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摘要: 对目前流行的风力发电机组控制系统进行对比分析。在简述风力机特性的基础上, 讨论未来风力发电控制技术的发展趋势和应用前景。
关键词: 风力发电;控制;变流器;现场控制
中图分类号:TK-9文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0420014-01
0 前言
风力电场运行情况多样,动态特性复杂,在风电大量并网前,应对其功率特性和潜在风险进行分析;而且风电单机容量小,分布分散,需要采取集群式控制。这在电气设备、保护控制系统的选型和设计上有一定的特殊性,电力设计单位在进行风电设计时需要应尽可能多地详细掌握各类风电电气设备的技术特性。本文在此简要介绍了风力发电机组及其控制系统主要设备的工作原理和技术关键,以期与同行进行交流磋商。
1 风力发电场及其机组控制系统简介
风电场设备包括风机、输变电装置和集中监控系统等。风电场设备常年在野外运行,风向、风速不可控,风电机组承受极为复杂恶劣的交变载荷。又因为风的能量密度小,风电机组需要庞大的机体,因此对风力发电机组材质要求高,设计和制造难度均较大。
风力发电机按发电机驱动方式可分为双馈和直驱两种。国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机,多沿用低速多极永磁发电机,并使用一台全功率变流器将频率变化的风电送入电网,其中电控产品的特点可根据风速改变风轮转速,而保持上网频率不变,提高了风能利用率;还可以调节发电机有功功率、无功功率和功率因数,有利于电网稳定。风力发电机组的主要设计难点在于齿轮箱(仅限于双馈机组)、叶片和电控系统。
双馈电机的结构类似于绕线式感应电机,定子绕组也由具有固定频率的对称三相电源激励,所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励,一般采用交-交变频器或交-直-交变频器供以低频电流。
风力发电机组的电控系统主要包括风力发电变流器,现场控制设备,变桨传动的驱动机构等,主要结构和原理为:
1.1 风力发电变流器。国际先进的兆瓦级变速恒频直驱风力发电系统多沿用低速多极永磁发电机,使用一台全功率变流器,通过交直交变流器将风机发出的变化的电压和频率的电能,经过交直交变流器变为稳定电压和频率的电力馈入电网。是将发电机输出电能通过整流、逆变变换成要求频率的电能(交-直-交方式),然而由于电力变流装置处于主功率通道,其容量一般为发电机容量的1.1～1.3倍。双馈风力发电变流器则是交-交变频器或交-直-交变频器供以低频电流调整交流励磁电流的幅值、频率和相位。通过改变励磁频率,可调节转速。这样在负荷突然变化时,迅速改变电机的转速,充分利用转子的动能,释放和吸收负荷,对电网的扰动远比常规电机小。另外,通过调节转子励磁电流的幅值和相位,可达到调节有功功率和无功功率的目的。
1.2 现场控制设备。现场控制设备主要包含顺序控制,数据采集与通讯,联锁保护三部分。作为顺序控制,其主要包含的功能有:迎风机构的控制、电机各种工况的切换、机组的起动与停机、紧急停机控制、自动并网/解列控制。保护系统主要是传感器和工控机的集成,主要为停机和紧急停机。保护系统具有最高的优先权,它可以进入至少两套刹车系统,一旦超出正常的设定值,保护系统立即动作启动刹车,同时还可以使风机90°侧风。使系统处于安全状态。
2 风力发电机组控制系统的技术关键
2.1 风力发电机变流器。风力发电变流装置采用成熟的电力电子变频技术,可以根据要求进行有功功率、无功功率及频率输出的任意调节,谐波分量低,具有很强的低电压穿越能力以适应电网扰动,并网特性完全满足目前国际上最新风电并网技术标准的要求。
风能的随机性和不确定性使得风力机组所输出的电功率频率、电压均易随风速而变,因此必须对电能品质进行控制和整定。而风力发电系统具有很强的非线性和不确定性,多干扰等特点,所有基于某些有效系统模型的控制也仅适合于某个特定的系统和一定工作周期,因此风力发电系统模型的确定也很困难。
现在采用的直驱风力发电机,由于采用了变速恒频控制技术,不仅节省了无功补偿器,而且还可以捕获更多的风能,并在风能不确定的条件下使发电机输出稳定。其控制主要通过3个部分来实现:
1)发电机侧变流器,其功能主要是利用GTO或IGBT将发电机的出口交流转换成直流输出。2)直流控制器,主要控制直流,使其在要求的电压下运行。3)电网侧变流器,将直流通过逆变变为交流并入电网,并根据系统的需要有效地调整输出的功率因数,去除谐波,提高电能质量。
双馈风力发电机的转速随风速及负荷的变化能及时作出相应的调整,依靠转子动能的变化,吸收或释放功率,减少对电网的扰动。通过变频器控制器对逆变电路中功率器件的控制。可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值、频率及相位角,达到调节其转速、有功功率和无功功率的目的,既提高了机组的效率,又对电网起到稳频、稳压的作用。
风力发电的变流装置的主要关键技术在于:
1)针对风力模型本身的不确定性,采用更优的如非线性控制,鲁棒控制技术,使得风力机组得到更好的特性。2)针对机组和系统的多种特殊情况采取有效的控制应对措施。能够适应复杂恶劣环境的要求。3)在控制策略的设计上采取自诊断,冗余等技术尽可能提高系统可靠性。
2.2 风电场的控制与保护装置。风电场相应的顺序控制、安全联锁保护等机构,作为风电场的控制与保护,大致可以分为以下几个功能模块:连续调节控制、顺序控制(SCS)、数据采集(DAS)、 联锁保护、管理和信息处理。
风电场所采用的风电机组都是以大型并网型机组为主,各机组有自己的控制系统,用来采集自然参数,机组自身数据及状态,通过计算、分析、判断而控制机组的启动、停机、调向、刹车和开启油泵等一系列控制和保护动作,能使单台风力发电机组实现全部自动控制,无需人为干预。当这些性能优良的风电机组安装在某一风电场时,集中监控管理各风电机组的运行数据、状态、保护装置动作情况、故障类型等。为了实现上述功能,下位机(机组控制机)控制系统应能将机组的数据、状态和故障情况等通过专用的通讯装置和接口电路与中央控制室的上位计算机通讯,同时上位机应能向下位机传达控制指令,由下位机的控制系统执行相应的动作,从而实现远程监控功能。
3 结语
风力发电在我国是新兴行业,对改善环境,优化资源配置有着不可或缺的作用。大力发展风电是我国改善能源结构的战略举措。电力设计院应在技术上和工程设计实践上积极探索,熟悉风力发电场电气设备结构以及特殊的运行情况,对风力发电的动态特性具备更多的分析手段,在集散控制系统设计和网架构建、通讯方式等方面随时跟踪最新技术动态,在设计上有新的突破,不断提高风力发电的工程设计水平。
参考文献:
[1]张临肃,微型风力发电机组的功能地位及设计要求[J].内蒙古电力技术,1988年04期.
[2]风力发电机组控制系统关键技术获突破[N].今日信息报,2004年.
[3]秦立学,兆瓦级风力发电机组变桨距系统研究[D].沈阳工业大学,2006年.
关键词: 风力发电;控制;变流器;现场控制
中图分类号:TK-9文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0420014-01
0 前言
风力电场运行情况多样,动态特性复杂,在风电大量并网前,应对其功率特性和潜在风险进行分析;而且风电单机容量小,分布分散,需要采取集群式控制。这在电气设备、保护控制系统的选型和设计上有一定的特殊性,电力设计单位在进行风电设计时需要应尽可能多地详细掌握各类风电电气设备的技术特性。本文在此简要介绍了风力发电机组及其控制系统主要设备的工作原理和技术关键,以期与同行进行交流磋商。
1 风力发电场及其机组控制系统简介
风电场设备包括风机、输变电装置和集中监控系统等。风电场设备常年在野外运行,风向、风速不可控,风电机组承受极为复杂恶劣的交变载荷。又因为风的能量密度小,风电机组需要庞大的机体,因此对风力发电机组材质要求高,设计和制造难度均较大。
风力发电机按发电机驱动方式可分为双馈和直驱两种。国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机,多沿用低速多极永磁发电机,并使用一台全功率变流器将频率变化的风电送入电网,其中电控产品的特点可根据风速改变风轮转速,而保持上网频率不变,提高了风能利用率;还可以调节发电机有功功率、无功功率和功率因数,有利于电网稳定。风力发电机组的主要设计难点在于齿轮箱(仅限于双馈机组)、叶片和电控系统。
双馈电机的结构类似于绕线式感应电机,定子绕组也由具有固定频率的对称三相电源激励,所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励,一般采用交-交变频器或交-直-交变频器供以低频电流。
风力发电机组的电控系统主要包括风力发电变流器,现场控制设备,变桨传动的驱动机构等,主要结构和原理为:
1.1 风力发电变流器。国际先进的兆瓦级变速恒频直驱风力发电系统多沿用低速多极永磁发电机,使用一台全功率变流器,通过交直交变流器将风机发出的变化的电压和频率的电能,经过交直交变流器变为稳定电压和频率的电力馈入电网。是将发电机输出电能通过整流、逆变变换成要求频率的电能(交-直-交方式),然而由于电力变流装置处于主功率通道,其容量一般为发电机容量的1.1～1.3倍。双馈风力发电变流器则是交-交变频器或交-直-交变频器供以低频电流调整交流励磁电流的幅值、频率和相位。通过改变励磁频率,可调节转速。这样在负荷突然变化时,迅速改变电机的转速,充分利用转子的动能,释放和吸收负荷,对电网的扰动远比常规电机小。另外,通过调节转子励磁电流的幅值和相位,可达到调节有功功率和无功功率的目的。
1.2 现场控制设备。现场控制设备主要包含顺序控制,数据采集与通讯,联锁保护三部分。作为顺序控制,其主要包含的功能有:迎风机构的控制、电机各种工况的切换、机组的起动与停机、紧急停机控制、自动并网/解列控制。保护系统主要是传感器和工控机的集成,主要为停机和紧急停机。保护系统具有最高的优先权,它可以进入至少两套刹车系统,一旦超出正常的设定值,保护系统立即动作启动刹车,同时还可以使风机90°侧风。使系统处于安全状态。
2 风力发电机组控制系统的技术关键
2.1 风力发电机变流器。风力发电变流装置采用成熟的电力电子变频技术,可以根据要求进行有功功率、无功功率及频率输出的任意调节,谐波分量低,具有很强的低电压穿越能力以适应电网扰动,并网特性完全满足目前国际上最新风电并网技术标准的要求。
风能的随机性和不确定性使得风力机组所输出的电功率频率、电压均易随风速而变,因此必须对电能品质进行控制和整定。而风力发电系统具有很强的非线性和不确定性,多干扰等特点,所有基于某些有效系统模型的控制也仅适合于某个特定的系统和一定工作周期,因此风力发电系统模型的确定也很困难。
现在采用的直驱风力发电机,由于采用了变速恒频控制技术,不仅节省了无功补偿器,而且还可以捕获更多的风能,并在风能不确定的条件下使发电机输出稳定。其控制主要通过3个部分来实现:
1)发电机侧变流器,其功能主要是利用GTO或IGBT将发电机的出口交流转换成直流输出。2)直流控制器,主要控制直流,使其在要求的电压下运行。3)电网侧变流器,将直流通过逆变变为交流并入电网,并根据系统的需要有效地调整输出的功率因数,去除谐波,提高电能质量。
双馈风力发电机的转速随风速及负荷的变化能及时作出相应的调整,依靠转子动能的变化,吸收或释放功率,减少对电网的扰动。通过变频器控制器对逆变电路中功率器件的控制。可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值、频率及相位角,达到调节其转速、有功功率和无功功率的目的,既提高了机组的效率,又对电网起到稳频、稳压的作用。
风力发电的变流装置的主要关键技术在于:
1)针对风力模型本身的不确定性,采用更优的如非线性控制,鲁棒控制技术,使得风力机组得到更好的特性。2)针对机组和系统的多种特殊情况采取有效的控制应对措施。能够适应复杂恶劣环境的要求。3)在控制策略的设计上采取自诊断,冗余等技术尽可能提高系统可靠性。
2.2 风电场的控制与保护装置。风电场相应的顺序控制、安全联锁保护等机构,作为风电场的控制与保护,大致可以分为以下几个功能模块:连续调节控制、顺序控制(SCS)、数据采集(DAS)、 联锁保护、管理和信息处理。
风电场所采用的风电机组都是以大型并网型机组为主,各机组有自己的控制系统,用来采集自然参数,机组自身数据及状态,通过计算、分析、判断而控制机组的启动、停机、调向、刹车和开启油泵等一系列控制和保护动作,能使单台风力发电机组实现全部自动控制,无需人为干预。当这些性能优良的风电机组安装在某一风电场时,集中监控管理各风电机组的运行数据、状态、保护装置动作情况、故障类型等。为了实现上述功能,下位机(机组控制机)控制系统应能将机组的数据、状态和故障情况等通过专用的通讯装置和接口电路与中央控制室的上位计算机通讯,同时上位机应能向下位机传达控制指令,由下位机的控制系统执行相应的动作,从而实现远程监控功能。
3 结语
风力发电在我国是新兴行业,对改善环境,优化资源配置有着不可或缺的作用。大力发展风电是我国改善能源结构的战略举措。电力设计院应在技术上和工程设计实践上积极探索,熟悉风力发电场电气设备结构以及特殊的运行情况,对风力发电的动态特性具备更多的分析手段,在集散控制系统设计和网架构建、通讯方式等方面随时跟踪最新技术动态,在设计上有新的突破,不断提高风力发电的工程设计水平。
参考文献:
[1]张临肃,微型风力发电机组的功能地位及设计要求[J].内蒙古电力技术,1988年04期.
[2]风力发电机组控制系统关键技术获突破[N].今日信息报,2004年.
[3]秦立学,兆瓦级风力发电机组变桨距系统研究[D].沈阳工业大学,2006年.