【文章內(nèi)容簡介】 項復雜的過程，涉及的問題很多，如風速變化、轉速變化、溫度變化、振動都將直接威脅風力發(fā)電機組的安全運行，以下是控制和安全保護裝置組成圖。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 8 雷 電 安 全 保 護接 地 保 護微 控 制 器 抗 干 擾 保 護電 器 接 地 保 護緊 急 故 障 安 全 鏈 保 護運 行 安 全 保 護 圖 22 控制和安全保護裝置組成圖 風力發(fā)電機組的正常運行及安全性取決于先進的控制策略和保護功能，控制策略應以主動和被動的方式控制機組的運行，使機組運行在安全允許的規(guī)定范圍內(nèi)，并且各項參數(shù)保持在正常工作范圍內(nèi)。 控制和安全保護裝置的控制要求 控制裝置保持風力發(fā)電機組安全可靠運行，同時高質量地將不斷變化的風能轉化為頻率、電壓恒定的交流電送入電網(wǎng)。采用計算機控制技術實現(xiàn)對風力發(fā)電機組的運行參數(shù)和狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理，完成機組的最佳運行狀態(tài)管理和控制。大于開機風速并且轉速達到并網(wǎng)轉速的條件下，風力發(fā)電機組能軟切入自動并網(wǎng)，保證電流沖擊小于額定電流。具體形式的控制過程如下： （ 1） 開機并網(wǎng)控制 ： 當風速 10min 平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)，機械閘松開葉尖復位，風力作用于風輪上，發(fā)電機慢慢起動。當發(fā)電機轉速大于 20%的 額定轉速持續(xù) 5min，發(fā)電機進入軟并網(wǎng)拖動狀態(tài)。當發(fā)電機轉速升到同步轉速時，旁路主接觸器動作，機組并入電網(wǎng)運行。 （ 2） 小風脫網(wǎng) ： 當風速 10min 平均值小于脫網(wǎng)風速或發(fā)電機輸出功率為負值時，風力發(fā)電機必須脫網(wǎng)，處于自由狀態(tài)。風電機組靠自身的摩擦力緩慢停機，進入待風狀態(tài)。當風速再次上升達到并網(wǎng)轉速時，風電機組又投入運行。 850kW 風力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設計 9 （ 3） 普通故障脫網(wǎng)停機 ： 機組運行時發(fā)生參數(shù)越限、狀態(tài)異常后，風力發(fā)電機進入停機程序，機組投入氣動剎車，軟脫網(wǎng)。故障消除后計算機可自行恢復正常開機。 （ 4） 大風脫網(wǎng)控制 ： 當風速 10min 平均值 大于 25m/s 時，風力發(fā)電機組會出現(xiàn)超速和過載，為使機組安全，這時必須對機組進行大風脫網(wǎng)停機。機組先起動氣動剎車，同時偏航 90176。等功率下降后脫網(wǎng)。 （ 5） 對風控制 ： 風力發(fā)電機組運行在工作區(qū)時，應根據(jù)機艙的控制靈敏度，確定每次偏航的調整角度。 （ 6） 功率調節(jié)控制 ： 當風力發(fā)電機組在額定風速以上并網(wǎng)運行時，對于失速型風力發(fā)電機組由于葉片的失速特性，發(fā)電機的功率不會超過額定值的 15%。 （ 7） 軟切入控制 ： 風電機組在進行并網(wǎng)和脫網(wǎng)時，必須進行軟切入控制，通過大功率晶閘管和有關控制電路組成。 控制和安全保護 裝置的保護功能 保護功能是保持風電機組安全運行，保證機組的所有監(jiān)控參數(shù)在正常允許的范圍內(nèi)，一旦超過極限并出現(xiàn)危險情況時，應能自動處理并安全停機。當風速達到停機風速時，風力發(fā)電機組應葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機械閘停機，而且在脫網(wǎng)時，風力發(fā)電機組偏航 90176。為了避免小風速時發(fā)生頻繁開、停機現(xiàn)象，并網(wǎng)后 10min 內(nèi)風電機組不能按風速自動停機。同樣，在小風速自動脫網(wǎng)停機后， 5min 內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。具體形式的保護功能如下 ： （ 1） 主電路保護功能 ： 在變壓器低壓側進線處設置配電低壓斷路器，以實現(xiàn)變壓器電氣元件的維護操作安全和短 路過載保護。同樣，在發(fā)電機三相電纜線入口處，裝設自動空氣開關斷路器，用來實現(xiàn)發(fā)電機的過流及短路保護。 （ 2） 熱繼電保護功能 ： 實現(xiàn)機組運行中所有運轉裝置如發(fā)電機、電動機和各傳動機構的過熱保護功能。 （ 3） 接地保護功能 ： 對由于設備絕緣破壞或其他原因引起出現(xiàn)危險電壓的金屬部分實現(xiàn)保護。 風力發(fā)電機組的并網(wǎng)控制 在風力發(fā)電中，當風力發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻即在風力發(fā)電過程中，保持風車的轉速 (即發(fā)電機的轉速 )不變，從而得到恒頻的電能。由于風能與風速的三 次方成正比，當風速在一定范圍內(nèi)變化時，如果允許風車做變速運動，則能達到更好利用風能的目的。風車將風能轉換成機械能的效率可用輸出功率系數(shù) C 來表示， C 在某一確定的風輪周速比 k(槳葉尖速度與風速之比 )下達到最大值。恒速恒頻機組的風車轉速保持不變，而風速又經(jīng)常變化，顯然 C 不可能保持最佳值。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 10 為了適應大、小風速的要求，一般采用兩臺不同容量、不同極數(shù)的發(fā)電機，風速低時用小容量發(fā)電機發(fā)電，風速高時則用大容量發(fā)電機發(fā)電，同時一般通過變槳距系統(tǒng)改變槳葉的攻角以調整輸出功率。但這也只能使發(fā)電機在兩個風速下具有較佳的輸出 系數(shù)，而無法有效地利用不同風速時的風能。 恒速恒頻風電機組控制 風電機組的軟啟動并網(wǎng)是在風電機組啟動時，控制系統(tǒng)對風速的變化情況進行不間斷的檢測，當 10min 平均風速大于起動風速時，控制風電機組會做好切人電網(wǎng)的一切準備工作，松開機械剎車，收回葉尖阻尼板，風輪處于迎風方向?？刂葡到y(tǒng)不間斷地檢測各傳感器信號是否正常，如液壓系統(tǒng)壓力是否正常，風向是否偏離，電網(wǎng)參數(shù)是否正常等。如 10min 平均風速仍大于起動風速，則檢測風輪是否已開始轉動，并開啟晶閘管限流軟起動裝置快速起動風輪機，并對起動電流進行控 制，使其不超過最大限定值。 并網(wǎng)過程中，電流一般被限制在大發(fā)電機額定電流以下，如超出額定電流時間持續(xù)，可以斷定晶閘管故障，需要安全停機。由于并網(wǎng)過程是在轉速達到同步轉速附近進行的，這時轉差不大，沖擊電流較小，主要是勵磁涌流的存在，持續(xù) 3040ms。因此無需根據(jù)電流反饋調整導通角。晶閘管按照 0176。， 15176。， 30176。， 45176。 ， 60176。 ， 75176。， 90176。，180176。導通角依次變化，可保證起動電流在額定電流以下。晶閘管導通角由 0176。大到 180176。完全導通，時間一般不超過 6s，否則被認為故障。晶閘管完全導通 1s 后 ，旁路接觸器吸合，發(fā)出吸合命令 1s 內(nèi)應收到旁路反饋信號，否則旁路投入失敗，正常停機。在此期間，晶閘管仍然完全導通，收到旁路反饋信號后，停止觸發(fā)，風力發(fā)電機組進入正常運行。 變速恒頻風電機組控制 [5] 在風力發(fā)電過程中，讓風車的轉速隨風速而變化，再通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法，被稱之為變速恒頻。變速恒頻機組的特點是風車和發(fā)電機的轉速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風車的轉速可變，可以通過適當?shù)目刂?，使風車的周速比處于或接近最佳值，從而最大限度地利用風能發(fā)電。 由于自然 界的風力變幻莫測，風速總是處在不斷地變化之中，而風能與風速之間成三次方的關系，風速的較小變化都將造成風能的較大變化，導致風力發(fā)電機的輸出功率處于不斷變化的狀態(tài)。對于變槳距風力發(fā)電機，當風速高于額定風速后，變槳距機構為了限制發(fā)電機輸出功率，將調節(jié)槳距，以調節(jié)輸出功率。如果風速變化幅度大，頻率高，將導致變槳距機構頻繁大幅度動作，容易使變槳距機構損壞；同時，變槳距機構控制的葉片槳距為大慣量系統(tǒng)，存在較大的滯后時間，槳距調節(jié)的滯后也將造成發(fā)電機輸出功率的較大波動，對電網(wǎng)造成一定的不良影響。 為了減小變槳距調 節(jié)方式對電網(wǎng)的不良影響，可采用一種新的功率輔助調節(jié)方式850kW 風力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設計 11 轉子電流控制 RCC(Rotor Current Control)方式來配合變槳距機構，共同完成發(fā)電機輸出功率的調節(jié)。 RCC 控制必須在線繞式異步發(fā)電機上使用，通過電力電子裝置，控制發(fā)電機的轉子電流，使普通異步發(fā)電機成為可變滑差發(fā)電機。 RCC 控制是一種快速電氣控制方式，用于克服風速的快速變化。采用了 RCC 控制的變槳距風力發(fā)電機，變槳距機構主要用于風速緩慢上升或下降時，通過調整葉片攻角，調節(jié)輸出功率。 RCC控制單元則應用于風速變化較快或風速突然發(fā)生變化 時調節(jié)發(fā)電機的滑差，使發(fā)電機的轉速在一定范圍內(nèi)變化，同時保持轉子電流不變，也使發(fā)電機的輸出功率保持不變。 并網(wǎng)運行中大、小發(fā)電機的切換控制 在風電機組運行過程中，因風速的變化而引起發(fā)電機的輸出功率發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)應能根據(jù)發(fā)電機輸出功率的變化對大、小發(fā)電機進行自動切換，從而提高風電機組的效率。具體控制方法如下 ： （ 1）從小發(fā)電機向大發(fā)電機切換 在小發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電期間，控制系統(tǒng)對其輸出功率進行檢測，若 1s 內(nèi)瞬時功率超過小發(fā)電機額定功率的 20%，或 2min 內(nèi)的平均功率大于某一定值時，則 進行小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換。切換過程為 :首先切除補償電容，然后小發(fā)電機脫網(wǎng)，等風輪自由轉動到一定速度后，再實現(xiàn)大發(fā)電機的軟并網(wǎng)；若在切換過程中風速突然變小，使風輪轉速降低的情況下，應再將小發(fā)電機軟并網(wǎng)，重新實現(xiàn)小發(fā)電機的并網(wǎng)運行。為提高發(fā)電機運行效率，風力發(fā)電機采用雙速發(fā)電機。低風速時，小發(fā)電機工作，高風速時，大發(fā)電機工作。小發(fā)電機為 6 極繞組，同步轉速為 1000r/min，大發(fā)電機為 4 極繞組，同步轉速 1500r/min 小發(fā)電機向大發(fā)電機切換的控制，一般以平均功率或瞬時功率參數(shù)為預置切換點。例如 NEGMIicon 750kW機組以 10min平均功率達到某一預置值 P1 或 4min平均功率達到預置值 P2 為切換依據(jù)。采用瞬時功率參數(shù)時，一般以 5min 內(nèi)測量的功率值全部大于某一預置值 P1，或 lmin 內(nèi)的功率全部大于預置 P2 值作為切換的依據(jù)。執(zhí)行小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換時，首先斷開小發(fā)電機接觸器，再斷開旁路接觸器。此時，發(fā)電機脫網(wǎng)，風力將帶動發(fā)電機轉速迅速上升，在到達同步轉速 1500r/min 附近時，再次執(zhí)行大小發(fā)電機的軟并網(wǎng)程序。 （ 2）從大發(fā)電機向小發(fā)電機切換 檢測大發(fā)電機的輸出功率，若 2min 內(nèi)平均功率小于 某一設定值 (此值應小于小發(fā)電機的額定功率 )時，或 50 秒瞬時功率小于另一更小的設定值時，立即切換到小發(fā)電機運行。切換過程為 :切除大發(fā)電機的補償電容器，脫網(wǎng)，然后小發(fā)電機軟并網(wǎng)，計時 20 秒，測量小發(fā)電機的轉速，若 20 秒后未達到小發(fā)電機的同步轉速，則停機，控制系統(tǒng)復位，重新起動；若 20 秒內(nèi)轉速己達到小發(fā)電機旁路轉速則起動旁路晶閘管軟起動裝置，再根據(jù)系統(tǒng)無功功率情況投入補償電容器。大發(fā)電機向小發(fā)電機的切換當發(fā)電機功率持續(xù)l0min 內(nèi)低于預置值 P3 時，或 10min 內(nèi)平均功率低于預置值 P4 時，將執(zhí)行大發(fā)電機向陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 12 小發(fā)電機的 切換。首先斷開大發(fā)電機接觸器，再斷開旁路接觸器。由于發(fā)電機在此之前仍處于出力狀態(tài)，轉速在 1500r/min 以上，脫網(wǎng)后轉速將進一步上升。由于存在過速保護和計算機超速檢測，因此，應迅速投入小發(fā)電機接觸器，執(zhí)行軟并網(wǎng)，由電網(wǎng)負荷將發(fā)電機轉速拖到小發(fā)電機額定轉速附近。只要轉速不超過超速保護的設定值，就允許執(zhí)行小發(fā)電機軟并網(wǎng)。由于風力機是一個巨大的慣性體，當它轉速降低時要釋放出巨大的能量，這些能量在過渡過程中將全部加在小發(fā)電機軸上而轉換成電能，這就必然使過渡過程延長。為了使切換過程得以安全、順利地進行，可以考慮在大 發(fā)電機切出電網(wǎng)的同時釋放葉尖擾流器，使轉速下降到小發(fā)電機并網(wǎng)預置點以下，再由液壓系統(tǒng)收回葉尖擾流器。稍后，發(fā)電機轉速上升，重新切人電網(wǎng)。 850kW 風力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設計 13 3 同步發(fā)電機和逆變器 同步發(fā)電機 [10] 同步發(fā)電機的基本結構 同步發(fā)電機和其它類型的旋轉電機一樣，由固定的定子和可旋轉的轉子兩大部分組成。一般分為轉場式同步電機和轉樞式同步電機。 圖 31 同步發(fā)電機的結構模型 圖 31 給出了最常用的轉場式同步發(fā)電機的結構模型，其定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。這種同步電機的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。 轉子鐵心上裝有制成一定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁繞組，通以直流電流時，將會在電機的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場 (也稱主磁場、轉子磁場 )。 氣隙處于電樞內(nèi)圓和轉子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對 電機內(nèi)部磁場的分布和同步電機的性能有重大影響。 除了轉場式同步電機外 ,還有轉樞式同步電機，其磁極安裝于定子上，而交流繞組分布于轉子表面的槽內(nèi)，這種同步電機的轉子充當了電樞。圖中用 AX、 BY、 CZ 三個在空間錯開 120 電角度分布的線圈代表三相對稱交流繞組。 同步發(fā)電機的工作原理 同步發(fā)電機中靜止的部分稱為定子，旋轉的部分稱為轉子。在一般同步發(fā)電機中，旋轉的部分是磁極，以恒定不變的轉速在旋轉。轉子上有繞組，繞組中通以直流以后便可激勵磁場。定子上有許多槽，槽中安裝導體，其目的是為了在其中得到感 應電動勢。根據(jù)右手定則可知：當導體被 N 極磁場切割時，它的感應電動勢方向為流出紙面；當導體被 S 極磁場切割時，它的感應電動勢方向為流入紙面。轉子旋轉時，導體交替地為N 極和 S 極磁場所切割，因此每根導體中的感應電動勢方向是交變的。磁通首先切割 A相導體，當轉子轉子轉過 120176。及 240176。后，磁通再依次切割 B 相導體和 C 相導體。因此，A 相的感應電動勢便超前 B 相感應電動勢 120176。， B 相的感應電動勢又超前 C 相感應電陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 14 動勢 120176。三相電動勢的大小相等，