風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)方案

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)功能研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由多個(gè)部分組成，而控制系統(tǒng)貫穿到每個(gè)部分，其相當(dāng)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(jī)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(jī)變化的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)和退出電網(wǎng)、輸 入功率的限制、風(fēng)輪的主動(dòng)對(duì)封以及運(yùn)行過程中故障的檢測(cè)和保護(hù)必須能夠自動(dòng)控制。同時(shí)，風(fēng)力資源豐富的地區(qū)通常都是邊遠(yuǎn)地區(qū)或是海上，分散布置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常要求能夠無人值班運(yùn)行和遠(yuǎn)程控制，這就對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的自動(dòng)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(jī)組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。他不

2、僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行參，對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制。而且還要根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化，對(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率?？刂葡到y(tǒng)的組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)由多個(gè)部分組成，而控制系統(tǒng)貫穿到每個(gè)部分，相當(dāng)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(jī)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(gè)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(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，取得了一定進(jìn)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(biāo)分為三個(gè)層次：這就是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行，獲取最大能量，提供良好的電力質(zhì)量。

3、控制系統(tǒng)組成主要包括各種傳感器、變距系統(tǒng)、運(yùn)行主控制器、功率輸出單元、無功補(bǔ)償單元、并網(wǎng)控制單元、安全保護(hù)單元、通訊接口電路、監(jiān)控單元。具體控制內(nèi)容有：信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、處理，變槳控制、轉(zhuǎn)速控制、自動(dòng)最大功率學(xué)習(xí)參考點(diǎn)跟蹤控制、功率因數(shù)控制、偏航控制、自動(dòng)解纜、并網(wǎng)和解列控制、停機(jī)制動(dòng)控制、安全保護(hù)系統(tǒng)、就地監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)然對(duì)于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制單元會(huì)不相同。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1 所示：用戶界面輸入用戶指令，變更參數(shù)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)據(jù)和故障等情況丿軟切入控制啟主控制器動(dòng)與切換控制啟運(yùn)行監(jiān)控、系統(tǒng)起、停動(dòng)電流控制三相不其它功能模塊控制電平衡保護(hù)網(wǎng)、風(fēng)況監(jiān)測(cè)丿變距系統(tǒng)液壓系統(tǒng)制

4、動(dòng)系統(tǒng)功率控制轉(zhuǎn)速剎車機(jī)構(gòu)壓力剎車機(jī)構(gòu)控制保持丿圖 2-1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖控制系統(tǒng)的類型無功補(bǔ)償控制控制投切補(bǔ)償電容調(diào)向系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向調(diào)向自動(dòng)解纜丿對(duì)于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，控制單元會(huì)有所不同，但主要是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)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(jī)雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應(yīng)電機(jī)，定子繞組也由具有固定頻率的對(duì)稱三根電源激勵(lì)，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(lì)，一般采用學(xué)習(xí)參考交一交變頻器或交一直一交變頻器供以低頻電流。雙饋電機(jī)勵(lì)磁可調(diào)量有三個(gè)：一是可以調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值；二是可以改變勵(lì)磁電流的頻率；三是可以改變勵(lì)磁電流的相位.通過改變勵(lì)磁頻率，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速. 這樣在負(fù)

5、荷突然變化時(shí)，迅速改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，釋放和吸收負(fù)荷，對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)遠(yuǎn)比常規(guī)電機(jī)小。另外，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)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(jī)控制系統(tǒng)通過變頻器控制器對(duì)逆變電路小功率器件的控制，可以改變雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的幅值。頻率及相位角，達(dá)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(jī)組的效率，又對(duì)電網(wǎng)起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的作用。下圖是雙饋電機(jī)控制簡(jiǎn)要框圖實(shí)際電壓整個(gè)控制系統(tǒng)可分為：轉(zhuǎn)速調(diào)整單元、有功功率調(diào)整單元和電壓調(diào)整單元（無功功買際功率率調(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)生一實(shí)際風(fēng)速圖 2-3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)示意圖學(xué)

6、習(xí)參考個(gè)綜合信號(hào)，送給勵(lì)磁控制裝置，改變勵(lì)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(jī)既可調(diào)節(jié)有功功率；又可調(diào)節(jié)無功功率，有風(fēng)時(shí)，機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電；無風(fēng)時(shí)，也可作抑制電網(wǎng)頻率和電壓波動(dòng)的補(bǔ)償裝置。雙饋電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中，可以解決風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)。機(jī)組效率低等問題。同時(shí)，由于雙饋電機(jī)對(duì)無功功率。有功功率均可調(diào)，對(duì)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(jī)交一直一交系統(tǒng)相比，它還具有變頻裝置容量小（一般為發(fā)電機(jī)額定容量的10%? 20%左右）、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。但這種結(jié)構(gòu)也還存在一些問題，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

7、響。目前國(guó)內(nèi)有多家開發(fā)成功雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)，如蘭州電機(jī)有限責(zé)任公司與清華大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)合作研制的兆瓦級(jí)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(jí)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用 IGBT 技術(shù)、雙 PWM雙向可逆變流控制。永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-4 所示。永曙 7步發(fā)電機(jī)IG6T 逆變務(wù)控制扇圖 2-4 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖由變漿距風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)，省去了增速用齒輪箱。發(fā)電機(jī)輸出先經(jīng)整流器變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)IGBT （絕緣柵雙極晶體管）逆變器將電能送到電網(wǎng)。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作點(diǎn)的控制是通過控制逆

8、變器送到電網(wǎng)的電流實(shí)現(xiàn)對(duì)直流環(huán)節(jié)電壓的控制，從而控制風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)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(jī)系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)是：對(duì)永磁材料的性能穩(wěn)定性要求高，電機(jī)重量增加。另外 ，IGBT 逆變器的容量較大，一般要選發(fā)電機(jī)額定功率的120% 以上。學(xué)習(xí)參考發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)除了控制發(fā)電機(jī)獲取最大能量”外，還要使發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能。因此要求發(fā)電機(jī)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(jī)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(guó)內(nèi)外

9、兆瓦級(jí)以上技術(shù)較先進(jìn)的、有發(fā)展前景的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要是雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)。單從控制系統(tǒng)本身來講，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制回路少，控制簡(jiǎn)單，但要求逆變器容量大。而雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制回路多，控制復(fù)雜些，但控制靈活，尤其是對(duì)有功、無功的控制，而且逆變器容量小得多。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的目標(biāo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是利用風(fēng)輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從風(fēng)能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換，再利用發(fā)發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換過程，在空阿里風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)時(shí)，必須結(jié)合他們的運(yùn)行方式和工作特點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)就是保證風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)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(jī)組安全可靠運(yùn)行，同時(shí)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、顯示以及故障處理。(3) 利用計(jì)算機(jī)智能控