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kw風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(編輯修改稿)

2025-07-09 05:19 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 項復(fù)雜的過程,涉及的問題很多,如風(fēng)速變化、轉(zhuǎn)速變化、溫度變化、振動都將直接威脅風(fēng)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(xué)畢業(yè)論文(設(shè)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(fēng)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(yīng)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(fēng)力發(fā)電機組安全可靠運行,同時高質(zhì)量地將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)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(shù)實現(xiàn)對風(fēng)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(fēng)速并且轉(zhuǎn)速達到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的條件下,風(fēng)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(dāng)風(fēng)速 10min 平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi),機械閘松開葉尖復(fù)位,風(fēng)力作用于風(fēng)輪上,發(fā)電機慢慢起動。當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速大于 20%的 額定轉(zhuǎn)速持續(xù) 5min,發(fā)電機進入軟并網(wǎng)拖動狀態(tài)。當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速升到同步轉(zhuǎn)速時,旁路主接觸器動作,機組并入電網(wǎng)運行。 ( 2) 小風(fēng)脫網(wǎng) : 當(dāng)風(fēng)速 10min 平均值小于脫網(wǎng)風(fēng)速或發(fā)電機輸出功率為負值時,風(fēng)力發(fā)電機必須脫網(wǎng),處于自由狀態(tài)。風(fēng)電機組靠自身的摩擦力緩慢停機,進入待風(fēng)狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速再次上升達到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時,風(fēng)電機組又投入運行。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)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(fēng)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(fù)正常開機。 ( 4) 大風(fēng)脫網(wǎng)控制 : 當(dāng)風(fēng)速 10min 平均值 大于 25m/s 時,風(fēng)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(fēng)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(fēng)控制 : 風(fēng)力發(fā)電機組運行在工作區(qū)時,應(yīng)根據(jù)機艙的控制靈敏度,確定每次偏航的調(diào)整角度。 ( 6) 功率調(diào)節(jié)控制 : 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組在額定風(fēng)速以上并網(wǎng)運行時,對于失速型風(fēng)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(fēng)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(guān)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(fēng)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(yīng)能自動處理并安全停機。當(dāng)風(fēng)速達到停機風(fēng)速時,風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機械閘停機,而且在脫網(wǎng)時,風(fēng)力發(fā)電機組偏航 90176。為了避免小風(fēng)速時發(fā)生頻繁開、停機現(xiàn)象,并網(wǎng)后 10min 內(nèi)風(fēng)電機組不能按風(fēng)速自動停機。同樣,在小風(fēng)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(cè)進線處設(shè)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(shè)自動空氣開關(guān)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(zhuǎn)裝置如發(fā)電機、電動機和各傳動機構(gòu)的過熱保護功能。 ( 3) 接地保護功能 : 對由于設(shè)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(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)控制 在風(fēng)力發(fā)電中,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)時,要求風(fēng)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(fēng)力發(fā)電過程中,保持風(fēng)車的轉(zhuǎn)速 (即發(fā)電機的轉(zhuǎn)速 )不變,從而得到恒頻的電能。由于風(fēng)能與風(fēng)速的三 次方成正比,當(dāng)風(fēng)速在一定范圍內(nèi)變化時,如果允許風(fēng)車做變速運動,則能達到更好利用風(fēng)能的目的。風(fēng)車將風(fēng)能轉(zhuǎn)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(fēng)輪周速比 k(槳葉尖速度與風(fēng)速之比 )下達到最大值。恒速恒頻機組的風(fēng)車轉(zhuǎn)速保持不變,而風(fēng)速又經(jīng)常變化,顯然 C 不可能保持最佳值。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計說明書) 10 為了適應(yīng)大、小風(fēng)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(fēng)速低時用小容量發(fā)電機發(fā)電,風(fēng)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(diào)整輸出功率。但這也只能使發(fā)電機在兩個風(fēng)速下具有較佳的輸出 系數(shù),而無法有效地利用不同風(fēng)速時的風(fēng)能。 恒速恒頻風(fēng)電機組控制 風(fēng)電機組的軟啟動并網(wǎng)是在風(fēng)電機組啟動時,控制系統(tǒng)對風(fēng)速的變化情況進行不間斷的檢測,當(dāng) 10min 平均風(fēng)速大于起動風(fēng)速時,控制風(fēng)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(fēng)輪處于迎風(fēng)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(fēng)向是否偏離,電網(wǎng)參數(shù)是否正常等。如 10min 平均風(fēng)速仍大于起動風(fēng)速,則檢測風(fēng)輪是否已開始轉(zhuǎn)動,并開啟晶閘管限流軟起動裝置快速起動風(fēng)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(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速附近進行的,這時轉(zhuǎn)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(diào)整導(dǎo)通角。晶閘管按照 0176。, 15176。, 30176。, 45176。 , 60176。 , 75176。, 90176。,180176。導(dǎo)通角依次變化,可保證起動電流在額定電流以下。晶閘管導(dǎo)通角由 0176。大到 180176。完全導(dǎo)通,時間一般不超過 6s,否則被認為故障。晶閘管完全導(dǎo)通 1s 后 ,旁路接觸器吸合,發(fā)出吸合命令 1s 內(nèi)應(yīng)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(dǎo)通,收到旁路反饋信號后,停止觸發(fā),風(fēng)力發(fā)電機組進入正常運行。 變速恒頻風(fēng)電機組控制 [5] 在風(fēng)力發(fā)電過程中,讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)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(fēng)車和發(fā)電機的轉(zhuǎn)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(fēng)車的轉(zhuǎn)速可變,可以通過適當(dāng)?shù)目刂?,使風(fēng)車的周速比處于或接近最佳值,從而最大限度地利用風(fēng)能發(fā)電。 由于自然 界的風(fēng)力變幻莫測,風(fēng)速總是處在不斷地變化之中,而風(fēng)能與風(fēng)速之間成三次方的關(guān)系,風(fēng)速的較小變化都將造成風(fēng)能的較大變化,導(dǎo)致風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機,當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速后,變槳距機構(gòu)為了限制發(fā)電機輸出功率,將調(diào)節(jié)槳距,以調(diào)節(jié)輸出功率。如果風(fēng)速變化幅度大,頻率高,將導(dǎo)致變槳距機構(gòu)頻繁大幅度動作,容易使變槳距機構(gòu)損壞;同時,變槳距機構(gòu)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(diào)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(diào) 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(diào)節(jié)方式850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計 11 轉(zhuǎn)子電流控制 RCC(Rotor Current Control)方式來配合變槳距機構(gòu),共同完成發(fā)電機輸出功率的調(diào)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(zhuǎn)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(fēng)速的快速變化。采用了 RCC 控制的變槳距風(fēng)力發(fā)電機,變槳距機構(gòu)主要用于風(fēng)速緩慢上升或下降時,通過調(diào)整葉片攻角,調(diào)節(jié)輸出功率。 RCC控制單元則應(yīng)用于風(fēng)速變化較快或風(fēng)速突然發(fā)生變化 時調(diào)節(jié)發(fā)電機的滑差,使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化,同時保持轉(zhuǎn)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(fēng)電機組運行過程中,因風(fēng)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(yīng)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(fēng)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(fēng)輪自由轉(zhuǎn)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(fēng)速突然變小,使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低的情況下,應(yīng)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(fēng)力發(fā)電機采用雙速發(fā)電機。低風(fēng)速時,小發(fā)電機工作,高風(fēng)速時,大發(fā)電機工作。小發(fā)電機為 6 極繞組,同步轉(zhuǎn)速為 1000r/min,大發(fā)電機為 4 極繞組,同步轉(zhuǎn)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(yù)置切換點。例如 NEGMIicon 750kW機組以 10min平均功率達到某一預(yù)置值 P1 或 4min平均功率達到預(yù)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(yù)置值 P1,或 lmin 內(nèi)的功率全部大于預(yù)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(fēng)力將帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)速迅速上升,在到達同步轉(zhuǎn)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(shè)定值 (此值應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)速,若 20 秒后未達到小發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速,則停機,控制系統(tǒng)復(fù)位,重新起動;若 20 秒內(nèi)轉(zhuǎn)速己達到小發(fā)電機旁路轉(zhuǎn)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(dāng)發(fā)電機功率持續(xù)l0min 內(nèi)低于預(yù)置值 P3 時,或 10min 內(nèi)平均功率低于預(yù)置值 P4 時,將執(zhí)行大發(fā)電機向陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)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(zhuǎn)速在 1500r/min 以上,脫網(wǎng)后轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)速拖到小發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速附近。只要轉(zhuǎn)速不超過超速保護的設(shè)定值,就允許執(zhí)行小發(fā)電機軟并網(wǎng)。由于風(fēng)力機是一個巨大的慣性體,當(dāng)它轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速下降到小發(fā)電機并網(wǎng)預(yù)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(zhuǎn)速上升,重新切人電網(wǎng)。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)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(jié)構(gòu) 同步發(fā)電機和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機一樣,由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。一般分為轉(zhuǎn)場式同步電機和轉(zhuǎn)樞式同步電機。 圖 31 同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)模型 圖 31 給出了最常用的轉(zhuǎn)場式同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁場 )。 氣隙處于電樞內(nèi)圓和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)場式同步電機外 ,還有轉(zhuǎn)樞式同步電機,其磁極安裝于定子上,而交流繞組分布于轉(zhuǎn)子表面的槽內(nèi),這種同步電機的轉(zhuǎn)子充當(dāng)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(zhuǎn)的部分稱為轉(zhuǎn)子。在一般同步發(fā)電機中,旋轉(zhuǎn)的部分是磁極,以恒定不變的轉(zhuǎn)速在旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)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(dǎo)體,其目的是為了在其中得到感 應(yīng)電動勢。根據(jù)右手定則可知:當(dāng)導(dǎo)體被 N 極磁場切割時,它的感應(yīng)電動勢方向為流出紙面;當(dāng)導(dǎo)體被 S 極磁場切割時,它的感應(yīng)電動勢方向為流入紙面。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,導(dǎo)體交替地為N 極和 S 極磁場所切割,因此每根導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢方向是交變的。磁通首先切割 A相導(dǎo)體,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 120176。及 240176。后,磁通再依次切割 B 相導(dǎo)體和 C 相導(dǎo)體。因此,A 相的感應(yīng)電動勢便超前 B 相感應(yīng)電動勢 120176。, B 相的感應(yīng)電動勢又超前 C 相感應(yīng)電陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計說明書) 14 動勢 120176。三相電動勢的大小相等,
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