【文章內容簡介】 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。 850kW 風力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設計 7 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，并且各項參數(shù)保持在正常工作范圍內。 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，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。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 8 （ 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，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。 850kW 風力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設計 9 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)目刂疲癸L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)方式陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 10 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 內瞬時功率超過小發(fā) 電機額定功率的 20%，或 2min 內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 內測量的功率值全部大于某一預置值 P1，或 lmin 內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 內低于預置值 P3 時，或 10min 內平均功率低于預置值 P4 時，將執(zhí)行大發(fā)電機向850kW 風力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設計 11 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)。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 12 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，其定子鐵心的內圓均勻分布著定子槽，槽內嵌放著按一定規(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 )。 氣隙處于電樞內圓和轉子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對電機內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，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850kW 風力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設計 13 動勢 120176。三相電動勢的大小相等，