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风力发电机控制系统介绍

作者:ag娱乐有哪些平台 发布时间:2020-08-12 11:50 点击数:

  风力发电机控制系统介绍_自然科学_专业资料。风力发电机控制系统介绍 控制系统概述 第一部分 ? 风力发电机组的控制系统由各种传感器、 控制器以及各种执行机构等组成。各种传 感器包括:风速传感器、风向传感器、转 速传感器、位置传感器、各种电量

  风力发电机控制系统介绍 控制系统概述 第一部分 ? 风力发电机组的控制系统由各种传感器、 控制器以及各种执行机构等组成。各种传 感器包括:风速传感器、风向传感器、转 速传感器、位置传感器、各种电量变送器、 温度传感器、振动传感器、限位开关、压 力传感器以及各种操作开关和按钮等。这 些传感器信号将传送至控制器进行运算处 理。 第一部分 控制系统基础 主控制器一般以PLC为核心,包括其硬件系 统和软件系统。上述传感器信号表征了风 力发电机组目前的运行状态。当机组的运 行状态与设定状态不相一致时,经过PLC的 适当运算和处理后,由控制器发出控制指 令,将系统调整到设定运行状态,从而完 成各种控制功能。这些控制功能主要有: 机组的启动和停机、变速恒频控制、变桨 距控制、偏航控制等。控制的执行机构可 以采用电动执行机构,也可采用液压执行 机构等。 ? 目前,风力发电机组主要有两种系统控制方式, 即恒速恒频控制方式和变速恒频控制方式。前者 采用“恒速风力机+感应发电机”,常采用定桨距 失速调节或主动失速调节来实现功率控制。后者 采用“变速风力机+变速发电机”,在额定风速以 下时,控制发电机的转矩,使系统转速跟踪风速 变化,以保持最佳叶尖速比,最大限度地捕获风 能;在额定风速以上时,采用变速与变桨距双重 控制,以便限制风力机所获取的风能,保证风电 机组恒功率(一般为额定功率)输出。 PLC的控制顺序 主控制系统(PLC) ? WP4051 WPL110 WP4000 WPL150 WPL351 WPL351 ? 触摸屏 电源(通信)模块 CPU模块 电量测量模块 I/O模块 I/O模块 可给8个 存储、处理数据 模块供电 2个串口、 光纤通信 1个以太网接口 以太网接口 编程环境C、 IEC61131-3 实时DSP 2个RS-485接口 电量测量 16个DO、26个DI、4个AO 可测量三相: 4个计数器输入、 电压电流 8个PT100、 有功无功 4个AI(±10V) 功率因数 4个AI(0~20mA) 2个热敏电阻输入 ? 目前,风力发电机组主要有两种系统控制方式, 即恒速恒频控制方式和变速恒频控制方式。前者 采用“恒速风力机+感应发电机”,常采用定桨距 失速调节或主动失速调节来实现功率控制。后者 采用“变速风力机+变速发电机”,在额定风速以 下时,控制发电机的转矩,使系统转速跟踪风速 变化,以保持最佳叶尖速比,最大限度地捕获风 能;在额定风速以上时,采用变速与变桨距双重 控制,以便限制风力机所获取的风能,保证风电 机组恒功率(一般为额定功率)输出。 ? 控制系统还应具有各种保护功能,使风力 发电机组发生危险或故障时,能够快速报 警并迅速转换为安全状态。严重的危险和 故障往往导致风电机组紧急停机。 2 控制功能 ? 风力发电机组的控制系统应能完成机组 的正常运行控制和对机组运行参数及运行 状态的在线检测与监控。后者已在第5.3节 中作了详细介绍,这里主要介绍前者。 ? 控制系统的控制功能因机组类型的不同 而有所区别,归纳起来主要包括: ? a 机组的启动和停机程序; ? b 发电机并网程序及软并网控制; ? c 双速感应发电机的自动切换控制; ? d 补偿电容器的分组投入和切换; ? e 叶尖扰流器控制; ? f 变桨距控制; ? g 变速恒频控制; ? h 偏航控制; ? i 扭缆限制; ? j 低电压穿越 ? k 紧急停机等。 2、机组发电运行要求的控制功能 ? 风力发电机组的控制目标 ? 基本控制功能 ? 系统运行的各种传感器配 置 ? 机组运行工作状态划分及 转换 ? 机组的启/停功能 ? 偏航系统的运行功能 ? 液压系统控制功能 ? 发电机的并网控制 ? 机组发电运行控制 主要功能 机组运行时控制要求 ? 1、大风情况下,当风速达到停机风速时,风机应叶尖限速脱网-抱液 压机械闸停机,而且在脱网同时,风机偏航90°。停机后待风速降低 到大风开机风速时,风机又可自动并入电网运行。 ? 2、为了避免小风时发生频繁开、停机现象,在并网后10分钟内不能 按风速自动停机。同样,在小风自动脱网停机后,5分钟内不能再次 并网。 ? 3、当风速小于停机风速时,为了避免风机长期逆功率运行,造成电 网损耗,应自动脱网,使风机处于自由转动的待风状态。 ? 4、当风速大于开机风速,要求偏航机构始终能自动跟风。跟风精度 范围±15°。 ? 5、风机的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下应该松机械闸, 其余状态下(大风停机、断电和故障等)均应抱闸。 ? 6、机朱运行时机械闸除非在脱网瞬间、超速和断电时释放,平时维 修起稳定刹车作用。 机组运行要求 ? 7、在大风停机和超速停机的情况下,风机除了应该脱网、抱闸和气 动刹车停机外,还应该自动投入偏航控制,使风机的机舱轴心线与风 向成一定的角度,增加风机脱网的安全度,待机舱转约90°后,机舱 保持与风向偏90°跟风控制,跟风范围±15°。 ? 8、在电网中断、缺相和过压的情况下,风机应停止运行,此时控制 系统不能供电。如果正在运行时风机遇到这种情况,应能自动脱网、 启动刹车和抱闸停机,此时偏航机构不会动作,风机的机械结构部分 应能承受考验。 ? 9、风机塔架内的悬挂电缆只允许扭转±2.5圈,系统已设计了正/反向 扭缆计数器,超过时自动停机解缆,达到要求后再自动开机,恢复运 行发电。 ? 10、风机应具有手动控制功能(包括远程遥控手操),手动控制时 “自动”功能应该解除,相反地投入自动控制时,有些“手动”功能 自动屏蔽。 ? 11、控制系统应该保证风机的所有监控参数在正常允许的范围内,一 旦超过极限并出现危险情况,应能自动处理并安全停机。 主控系统 ? 控制系统是风电机组 安全运行的大脑指挥 中心,控制系统的安 全运行就是机组安全 运行的保证,各类机 型中,变速变距型风 电机组控制技术较复 杂,其控制系统主要 由三部分组成:主控 制器、桨距调节器、 功率控制器(转矩控 制器)。系统构成如 图所示: 变频器(ABB) 电驱变桨结构 液压驱动变桨结构 ? A 变桨系统可单独对每个叶片的变桨角度 进行调整,在其中一个变桨系统出现故障 时可 ? 安全的停机。变桨系统完成的功能如下: ? 当风速超过额定风速时,通过控制叶片角 度来控制风机的速度和功率。 ? 当安全链被打开时,叶片作为空气动力制 动装置安全停机(安全运行)。 变桨系统的结构与功能 ? 当风速低于额定风速时,通过调整叶片角 度最大可能的从风中吸收更多的功率。 ? 通过衰减风旋转交互作用引起的振动使风 机上的机械载荷极小化。 ? 3个叶片受三个独立的变桨系统控制,其中 每个叶片通过变桨电机驱动变速箱、 ? 小齿轮、变桨轴承内齿圈转动。变桨变频 器控制变桨电机的速度,使每个叶片在顺 桨 变桨系统的结构与功能 ? 位置、工作位置之间持续的自动的变桨。 PLC 根据功率控制给叶片角度的参考值, 然 ? 后变桨变频器控制叶片向参考位置变桨。 当安全链打开的情况下,叶片回到顺桨位 置 ? 以减慢轮毂的转动速度。安全锁保护叶片 只能往顺桨位置方向旋转,不能反转,保 证 ? 风机的安全停机。 变桨系统的结构与功能 ? B 控制系统配备了电池柜,当电网掉电的情 况下由电池供电给变桨变频器,使风机 ? 安全停机。变桨电机、带有变桨变频器的 变桨控制柜位于轮毂内,而电池柜、供电 电 ? 源在机舱内。利用滑环起到旋转信号和固 定信号之间的连接。利用顺桨位置的接近 开 ? 关检测顺桨位置、工作位置的接近开关检 测工作位置。检测叶片是否在工作区域之 内、 变桨系统的结构与功能 ? 是否超过了工作位置。 ? C 齿轮箱是紧凑的,具有高的过载能力。 为了调制变桨,使叶片能够达到顺桨位置、 工 ? 作位置,变频器和变桨电机瞬时超载,大 约以2倍的额定转矩驱动齿轮箱,这种情况 一天 ? 中可能会发生几次。 偏航控制 ? 偏航控制:通过转动风轮使其远离风向,减少功率吸收, 它需要偏航驱动系统,轮毂要承受偏航回转力矩,总的来 说控制有效、设计简单。 ? 驱动偏航、自由偏航或固定式偏航 ? 下风向风机采用自由偏航方式,风机象一个大的风向 标一样自动跟随风向摆动,不需要驱动装置,可以设计偏 航阻尼限制偏航速率。 ? 上风向风机一般采用主动偏航方式,驱动系统包括偏航 电机、减速机、偏航刹车机构等,这种驱动方式塔架需要 承受偏航扭矩。 偏航控制 ? 大多数水平轴风机采用偏航机构旋转风轮顺风, 限制功率输出。但这种方法响应速度很慢,原因 有:(1)机舱和风轮有很大的惯性力矩; ? (2)垂直于风轮的风速与偏航角度的变化呈正弦 关系,如果偏航角变化10度,功率下降只变化几 个百分比,而如果桨距角变化10度,功率下降会 很明显。 ? 在变速机组上应用主动偏航控制,振风引起的的 超功率可以暂时储存在风轮动能里,如果继续超 功率,再进行偏航动作,这种设计方法已在 Gamma 60试验样机上获得成功,偏航最大速率8 度/s。 最佳叶尖速比控制实施方法 ? (1)恒定尖速比控制策略,控制风机最佳 尖速比运行,获得最大能量吸收效率,风 机的功率特性曲线存储在控制器的内存中, 不断测量风速和风轮转速,计算出实际尖 速比,并与最佳尖速比参考值比较,得到 的误差信号反馈到控制器中,从而使控制 器调节转速,最小化误差信号。这种策略 的缺点是由于上风向机组风速传感器在风 轮后面,测量不准确,此外,特性曲线随 叶片翼面的改变而改变,也不准确。 最佳叶尖速比控制实施方法 ? (2)最大功率点跟踪控制策略,这种控制 策略基于功率与速度的变化率来控制,即 跟踪峰值 ,在机组运行时,风轮转 速有微小的增加或减少时,测量功率变化, 并观测 的变化,如 调节风轮 转速增加,如果 ,调节风轮转速减 小,最终 ,叶轮转速不再改变,达 到最大功率捕获点。这种控制策略对风速 和叶片特性的改变不敏感。 二、机组电气控制系统主要形式 ? 整体控制系统主要按 机组型号分类 ? 失速机型控制系统 ? 双馈式变速恒频型 ? 直驱永磁式变速控 制系统 ? 同步机励磁型 ? 交流异步机全变流器 型 并网控制原理 ? 双速风力发电机组中大小电机并网、切换 控制技术,利用晶体管改变切入电阻的特 性限制并网时的电流冲击 ? 风速小于8m/s,软切并入小电机,大于时并 入大电机。 ? 并网运行以后,风速增加达 8m/s,切小, 并大,从高风降到8m/s以下时,切大并小 变距控制 ? 变距叶轮的桨叶在静止时,节距角为 90°,如图9-4所示,这时气流对桨叶 不产生力矩,整个桨叶实际上是一块阻 尼板。当风速达到起动风速时,桨叶向 0°方向转动,直到气流对桨叶产生一 定的攻角,叶轮开始起动。 ? 对于变距变速型风机,叶片在切入电网 后到额定功率输出前,正常小风启动时, 叶片节距角维持在0左右,基本不变化, 这时主要调节风轮转速,使其跟随风速 的变化保持最佳叶尖速比运行,从而达 到额定风速下的最大能量捕获效率,额 定风速之上,通过叶片节距角逐渐增大, 减低Cp值,限制功率输出,达到切出风 速时,节距角调整为90 °脱网停机。 控制技术简介 ? 计算机控制‘ ? 主从控制 ? 偏航控制 ? 变距控制 额定风速以上的恒功率控制,常规的控制技术 ? 最佳尖速比的功率优化控制——变速控制 ? 工作点柔性协调控制—降温升的功率控制 线性增益调度 控制。 ? 抑制扰动的鲁棒控制 ? 结构振动控制,激励源避开耦合谐振频率的控制 ? 传动链载荷减缓的控制,即抑制扭动冲击力的控制 计算机控制及其特点 ? 计算机控制系统 计算机控制系统(Computer Control System,简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅 助部件与被控对象相联系,以获得一定控制目的而构成的 系统。这里的计算机通常指数字计算机,可以有各种规模, 如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输 入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系 和部件间的联系,可以是有线方式,如通过电缆的模拟信 号或数字信号进行联系;也可以是无线方式,如用红外线、 微波、无线电波、光波等进行联系。被控对象的范围很广, 包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、 实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩 具等。控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到 某种要求,也可以是达到某种最优化目标。 ? 计算机所具有的信息处理能力,能够进一步把过 程控制和生产管理有机的结合起来(如CIMS),从而实 现工厂、企业的全面自动化管理。 计算机控制方式 ? 与一般控制系统相同,计算机控制系统可以是闭环的,这 时计算机要不断采集被控对象的各种状态信息,按照一定 的控制策略处理后,输出控制信息直接影响被控对象。它 也可以是开环的,这有两种方式:一种是计算机只按时间 顺序或某种给定的规则影响被控对象;另一种是计算机将 来自被控对象的信息处理后,只向操作人员提供操作指导 信息,然后由人工去影响被控对象。 ? 计算机控制系统由控制部分和被控对象组成,其控制 部分包括硬件部分和软件部分,这不同于模拟控制器构成 的系统只由硬件组成。计算机控制系统软件包括系统软件 和应用软件。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序 和服务性程序等,它们通常由计算机制造厂为用户配套, 有一定的通用性。应用软件是为实现特定控制目的而编制 的专用程序,如数据采集程序、控制决策程序、输出处理 程序和报警处理程序等。它们涉及被控对象的自身特征和 控制策略等,由实施控制系统的专业人员自行编制。 控制系统主要控制技术 ? 各类机型中,变速变距型风电机组控制技术较复杂,其控 制系统主要由三部分组成:主控制器、桨距调节器、功率 控制器。 ? 主控制器主要完成机组运行逻辑控制,如偏航、对风、解 绕等,并在桨距调节器和功率控制器之间进行协调控制。 ? 桨距调节器主要完成叶片节距调节,控制叶片桨距角,在 额定风速之下,保持最大风能捕获效率,在额定风速之上, 限制功率输出。 ? 功率控制器主要完成变速恒频控制,保证上网电能质量, 与电网同压、同频、同相输出,在额定风速之下,在最大 升力桨距角位置,调节发电机、叶轮转速,保持最佳叶尖 速比运行,达到最大风能捕获效率,在额定风速之上,配 合变桨距机构,最大恒功率输出。 ? 小范围内的抑制功率波动,由功率控制器驱动变流器完成, 大范围内的超功率由变桨距控制完成。 谢谢!


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