1 前言
隨著煤碳、石油等能源的逐漸枯竭,人類越來越重視可再生能源的利用。而風力發(fā)電是可再生能源中最廉價、最有希望的能源,并且是一種不污染環(huán)境的“綠色能源”。目前國外數(shù)百千瓦級的大型風電機組已經商品化,兆瓦級的風力發(fā)電機組也即將商品化。全世界風電裝機總容量已超過1000萬千瓦,單位千瓦造價為1000美元,發(fā)電成本為5美分/千瓦時,已經具有與火力發(fā)電相競爭的能力。
我國的風能資源豐富,理論儲量為16億kW,實際可利用2.5億kW,有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?995年初,國家計委、科委、經貿委聯(lián)合發(fā)表了《中國新能源和可再生能源發(fā)展綱要(1996~2010)》。1996年3月,國家計委又制定了以國產化帶動產業(yè)化的風電發(fā)展計劃,即有名的“乘風計劃”,為我國風力發(fā)電技術國產化指明了方向,創(chuàng)造了條件。同時,我國也是利用風能資源進行風力發(fā)電、風力提水較早的國家,到1996年底,我國小型風力發(fā)電機組保有量達15萬臺,年生產能力為3萬臺,均居世界首位。
2 風力發(fā)電機組的類型
2.1 恒速恒頻與變速恒頻
在風力發(fā)電中,當風力發(fā)電機組與電網并網時,要求風電的頻率與電網的頻率保持一致,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(也即發(fā)電機的轉速)不變,從而得到恒頻的電能。在風力發(fā)電過程中讓風車的轉速隨風速而變化,而通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。
2.2 兩種類型機組的性能比較
由于風能與風速的三次方成正比,當風速在一定范圍變化時,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)CP來表示,CP在某一確定的風輪周速比λ(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,而風速又經常在變化,顯然CP不可能保持在最佳值。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?,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。
2.3 恒速恒頻機組的特點
目前,在風力發(fā)電系統(tǒng)中采用最多的異步發(fā)電機屬于恒速恒頻發(fā)電機組。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)的異步發(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。但這也只能使異步發(fā)電機在兩個風速下具有較佳的輸出系數(shù),無法有效地利用不同風速時的風能。
2.4 變速恒頻系統(tǒng)的實現(xiàn)
可用于風力發(fā)電的變速恒頻系統(tǒng)有多種:如交一直一交變頻系統(tǒng),交流勵磁發(fā)電機系統(tǒng),無刷雙饋電機系統(tǒng),開關磁阻發(fā)電機系統(tǒng),磁場調制發(fā)電機系統(tǒng),同步異步變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)等。這種變速恒頻系統(tǒng)有的是通過改造發(fā)電機本身結構而實現(xiàn)變速恒頻的;有的則是發(fā)電機與電力電子裝置、微機控制系統(tǒng)相結合而實現(xiàn)變速恒頻的。它們各有其特點,適用場合也不一樣。為了充分利用不同風速時的風能,應該對各種變速恒頻技術做深入的研究,盡快開發(fā)出實用的,適合于風力發(fā)電的變速恒頻技術。
3恒速恒頻風電機組的控制
3.1 風電機組的軟啟動并網
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10分鐘平均風速大于起動風速時,控制風電機組作好切入電網的一切準備工作:松開機械剎車,收回葉尖阻尼板,風輪處于迎風方向。控制系統(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,電網參數(shù)是否正常等。如10分鐘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。異步風力發(fā)電機在起動時,由于其轉速很小,切入電網時其轉差率很大,因而會產生相當于發(fā)電機額定電流的5~7倍的沖擊電流,這個電流不僅對電網造成很大的沖擊,也會影響風電機組的壽命。因此在風電機組并網過程中采取限流軟起動技術,以控制起動電流。當發(fā)電機達到同步轉速時電流驟然下降,控制器發(fā)出指令,將晶閘管旁路。晶閘管旁路后,限流軟起動控制器自動復位,等待下一次起動信號。這個起動過程約40S左右,若超過這個時間,被認為是起動失敗,發(fā)電機將被切出電網,控制器根據檢測信號,確定機組是否重新起動。
異步風電機組也可在起動時轉速低于同步速時不并網,等接近或達到同步速時再切入電網,則可避免沖擊電流,也可省掉晶閘管限流軟啟動器。
3.2 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。具體控制方法為:
?。?) 小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換
在小發(fā)電機并網發(fā)電期間,控制系統(tǒng)對其輸出功率進行檢測,若1秒鐘內瞬時功率超過小發(fā)電機額定功率的20%,或2分鐘內的平均功率大于某一定值時,則實現(xiàn)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,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;若在切換過程中風速突然變小,使風輪轉速反而降低的情況下,應再將小發(fā)電機軟并網,重新實現(xiàn)小發(fā)電機并網運行。
(2) 大發(fā)電機向小發(fā)電機的切換
檢測大發(fā)電機的輸出功率,若2分鐘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50S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,然后小發(fā)電機軟并網,計時20S,測量小發(fā)電機的轉速,若20S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20S內轉速已達到小發(fā)電機旁路轉速則旁路晶閘管軟起動裝置,再根據系統(tǒng)無功功率情況投入補償電容器。
3.3 變槳距控制方式及其改進
風力發(fā)電機并網以后,控制系統(tǒng)根據風速的變化,通過槳距調節(jié)機構,改變槳葉攻角以調整輸出電功率,更有效地利用風能。在額定風速以下時,此時葉片攻角在零度附近,可認為等同于定槳距風力發(fā)電機,發(fā)
電機的輸出功率隨風速的變化而變化。當風速達到額定風速以上時,變槳距機構發(fā)揮作用,調整葉片的攻角,保證發(fā)電機的輸出功率在允許的范圍內。
但是,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,使變槳距機構容易損壞;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,對電網造成一定的不良影響。#p#分頁標題#e#
為了減小變槳距調節(jié)方式對電網的不良影響,可采用一種新的功率輔助調節(jié)方式-RCC(Rotor Current Control轉子電流控制)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控制必須使用在線繞式異步發(fā)電機上,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的情況,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的情況,當風速突然發(fā)生變化時,RCC單元調節(jié)發(fā)電機的滑差,使發(fā)電機的轉速可在一定范圍內變化,同時保持轉子電流不變,發(fā)電機的輸出功率也就保持不變。
3.4 無功補償控制
由于異步發(fā)電機要從電網吸收無功功率,使風電機組的功率因數(shù)降低。并網運行的風力發(fā)電機組一般要求其功率因數(shù)達到0.99以上,所以必須用電容器組進行無功補償。由于風速變化的隨機性,在達到額定功率前,發(fā)電機的輸出功率大小是隨機變化的,因此對補償電容的投入與切除需要進行控制。在控制系統(tǒng)中設有四組容量不同的補償電容,計算機根據輸出無功功率的變化,控制補償電容器分段投入或切除。保證在半功率點的功率因數(shù)達到0.99以上。
3.5 偏航與自動解纜控制
偏航控制系統(tǒng)有三個主要功能:
(1) 正常運行時自動對風。當機艙偏離風向一定角度時,控制系統(tǒng)發(fā)出向左或向右調向的指令,機艙開始對風,直到達到允許的誤差范圍內,自動對風停止。
(2) 繞纜時自動解纜。當機艙向同一方向累計偏轉2.3圈后,若此時風速小于風電機組啟動風速且無功率輸出,則停機,控制系統(tǒng)使機艙反方向旋轉2.3圈解繞;若此時機組有功率輸出,則暫不自動解繞;若機艙繼續(xù)向同一方向偏轉累計達3圈時,則控制停機,解繞;若因故障自動解繞未成功,在扭纜達4圈時,扭纜機械開關將動作,此時報告扭纜故障,自動停機,等待人工解纜操作。
?。?) 失速保護時偏離風向。當有特大強風發(fā)生時,停機,釋放葉尖阻尼板,槳距調到最大,偏航90o背風,以保護風輪免受損壞。
3.6 停車控制
停機過程分為正常停機和緊急停機。
?。?) 正常停機
當控制器發(fā)出正常停機指令后,風電機組將按下列程序停機:
?、偾谐a償電容器;
?、卺尫湃~尖阻尼板;
?、郯l(fā)電機脫網;
?、軠y量發(fā)電機轉速下降到設定值后,投入機械剎車;
?、萑舫霈F(xiàn)剎車故障則收槳,機艙偏航900背風。
?。?) 緊急故障停機
當出現(xiàn)緊急停機故障時,執(zhí)行如下停機操作:首先切除補償電容器,葉尖阻尼板動作,延時0.3秒后卡鉗閘動作。檢測瞬時功率為負或發(fā)電機轉速小于同步速時,發(fā)電機解列(脫網),若制動時間超過20S,轉速仍未降到某設定值,則收槳, 機艙偏航900背風。
停機如果是由于外部原因,例如風速過小或過大,或因電網故障,風電機組停機后將自動處于待機狀態(tài);如果是由于機組內部故障,控制器需要得到已修復指令,才能進入待機狀態(tài)。
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