600kW失速型风力发电机组控制系统关键技术研究

2017-04-11 11:03:09 大云网　点击量：评论 (0)

核心提示：　　被誉为蓝天白煤的风能作为取之不尽、清洁无污染的可再生能源，其良好的开发利用前景受到了世界各国的普遍重视。特别是随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，使风力发电设计制造技术日趋

核心提示：　　被誉为“蓝天白煤”的风能作为取之不尽、清洁无污染的可再生能源，其良好的开发利用前景受到了世界各国的普遍重视。特别是随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，使风力发电设计制造技术日趋完鹇，迅速

　　被誉为“蓝天白煤”的风能作为取之不尽、清洁无污染的可再生能源，其良好的开发利用前景受到了世界各国的普遍重视。特别是随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，使风力发电设计制造技术日趋完鹇，迅速进人了商品化、产业化。作为风力资源丰富的国家之一，我国在风力发电机组的国产化方面取得了较快的进展。“八五”期间成功开发了200kW/250kW风力发电机组和“九五”期间开发了600kW失速型风力发电机组，并成功开发了风力发电机组控制系统这一关键技术。“十五”期间，600kW失速型风力发电机组开始产业化，兆瓦级失速型、兆瓦级变速恒频已列人国家科技攻关项目。本文介绍的就是“十五”科技攻关项目600kW失速型风力发电机组的产业化项目。在介绍控制系统的基础上，重点介绍了风力发电机组控制系统的这一关键技术研究的几个主要方面。

　　2控制系统组成与功能控制系统是风电机组正常运行的核心，其控制技术是风电机组的关键技术之一，与风力发电机组的其他部分密切相关，其精确的控制、完善的功能将直接影响机组的安全与效率。因此，控制系统是整个机组正常可靠运行以及实现最佳运行的可靠保证。控制系统的组成主要包括：主电路、控制电路、传感器及接口电路。

　　2.1系统组成2.1.1主电路主电路是风力发电机组的主配电系统，主要完成发电机与电网、无功功率补偿装置、软并网控制装置以及各执行机构与控制回路的连接。主电路提供了较多的电源等级（如690VAC，400VAC，动机、供电电源等机构运行状态或反馈信号送到中心控制器进行监测。

　　2.1.2控制电路控制电路是由中心控制器及其功能扩展部分组成。主要实现输人、输出信号处理、逻辑功能判定，对外围执行机构发出控制指令，根据信号的处理和逻辑判断以保障机组各部分的可靠运行，同时通过配置的人机界面看数据记录，修改运行参数以及人工操作，配置的通讯接口与中央监控系统实时通讯传递信息。

　　2.1.3传感器及接口电路传感器主要包括用于监测电力参数的电流互感器、电压互感器；风力参数的风速仪、风向标以及霍尔式接近开关、铂热电阻、振动加速度传感器、偏航计数传感器、行程开关、液位开关以及压力开关等监测机组状态参数的传感器。

　　接口电路是把部分传感器采集的信号通过接口电路转换成统一的标准信号或采用通讯方式送由中心控制器处理。

　　2.2系统功能控制系统主要实现正常运行控制、参数监测及监控以及安全保护及处理等三大功能。

　　正常的运行控制包括风力发电机自动起动软并网，大/小发电机自动切换，发电机加热，自动偏航对风，液压油泵自动启停，齿轮油泵自动启停、齿轮油加热器、冷却器启停，自动偏航解缆，电容补偿自动分组投切以及负功率自动停机。

　　参数监测及监控包括电力、风力参数以及液压系统状况，偏航系统状况，软并网等环节工作状况；配置通讯接口进行中央控制室监控和远程监控，监测运行状态和故障情况，收集风机运行数据，对风机发出的控制指令。

　　安全保护及处理系统是确保运行过程的安全性与可靠性，主要包括机组发生故障时进行制动保护、独立于计算机的安全链保护、器件本身的保护、接地保护以及防雷击保护等。

　　3控制系统关键技术风力发电机组的控制系统是综合性控制系统，控制系统不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组进行并网与脱网控制，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制。因此，控制系统的关键技术包括以下几个主要方面：软并网控制、偏航系统控制、无功功率补偿控制、制动与安全保护、运行状态参数监测、就地监控与远程监控等。

　　3.1软并网控制软并网控制技术是控制系统的一个重要环节。

　　由于风力发电机组采用鼠笼式双绕组异步发电机，并人电网时，若不采取限流措施将会对风电机组和电网造成强大的冲击，冲击严重时不仅引起系统电压的下降，而且可能对发电机和机械部件（如塔架、齿轮箱）造成损坏。因此，采用软并网控制可以限制发电机在并网时和大/小电机切换的瞬变电流，以免对电网造成过大的冲击。

　　软并网控制装置采用双向晶闸管或晶闸管反并联方式，其控制方法是采取电压斜坡软并网控制方式。该方式是由降压启动演化而来的，通过晶闸管移相触发控制，改变晶闸管的导通角，使加在电机定子上的电压按阶梯波的形式从某一较小的初值逐渐增加到全压状态，达到调压限流的目的。具体的方法是当发电机转速接近同步转速时，与电网直接相连的双向可控硅在门极触发脉冲的控制下按°，步打开，将并网冲击电流限制在2倍电机额定电流以内。可控硅完全导通后，转速超过同步转速进人发电状态，旁路接触器将双向可控硅短路，风电机组进人稳态运行阶段。

　　软并网控制主要包括小电机软并网、大电机软并网、小电机向大电机切换、大电机向小电机切换、小电机静止电动启动并网。

　　3.2偏航系统控制偏航系统是风力发电机组特有的控制系统。偏航控制系统主要由偏航测量、偏航驱动传动部分、纽缆保护装置三大部分组成。主要实现两个功能：一是使机舱跟踪变化稳定的风向；二是由于偏航的作用导致机舱内部电缆发生缠绕而自动解除缠绕。

　　由风向标跟踪风向的变化来设计自动偏航以及根据具体的控制要求设计90*侧风、中央控制室控制偏航、控制面板偏航和顶部机舱偏航等。偏航控制设定了优先级，优先级从小到大依次为：风向标控制的自动偏航、中央控制室控制偏航、控制面板偏航和顶部机舱偏航。

　　解缆系统是当电缆发生缠绕时根据纽缆传感器的信号自动解缆。解缆系统分为纽缆传感器控制的自动解缆和纽缆开关控制的安全链保护两种。当电缆缠绕达到设定值时，控制系统根据纽缆传感器发出的信号控制偏航系统进行电缆解绕。若控制系统没有自动进行解缆，当电缆缠绕达到允许的极限时，触发纽缆开关的安全链保护，机组紧急停机，等待人工处理。

　　3.3无功功率补偿控制风力发电机组采用的是异步发电机，必须从电网吸收落后的无功功率进行励磁，同时定子和转子漏磁也要消耗无功功率。对电力系统来说，无功功率主要影响电网电压，增加线路损耗。当电网提供的无功功率不足时，会对电网的质量造成影响。因此，进行无功功率补偿可以提高功率因数，改善风电机组供电质量具有重要的意义。

　　具体控制思路是：采用并联电容器的方法进行无功补偿。分四级进行补偿，四级容量分别为：87.5kvar、50kvar、25kvar和12.5kvar.电容的投切可根据发电机所发出的有功功率情况进行投切控制，同时为了防止补偿电容的频繁投切，在投切的过程中进行延时设置，同时对投入和切出的功率值设置一定的回差值。

　　3.4制动与安全保护制动系统与安全保护是风力发电机组安全运行的保证。制动系统在机械上主要由叶尖气动刹车和盘式高速刹车两部分构成。

　　控制系统根据风力发电机组发生故障的种类判断分别进行报警、正常停机、安全停机以及紧急停机等处理，同时针对可自复位故障和不可自复位故障实现风电机组重新自动启动或人工启动，达到保护机组安全和提高机组可利用率的双重功效；k独立于计算机的安全链是采用反逻辑设计，将可能对风力发电机组造成致命伤害的超常故障如计算机系统失控等串联成一个回路，一旦其中一个动作，将引起紧急停机，系统失电。紧急停机发生后，需人工复位操作后才能重新启动。

　　器件本身的保护措施主要采取硬件保护措施，如线圈两端加RC吸收回路、硬件互锁电路以及过电压、过电流保护等；接地保护主要将控制柜以及屏蔽电缆层直接接地处理；防雷击保护主要对主电路输出端、电子电路输人端、通信线路分别采取防雷措施，一般采用瞬时吸收电路加以保护。

　　3.S运行状态参数监涮采集和监测风力发电机在运行过程中的各种运行参数包括电力参数、风力参数以及状态参数监测等。

　　风力发电机组需要持续监测的电力参数主要包括电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率、发电机功率因数、有功功率、无功功率。在测量电压时主要检测电网冲击、过电压、过电流、电网掉电压等情况，在测量电流时主要检测电流跌落、三相不平衡等情况；风力发电机需要监测的风力参数主要是风速和风向》需要监测状态参数主要有温度、机舱振动、纽缆、系统压力、叶尖压力、齿轮油压力、齿轮油过滤器以及执行机构的反馈信号；其中转速包括转速包括发电机转速和叶轮转速；温度主要包括齿轮箱油温度、大发电机温度、小发电机温度、前轴承温度、后轴承温度、环境温度以及控制柜温度。

　　3.6就地监控与远程监控由中央控制室PC机作上位机，将多台下位机控制系统（中心控制器）进行组网，通过专用的通信装置和接口电路与PC机进行通信，实时监测风电机组的运行状态、运行数据、累计数据存放、记录故障情况，统计打印报表，也可以进行偏航、复位、启动、停机等操作。

　　远程监控是通过Modem方式或工业以太网方式，与中央控制室PC机进行通信，收集中央控制室PC机的监控数据，在异地（如风机生产商）对多台风电机组进行远程监控。

　　4系统可靠性设计风力资源丰富的地区通常都是边远地区或海岛甚至是海上，自然环境较恶劣，需要无人值守和远程监控，对控制系统的可靠性和安全性要求较高。因此，在设计控制系统时，中心控制器一般选择在工业控制领域使用较多，特别是适应在恶劣的自然环境下工作，同时具备较强的实时性、可靠性和抗干扰能力；在对采集信号的处理方面应当采取信号隔离措施和屏蔽保护；对硬件电路设计上采用硬件互锁、瞬时感应过电压等保护措施；在软件设计方面，对软件的权限设计、任务协调设计、容错性设计、抗干扰设计以及程序死循环等需要重点考虑。