风力发电机组及其控制新版系统.doc
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1、题 目风力发电机组及其控制系统 学 院机械交通学院 专 业 电气工程及其自动化 班级 092班 姓 名冉雷 学号 指引教师徐立军 职称专家讲师 11 月 26日新疆农业大学教务处制好好排版风力发电机组及其控制系统冉雷(新疆农业大学,乌鲁木齐,830052)摘要 :风力发电厂运营状况各种各样,动态特性复杂,在电气设备,保护控制系统选型和设计上有一定特殊性。因而,在设计过程中尽量多地熟悉和掌握各类风力发电电气设备技术特性。这某些是废话,不要,背面再补充某些本文简介了风力发电机组及其控制系统重要设备工作原理和技术特点,并且对风力发电控制设备核心技术研究进行了探讨。核心词:风力发电 控制 变流器 现场
2、控制Brief Analysis of Wind Power Generators and their Control Configuration Ran大写 Lei(XinJiang Agricultural University,Urumqi 830052)Abstract:Wind power generators which have complex dynamic characteristic,are operated in multiplicative conditions. Design of electrical should meet special requirements
3、 of Wind power generators operation. According to this paper,the principle and characteristics of wind power generators and their control equipments are introduced. Key technologies research of wind power control equipment is studied.Key words: wind power generator control converter local control0引言
4、21世纪是可再生能源世纪,在不断持续能源紧张中不少人想到了新能源运用。运用干净能源,可再生能源是人类社会文明进步体现、是科学技术发展、是环保理念体现。干净能源指太阳能、风能、潮汐能、生物能等这都是可再生取之不尽能源,特别是风能技术最为成熟,经济可行性较高是一种较抱负发展能源。风是地球上一种自然现象,它是由太阳辐射热引起。风能是太阳能一种转换形式是一种重要自然能源。太阳照射到地球表面地球表面各处受热不同产生温差从而引起大气对流运动形成风。据预计到达地球太阳能中虽然只有大概2%转化为风能,但其总量仍是十分可观。全球风能约为2.74109MW,其中可运用风能为2107MW,比地球上可开发运用水能总量
5、还要大10倍。风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭,又可以在很大范畴内获得,非常干净、没有污染,不会对气候导致影响,因而风力发电具备极大推广价值。国内风能资源总量约42亿千瓦,技术可开发量约3亿千瓦。风能资源丰富地区重要集中在北部、西北和东北草原、戈壁滩以及东部、东南部沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤炭及其她常规能源,并且冬春季节风速高雨水少,夏季风速小,降雨多,风能和水能具备非常好季节补偿。 当前东南沿海是最大风能资源区,风能密度为200W/M2-300W/M2,不不大于6m/s风速时间全年3000h以上就可获得较大经济效益。此外,新疆风能资源丰富,开发运用起步较早,新疆达坂城风电一场于
6、1989年建成,这是中华人民共和国第一座风力发电场。通过近发展,截至底,新疆已在9大风区中5个风区“排兵布阵”,新疆作为中华人民共和国风能资源大区迎来风电开发热潮。截至底,新疆风电装机规模达到27.9万千瓦,占新疆电力装机总量3.4。仅一年,新疆经允许建设风电场项目装机规模就达29万千瓦。下半年以来,受国际国内宏观经济形势影响,新疆供电负荷增长趋缓,老式电力行业面临亏损,但风力发电发展势头依然迅猛。随着大批风电项目陆续开工建设,新疆风力发电装机规模持续扩张。12月,年发电量约1.2亿千瓦时玛依塔斯风电一期项目竣工暨二期项目启动典礼在新疆额敏县举办。1月,投资4亿元,装机4.95万千瓦阿勒泰金风
7、布尔津风电场开始并网发电。新疆风力发电迎来历史性发展机遇。1风力发电机控制系统1.1风力发电机构成 风力发电机由各种某些构成,而控制系统贯穿到每个某些,相称于风电系统神经。因而控制系统好坏直接关系到风力发电机工作状态、发电量多少以及设备安全。当前风力发电亟待研究解决两个问题:发电效率和发电质量都和风电控制系统密切有关。对此国内外学者进行了大量研究,获得了一定进展,随着当代控制技术和电力电子技术发展,为风电控制系统研究提供了技术基本。1.2控制系统构成 风力发电控制系统基本目的分为三个层次:保证风力发电机组安全可靠运营;获取最大能量;提供良好电力质量。 控制系统构成重要涉及各种传感器、变距系统、
8、运营主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。详细控制内容有:信号数据采集、解决,变桨控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。固然对于不同类型风力发电机控制单元会不相似。控制系统构造示意图如下:所有图一定要有标注,背面都同样,并且这个图太小,主线看不清针对上述构造,当前绝大多数风力发电机组控制系统都采用集散型或称分布式控制系统(DCS)工业控制计算机。采用分布式控制最大长处是许多控制功能模块可以直接布置在控制对象位置。就地进行采集、控制、解决。避免了
9、各类传感器、信号线与主控制器之间连接。同步DCS现场适应性强,便于控制程序现场调试及在机组运营时可随时修改控制参数。并与其她功能模块保持通信,发出各种控制指令。当前计算机技术突飞猛进,更多新技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来电子设备,当前功能上有较大提高。诸多厂家也开始采用PLC构成控制系统。现场总线技术(FCS)在进入九十年代中期后来发展也十分迅猛,以至于有人已做出预测:基于现场总线FCS将取代DCS成为控制系统主角。2控制系统技术2.1风力发电技术 风力发电系统中控制技术和伺服传动技术是其中核心技术,这是由于自然风速大小和方向是随机变化,风力发电机组并网和退出电
10、网、输入功率限制、风轮积极对风以及对运营过程中故障检测和保护必要可以自动控制。同步,风力资源丰富地区普通都是边远地区或是海上,分散布置风力发电机组普通规定可以无人值班运营和远程监控,这就对风力发电机组控制系统自动化限度和可靠性提出了很高规定。 与普通工业控制过程不同,风力发电机组控制系统是综合性控制系统。它不但要监视电网、风况和机组运营参数,对机组运营进行控制。并且还要依照风速与风向变化,对机组进行优化控制,以提高机组运营效率和发电量。通过发展风力发电系统已经从基本单一定桨距失速控制发展到全桨叶变距和变速恒频控制,当前重要两种控制方式是:双馈异步变桨变速恒频控制方式和低速永磁同步变桨变速恒频控
11、制方式。在讲述风力发电控制系统之前,咱们需要理解风力涡轮机输出功率与风速和转速关系。风力涡轮机特性:2.1.1风能运用系数Cp风力涡轮从自然风能中吸取能量大小限度用风能运用系数Cp表达:P-风力涡轮实际获得轴功率r-空气密度S-风轮扫风面积V-上游风速依照贝兹(Betz)理论可以推得风力涡轮机理论最大效率为:Cpmax=0.593。2.1.2叶尖速比l为了表达风轮在不同风速中状态,用叶片叶尖圆周速度与风速之比来衡量,称为叶尖速比l。n-风轮转速w-风轮叫角频率R-风轮半径V-上游风速在桨叶倾角b固定为最小值条件下,输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn关系如图1所示。从图1中看,相应于每个风速曲
12、线,均有一种最大输出功率点,风速越高,最大值点相应得转速越高。如故能随风速变化变化转速,使得在所有风速下都工作于最大工作点,则发出电能最多,否则发电效能将减少。 涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b关于,关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比,纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中,每个倾角相应于一条Cp=f(l)曲线,倾角越大,曲线越靠左下方。每条曲线均有一种上升段和下降段,其中下降段是稳定工作段(若风速和倾角不变,受扰动后转速增长,l加大,Cp减小,涡轮机输出机械功率和转矩减小,转子减速,返回稳定点。)它是工作区段。在工作区段中,倾角越大,l和Cp越小。2.1.3变速发电控制变速发电不是依
13、照风速信号控制功率和转速,而是依照转速信号控制,由于风速信号扰动大,而转速信号较平稳和精确(机组惯量大)。2.2三段控制规定: 低风速段,按输出功率最大功率规定进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率转速曲线最大值点,得到()关系,把作为变频器给定量,通过控制电机输出力矩,使风力发电实际输出功率。图是风速变化时调速过程示意图。设开始工作与点,风速增大至后,由于惯性影响,转速还没来得及变化,工作点从移至,这时涡轮机产生机械功率不不大于电机发出电功率,机组加速,沿相应于曲线向移动,最后稳定于点,风速减小至时转速下降过程也类似,将沿轨迹运动。中风速段为过渡区段,电机转速已达额定值,而功率尚未达到额定值
14、。倾角控制器投入工作,风速增长时,控制器限制转速升,而功率则随着风速增长上升,直至。高风速段为功率和转速均被限制区段,风速增长时,转速靠倾角控制器限制,功率靠变频器限制(限制值)。2.3 双馈发电机双馈电机构造类似于绕线式感应电机,定子绕组也由具备固定频率对称三根电源勉励,所不同是转子绕组具备可调节频率三相电源勉励,普通采用交一交变频器或交始终一交变频器供以低频电流。双馈电机励磁可调量有三个:一是可以调节励磁电流幅值;二是可以变化励磁电流频率;三是可以变化励磁电流相位通过变化励磁频率,可调节转速这样在负荷突然变化时,迅速变化电机转速,充分运用转子动能,释放和吸取负荷,对电网扰动远比常规电机小。
15、此外,通过调节转子励磁电流幅值和相位,来调节有功功率和无功功率。双馈电机控制系统通过变频器控制器对逆变电路小功率器件控制,可以变化双馈发电机转子励磁电流幅值。频率及相位角,达到调节其转速、有功功率和无功功率目。既提高了机组效率,又对电网起到稳频、稳压作用,下图是双馈电机控制简要框图。整个控制系统可分为好好排版,每段开始应当空两格:转速调节单元、有功功率调节单元和电压调节单元(无功功率调节)。它们分别接受风速和转速。有功功率、无功功率指令,并产生一种综合信号,送给励磁控制装置,变化励磁电流幅值。频率与相位角,以满足系统规定。由于双馈电机既可调节有功功率;又可调节无功功率,有风时,机组并网发电;无
16、风时,也可作抑制电网频率和电压波动补偿装置。 双馈电机应用于风力发电中,可以解决风力机转速不可调。机组效率低等问题。同步,由于双馈电机对无功功率。有功功率均可调,对电网可起到稳压。稳频作用,提高了发电质量。与同步机交始终一交系统相比,它还具备变频装置容量小(普通为发电机额定容量1020左右)、重量轻长处。但这种构造也还存在某些问题,如控制电路复杂某些,不同控制办法效果有一定差别。此外该构造比其她构造更容易受到电网故障影响。 2.4永磁直驱同步发电机永磁直驱同步发电机系统构造如图:由变浆距风轮机直接驱动永磁同步发电机,省去了增速用齿轮箱。发电机输出先经整流器变为直流,再经IGBT(绝缘栅双极晶体
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