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风电原理知识

作者:十大菠菜软件 发布时间:2020-09-21 11:58 点击:

  风电原理知识风力发电机工作原理是:风的动能(即空气的动能)转化成发电机转 子的动能,转子的动能又转化成电能。 风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋 转的速度提升,来促使发电机发电。依据目前的风车技术,大约是每秒三 公尺的微风速度(微风的程度),便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮,因为风力发电没有燃料问题,也 不会产生辐射或空气污染。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行;我国也在西部地区大力提倡。 小型风力发电系统效率很高,但它不是只由一个发电机头组成的,而是一 个有一定科技含量的小系统:风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发 电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要,各部分功能为: 叶片用来接受风力并通过机头转为电能;尾翼使叶片始终对着来风的方向 从而获得最大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功 能;机头的转子是永磁体,定子绕组切割磁力线产生电能。 风力发电机因风量不稳定,故其输出的是 13~25V 变化的交流电,须 经充电器整流,再对蓄电瓶充电,使风力发电机产生的电能变成化学能。 然后用有保护电路的逆变电源,把电瓶里的化学能转变成交流220V 市电, 才能保证稳定使用。 通常人们认为,风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定,总想 选购大一点的风力发电机,而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电 瓶充电,而由电瓶把电能贮存起来,人们最终使用电功率的大小与电瓶大 小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小,而不仅是机头 功率的大小。在内地,小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被 小风量带动而发电,持续不断的小风,会比一时狂风更能供给较大的能量。 当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能,也就是说一台200W 风力发 电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用,获得500W 甚至1000W 乃至更 大的功率出。使用风力发电机,就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市 电,其节约的程度是明显的,一个家庭一年的用电只需20 元电瓶液的代价。 而现在的风力发电机比几年前的性能有很大改进,以前只是在少数边远地 区使用,风力发电机接一个 15W 的灯泡直接用电,一明一暗并会经常损坏 灯泡。而现在由于技术进步,采用先进的充电器、逆变器,风力发电成为 有一定科技含量的小系统,并能在一定条件下代替正常的市电。山区可以 借此系统做一个常年不花钱的路灯;高速公路可用它做夜晚的路标灯;山 区的孩子可以在日光灯下晚自习;城市小高层楼顶也可用风力电机,这不 但节约而且是真正绿色电源。家庭用风力发电机,不但可以防止停电,而 且还能增加生活情趣。在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区, 风力发电机正在成为人们的采购热点。无线电爱好者可用自己的技术在风 力发电方面为山区人民服务,使人们看电视及照明用电与城市同步,也能 使自己劳动致富。 把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电机一般 有风轮、发电机(包括装臵)、调向器(尾翼)、塔架、限速安全机构和储 能装臵等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单,风轮在风力的作用 下旋转,它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下 旋转发电。 风轮是集风装臵,它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转 的机械能。一般风力发电机的风轮由 个叶片构成。在风力发电机中,已采用的发电机有 种,即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。 风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向, 从而能最大限度地获取风能。一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制 风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。 限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设 臵可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。 塔架是风力发电机的支撑机构,稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。风力机的输出功率与风速的大小有关。由于自 然界的风速是极不稳定的,风力发电机的输出功率也极不稳定。风力发电 机发出的电能一般是不能直接用在电器上的,先要储存起来。目前风力发 电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。 风能是最清结、无污染的可再生能源之一。据专家们的测估,全球可 利用的风能资源为200 亿千瓦,约是可利用水力资源的10 倍。如果利用1% 的风能能量,可产生世界现有发电总量 8%~9%的电量。据有关部门预测, 我国可利用风能资源约为 16 亿千瓦,其中有很好利用价值的约为 2.53 千瓦。风力发电有横轴型风力发电机和垂直轴型风力发电机两种。风力发电 装臵一般由风轮、传动系统、发电机、储能设备、控制保护系统和塔架等 组成。它最适宜的风速范围是 米/秒,当然需要有较充足和稳定的风源。通常按团米/秒最大风速设计叶片转速,如果风速超过工作范围时,为 了保护发电机应能自动减速,当风速达到台风般的速度时,叶片则自动停 止运转。当风力机在运行中由于各种原因而甩负荷时,也会由于风叶超速 而自动减速。由于采用了叶顺浆机构或阻力装臵,或是由安装在传动轴上 的紧急制动闸等方式来实现自动保护,风力发电机的单机容量越来越大, 技术水平越来越高,成本越来越低。 世界上风能利用较好、发展较快、技术比较先进的是美国。美国风力 发电机容量占世界风力发电容量的一半左右。在美国加州南部和北部己分 别建设了若干个大型风力发电场,拥有风力发电设备 万台,装机容量约60 万千瓦,年发电量20 亿千瓦〃小时。丹麦、德国、英国、荷兰等国家风 力发电,发展也很迅速。到1994 年底全世界风力发电装机容量就达到约300 万千瓦,年发电量50 亿千瓦〃小时。风力发电正朝着重量轻、效率高、可 靠性高及大型化方向发展。 我国利用风力发电是从 50 年代开始的,到 80 年代初,微型风力发电 技术趋于成熟和稳定。到1994 年底我国在内蒙、新疆及沿海等地推广小型 风力发电机,并已建成13万座。近年来,我国对风力发电也很重视,已选 定在广东、海南、福建、山东、内蒙、新疆等风力资源丰富的地区大力发 展风电。目前,正在制定长远的风力发电规划,国家新能源政策的重点也 是大力发展和加快开发利用风力发电 发电原理:当希土永磁转子在风力推动下旋转相当于定子线圈在磁场 中,受到磁力线切割,定子线圈中要产生感应电动势(也称洛沦兹力),如 果不带负载时只有空载电压无电流产生。当有负载时形成闭合回路才有电 流产生。 相应配套设备有:电压控制器;逆变器;储能电平等。 电压控制器:是以取样电压为标准控制发电电压高低的调整到标准电 逆变器:是以标准电平电压为逆变器输入电压,设标准电压为24V 限电压控制在28V,下限电压控制在20V。在这个范围内逆变器能正常工作,超出范围欠压,超压,保护停机,同时还有过载保护,反接保护等功能。 应用原理IC 电压比较器,驱动器,触发器。 以上谨供你参考不知你是否满意。 现在的风力发电机一般是异步发电机,必须与电网相连才能产生励磁 而发电。早期的风电场采用的是小型恒速风力发电机,它的优点在于并网 研究相对简单,因为感应电机的自然滑动可以轻易的获得很大的阻尼,往 往只需增加少量的额定功率既可产生很好效果;缺点在于它必然受困于电 抗储能与释放能量的延时性同并网的瞬时性之间的矛盾。但目前这个问题 已经得到解决,因为我们总可以通过吸收电抗储能的方法来限制电路中的 电压升高。 但是随着风力发电机中同步发电机的出现,对于如何并网提出了很高 的要求。对此人们提出了大量设计方案,例如在驱动装臵上采用了可拆卸 元件,或是使用弹簧调节器来反应发电机转子和变速箱结构。在适当的功 率下这些装臵可以很有效的发挥作用,使并网成功。值得一提的是,现代 风力发电机组主要采用的就是由此装臵衍生出来的软并网方式,即采用电力电子转换装臵在发电机机轴转速同电力网络频率之间建立一种柔性连 风力发电机和太阳能发电机是有本质区别的。风力发电机是靠将风能转化为机械能,再转化成电能的一种发电方式; 而太阳能发电机是靠将太阳能转变成电能的一种发电方式。 目前商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机,它由风轮、增 速齿轮箱、发电机、偏航装臵、控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作 用是将风能转换为机械能,它由气动性能优异的叶片(目前商业机组一般 个叶片)装在轮毂上所组成,低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速,将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上, 整个机舱由高大的搭架举起,由于风向经常变化,为了有效地利用风能, 必须要有迎风装臵,它根据风向传感器测得的风向信号,由控制器控制偏 航电机,驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动,使机舱始终对风。 而太阳能发电机的太阳能电池板,是太阳能发电系统中的核心部分, 也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换 为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。 完全可以将两者合并使用,作到“优势互补”。 专家提供: 简单的说就是风吹动叶片,叶片转动(齿轮箱增速)带动发电机转动 发电。主要部件包括:叶轮,机舱,塔筒(架)。机舱内主要有:主轴,齿 轮箱,发电机,顶部控制柜,机械刹车,偏航系统。叶轮内:定浆风机一 般简单就是三条液压管,如果是液压变桨也简单就是液压缸+联动控制器。 变桨风机(电机变桨)就多些主要有变桨控制器,变桨电机,备用蓄电池 等。塔筒下面主要是底部控制柜,定浆恒速+4,6 级异步发电机风机的话还 有电容补偿柜,变速变桨恒频+双反馈异步电机的话就多个变频器。 把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电机一般有风轮、发电机(包括装臵)、调向器(尾翼)、塔架、限速安全机构和储 能装臵等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单,风轮在风力的作用 下旋转,它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下 旋转发电。 风轮是集风装臵,它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转 的机械能。一般风力发电机的风轮由 个叶片构成。在风力发电机中,已采用的发电机有 种,即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。 风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向, 从而能最大限度地获取风能。一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制 风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。 限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设 臵可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。 塔架是风力发电机的支撑机构,稍大的风力发电机塔架一般采用由角 钢或圆钢组成的桁架结构。风力机的输出功率与风速的大小有关。由于自 然界的风速是极不稳定的,风力发电机的输出功率也极不稳定。风力发电 机发出的电能一般是不能直接用在电器上的,先要储存起来。目前风力发 电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。 风力发电机的制作需要在风叶轴与发电机转轴间做一组齿轮,用以改 变转速。因为一般风叶轴都比较小,转速也慢。需要装一个大的齿轮盘然 后再接一个小的齿轮盘接到发电机的转子轴上面。转速与齿轮大小比成正 比。这一部分是动力装臵。风力发电机就是利用动能转化成电能的。 然后就是发电机部分啦。现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通 过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量),通过主轴传动链,经过齿 轮箱增速到异步发电机的转速后,通过励磁变流器励磁而将发电机的定子 电能并入电网。如果超过发电机同步转速,转子也处于发电状态,通过变 流器向电网馈电。 最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成,立在一定高度的塔干上,这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有 时无,电压和频率不稳定,没有实际应用价值。为了解决这些问题,现代 风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。 齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500 千瓦的风机通常为12-22 变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分)。同时也使得 发电机易于控制,实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠 面积总是垂直于主风向。要知道,1500 千瓦的风机机舱总重50 多吨,叶轮 30 吨,使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。 风机是有许多转动部件的,机舱在水平面旋转,随时偏航对准风向; 风轮沿水平轴旋转,以便产生动力扭距。对变桨矩风机,组成风轮的叶片 要围绕根部的中心轴旋转,以便适应不同的风况而变桨距。在停机时,叶 片要顺桨,以便形成阻尼刹车。 早期采用液压系统用于调节叶片桨矩(同时作为阻尼、停机、刹车等 状态下使用),现在电变距系统逐步取代液压变距。 就1500 千瓦风机而言,一般在4 米/秒左右的风速自动启动,在13 /秒左右发出额定功率。然后,随着风速的增加,一直控制在额定功率附近发电,直到风速达到25 米/秒时自动停机。 现代风机的设计极限风速为60-70 米/秒,也就是说在这么大的风速下 风机也不会立即破坏。理论上的 12 级飓风,其风速范围也仅为 32.7-36.9 风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制,在稳定的电压和频率下运行,自动地并网和脱网;同时监视齿轮箱、发电机的运行温度, 液压系统的油压,对出现的任何异常进行报警,必要时自动停机,属于无 人值守独立发电系统单元。有成品可以买。发电机的原理同电动机刚好相 反。一个是将电能转成动力。一个是将动力转化成电能。 发电机还是有三种:直流发电机,同步/异步交流发电机!能源行业风力发电势头渐劲,正吸引着电力公用事业、石油生产商和设 备制造商等主要的国际投资者. 商业风力发电兴起始于 20 世纪 90 年代的欧洲,切尔诺贝利灾难发生 后人们反对发展核电,海湾战争爆发后人们对石油供应感到担心,人们认为 北欧更适合发展风力发电。 现在业内分析家认为,常规能源成本骤增以及政治和技术因素对加快 风力发电将产生有利影响.高油价促使人们关注风力发电.尽管利用石油发 电数量很少,但是高油价对天然气和煤等被广泛用来发电的其它燃料价格 有间接的影响.风力发电的发展也得益于各国对降低温室气体排放和减少 其它形式的空气污染的承诺,其中包括《京都议定书》以及欧盟制订的开发 可再生能源的目标。 业内人士认为,利用风力发电的国家越来越多,这个行业正处在“重大 转变时刻”.随着市场的扩大,传统的发电设备厂商,比如日本的三菱重工、 德国的西门子和美国的通用电气,已经开始生产大型的风力发电涡轮机.通 用电气公司认为,风力发电仍将是全球能源工业增长最快的部门.壳牌公司 预期 2050 年可再生能源将满足 1/4 1/3的世界能源需求,其中存在巨大 的商机,风力发电是主要投资领域. 目前世界风力发电功率约为 万兆瓦,其中欧洲为3.4 万兆瓦.欧洲在风力发电领域占主导地位,中国和印度等 亚洲国家风力发电出现积极增长,美国可能成为风力发电的最大市场. 另外风力发电的特点:风力发电环保实用,但就是单个功率不大.现在 技术发展很快相信它很快就能上来了! 大型风电场及风电机组的控制系统 前言随着煤碳、石油等能源的逐渐枯竭,人类越来越重视可再生能源的利 用。而风力发电是可再生能源中最廉价、最有希望的能源,并且是一种不污染环境的“绿色能源”。目前国外数百千瓦级的大型风电机组已经商品化, 兆瓦级的风力发电机组也即将商品化。全世界风电装机总容量已超过 1000 万千瓦,单位千瓦造价为 1000 美元,发电成本为 美分/千瓦时,已经具有与火力发电相竞争的能力。 我国的风能资源丰富,理论储量为 16 kW,实际可利用2.5 kW,有巨大的发展潜力。1995 年初,国家计委、科委、经贸委联合发表了《中 国新能源和可再生能源发展纲要(1996~2010)》。1996 月,国家计委又制定了以国产化带动产业化的风电发展计划,即有名的“乘风计划”,为我 国风力发电技术国产化指明了方向,创造了条件。同时,我国也是利用风 能资源进行风力发电、风力提水较早的国家,到1996 年底,我国小型风力 发电机组保有量达15 万台,年生产能力为3 万台,均居世界首位。 风力发电机组的类型2.1 在风力发电中,当风力发电机组与电网并网时,要求风电的频率与电网的频率保持一致,即保持频率恒定。恒速恒频即在风力发电过程中,保 持风车的转速(也即发电机的转速)不变,从而得到恒频的电能。在风力发 电过程中让风车的转速随风速而变化,而通过其它控制方式来得到恒频电 能的方法称为变速恒频。 2.2 两种类型机组的性能比较 由于风能与风速的三次方成正比,当风速在一定范围变化时,如果允 许风车做变速运动,则能达到更好利用风能的目的。风车将风能转换成机 械能的效率可用输出功率系数CP来表示,CP在某一确定的风轮周速比λ(桨 叶尖速度与风速之比)下达到最大值。恒速恒频机组的风车转速保持不变, 而风速又经常在变化,显然CP 不可能保持在最佳值。变速恒频机组的特点 是风车和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。由 于风车的转速可变,可以通过适当的控制,使风车的周速比处于或接近最 10 佳值,从而最大限度地利用风能发电。 2.3 恒速恒频机组的特点 目前,在风力发电系统中采用最多的异步发电机属于恒速恒频发电机 组。为了适应大小风速的要求,一般采用两台不同容量、不同极数的异步 发电机,风速低时用小容量发电机发电,风速高时则用大容量发电机发电, 同时一般通过变桨距系统改变桨叶的攻角以调整输出功率。但这也只能使 异步发电机在两个风速下具有较佳的输出系数,无法有效地利用不同风速 时的风能。 2.4 变速恒频系统的实现 可用于风力发电的变速恒频系统有多种:如交一直一交变频系统,交流 励磁发电机系统,无刷双馈电机系统,开关磁阻发电机系统,磁场调制发 电机系统,同步异步变速恒频发电机系统等。这种变速恒频系统有的是通 过改造发电机本身结构而实现变速恒频的;有的则是发电机与电力电子装 臵、微机控制系统相结合而实现变速恒频的。它们各有其特点,适用场合 也不一样。为了充分利用不同风速时的风能,应该对各种变速恒频技术做 深入的研究,尽快开发出实用的,适合于风力发电的变速恒频技术。 恒速恒频风电机组的控制3.1 风电机组的软启动并网 在风电机组启动时,控制系统对风速的变化情况进行不间断的检测, 当10 分钟平均风速大于起动风速时,控制风电机组作好切入电网的一切准 备工作:松开机械刹车,收回叶尖阻尼板,风轮处于迎风方向。控制系统不 间断地检测各传感器信号是否正常,如液压系统压力是否正常,风向是否 偏离,电网参数是否正常等。如10 分钟平均风速仍大于起动风速,则检测 风轮是否已开始转动,并开启晶闸管限流软起动装臵快速起动风轮机,并 对起动电流进行控制,使其不超过最大限定值。异步风力发电机在起动时, 11 由于其转速很小,切入电网时其转差率很大,因而会产生相当于发电机额 定电流的5~7 倍的冲击电流,这个电流不仅对电网造成很大的冲击,也会 影响风电机组的寿命。因此在风电机组并网过程中采取限流软起动技术, 以控制起动电流。当发电机达到同步转速时电流骤然下降,控制器发出指 令,将晶闸管旁路。晶闸管旁路后,限流软起动控制器自动复位,等待下 一次起动信号。这个起动过程约 40S 左右,若超过这个时间,被认为是起 动失败,发电机将被切出电网,控制器根据检测信号,确定机组是否重新 起动。 异步风电机组也可在起动时转速低于同步速时不并网,等接近或达到 同步速时再切入电网,则可避免冲击电流,也可省掉晶闸管限流软启动器。 3.2 大小发电机的切换控制 在风电机组运行过程中,因风速的变化而引起发电机的输出功率发生 变化时,控制系统应能根据发电机输出功率的变化对大小发电机进行自动 切换,从而提高风电机组的效率。具体控制方法为: 小发电机向大发电机的切换在小发电机并网发电期间,控制系统对其输出功率进行检测,若 钟内瞬时功率超过小发电机额定功率的20%,或2分钟内的平均功率大于某 一定值时,则实现小发电机向大发电机的切换。切换过程为:首先切除补偿 电容,然后小发电机脱网,等风轮自由转动到一定速度后,再实现大发电 机的软并网;若在切换过程中风速突然变小,使风轮转速反而降低的情况 下,应再将小发电机软并网,重新实现小发电机并网运行。 大发电机向小发电机的切换检测大发电机的输出功率,若2 分钟内平均功率小于某一设定值(此值 应小于小发电机的额定功率)时,或50S 瞬时功率小于另一更小的设定值时, 立即切换到小发电机运行。切换过程为:切除大发电机的补偿电容器,脱网, 然后小发电机软并网,计时20S,测量小发电机的转速,若20S 后未达到小 发电机的同步转速,则停机,控制系统复位,重新起动。若 20S 内转速已 12 达到小发电机旁路转速则旁路晶闸管软起动装臵,再根据系统无功功率情 况投入补偿电容器。 3.3 变桨距控制方式及其改进 风力发电机并网以后,控制系统根据风速的变化,通过桨距调节机构, 改变桨叶攻角以调整输出电功率,更有效地利用风能。在额定风速以下时, 此时叶片攻角在零度附近,可认为等同于定桨距风力发电机,发电机的输 出功率随风速的变化而变化。当风速达到额定风速以上时,变桨距机构发 挥作用,调整叶片的攻角,保证发电机的输出功率在允许的范围内。 但是,由于自然界的风力变幻莫测。风速总是处在不断地变化之中, 而风能与风速之间成三次方的关系,风速的较小变化都将造成风能的较大 变化,导致风力发电机的输出功率处于不断变化的状态。对于变桨距风力 发电机,当风速高于额定风速后,变桨距机构为了限制发电机输出功率, 将调节桨距,以调节输出功率。如果风速变化幅度大,频率高,将导致变 桨距机构频繁大幅度动作,使变桨距机构容易损坏;同时,变桨距机构控制 的叶片桨距为大惯量系统,存在较大的滞后时间,桨距调节的滞后也将造 成发电机输出功率的较大波动,对电网造成一定的不良影响。 为了减小变桨距调节方式对电网的不良影响,可采用一种新的功率辅 助调节方式-RCC(Rotor Current Control 转子电流控制)方式来配合变桨距 机构,共同完成发电机输出功率的调节。RCC 控制必须使用在线绕式异步发 电机上,通过电力电子装臵,控制发电机的转子电流,使普通异步发电机 成为可变滑差发电机。RCC 控制是一种快速电气控制方式,用于克服风速的 快速变化。采用了 RCC 控制的变桨距风力发电机,变桨距机构主要用于风 速缓慢上升或下降的情况,通过调整叶片攻角,调节输出功率;RCC 控制单 元则应用于风速变化较快的情况,当风速突然发生变化时,RCC 单元调节发 电机的滑差,使发电机的转速可在一定范围内变化,同时保持转子电流不 变,发电机的输出功率也就保持不变。 13 3.4 无功补偿控制 由于异步发电机要从电网吸收无功功率,使风电机组的功率因数降低。 并网运行的风力发电机组一般要求其功率因数达到0.99 以上,所以必须用 电容器组进行无功补偿。由于风速变化的随机性,在达到额定功率前,发 电机的输出功率大小是随机变化的,因此对补偿电容的投入与切除需要进 行控制。在控制系统中设有四组容量不同的补偿电容,计算机根据输出无 功功率的变化,控制补偿电容器分段投入或切除。保证在半功率点的功率 因数达到0.99 以上。 3.5 偏航与自动解缆控制 偏航控制系统有三个主要功能: 正常运行时自动对风。当机舱偏离风向一定角度时,控制系统发出向左或向右调向的指令,机舱开始对风,直到达到允许的误差范围内, 自动对风停止。 绕缆时自动解缆。当机舱向同一方向累计偏转2.3 圈后,若此时 风速小于风电机组启动风速且无功率输出,则停机,控制系统使机舱反方 向旋转 2.3 圈解绕;若此时机组有功率输出,则暂不自动解绕;若机舱继续 向同一方向偏转累计达3 圈时,则控制停机,解绕;若因故障自动解绕未成 圈时,扭缆机械开关将动作,此时报告扭缆故障,自动停机,等待人工解缆操作。 失速保护时偏离风向。当有特大强风发生时,停机,释放叶尖阻尼板,桨距调到最大,偏航90o 背风,以保护风轮免受损坏。 3.6 停车控制 停机过程分为正常停机和紧急停机。 正常停机当控制器发出正常停机指令后,风电机组将按下列程序停机: 14 若出现刹车故障则收桨,机舱偏航900背风。 紧急故障停机当出现紧急停机故障时,执行如下停机操作:首先切除补偿电容器,叶 尖阻尼板动作,延时 0.3 秒后卡钳闸动作。检测瞬时功率为负或发电机转 速小于同步速时,发电机解列(脱网),若制动时间超过20S,转速仍未降到 某设定值,则收桨,机舱偏航900 背风。 停机如果是由于外部原因,例如风速过小或过大,或因电网故障,风 电机组停机后将自动处于待机状态;如果是由于机组内部故障,控制器需要 得到已修复指令,才能进入待机状态。 变速恒频发电机组的控制4.1 同步发电机交一直一交系统的控制 这种类型的风电机组采用同步发电机,发电机发出的电能的频率、电 压、电功率都是随着风速的变化而变化的,这样有利于最大限度地利用风 能资源,而恒频恒压并网的任务则由交一直一交系统完成。 风轮机的控制风轮机的起动、控制、保护功能基本上与恒速恒频机组相似,所不同 的是这类机组一般采用定桨距风轮,因此省去了变桨距控制机构。 发电机的控制发电机的输出功率由励磁来控制。当输出功率小于额定功率时,以固 定励磁运行;当输出功率超过额定功率时,则通过调整励磁来调整发电机的 输出功率在允许的安全范围内运行。励磁的调整是由控制器调整励磁系统 晶闸管的导通角来实现的。 交-直-交变频系统的控制15 这里的变频器的概念与普通变频器的概念是不一样的。普通变频器是 将电压和频率固定的市电(220/380V,50Hz),变成频率和电压都可变的电 源,以适应各种用电器的需要,如果用于变频调速系统,则电压和频率根 据负载的要求不断地改变。相反,这里的变频器则是将风力发电机发出的 电压和频率都在不断改变的电能,变成频率和电压都稳定(220/380V,50Hz) 的电能,以便与电网的电压及频率相匹配,而使风电机组能并网运行。 所谓的“交-直-交”变频,是变频方式的一种,是将一种频率和电压 的交流电整流成直流电,再通过微机控制电力电子器件,将直流电再逆变 成某种频率和电压的交流电的变频方式。 风力发电机发出的三相交流电,经二极管三相全桥整流成直流电后, 再由六只绝缘栅双极型电力晶体管(IGBT),在控制和驱动电路的控制下, 逆变成三相交流电并入电网。逆变器的控制一般采用 SPWM-VVVF 方式,即 正弦波脉宽调制式变压变频方式。采用交-直-交系 统的变频装臵的容量较大,一般要选发电机额定功率的120%以上。 4.2 双馈发电机的控制 目前的风电机组多采用恒速恒频系统,发电机多采用同步电机或异步 感应电机。在风电机组向恒频电网送电时,不需要调速,因为电网频率将 强迫控制风轮的转速。在这种情况下,风力机在不同风速下维持或近似维 持同一转速。效率下降,被迫降低出力,甚至停机,这显然是不可取的。 与之不同的是,无论处于亚同步速或超同步速的双馈发电机都可以在不同 的风速下运行,其转速可随风速变化做相应的调整,使风力机的运行始终 处于最佳状态,机组效率提高。同时,定子输出功率的电压和频率却可以 维持不变,既可以调节电网的功率因数,又可以提高系统的稳定性。 双馈电机的工作特性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。 16 当双馈电机定子对称三相绕组由频率为 f1(f1=P•n1/60)的三相电源供 电时,由于电机转子的转速n=(l-s)n1(s 为转差率,n1 为气隙中基波旋转 磁场的同步速率)。为了实现稳定的机电能量转换,定子磁场与转子磁场应 保持相对静止,即应满足: 其中:ωR是转子旋转角频率; 是转子电流形成的旋转磁场的角频率。由此可得转子供电频率f2=S•f1,此时定转子旋转磁场均以同步速n1 旋转,两者保持相对静止。 与同步电机相比,双馈电机励磁可调量有三个:一是与同步电机一样, 可以调节励磁电流的幅值;二是可以改变励磁电流的频率;三是可以改变励 磁电流的相位。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。而同步电机的可调量只有一个,即励 磁电流的幅值,所以调节同步电机的励磁一般只能对无功功率进行补偿。 与之不同的是双馈电机的励磁除了可以调节电流幅值外,亦可以调节其相 位,当转子电流的相位改变时,由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的 位臵就产生一个位移,改变了双馈电机电势与电网电压向量的相对位臵, 也就改变了电机的功率角。所以双馈电机不仅可调节无功功率,也可调节 有功功率。一般来说,当电机吸收电网的无功功率时,往往功率角变大, 使电机的稳定性下降。而双馈电机却可通过调节励磁电流的相位,减小机 组的功率角,使机组运行的稳定性提高,从而可多吸收无功功率,克服由 于晚间负荷下降,电网电压过高的困难。与之相比,异步发电机却因需从 电网吸收无功的励磁电流,与电网并列运行后,造成电网的功率因数变坏。 所以双馈电机较同步电机和异步电机都有着更加优越的运行性能。 风力发电中双馈电机的控制17 在风力发电中,由于风速变幻莫测,使对其的利用存在一定的困难。 所以改善风力发电技术,提高风力发电机组的效率,最充分地利用风能资 源,有着十分重要的意义。任何一个风力发电机组都包括作为原动机的风 力机和将机械能转变为电能的发电机。其中,作为原动机的风力机,其效 率在很大程度上决定了整个风力发电机组的效率,而风力机的效率又在很 大程度上取决于其负荷是否处于最佳状态。不管一个风力机是如何精细地 设计和施工建造,若它处于过载或久载的状态下,都会损失其效率。从风 力机的气动曲线可以看出,存在一个最佳周速比λ,对应一个最佳的效率。 所以风力发电机的最佳控制是维持最佳周速比λ。另外,由于要考虑电网 对有功功率和无功功率的要求,所以风力机最佳工况时的转速应由其气动 曲线及电网的功率指令综合得出。也就是说,风力发电机的转速随风速及 负荷的变化应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。图 是按这种控制思路得出的风力发电双馈电机控制系统框图。 整个控制系统可分为三个单元:转速调整单元、有功功率调整单元、电 压调整单元(无功功率调整)。它们分别接受风速和转速、有功功率、无功 功率指令,并产生一个综合信号,送给励磁控制装臵,改变励磁电流的幅 值、频率与相位角,以满足系统的要求。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;无风时,也可作抑制电网频率 和电压波动的补偿装臵。 双馈风力发电机组应用前景广阔综上所述,将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。另外,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、稳频的作用,提高发电质量。与同步机交一直一 交系统相比,还有变频装臵容量小(一般为发电机额定容量的10~20%)、重 18 量轻的优点,更适合于风力发电机组使用,同时也降低了造价。 将双馈电机应用于风力发电的设想,不仅在理论上成立,在技术上也 是可行的。与现有的风力发电技术相比,无论从经济性,还是可靠性来看, 都具有无可替代的优势,具有很强的竞争力,有利于风电机组国产化的进 程,其发展前景十分广阔。 大型风电场的计算机监控系统风力发电技术的发展将带动大型风电场的建设。以大型风力发电机组 组成的大型风电场,可为电网提供可再生的绿色能源,也可解决边远地区 的能源供应紧张形势,大型风电场的运行管理己提上议事日程。目前,我 国各大风电场在引进国外风力发电机组的同时,一般也都配有相应的监控 系统。但各有自己的设计思路,致使风电场监控技术互不兼容。如果一个 风电场中有多种机型的风电机组的话,就会给风电场的运行管理造成很大 困难。因此,国家计委在“九五”科技攻关计划中实施对大型风电机组进 行攻关的同时,也把风电场的监控系统列入攻关计划,以期开发出适合我 国风电场运行管理的监控系统。本文在对目前国内几个风电场监控系统进 行调研分析的基础上,提出我们的总体设计思路。 5.1 通讯方式 目前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、保护装臵动作情况、故障类型等,十分重要。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臵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 19 应的动作,从而实现远程监控功能。根据风电场运行的实际情况,上、下 位机通讯有如下特点: 上、下位机之间的通讯软件必须协调一致,并应开发出工业控制专用功能。 为了适应远距离通讯的需要,目前国内风电场所引进的监控系统主要 采用如下两种通讯方式: 异步串行通讯,用RS-422 RS-485通讯接口。它的传输距离可 达数千公里,传输速度也可达数百万位。由于所用传输线较少,所以成本 较低,很适合风电场监控系统采用。同时因为此种通讯方式的通讯协议比 较简单,也很常用,所以成为较远距离通讯的首选方式。 调制解调器(MODEM)方式。这是将数字信号调制成一种模拟信号,通过介质传输到远方,在远方再用解调器将信号恢复,取出信息进行处理, 是一种实现远距离信号传输的方式。此种传输方式的传输距离不受限制, 可以将某地的信息与世界各地交换,且抗干扰能力较强,可靠性高,虽相 对说来成本较高,但在风电机组通讯中也有较多的应用。 5.2 上、下位机通讯接口的设计 上位机通讯接口的设计在工业现场控制应用中,通常采用工控 PC 机作为上位计算机,通过 RS-232 串行口与下位机通讯,构成集散式监控系统。但是,采用RS-232 行口进行数据通讯,其缺点是带负载能力差,仅用于近距离(15m以内)通讯, 无法满足分散的、远距离的风电场监控的通讯要求。无论是采用异步串行 通讯方式还是调制解调方式,均要在 PC RS-232串行口的基础上进行适 当的改进与扩展。 20 RS-232 的电气接口是单端的,双极性电源供电系统,这种电路无法区 分由驱动电路产生的有用信号和外部引入的干扰信号,使传输速率和传输 距离都受到限制;RS-422 则采用平衡驱动和差分接收的方法,从根本上消 除信号地线。当干扰信号作为共模信号出现时,接收器只接收差分输入电 压,因而这种电路保证了较长的传输距离和较高的传输速率。两者之间可 用异步通讯用RS-232/422 转换接口板转换。 下位机通讯接口的设计监控系统的下位机是指各风电机组的中心控制器。对于每台风力发电 机组来说,即使没有上位机的参与,也能安全正确地工作。所以相对于整 个监控系统来说,下位机控制系统是一个子系统,具有在各种异常工况下 单独处理风电机组故障,保证风电机组安全稳定运行的能力。从整个风电 场的运行管理来说,每台风电机组的下位控制器都应具有与上位机进行数 据交换的功能,使上位机能随时了解下位机的运行状态并对其进行常规的 管理性控制,为风电场的管理提供方便。因此,下位机控制器必须使各自 的风力发电机组可靠地工作,同时具有与上位机通讯联系的专用通讯接口。 可编程控制器(PLC)具有功能齐全,可靠性高和编程方便的特点,在工 业控制领域受到广泛的欢迎。尤其是近年来,为了适应现场控制要求及集 散控制的要求,国外的 PLC 厂家纷纷推出与各自 PLC 相配套的通讯模块, 这些模块提供了 RS232/422 适配器或 RS-232 接口与 PC 机之间实现数据通 讯,并有专门的编程软件,使软件开发更加方便。因而,采用可编程控制 器(PLC)作为风力发电机组的下位控制器,完全可以满足风力发电机组控制 和风电场监控的要求。 5.3 抗干扰措施 风电场监控系统的主要干扰源是: 高频干扰:微波通讯、无线 这些干扰通过直接辐射或由某些电气回路传导进入的方式进入控制系 统,干扰控制系统工作的稳定性。从干扰的种类来看,可分为交变脉冲干 扰和单脉冲干扰两种,它们均以电或磁的形式干扰系统,从而抗干扰措施 应从以下几方面着手: 在机箱、控制柜的结构上:对于上位机来说,要求机箱能有效地防止来自空间辐射的电磁干扰,而且尽可能将所有的电路、电子器件均安装 于机箱内。还应防止由电源进入的干扰,所以应加入电源滤波环节,同时 要求机箱有良好的接地和机房内有良好的接地装臵。 通讯线路上:信号传输线路要求有较好的信号传输功能,衰减较小,而且不受外界电磁场的干扰,所以应该使用屏蔽电缆。 通讯方式及电路上:不同的通讯方式对干扰的抵御能力不同。一般说来,风电场中上、下位机之间的距离不会超过几千米,这种情况下经常 采用串行异步通讯方式,其接口形式采用 RS-422A 接口电路,采用平衡驱 动、差分接收的方法,从根本上消除信号地线。这种驱动器相当于两个单 端驱动电路,输入相同信号,输出一个正向信号和一个反向信号,对共模 干扰有较好的抑制作用。RS-422A 串行通讯接口电路适合于点对点、一点对 多点、多点对多点的总线型或星型网络,它的发送和接收是分开的,所以

  资料讲解了风力发电的原理、优势、前景。对风力发电机的每个部分、风力发电的每个环节都进行了详细论述。

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