兆瓦级风力发电机组电控系统设计

兆瓦级风力发电机组电控系统设计

陈景文

(陕西科技大学电气与信息工程学院,陕西西安710021)

摘要:对变速恒频风力发电系统的运行状态进行了研究,分析了系统从启动到停止过程中,各个工作状态下的控制要求和控制方法。根据电控系统的控制要求,对系统的输入输出信号和控制单元进行了分析。在此基础上确定了控制系统的硬件配置,并基于模块化的编程思想,设计了控制程序,最后就系统安全运行及可靠性问题作了详细的讨论。

关键词:风力发电;变速恒频;控制系统;安全可靠设计中图分类号:TP273 文献标识码:A

MW Level Wind Pow er G eneration U nit Electrical Control System Design

CH EN Jing 2wen

(Electrical and Inf ormation Engineering Institute ,S haanxi University of

Science and T echnology ,Xi ’an 710021,S haanxi ,China )

Abstract :The operating conditions of VSCF wind turbine generator system ,the control requirements and strategies in different running states in the all process f rom to start till halt were analyzed.According to the e 2lectrical control system control request ,carried on the analysis to the system input output signal and the control unit.In this foundation ,determined the control system hardware disposition ,and based on the modular pro 2gramming thought ,designed the control procedure ,finally made the detailed discussion on the system safety movement and the reliable question.

K ey w ords :wind power generation ;variable speed constant f renquency (VSCF );controlled system ;the safety and reliable design

作者简介:陈景文(1978-),男,硕士,讲师,Email :chenjw @

1　引言

伴随世界经济和国际工业化发展进程,世界各国对能源的需求越来越大,人类正面临着能源短缺和环境保护两方面的压力。风能作为一种清洁的绿色能源,是近期内具有大规模开发利用前景的可再生能源,开发利用可再生能源已成为21世纪能源发展战略的必然选择。

一般变速恒频风力发电机组电气控制系统,均包含以下3方面的要求:

1)保证发电机组稳定可靠的运行。要保证机组可以在不同的风速下自动调整控制目标和控制策略,实现机组的正常开机、运行、并脱网和安全停机;

2)保证机组以最佳叶尖速比运行,实现最大

风能追踪。从频繁变化的风力资源中如何在最大程度上吸收风能、提高发电效率;

3)向电网提供优质的电能。

2　电气控制系统基本结构及功能

2.1　电气控制系统基本结构

本风力发电机主要电气参数有:同步发电机参数为电机转速1000～1800r/min ,电压等级AC 690V ,额定功率1500kW ;功率特征为启动

风速3m/s ,额定风速12m/s ,停机风速25m/s ,抗最大风速56m/s ;风轮参数为直径70m ,3片叶片,扫风面积3848m 2,通过变桨距调节功率。

机组控制系统的主控制器安装在现场的模块上,对电网、风况及风力发电机组运行参数进行监控,并与其他功能模块保持通信,对各方面的情况做出综合分析后,发出各种控制指令。

发电机组电气控制系统图如图1所示,图1中主控制器是电控系统的核心,通过各类传感器对电网、气象及风电机组运行参数进行监控,并发

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4EL ECTRIC DRIV E 2010　Vol.40　No.2电气传动　2010年　第40卷　第2期

出各种控制指令,实现机组的自动启动/停机、手自动无扰动切换、发电机在转速范围内无扰动并

网、自动偏航控制(不偏离风向±10°)、机舱扭缆

和自动解绕控制、自动变桨距控制、变速控制、风电机组自动除湿、加热、冷却控制、液压系统自动运行控制和运行故障监控等。电控系统首先必须确保风力发电机组本身安全可靠的运行,并实现机组的变速恒频控制,此外对故障的判断处理要及时、准确

。

图1　系统电气控制总图

Fig.1　System electricity control assembly chart

控制器首先完成系统监控需要的气象、电网、风电机组和变频器状态、参数监控和记录,以开机→并网→发电控制→脱网→安全停机为主线,分别按要求进行开机准备、偏航调整、故障处理、优化参数计算、速度和功率控制给定及系统运行管理。控制器的核心是以DSP 为内部控制器的大功率变流器,它与主控制器组成主-从控制,控制器将根据PL C 给定的参数和控制信息独立地进行其运行管理。

2.2　控制系统的具体功能

1)启动前的准备。风机在运行之前要确定风

机安全链、偏航系统、刹车系统、齿轮箱系统及并网系统无故障。持续检测10min 内风速的平均值达到启动风速,电网电压和频率持续10min 检测正常。当风速在3m/s 以下的低风速区时,根据控制策略变桨距系统将使叶片转动到保证转轮具有最大启动力矩的位置;当风速超过3m/s 时,此时发电机叶轮慢慢转动,处于待风状态,当风速在5m/s 以上时,风力机由待风状态进入低风速启动。

2)启动/停机。风电机组的启动主要有2种情况:①正常的风速大于切入风速后自启动;②高于切入风速时的启动并网,通常发生在紧急故障

恢复后的重新开机,此时桨距角应复位置于0°,当风轮转动起来后,根据功率优化策略再重新调整桨距角,当满足并网条件后再重新进行并网。

3)手/自动切换。机组维修时,需手动调节,要求在停机方式下可任意手动操作。

4)自动偏航控制。

5)机舱扭缆和自动解绕控制。由于自动偏航单元的工作,机组有可能朝一个方向进行多次对风。当机舱连续朝一个方向旋转数圈后,就有可能造成机组内电缆的缠绕甚至发生断裂,因此必须应有机舱扭缆检测功能。

6)变桨距控制。这是机组在高风速区主要的功率调节方式,它在保证机组恒功率输出目标的同时,也是保证机组安全运行的一项重要措施,并且在机组正常或紧急停机时也将发挥重要作用。

7)变速优化控制。额定风速以前,采用最佳叶尖速比控制,以获得最大风能为控制目标。达到额定风速以后,按机组转速-风速工作特性曲线进行控制,将变速控制与变桨距相结合,以保持输出功率恒定在额定功率附近。

8)并网控制。调节控制绕组励磁电流,使功率绕组的输出频率、幅值、相位与电网同步后,发出并网指令,以保证发电机在转速范围内无扰动并网。

9)脱网关机。机组的脱网关机分3种方式。①手动停机和发生普通故障时的脱网停机,当机组接到停机命令,首先顺桨使发电机功率接近零,然后脱网,使能机械闸直到转速降为零。②为保证机组安全运行,当风速大于切出风速时脱网停机,与第1种方式的顺序基本一样。③紧急故障的安全停机,当机组发生超速、振动、发电机短路等紧急故障时,顺桨闸、机械闸将辅助脱网,使机组在最短时间内安全停机。

10)风电机组自动除湿、加热、冷却控制。

3　控制系统设计实现

3.1　主控设备选型

硬件选择依据系统的控制精度、通讯速度、响

应时间、高性价比、高可靠性的原则,选用SIE 2M ENS S731522DP 大型PL C ,作为系统主控单

元,它具有抗振动性、抗冲击性、高的电磁兼容性及允许使用的最高环境温度达55℃的适应性。系统的所有输出/输入信号分别由不同功能的接

5电气传动　2010年　第40卷　第2期陈景文:兆瓦级风力发电机组电控系统设计