风力发电电气控制系统研究.pdf

2023.7 下电力创新Power Innovation风力发电电气控制系统研究泗洪远能风电有限公司 张 斌 陈 剑 刘高尚摘要：本文对风力发电电气控制系统的设计，以及电控系统的设计进行了分析，并对风电机组电控系统功能设计展开探讨，供同行参考。关键词：风力发电；电气控制技术；技术研究社会经济的快速发展，使得能源的需求量逐渐增加，导致能源资源紧缺。为缓解能源使用压力，相关研究人员须加强对新型能源的开发与利用，重在使用可再生能源代替不可再生能源，同时优先选择清洁能源，既有助于缓解能源使用压力，又可以减少能源污染。风能属于清洁型可再生能源，合理利用风能可以进行发电。在风力发电中，电气控制技术的应用需要相关系统的支持，在对新型能源开发与利用的过程中，电气控制技术必不可少，其应用质量直接影响着风力发电厂运行的稳定性。为此，电力企业以及相关机构等须加强对电气控制技术的研究，尤其在电气系统的设计方面，注重电气控制技术应用价值的充分发挥。随着人民用电需求量的逐渐增加，能源消耗量较大，风能发电可减少部分能源使用量的同时，还可提升能源发电的环保性，电力企业应注重对风力发电电气控制技术应用的研究。1 风力发电电气控制系统设计1.1 系统设计概述电气系统是风力发电机组的重要组成部分，也是机械系统运行的动力来源，具有连接控制系统以及机械系统的作用，其运行的稳定与否对于发电机组整体运行的稳定与否具有重要影响。一方面电气系统的组成。如若是按照功能进行划分，风力发电电气系统的功能主要包括机柜配电系统、电气传统系统、接入网系统、传感系统、伺服执行系统以及线路传输系统等。如若是按照模块化设计进行划分，其功能主要包括油冷电气系统、成测风系统、并网系统以及变频器等。另一方面，电气系统拓扑，电气系统的拓扑主要包括两部分，一部分是配电回路，另一部分是电气回路，二者的设计理念均具有全局性，主要是从电控系统的组成角度进行考虑，随后还会涉及电控系统主回路的设计问题，其中主回路拓扑包括变频器以及变压器系统等。为确保机组配电系统的供电量稳定与充足，电力企业需要为其配置辅助变压器。1.2 系统综合设计电气系统的综合设计包含诸多方面，具体介绍如下：一是抵抗大风设计。风力发电主要使用的能源是风能，而在风能使用的过程中，电力企业需要考虑台风问题，台风可能会导致发电机组出现损坏，为有效降低台风产生的不良影响，设计人员在电气系统设计的过程中需要重点考虑载荷问题，并模拟评估控制器。如若台风来临，设计人员需要设计行之有效的控制策略，例如刹车停机法，尽可能降低机组荷载。二是安全系统设计。该设计属于电气系统设计的基础，是电气系统安全运行的重要保障。首先，利用安全链系统对电气系统进行保护，当系统检测出上一环节存在问题时会自动停机操作，以此实现对电气系统的保护；其次，设计两套刹车系统，使用有效接闪，并准备后备电源；最后，单独设计控制系统与安全系统，确保两系统能够在事故发生时统一听从安全系统相关指令。2 风力发电机组电控系统设计2.1 风电机组工作原理2023.7 下 EPEM 107 电力创新Power Innovation双馈型风电机组的工作原理如图1所示，风轮的转动需要风能提供动力，风从低速轴经过齿轮箱变速机构后会加速，随后双馈感应发电子的转子会因高速轴的带动而进行旋转，同时电网到电机转子的励磁电流需要使用控制变频器进行控制，此时在定子中所感应出的三角交流电压会被输送至电网，以此完成风电机组的发电目标。在定子绕组方面，双馈电机的结构与绕线式感应电机的相类似，二者均是由固定频率的对称三根电源激励，而在转子绕组方面，二者存在明显不同，常规情况下使用的是可调节频率的三相电源激励。从双馈电机励磁可调量的角度进行分析，其主要包括三方面，分别是励磁电流幅值的调节、励磁电流相位的改变以及励磁电力频率的调整等，励磁频率的改变可以对双馈电机的转速进行调整。此种状态下，如若负荷突然发生改变，双馈电机的转速会立刻改变。图1 双馈型风电机组原理2.2 风电机组运行过程针对双馈风电机组的运行，其过程主要包括六种状态：一是待机状态。当监控与执行部件正常运行时，如若此时的风速为3m/s，表明风机属于待机状态。该状态下，执行信号与机构均处于监控状态，而风机处于空转状态。同时，偏航系统正常运行，其需要对风向以及风速等进行检测；二是启动状态。如若在10min 之内风速大于3m/s，在控制器与检测信号正常的情况下，主控制器会发出启动指令，此时风机叶片的节距角会发生改变，风轮的转速会逐渐加快。三是欠功率运行状态。当风电机组的风速小于额定风速时，节距角的度数大致为3，此时风机的电能最大，若想获得最大风能，工作人员需要对风机的输出功率进行调整1。四是额定功率运行状态。如若风速大于额定风速，变桨距控制器会运行，若想让风机输出功率相近与额定功率，工作人员需要对节距角进行调整。五是正常停机状态。偏航系统停止运行，风机叶片顺桨锁定。六是紧急停机状态。风机叶片速变顺桨，偏航与变速箱主轴会紧急刹车。2.3 电控系统结构设计在风电机组底部，主要是由塔筒控制柜与变流器组合而成，前者属于主要的控制系统，具有控制整个风力发电机组显示以及通信的作用，具体包括显示器、低压配电设备、主控部分以及通信系统等；后者，变流器，主要是由散热器、IGBT 以及交流控制系统构成，其中 IGBT 主要分为两组，一组连接网侧、一组连接机侧2。在电控系统整体结构的设计中，塔筒控制柜需要与通信进行链接，二者主要的链接载体是机舱与电缆，其中机舱主要包括机舱控制柜、变桨矩控制系统、双馈电极以及变速箱等。2.4 电控系统设计方案双馈风电机组电控系统的组成部分较为丰富，其主要包括四大类，分别是监控系统（监控软件、工业以太网）、变桨系统（变桨传感器、变桨执行部件、变桨控制器、变桨电池组）、主控系统（控制单元、传感器单元、执行单元、总线单元）以及变流系统（整流单元、逆变单元、控制单元、滤波单元）。3 风电机组电控系统功能设计3.1 主配电系统风电机组主配电系统运行的电力主要来源于变压器所提供的三相交流电，针对双馈发电机与变频系统而言，大部分电力来源于直接供电，其余电力的供应需要通过变压器。其中，在每一路供电设备的线路入口端，设计人员都需要增设保护装置，例如保险丝，以此确保用电故障发生时系统能够自动切除电源，避免供电事故伤及其他设备与系统等。3.2 中央监控系统首先，中央监控系统功能。通信管理功能：系统会自动连接先前设定成功的风电机组通信，即便是通信中断，系统也会自动进行连接。绘制曲线：需要绘制的曲线主要包括风速趋势曲线、风速-功率曲线以及风速分布曲线等。监视功能：主要的监视对象是风电机组的运行状态以及相关数据信息等。远控功能：主要是对风电机组开机、停机以及复位等操作的远程控制，具体的控制空间是在中央控制室。参数修改：工作人员可以借助系统的远程操作功能对风电机组的运行参数进行修改。数据管理：系统具有自动保存、生成报表以及数据查询等功能，还可以将数据信息进行导出。其次，中央监控实现方式。监控数据的通讯接口为 TCO/IP 网络接口，数据通讯方式为中央监控108 EPEM 2023.7 下电力创新Power Innovation站-控制器，通讯介质为光纤。最后，风力发电机组监控网络。常规情况下，中央监控器是由中心交换机、路由器、若干子网以及中央监控计算机构成，所有网络之间的通讯接口均为 TCO/IP 网络接口，通讯介质为光纤3。3.3 塔底主控系统塔底主控系统是风电机组运行的核心，主要的功能是数据采集、输入与输出以及信号处理等，能够对外围的执行机构发出相关指令，且能够接收舱信号，判断逻辑与偏航、液压站信号等。如若主控系统需要与三个相互独立的变桨柜进行通信，则会同时接收到三个信号，此时三个信号的接收可通过控制信号的发送对变桨动作进行控制。与此同时，在控制与检测变流系统时，风况不同，对于变流系统输出的扭矩要求也会不同，若想保证风机的发电功率处于最佳状态，合理控制变流系统十分重要。此外，塔底主控系统的零件部主要包括液压系统开停、机舱自动跟踪风向、自动解缆以及除湿加热等。从主控系统的流程角度进行分析，系统需要优先进行初始化上电系统、复位执行机构以及相关信号量等，检测、判断实际状态，如若无任何问题，则正常完成初始化操作，进入准备阶段4。而在准备阶段，工作人员需要检测停机信号是否正常，检查风机启动是否已做好准备。3.4 变流控制系统变流控制系统常被应用于双馈电机工作当中，双馈电机的工作原理主要是转子通过交流电压励磁而变得更加灵活，如若出现电站持续工频过电压问题，可能会影响发电机的正常运行。众所周知，双馈电机的转子绕组具有调节三相电源激励频率、幅值以及相位的作用，其能够在不同的风速下适当进行调整，以便于为风力机始终处于最佳运行状态提供保障，进而有助于风能利用率的提升。与此同时，利用对馈入转子绕组电流参数的控制，可以防止定子输出的电压及频率等发生改变，并可以对电网的功率因数进行有效调节，以便于提升变流控制系统运行的稳定性以及安全性等。此外，依据相关原理，可得出以下数学表达式：f1=Pnfm=f2，其中：定子电流频率为 f1，其与电网频率相同；转子机械频率为 fm，其对于发电机转子转速具有重要影响；风力发电机转速为 n，转子电流频率为 f2，电子极对数为 Pn。如若发电机转速发生改变，转子电流频率也会随之发生改变，但定子电流频率保持不变，其有助于控制发电机的变速恒频5。3.5 变桨控制系统变桨控制系统是双馈风电机组主控之一，其应用效果对于风力发电机组的运行具有重要影响。如若机组容量逐渐增加，变桨系统能够对每一个桨叶的节距角进行科学控制，既有助于为功率曲线绘制的精准性提供保障，又有助于弥补桨叶拍打震动的不足，可在一定程度上提高桨叶的适应性。如若是在独立变桨控制下，相比于独立电变桨，液压变桨安全性能较高，但控制较为复杂，且机械零部件容易损坏，更换成本较高。为此，独立电变桨的使用较为广泛。变桨控制系统原理是通过对风机叶片节距角的控制可将角度信号转换成为相对应的控制信号，具体可使用伺服控制系统的驱动作用进行调整。随后，节距角的变化会被反馈至给定值，最终形成闭环控制系统。4 结语针对风力发电电气控制技术的研究，其主要体现在两方面，一方面是电气控制系统的设计，另一方面是电控系统的设计，二者对于电气控制技术的应用效果具有重要影响，也是电气控制技术应用的重要基础。在电气控制系统的设计方面，工作人员需要注意系统的综合设计，而在电控系统的设计方面，工作人员需要了解风电机组的工作原理、运行过程以及完成系统设计方案等。此外，还需要注意电控系统的功能设计，例如主配电系统、中央监控系统以及变流控制系统等。参考文献1朱建华,何卓林,等.风电场自动电压控制中风机和静止无功发生器的无功分配研究 J.电气技术,2022,4.2陈文静.新能源风力发电系统中自适应控制技术的应用及未来前景 J.电子测试,2022,16.3梁君亮.风力发电系统中 SVG 的电气二次设计研究 J.中国新技术新产品,2022,6.4 周国旭.风力发电机组电气与控制系统快速检修思路研究 J.中国设备工程,2021,14.5 谢震,张学广.“风电系统并网稳定性分析及其控制技术”专题特约主编寄语 J.电气传动,2022,22.