600kW失速型風力發電機組控制系統關鍵技術研究

2017-04-11 11:03:09 大云網　點擊量：評論 (0)

核心提示：　　被譽為藍天白煤的風能作為取之不盡、清潔無污染的可再生能源，其良好的開發利用前景受到了世界各國的普遍重視。特別是隨著計算機技術與先進的控制技術應用到風電領域，使風力發電設計制造技術日趨

核心提示：　　被譽為“藍天白煤”的風能作為取之不盡、清潔無污染的可再生能源，其良好的開發利用前景受到了世界各國的普遍重視。特別是隨著計算機技術與先進的控制技術應用到風電領域，使風力發電設計制造技術日趨完鷴，迅速

　　被譽為“藍天白煤”的風能作為取之不盡、清潔無污染的可再生能源，其良好的開發利用前景受到了世界各國的普遍重視。特別是隨著計算機技術與先進的控制技術應用到風電領域，使風力發電設計制造技術日趨完鷴，迅速進人了商品化、產業化。作為風力資源豐富的國家之一，我國在風力發電機組的國產化方面取得了較快的進展。“八五”期間成功開發了200kW/250kW風力發電機組和“九五”期間開發了600kW失速型風力發電機組，并成功開發了風力發電機組控制系統這一關鍵技術。“十五”期間，600kW失速型風力發電機組開始產業化，兆瓦級失速型、兆瓦級變速恒頻已列人國家科技攻關項目。本文介紹的就是“十五”科技攻關項目600kW失速型風力發電機組的產業化項目。在介紹控制系統的基礎上，重點介紹了風力發電機組控制系統的這一關鍵技術研究的幾個主要方面。

　　2控制系統組成與功能控制系統是風電機組正常運行的核心，其控制技術是風電機組的關鍵技術之一，與風力發電機組的其他部分密切相關，其精確的控制、完善的功能將直接影響機組的安全與效率。因此，控制系統是整個機組正常可靠運行以及實現最佳運行的可靠保證。控制系統的組成主要包括：主電路、控制電路、傳感器及接口電路。

　　2.1系統組成2.1.1主電路主電路是風力發電機組的主配電系統，主要完成發電機與電網、無功功率補償裝置、軟并網控制裝置以及各執行機構與控制回路的連接。主電路提供了較多的電源等級（如690VAC，400VAC，動機、供電電源等機構運行狀態或反饋信號送到中心控制器進行監測。

　　2.1.2控制電路控制電路是由中心控制器及其功能擴展部分組成。主要實現輸人、輸出信號處理、邏輯功能判定，對外圍執行機構發出控制指令，根據信號的處理和邏輯判斷以保障機組各部分的可靠運行，同時通過配置的人機界面看數據記錄，修改運行參數以及人工操作，配置的通訊接口與中央監控系統實時通訊傳遞信息。

　　2.1.3傳感器及接口電路傳感器主要包括用于監測電力參數的電流互感器、電壓互感器；風力參數的風速儀、風向標以及霍爾式接近開關、鉑熱電阻、振動加速度傳感器、偏航計數傳感器、行程開關、液位開關以及壓力開關等監測機組狀態參數的傳感器。

　　接口電路是把部分傳感器采集的信號通過接口電路轉換成統一的標準信號或采用通訊方式送由中心控制器處理。

　　2.2系統功能控制系統主要實現正常運行控制、參數監測及監控以及安全保護及處理等三大功能。

　　正常的運行控制包括風力發電機自動起動軟并網，大/小發電機自動切換，發電機加熱，自動偏航對風，液壓油泵自動啟停，齒輪油泵自動啟停、齒輪油加熱器、冷卻器啟停，自動偏航解纜，電容補償自動分組投切以及負功率自動停機。

　　參數監測及監控包括電力、風力參數以及液壓系統狀況，偏航系統狀況，軟并網等環節工作狀況；配置通訊接口進行中央控制室監控和遠程監控，監測運行狀態和故障情況，收集風機運行數據，對風機發出的控制指令。

　　安全保護及處理系統是確保運行過程的安全性與可靠性，主要包括機組發生故障時進行制動保護、獨立于計算機的安全鏈保護、器件本身的保護、接地保護以及防雷擊保護等。

　　3控制系統關鍵技術風力發電機組的控制系統是綜合性控制系統，控制系統不僅要監視電網、風況和機組運行參數，對機組進行并網與脫網控制，而且還要根據風速與風向的變化，對機組進行優化控制。因此，控制系統的關鍵技術包括以下幾個主要方面：軟并網控制、偏航系統控制、無功功率補償控制、制動與安全保護、運行狀態參數監測、就地監控與遠程監控等。

　　3.1軟并網控制軟并網控制技術是控制系統的一個重要環節。

　　由于風力發電機組采用鼠籠式雙繞組異步發電機，并人電網時，若不采取限流措施將會對風電機組和電網造成強大的沖擊，沖擊嚴重時不僅引起系統電壓的下降，而且可能對發電機和機械部件（如塔架、齒輪箱）造成損壞。因此，采用軟并網控制可以限制發電機在并網時和大/小電機切換的瞬變電流，以免對電網造成過大的沖擊。

　　軟并網控制裝置采用雙向晶閘管或晶閘管反并聯方式，其控制方法是采取電壓斜坡軟并網控制方式。該方式是由降壓啟動演化而來的，通過晶閘管移相觸發控制，改變晶閘管的導通角，使加在電機定子上的電壓按階梯波的形式從某一較小的初值逐漸增加到全壓狀態，達到調壓限流的目的。具體的方法是當發電機轉速接近同步轉速時，與電網直接相連的雙向可控硅在門極觸發脈沖的控制下按°，步打開，將并網沖擊電流限制在2倍電機額定電流以內。可控硅完全導通后，轉速超過同步轉速進人發電狀態，旁路接觸器將雙向可控硅短路，風電機組進人穩態運行階段。

　　軟并網控制主要包括小電機軟并網、大電機軟并網、小電機向大電機切換、大電機向小電機切換、小電機靜止電動啟動并網。

　　3.2偏航系統控制偏航系統是風力發電機組特有的控制系統。偏航控制系統主要由偏航測量、偏航驅動傳動部分、紐纜保護裝置三大部分組成。主要實現兩個功能：一是使機艙跟蹤變化穩定的風向；二是由于偏航的作用導致機艙內部電纜發生纏繞而自動解除纏繞。

　　由風向標跟蹤風向的變化來設計自動偏航以及根據具體的控制要求設計90*側風、中央控制室控制偏航、控制面板偏航和頂部機艙偏航等。偏航控制設定了優先級，優先級從小到大依次為：風向標控制的自動偏航、中央控制室控制偏航、控制面板偏航和頂部機艙偏航。

　　解纜系統是當電纜發生纏繞時根據紐纜傳感器的信號自動解纜。解纜系統分為紐纜傳感器控制的自動解纜和紐纜開關控制的安全鏈保護兩種。當電纜纏繞達到設定值時，控制系統根據紐纜傳感器發出的信號控制偏航系統進行電纜解繞。若控制系統沒有自動進行解纜，當電纜纏繞達到允許的極限時，觸發紐纜開關的安全鏈保護，機組緊急停機，等待人工處理。

　　3.3無功功率補償控制風力發電機組采用的是異步發電機，必須從電網吸收落后的無功功率進行勵磁，同時定子和轉子漏磁也要消耗無功功率。對電力系統來說，無功功率主要影響電網電壓，增加線路損耗。當電網提供的無功功率不足時，會對電網的質量造成影響。因此，進行無功功率補償可以提高功率因數，改善風電機組供電質量具有重要的意義。

　　具體控制思路是：采用并聯電容器的方法進行無功補償。分四級進行補償，四級容量分別為：87.5kvar、50kvar、25kvar和12.5kvar.電容的投切可根據發電機所發出的有功功率情況進行投切控制，同時為了防止補償電容的頻繁投切，在投切的過程中進行延時設置，同時對投入和切出的功率值設置一定的回差值。

　　3.4制動與安全保護制動系統與安全保護是風力發電機組安全運行的保證。制動系統在機械上主要由葉尖氣動剎車和盤式高速剎車兩部分構成。

　　控制系統根據風力發電機組發生故障的種類判斷分別進行報警、正常停機、安全停機以及緊急停機等處理，同時針對可自復位故障和不可自復位故障實現風電機組重新自動啟動或人工啟動，達到保護機組安全和提高機組可利用率的雙重功效；k獨立于計算機的安全鏈是采用反邏輯設計，將可能對風力發電機組造成致命傷害的超常故障如計算機系統失控等串聯成一個回路，一旦其中一個動作，將引起緊急停機，系統失電。緊急停機發生后，需人工復位操作后才能重新啟動。

　　器件本身的保護措施主要采取硬件保護措施，如線圈兩端加RC吸收回路、硬件互鎖電路以及過電壓、過電流保護等；接地保護主要將控制柜以及屏蔽電纜層直接接地處理；防雷擊保護主要對主電路輸出端、電子電路輸人端、通信線路分別采取防雷措施，一般采用瞬時吸收電路加以保護。

　　3.S運行狀態參數監涮采集和監測風力發電機在運行過程中的各種運行參數包括電力參數、風力參數以及狀態參數監測等。

　　風力發電機組需要持續監測的電力參數主要包括電網三相電壓、發電機輸出的三相電流、電網頻率、發電機功率因數、有功功率、無功功率。在測量電壓時主要檢測電網沖擊、過電壓、過電流、電網掉電壓等情況，在測量電流時主要檢測電流跌落、三相不平衡等情況；風力發電機需要監測的風力參數主要是風速和風向》需要監測狀態參數主要有溫度、機艙振動、紐纜、系統壓力、葉尖壓力、齒輪油壓力、齒輪油過濾器以及執行機構的反饋信號；其中轉速包括轉速包括發電機轉速和葉輪轉速；溫度主要包括齒輪箱油溫度、大發電機溫度、小發電機溫度、前軸承溫度、后軸承溫度、環境溫度以及控制柜溫度。

　　3.6就地監控與遠程監控由中央控制室PC機作上位機，將多臺下位機控制系統（中心控制器）進行組網，通過專用的通信裝置和接口電路與PC機進行通信，實時監測風電機組的運行狀態、運行數據、累計數據存放、記錄故障情況，統計打印報表，也可以進行偏航、復位、啟動、停機等操作。

　　遠程監控是通過Modem方式或工業以太網方式，與中央控制室PC機進行通信，收集中央控制室PC機的監控數據，在異地（如風機生產商）對多臺風電機組進行遠程監控。

　　4系統可靠性設計風力資源豐富的地區通常都是邊遠地區或海島甚至是海上，自然環境較惡劣，需要無人值守和遠程監控，對控制系統的可靠性和安全性要求較高。因此，在設計控制系統時，中心控制器一般選擇在工業控制領域使用較多，特別是適應在惡劣的自然環境下工作，同時具備較強的實時性、可靠性和抗干擾能力；在對采集信號的處理方面應當采取信號隔離措施和屏蔽保護；對硬件電路設計上采用硬件互鎖、瞬時感應過電壓等保護措施；在軟件設計方面，對軟件的權限設計、任務協調設計、容錯性設計、抗干擾設計以及程序死循環等需要重點考慮。