【正文】
運(yùn)行過(guò)程為:1)當(dāng)風(fēng)速持續(xù)10分鐘(可設(shè)置)超過(guò)3m/s,風(fēng)機(jī)將自動(dòng)啟動(dòng)。其安全保護(hù)系統(tǒng)分三層結(jié)構(gòu):計(jì)算機(jī)系統(tǒng),獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的安全鏈,器件本身的保護(hù)措施,在機(jī)組發(fā)生超常振動(dòng)、過(guò)速、電網(wǎng)異常、出現(xiàn)極限風(fēng)速等故障時(shí)保護(hù)機(jī)組,對(duì)于電流、功率保護(hù),采用兩套相互獨(dú)立的保護(hù)機(jī)構(gòu),諸如電網(wǎng)電壓過(guò)高,風(fēng)速過(guò)大等不正常狀態(tài)出現(xiàn)后。同時(shí)檢測(cè)風(fēng)速(只要有風(fēng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子就有轉(zhuǎn)動(dòng),隨著風(fēng)速的增加勵(lì)磁電流也逐步增加,即電機(jī)端電壓逐步升高),當(dāng)風(fēng)速超過(guò)切入風(fēng)速時(shí),通過(guò)全功率變流器控制和機(jī)端變壓器的變壓作用使系統(tǒng)輸出電壓等于電網(wǎng)電壓、頻率也達(dá)到并網(wǎng)條件,這時(shí)還檢測(cè)電網(wǎng)電壓與風(fēng)機(jī)端電壓之間的相位差,當(dāng)其為零或相等(過(guò)零點(diǎn))時(shí)合閘并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)(這些條件全部通過(guò)變流裝置的控制來(lái)實(shí)現(xiàn),變流裝置通過(guò)鎖相控制和SPWM調(diào)制等使機(jī)組輸出達(dá)到并網(wǎng)條件)。除必要的控制系統(tǒng)外,執(zhí)行機(jī)構(gòu)和信號(hào)檢測(cè)部分停止工作??刂破?、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和信號(hào)監(jiān)測(cè)部分繼續(xù)工作,可自動(dòng)/手動(dòng)操作或檢測(cè)。正常停機(jī)狀態(tài):葉片處于順槳(節(jié)距角為90176。此時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)輸出功率以達(dá)到最大風(fēng)能捕獲。欠功率運(yùn)行狀態(tài):若此時(shí)風(fēng)速低于額定風(fēng)速,節(jié)距角調(diào)整至3176。轉(zhuǎn)至57176。啟動(dòng)狀態(tài):若風(fēng)速連續(xù)10min超過(guò)3m/s,且控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測(cè)信號(hào)均正常,此時(shí)主控制器發(fā)出啟動(dòng)命令。)空轉(zhuǎn)。待機(jī)狀態(tài):當(dāng)所有監(jiān)控和執(zhí)行部件正常且風(fēng)速低于3m/s時(shí),風(fēng)機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)。由于雙饋電機(jī)既可調(diào)節(jié)有功功率;又可調(diào)節(jié)無(wú)功功率,有風(fēng)時(shí),機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電;無(wú)風(fēng)時(shí),也可作抑制電網(wǎng)頻率和電壓波動(dòng)的補(bǔ)償裝置[3]。有功功率、無(wú)功功率指令,并產(chǎn)生一個(gè)綜合信號(hào),送給勵(lì)磁控制裝置,改變勵(lì)磁電流的幅值。 整個(gè)控制系統(tǒng)可分為:轉(zhuǎn)速調(diào)整單元、有功功率調(diào)整單元和電壓調(diào)整單元(無(wú)功功率調(diào)整)。另外,通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的幅值和相位,來(lái)調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率。通過(guò)改變勵(lì)磁頻率,可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 雙饋型風(fēng)電機(jī)組原理圖雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應(yīng)電機(jī),定子繞組也由具有固定頻率的對(duì)稱三根電源激勵(lì),所不同的是轉(zhuǎn)子繞組具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵(lì),一般采用交一交變頻器或交一直一交變頻器供以低頻電流。風(fēng)的動(dòng)能帶動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng),由低速軸經(jīng)齒輪箱變速機(jī)構(gòu)加速后,通過(guò)高速軸帶動(dòng)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。對(duì)風(fēng)電機(jī)組安全保護(hù)中最重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)—安全鏈和防雷保護(hù)進(jìn)行重點(diǎn)討論。(4)對(duì)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)電磁兼容及抗干擾設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,根據(jù)歷史故障數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),主要研究易受干擾的電源部分、控制系統(tǒng)、變流系統(tǒng)和接地技術(shù),并針對(duì)各電控系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)。(2)對(duì)機(jī)組電控子系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,給出具體硬件設(shè)計(jì)方案及流程圖,并對(duì)電控系統(tǒng)基本功能與機(jī)組控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)。在現(xiàn)場(chǎng)期間,針對(duì)機(jī)組容易出現(xiàn)故障的電源模塊、信號(hào)采集模塊和控制模塊進(jìn)行研究,對(duì)故障原因進(jìn)行系統(tǒng)分析,從中汲取了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn),也總結(jié)出在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題,為以后的設(shè)計(jì)有很好的參考指導(dǎo)價(jià)值。根據(jù)掌握的資料和相關(guān)數(shù)據(jù),并參考多家國(guó)內(nèi)外先進(jìn)機(jī)型,在期間還完成了雙饋型機(jī)組電氣原理圖的繪制。 所做工作及本論文的目標(biāo)在研究生期間,針對(duì)風(fēng)力發(fā)電這一課題,參閱了大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料,深入了解國(guó)內(nèi)外各大廠商的相關(guān)機(jī)型資料,對(duì)國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電最新成果和技術(shù)走向有較深刻的理解。本文從風(fēng)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化這一根本目標(biāo)作為出發(fā)點(diǎn),對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控及保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究,對(duì)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行論述,給出了具體的風(fēng)電機(jī)組及保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。依托學(xué)校強(qiáng)大的科研實(shí)力,多年來(lái)一直從事風(fēng)電技術(shù)的研究,現(xiàn)在所研制的“雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組”技術(shù)已經(jīng)處于成熟階段。根據(jù)我國(guó)十一五規(guī)劃和能源發(fā)展戰(zhàn)略,急需國(guó)內(nèi)研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電機(jī)組,打破國(guó)外技術(shù)壟斷,用新的綠色能源技術(shù)造福后代。在中國(guó),國(guó)產(chǎn)風(fēng)電設(shè)備制造水平和能力急需進(jìn)一步提高,雖然近期有些國(guó)內(nèi)風(fēng)電企業(yè)對(duì)外宣稱已經(jīng)完全自主創(chuàng)新研制出一些風(fēng)力發(fā)電機(jī)型,但離真正的“中國(guó)制造”還有一定的差距,這就需要我們的科研機(jī)構(gòu)和研發(fā)人員繼續(xù)攻克關(guān)鍵性技術(shù)難題,并勇于創(chuàng)新,真正走出一條有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電之路,引領(lǐng)中國(guó)21世紀(jì)風(fēng)電發(fā)展。還應(yīng)注意穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量,提高國(guó)產(chǎn)機(jī)組可靠性, 以取得風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)者的認(rèn)可, 逐步加大市場(chǎng)份額。這一現(xiàn)實(shí)要求我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造企業(yè),應(yīng)加快適合中國(guó)國(guó)情的新型風(fēng)力發(fā)電裝備的研制進(jìn)度。目前,我國(guó)國(guó)產(chǎn)化機(jī)組產(chǎn)量仍然偏小,遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)模效益,使得零部件采購(gòu)價(jià)格偏高, 利潤(rùn)空間很小。在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,有兩種發(fā)展趨勢(shì),一是雙饋型風(fēng)電機(jī)組,現(xiàn)在風(fēng)電市場(chǎng)上的變速恒頻機(jī)組一般是這種機(jī)型,技術(shù)比較成熟;另一種是直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組,它與雙饋型相比省去了龐大的齒輪箱這一機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu),大大降低了機(jī)組的維護(hù)成本,但同時(shí)給變流系統(tǒng)帶來(lái)更大負(fù)荷的壓力,這種機(jī)型目前技術(shù)正處于發(fā)展階段,也有相應(yīng)的機(jī)型投入市場(chǎng)。大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境、改善能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展都十分重要。據(jù)相關(guān)資料報(bào)道,到2020年,預(yù)計(jì)我國(guó)將新增發(fā)電能力500GW,其中121GW為可再生能源。風(fēng)力發(fā)電幾乎不消耗礦物質(zhì)和水資源,與常規(guī)燃煤、燃油發(fā)電方式相比,具有可減排COSONOx及煙塵等污染物、調(diào)整改善電力工業(yè)結(jié)構(gòu)、推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步等各種優(yōu)點(diǎn),風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)逐漸接近清潔煤發(fā)電。對(duì)風(fēng)能的利用有助于實(shí)現(xiàn)能源的安全和多元化,減少溫室氣體排放,減少化石燃料造成的城市環(huán)境污染,替代核能[1]。干凈可再生能源—風(fēng)能受到了世界各國(guó)的青睞。根據(jù)1995年聯(lián)合國(guó)所做的一份調(diào)查報(bào)告,認(rèn)為清潔能源水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)利用將是最有利于人類的,而其中最便宜的就是發(fā)展太陽(yáng)能和風(fēng)能,產(chǎn)業(yè)前景最好,其開(kāi)發(fā)利用增長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于常規(guī)能源。其中,利用煤炭、天然氣、石油等燃料發(fā)電所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是一個(gè)重要因素,而核能發(fā)電則面臨核廢料的處理問(wèn)題,不利于環(huán)境保護(hù)。然后從系統(tǒng)角度提出了機(jī)組相關(guān)電磁干擾理論,分析了機(jī)組的主要干擾源,并針對(duì)具體電控系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的抗干擾設(shè)計(jì),最后提出了風(fēng)電機(jī)組的安全保護(hù)等級(jí),并對(duì)機(jī)組安全鏈和防雷接地技術(shù)進(jìn)行分析研究。華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文摘 要本論文主要進(jìn)行雙饋型風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)及安全保護(hù)部分的設(shè)計(jì)研究。文中首先介紹了雙饋型風(fēng)電機(jī)組工作原理及運(yùn)行過(guò)程,提出了雙饋型風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)總體要求、結(jié)構(gòu)及功能,圍繞此要求及總體方案對(duì)各部分電控系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和研究,分別對(duì)各電控系統(tǒng)基本功能、結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行分析設(shè)計(jì),對(duì)系統(tǒng)軟硬件部分給出了具體設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞:雙饋機(jī)組,電控系統(tǒng),電磁干擾,安全保護(hù)ABSTRACTThe paper is mainly for the research and design of electric control system and safety protection of the doublefed wind turbine.First of all, the test introduced to us the working principle and operation process of doublefed wind turbine and the electric control system of the general requirements, structure and functions. Surrounding this request and the overall program for each of the electronic control system it carry out a detailed research and give a analysis and design of the basic functions of electronic control system, structure and control strategy respectively. Then give a specific design with the hardware and software of the system. From the system point of view it put forward a theory of units related to electromagnetic interference, analysis the main sources of interference and specific design to reduce Electro Magnetic interference. Finally, it takes us the security protection levels of wind turbine, research the safety chains and technology of grounding and Lightingproof System.Sun Dapeng(Control Science and Control Engineering)Directed by prof. Lu YuegangKEY WORDS: Doublefed wind turbine, Electric Control System, Electromagnetic Interference(EMI), Security Protection目 錄中文摘要英文摘要目 錄 II第一章 概 述 1 本課題的背景 1 電控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 1 本論文研究的意義 2 所做工作及本論文的目標(biāo) 2第二章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)總體要求與設(shè)計(jì)方案 4 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理與運(yùn)行過(guò)程 4 雙饋型風(fēng)電機(jī)組工作原理 4 異步雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程 5 電控系統(tǒng)總體要求 6 電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能 7 雙饋型風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 7 電控系統(tǒng)總體功能 8 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 9第三章 風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì) 11 主配電系統(tǒng) 11 中央監(jiān)控系統(tǒng) 11 中央監(jiān)控系統(tǒng)功能 11 中央監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方式 12 12 塔底主控系統(tǒng) 13 主控系統(tǒng)功能 13 主控系統(tǒng)流程 13 變流控制系統(tǒng) 14 雙饋電機(jī)工作原理 14 變流系統(tǒng)組成及功能部件 16 變流系統(tǒng)并網(wǎng)控制過(guò)程 18 機(jī)艙控制系統(tǒng) 19 機(jī)艙控制系統(tǒng)組成 19 機(jī)艙信號(hào)量檢測(cè)及變送單元 20 變槳控制系統(tǒng) 27 變槳控制系統(tǒng)原理 27 變漿距控制過(guò)程 27 變漿距系統(tǒng)電控部分 28第四章 風(fēng)電機(jī)組電磁干擾理論及電控系統(tǒng)抗干擾研究 33 電磁兼容和電磁干擾定義 33 電磁干擾理論 33 傳導(dǎo)干擾 33 傳輸線處理方法 35 輻射干擾的傳播 37 風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)抗干擾研究 39 風(fēng)電機(jī)組電源系統(tǒng)抗干擾技術(shù)及保護(hù) 39 44 通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù) 48 變流系統(tǒng)抗干擾技術(shù) 50 風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)直流母線及Crowbar保護(hù) 52第五章 風(fēng)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)研究 55 風(fēng)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 55 風(fēng)電機(jī)組安全鏈系統(tǒng) 56 雙饋型風(fēng)電機(jī)組安全鏈組成及功能 56 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的緊急停機(jī)過(guò)程 58 風(fēng)電機(jī)組安全鏈邏輯結(jié)構(gòu) 59 60 葉片防雷研究 60 機(jī)艙防雷 60 電控系統(tǒng)防雷 61 接地保護(hù) 63第六章 結(jié)束語(yǔ) 64參考文獻(xiàn) 66致 謝 68在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參加科研情況 69 第一章 概 述 本課題的背景目前,世界環(huán)境情況正在日益惡化。隨著世界性能源危機(jī)的加劇和全球環(huán)境日趨污染,許多國(guó)家都更加重視潔凈的新能源和可再生能源的研究、開(kāi)發(fā)和利用。風(fēng)能作為清潔、可再生能源具有許多優(yōu)點(diǎn):取之不盡、用之不竭;就地可取、不需運(yùn)輸;分布廣泛,分散使用;不污染環(huán)境,不破壞生態(tài);周而復(fù)始,可以再生。據(jù)估計(jì),世界風(fēng)能資源高達(dá)53萬(wàn)億千瓦時(shí),而到2020年,世界電力需求為每年25萬(wàn)億千瓦時(shí),全球可再生風(fēng)能資源是整個(gè)世界預(yù)期電力需求的2倍。就世界范圍而言,風(fēng)力發(fā)電是新能源領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。因此備受世界各國(guó)的關(guān)注,目前已在世界上幾十個(gè)國(guó)家得到了廣泛的開(kāi)發(fā)和利用。2010年以前,我國(guó)計(jì)劃新建20 座風(fēng)力發(fā)電場(chǎng),每座風(fēng)場(chǎng)的發(fā)電能力達(dá)到100MW以上,且達(dá)到4000MW的風(fēng)力發(fā)電總目標(biāo),并要求風(fēng)力發(fā)電裝備本土化[2]。 電控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀風(fēng)力發(fā)電機(jī)型由定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)向變速恒頻型轉(zhuǎn)變,裝機(jī)容量逐步提高,2MW、5MW的大型風(fēng)電機(jī)組技術(shù)也趨于成熟,并已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電,產(chǎn)業(yè)化初具規(guī)模。由于兩種機(jī)型各有優(yōu)劣,在未來(lái)的風(fēng)電市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于并駕齊驅(qū),共同發(fā)展的階段。我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電裝備市場(chǎng)至今仍由國(guó)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組占據(jù)。盡快提高大型風(fēng)力發(fā)電裝備的設(shè)計(jì)和制造技術(shù), 加大風(fēng)力發(fā)電裝備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。 本論文研究的意義從國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,在未來(lái)20年里,風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)將是增長(zhǎng)最快的產(chǎn)業(yè),風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也將進(jìn)入快速發(fā)展的黃金時(shí)期。從目前風(fēng)電技術(shù)層面看,最新的核心技術(shù)依然掌握在幾家國(guó)外幾家公司手中,如GE、VASTAS等。值得欣喜的是,現(xiàn)在我國(guó)有很多研究機(jī)構(gòu)正在對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研究,其中,華北電力大學(xué)自動(dòng)化系風(fēng)電研究所就是其中之一。本文屬于“雙饋型風(fēng)電機(jī)組”課題的一部分。本文可作為將來(lái)剛涉入風(fēng)電領(lǐng)域人員的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和培訓(xùn)資料,也可作為對(duì)風(fēng)力發(fā)電有一定基礎(chǔ)人員的參考資料,其中對(duì)于電控系統(tǒng)和安全保護(hù)部分的研究對(duì)風(fēng)電機(jī)組后續(xù)設(shè)計(jì)提供了參考和指導(dǎo)。在理論學(xué)習(xí)的同時(shí),還多次去風(fēng)電場(chǎng)實(shí)地考察參觀,并與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行人員廣泛交流,互相學(xué)習(xí),積累了大量的現(xiàn)場(chǎng)資料,對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行有了感性的認(rèn)識(shí)。在原理圖設(shè)計(jì)與繪制的過(guò)程中,根據(jù)對(duì)機(jī)組的理解和現(xiàn)場(chǎng)參觀實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn),對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了一些改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。本論文要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo):(1)對(duì)雙饋型風(fēng)電機(jī)組總體要求和功能進(jìn)行研究,并給出相應(yīng)的的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。(3)對(duì)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵性信號(hào)檢測(cè)和變送單元進(jìn)行設(shè)計(jì),并實(shí)現(xiàn)與各控制系統(tǒng)的連接交互,在傳統(tǒng)的檢測(cè)方法基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更為