的PLC控制。

2 合理设计软件

因为要进行远程监控和无人值守,所以要自动对风机进行控制,其中,控制的主要对象有 :对运行状态进行监测,在运行风机的时候,反馈信号、机组状态参数、风力参数、监测电力参数等,从而确保机组能够稳定的运行 ;在风机自动运行的时候,要根据运行的相关步骤采取风机全自动开车,进而能够确保开车能够稳定进行 ;对桨距进行控制,从而确保机组能够稳定、安全运行 ;对偏航进行控制,从而确保风机正对着风向而得到最多的风能。当出现风速要比启动风速要低、并网故障、刹车故障等情况的时候,要立刻对风机进行停机操作。

2.1 控制的相关策略

当启动风机的时候,风轮的桨叶是不动的,其桨距的角度应为90°,因为在这个过程中气流不会对桨叶产生转矩,所以桨叶实质上就是阻尼板。当风速与启动风速一致的时候,桨叶会向0°转动,从而通过气流对桨叶所产生的功角,促使风轮的转动。当发电机并入到电网之前,发电机转速信号将会控制桨距系统中的桨距角的给定值。同时,转速控制器会根据发电机转速的快慢,合理的对桨距角设定值进行改变,而变桨距系统则会按照给出的桨距角的参考值,有效的对速度进行控制并对桨距角进行调整。

当风速大于等于额定风速的时候,风电机组将会处于额定功率状态。同时,转速控制也会变成功率控制,而且变桨距系统将会控制发电机的功率所发出的信号。额定功率即是控制信号给定值恒定。给定值与功率反馈信号进行对比时,如果功率超过额定功率,桨叶桨距就会转向迎风面积正在变少的方向 ;如果功率没有超过额定功率,桨叶桨距就会转向迎风面积正在增加的方向。

2.2 合理控制风机启动

当风机启动的时候,要采用风速仪对风速进行测量,并对风速的大小进行判断,当风速大于启动风速的时候,要启动风机 ;当风速小于启动风速的时候,要继续对风速进行测量。在启动风机的时候,要有效的控制偏航,从而能够有效的将桨距角调到零度以及确保风机能够正面迎风。在对风机的转速进行监测的时候,当风机的转速到达切入转速的时候,就能够实行并网发电。

2.3 合理控制偏航

合理控制偏航的目的在于确保风机能够在迎面对着风向的时候,能够得到最大化的风能,在实际应用当中,如果偏航角和风向角的差额不超过15°的时候,就可以认定风机是迎面对着风向的。对控制算法进行设计的时候,要遵循快捷进行控制的原则进行设计,从而能够更好的避免在执行时所出现的繁琐动作。

如果电缆缠绕了多达两圈,要立刻采取解缆控制,从而确保风电机组能够安全的运行。同时,在进行解缆的时候风电机组要采用正常停机的方式,并要采用自动偏航后才能合理的进行解缆。

2.4 合理控制风机停机

如果风机发生故障,比如,当传动系统冷却水的温度比较高、风机的温度比较高、桨距系统的液压油位比较低等的时候,要及时发出停机警告,从而促使风机停机。如果发现风速超出相关限度的时候,由于风机的各个环节会受到一定的限制,所以一定要脱网停机。在停机的时候,要及时把桨距角调整到90° , 确保停机时的安全性。

2.5 合理控制桨距

在风机并网滞后,要凭借对桨距角的调节去调节发电机输出的功率,如果额定功率小于实际功率的时候,PLC的模拟输出单元CJ1W-DA021输出和功率之间的差距成为比例的信号,如果功率偏差低于0的时候,要凭借进桨来促使功率的增加,同时,如果功率的偏差在 -5且 +5的时候,不能够实行变桨,从而能够避免过度频繁的进行变桨。

3 结语

变速变桨风电机组阵风控制策略篇6

风电机组在阵风工况下,大面积脱网造成了较为严重的安全问题,给所连接电网带来了冲击。例如2005年1月,发生在丹麦境内的一个从西海岸到东海岸的大范围阵风,当时最高风速达到20~25 m/s,导致了近4000台风电机组的停机,对电网造成了不小的冲击[1]。阵风是风速与风向在短时间内均发生较大变化的工况,此时风电机组会触发超速保护动作而脱网。大风情况下的超速脱网不仅会增加风电机组机械疲劳载荷,影响机组使用寿命,而且在大风情况下的停机到再次并网运行,受到机组二次并网风速的约束,需要一段时间,这样也会减少风电机组的发电量。因此研究阵风控制策略,抑制或者减少风电机组超速脱网,对于提高风电场发电量、降低风电机组机械载荷、提高电网稳定性有很大的意义。

随着低风速、超低风速风电机组的开发,机组风轮直径不断增大。据统计,1.5 MW机组的风轮直径从70 m发展到97 m,2.0 MW机组的风轮直径从103 m发展到121 m[2],机组风轮的惯性增加了近2倍。由于风轮的巨大惯性,通常在阵风出现1~2 s后,风轮转速才发生变化,滞后系统容易引起飞车[3]。机组发生风轮超速的另外一个因素是,由于桨叶气动的非线性特点,单一控制器或单一增益的控制器已不能满足控制性能要求,通常做法是根据桨距角[4,5]或者风速[6]来设计增益调节的变桨控制参数,桨距角或风速越大,则增益越小,这样虽然避免了桨距角的调节时间过长,但在阵风工况下,风速急剧上升时,桨距角动作比较缓慢,风轮惯性较大,风轮容易发生超速。

已有文献对抑制风轮超速进行了研究,文献[7]简化了传动链模型及尾流模型,基于静态的功率-风速关系,预估出风轮有效风速作为控制器的前馈信号,进行提前变桨动作,但没有考虑偏航误差、风轮与塔架的动态特性;文献[8]基于测量桨叶根部挥舞与摆振方向的弯矩,通过非线性观测器,预估出有效风速及入流角,并在此基础上识别极限事件模式,来进行快速变桨,有效降低了风轮转速。但在目前运行的风电机组中,在桨叶根部贴应变片并不常见。文献[9,10]基于安装在机舱上的雷达测风仪,检测到风轮前的风速,处理后引入作为控制器的前馈信号,有效地降低了机组的载荷,同时也有效抑制了风轮超速问题,但雷达测风仪目前还处于试验阶段,成本较高,不适合工程批量应用。

本文提出的阵风控制策略,本着在阵风工况下,变桨提前动作与快速动作的原则,结合变速变桨控制算法基本结构,在变桨控制器PC(Pitch Controller)上增加功率桨距角发电机转速控制环PPGSL(Power Pitch Generator Speed Loop),使变桨在额定功率以前提前动作;在变桨比例项中增加非线性增益因子NLGF(Non Linear Gain Factor),使得变桨能够快速动作,从而有效抑制在阵风工况下风轮转速超调。通过对一个低风速大叶轮的2.0 MW机组在额定风速附近与额定风速以上阵风工况的仿真分析,及控制策略的现场验证,表明该阵风控制策略能有效抑制风轮超速,减少由于停机带来的发电量损失,而又不增加机组疲劳载荷。

1 风电机组风轮超速机理分析

1.1 风电机组控制器基本原理

风电机组控制器由转矩控制器TC(Torque Controller)与PC两部分组成,如图1所示。图中,ωrate为额定发电机转速;βref为桨距角给定;βmax-min为最大与最小桨距角限制值;Prate为风电机组额定功率;ωset为发电机设定转速;ωg为当前发电机转速;Tg为比例积分PI(Proportional Integral)控制器输出的发电机给定转矩;Tmax-min为最大与最小转矩限制值。

TC的作用是发电机转速调节,转矩-转速的控制轨迹通常如图2所示,其中AB为直线,BC为二次曲线,CE为直线,DEF为反比例曲线。图中,ωmin为最小发电机转速,Trate为额定发电机转矩,kopt为最优模态增益系数。在额定风速以下,即在图2的E点以前,进行最大功率点跟踪控制,在额定风速以上,进行恒功率控制[11,12,13]。TC通常以发电机转速差作为控制输入、发电机给定转矩作为输出的PI控制器来实现。PI控制器输出,即发电机给定转矩需根据当前发电机转速设定上限值与下限值,从而实现最大风能捕获与恒功率控制。在恒功率控制阶段,可以通过在基本转矩的基础上,加上纹波转矩,以抑制传动链扭振,减少传动链疲劳载荷[14]。

PC在额定风速以上起作用,其目的也是调节发电机转速。PC通常设计为以发电机转速差作为输入[15]、桨距角作为输出的PI控制器[16,17]。由于桨叶气动的非线性特点,PC的比例系数与积分时间常数是变增益的,可以根据预先设定的桨距角与其对应关系获得[18]。

由于TC和PC都能控制转速在同一个设定点,所以2个控制器需进行解耦控制,满足以下要求:当转矩在额定点以下时给定的桨距角要保持在最优桨距角βfine;当桨距角大于最优桨距角时,给定转矩要维持在额定转矩。

1.2 阵风工况下机组超速情况分析

当机组在额定风速以下(如低于额定风速1 m/s)运行,遭遇了阵风,风电机组的发电机转速容易超过1.1倍的保护限值[19],导致机组超速停机。这时为了防止在功率未达到额定功率而变桨动作导致功率损失,往往把TC过渡到PC的条件设计为发电机转速超过额定转速而且机组的功率达到额定值。因此在风速迅速上升的工况下,发电机转速急剧上升,但功率没有达到额定值,如图2的E点之前,变桨没有动作。但当功率达到额定值时,转速已经很高,此时开始变桨,已不能及时有效地抑制发电机超速。

当机组在额定风速以上运行时,风电机组运行在PC阶段,一是由于风轮的巨大惯性,从阵风发生到发电机转速变化有1 s左右的滞后,二是由于桨叶气动的非线性特点,在设计PC时,桨叶角度越大,控制器的增益越小,这就导致风速急剧上升的情况下,桨叶回调速率比较慢,不能很好地抑制风轮超速。

2 抑制阵风的控制策略

针对额定风速以下与额定风速以上2种阵风超速的情况,结合变速变桨控制算法基本结构,设计了阵风控制策略:在PC上增加PPGSL,使变桨在额定风速以下提前动作;在变桨比例项中增加NLGF,使得变桨能快速动作。

2.1 阵风下提前变桨控制策略

在PC上增加PPGSL,如图1虚线框所示,使桨距角给定值由两部分组成,分别是由桨距角发电机转速PGSL(Pitch Generator Speed Loop)PI控制器给定和PPGSL的PI控制器给定,PC由单个PI控制器变成双PI控制器,PPGSL的作用是当风速迅速上升时,桨距角可以提前动作,以阻止转矩达到上限时的瞬间过速[14]。

PPGSL以实际计算功率与额定功率之差作为输入、桨距角作为输出的PI控制器,在这里实际计算功率为TC输出的原始转矩与发电机转速的乘积,如图3所示。在阵风作用下,发电机转速快速上升,超过额定发电机转速值,虽然给定转矩值还没有达到额定转矩值,但增长很快,此时功率控制环比例项的作用大于积分项,使得变桨在额定风速下提前变桨,而积分项的作用是功率在额定值以下时,桨距角增量Δβ2输出为负值,此时即使桨距角增量Δβ1输出为正值,但总的桨距角增量Δβ输出为负值,把桨距角限制在最优桨距角。

图3中,Δβ1为PGSL输出的桨距角增量;Δβ2为PPGSL输出的桨距角增量;a0、a1、b0、b1为PI控制器数值离散化后的系数,a0=KITS/2+KP,a1=KITS/2-KP,b0=KIQTS/2+KPQ,b1=KIQTS/2-KPQ,其中TS为采样时间,KI和KP分别为PGSL的积分与比例系数,KIQ和KPQ分别为PPGSL的积分与比例系数。

2.2 阵风下快速变桨控制策略

针对额定风速以上的阵风工况,发电机转速已经远大于额定发电机转速,而且偏差还在不断增加,但此时PC的比例增益却随着桨距角的增加在减少,这样导致了风轮转速的增加。

针对以上情况,对变桨的比例增益,设计增加一个非线性附加项,通过加快回调桨距角,来抑制风轮超速。设计原则是在转速偏差较大而且偏差还在继续增加的情况下,对PGSL的比例项乘以一个数值大于1的增益因子,达到快速变桨,尽快达到最大变桨速率回调桨距角、抑制风轮超速的目的。增益因子的数值选取,要遵循在正常湍流风下不起作用、在极限阵风情况下发挥迅速作用的原则[20]。

图4中,Δω为计算的转速偏差;表示对转速偏差求微分运算;Lookup_table为预设的查找表,其中KP_K为比例增益因子,KP_xxdot为发电机转速偏差与其变化率的乘积。

2.3 不对称变桨速率

针对一些特殊的阵风工况,风速先急剧下降,然后快速爬坡上升,这时桨距角先减小再上升,由于变桨滞后于风速的原因,风速已经进入上升阶段,但桨距角还在减小,这种工况下,采用不对称变桨速率,即开桨速率小于顺桨速率,通过减小桨距角回调的行程,一定程度上也可以抑制风轮超速。

3 仿真分析

根据风电机组设计标准[19],阵风有风速与风向变化特性,本文为了分析机组的超速机理,仅考虑其风速变化,选取风速单边上升的极限相干阵风ECG(Extreme Coherent Gust)与风速先上升再下降的极限阵风EOG(Extreme Operating Gust),也即墨西哥草帽风。

仿真的风电机组为2.0 MW变速变桨双馈机组,机组主要参数如下:风电机组类型为水平轴,上风向,额定功率为2 000 k W,切入风速为3 m/s,额定风速为9.1 m/s,切出风速为20 m/s,叶片数为3,风轮直径为115 m,塔架高度为80 m,控制方式为变速变桨,齿轮箱速比为130.16,发电机类型为双馈发电机,变桨速率为-6~6°/s,并网发电机转速为1100 r/min,额定发电机转速为1800 r/min,通过Bladed风电机组设计软件[21]进行双馈机组的变桨控制特性研究和载荷计算。

3.1 阵风下提前变桨控制策略效果验证

本文中PPGSL的比例参数取2×10-7rad/s,积分参数取1×10-7rad/s。一般该比例参数可以由PGSL的比例系数除以TC的比例系数与额定发电机转速的积得到,而积分时间常数通常取1~2 s。

仿真用的阵风取EOG,起始风速为8.8 m/s,阵风幅值为9.6 m,持续时间为10 s。从图5可以看出,在使用了功率变桨环后,PC在第15 s之前,即功率未达到额定功率2000 k W就开始动作,比原先的控制器提前变桨约1 s,从而把发电机最大转速由2 020 r/min(大于额定转速的1.1倍)降低到1 970r/min左右,效果明显。由于提前变桨,从功率曲线上可以看出,稍微损失了一些功率,而塔架前后的推力没有明显增加,这种工况下,抑制风电机组超速引起的停机是主要控制目的。这说明该功率辅助环不但能平滑过渡于转矩控制与变桨环之间,而且还能有效避免风电机组在瞬态的风速变化过程中过转速、过功率等可能会使机组出现极限载荷的情况。

3.2 阵风下快速变桨控制策略效果验证

本文取变桨NLGF参数时,选用3个点的查找表,如图6所示。选取参数的原则为:在正常运行湍流风工况下,参数不起作用或作用较弱,即参数数值在1附近;在阵风工况下,发电机转速较高,而且转速有继续增加的趋势,则参数值取较大值,一般取2~3,具体跟桨叶翼形有一定关系。图6中3个转折点坐标为:(0,1)、(30,1.35)、(100,2.5)。

仿真取ECG,起始风速为9.3 m/s,阵风变化幅值为11 m,持续时间为8 s。从图7可以看出,在阵风出现后,由于使用了新的控制策略,变桨动作速率比原先增加了1°/s左右,变桨系统迅速加速到最大变桨速率进行变桨控制;而同一时刻的桨距角,也比原先增大了2°左右,从而把发电机最大转速由2050r/min(大于额定转速的1.1倍)降低到1 960 r/min左右,效果明显。该策略对机组的输出功率影响不大,但由于快速变桨,塔架前后的推力稍微有所增加,这种工况下,主要控制目的还是抑制风电机组超速。这说明变桨比例非线性增益项能使变桨快速动作,有效减少风电机组在瞬态的风速变化过程中出现的过转速情况。

4 控制策略现场测试验证

在测试风电场选取了4台风电机组,分成2组进行控制策略验证,每组的2台机组在机位上相邻,地形上相似。控制器均升级了控制软件,一组对比PPGSL效果,另一组对比NLGF效果。

在现场测试的3个月时间里,没有采用阵风控制策略的机组,发生超速停机17次,而增加阵风策略的机组,停机次数减少到4次,有效减少了停机次数。停机的原因是由于风速变化幅度过大,而变桨动作速率是有限的。经过现场测试验证,采用阵风控制策略后,能有效抑制机组过转速,避免不必要的脱网停机。

图8、图9为控制器记录的一次极限阵风工况,风速在5 s内从10 m/s增加到17 m/s左右,风轮转速达到1 980 r/min,触发软件过转速保护后脱网停机。而采用变桨NLGF的风电机组,风速情况基本类似,则成功地应对了该次阵风,风电机组继续运行发电。

5 结论

在分析变速变桨风电机组传统PC策略的基础上,针对阵风工况下机组容易发生风轮超速引起停机的问题,本着在阵风工况下变桨提前动作与快速动作的原则,结合变速变桨控制算法基本结构,在PC上增加PPGSL,使变桨在额定风速以下提前动作;在变桨比例项中增加NLGF,使得变桨能快速动作。

Bladed软件仿真与现场测试结果表明,上述控制策略能有效地改善风电机组在阵风工况下的动态响应特性,降低风电机组机械载荷,增加发电量,提高电网的稳定性。

摘要：本着在阵风工况下,变桨控制器提前动作与快速动作的原则,结合变速变桨控制算法基本结构,在基本变桨控制器上增加功率桨距角发电机转速控制环,使桨距角能够在额定功率以下提前动作;在桨距角发电机转速控制环的比例项中增加非线性增益因子,使得变桨控制能在阵风下快速动作。仿真分析与现场测试结果表明,这2个阵风控制策略能有效地抑制与减少风电机组发电机由于超速带来的停机,一定程度上可以提高风电场发电量,降低风电机组机械载荷,提高电网稳定性。

并网型风电机组软并网控制研究篇7

于软并网装置的可控硅拥有很多优点:因其导通压减小,器件的功率损耗和发热的问题得到解决;电流浪涌冲击和峰值的转矩冲击力被也可以被可控硅消除;另外,可控硅是没有接触不良、磨损、粘着以及弹跳等问题的

一、可控硅的触发方式

通常而言,利用可控硅实现风电机组软并网可有两种方案供我们选择:斩控式和相控式。其中根据可控硅的通断与否,相控式电路又可以被分为过零式触发和移相式触发。

所谓斩控式电路,它是指当频率控制不变的时候,正弦波电压通过斩波被分成了若干个小的脉冲式电压,然后,使功率电子器件的导通比变化,输出电压的有效值便得到了有效调节。然而,当我们选择使用可控硅等半可控型器件时,则就需要借助换流电路(它起到辅助的作用)来关闭可控硅的导通电路;但是,当选择全控型的自关断器件用于斩控电路的时候,比如说GTO、IGBT等,它们有一个共同特点便是工作频率偏高,因此在导通和关断的过程中,器件不可避免地会有尖峰电流产生且伴随着很高的反电势,从而带来开关损耗增大的问题,此时,我们便需要考虑缓冲吸收电路的合理性。

而对于相控式电路来说,这种触发方式是非常适合用来控制输出功率的,而对于电压需要平滑调节的场合则无法得到广泛使用。另外,还有一点需要注意,交流电网的功率因数不能设置的太低,因为设置太低便使得相位角过大从而带来了冲击电流的产生。

移相触发方式,为实现输出电压从零到电源电压的连续变化我们可以通过改变可控硅的触发角来改变输出端电压的有效值。这个方案的优点非常明显。首先它的实现方法是比较简单和可靠的,并且充分利用了可控硅自然关断的特点,并不要使用辅助换流。但是它的缺点也是存在的。电压中包含的奇次谐波含量还是相对较高。

综上所述,三相反并联可控硅移相触发是失速型风电机组软并网控制系统经常采用的控制的形式。在可控硅移相触发的过程中,因为异步的电机定子上的电压波形是正负半波对称的,而且不含有偶次谐波,所以有效避免了负序磁场带来的负序转距的反面影响。

二、风电机组软并网系统控制功能

经过以上分析可知,双向且可控硅的等效阻抗值是可以改变的,当可控硅的导通角发生变化的时候,它也会随之改变。考虑到,反相可控硅是串联链接在电机的出线与电网的中间的,所以我们通过改变可控硅的导通角大小来实现电机定子的电压值大小和每一个电压平台持续的时间长短。为了使得其电压从某一较小的初始值开始慢慢地增大直至达到全压的状态,我们可以通过慢慢的增大定子的电压来实现。我们通常将这种控制方式称为电机的降压启动模式。为了限制并网过程中产生的冲击电流是使用软并网控制系统的主要目的,所以,我们将电机的定子电流进行逐一地采样之后,再计算有效值,并把这些有效值和电流的限定值进行比较,最终得到相对的电流的偏差值。称之为增量式PI算法。

三、对采用软并网过渡过程进行仿真分析

在仿真模块中所包含的风机模块、异步风力发电机模块是如前所述。控制其初始的控制角为1700,仿真算法设为变步长ode23tb,相对误差控制在lxl O(-3),绝对误差是lxl0(-6)。则可以得到总体的仿真图如下

当大电机处于风速等于10m/s的时候切入电网,其切入预置点设为s=O.1,则在过渡过程出现的电流状态量限定值为500A。可以得到仿真结果如下图

当大电机在风速等于13m/s的时候切入电网,切入的预置点设置为s=0.15,则在过渡过程出现的电流状态量限定值为500A。得到的仿真结果为

综上分析,我们可以获得以下几点结论:

1. 软并网过渡过程时间很短,但是相对直接并网来讲,过渡过程则变长。

2. 并网时,可以将软并网过渡过程冲击电流限定在电机额定值的范围之内,工程上一般取额定值的1.2~2倍。只要我们的控制方法适当就可以做到使转速和电流平稳过渡。

3. 为避免初始阶段的时候,可控硅的导通太快,会造成巨大电流冲击产生,我们可以设置较小的可控硅控制角,当转子加速度逐渐增大时,我们使控制角的减小幅度加快,从而使得可控硅可尽可能快的得到导通。在现实运行时,控制系统可以对此自动计算。

4. 可控硅等效阻抗从最初值逐步减小接近于零,电网电压从小到大逐步加载到电机定子端。

参考文献

[1]黄俊.半导体变流技术.北京:机械工业出版社,1980,161-84.

[2]丁道宏.电力电子技术.北京:航空工业出版社,1999,65-67.