兆瓦级风力发电机组电控系统设计

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陈景文(陕西科技大学电气与信息工程学院,陕西西安710021)

摘要:对变速恒频风力发电系统的运行状态进行了研究,分析了系统从启动到停止过程中,各个工作状态下的控制要求和控制方法。根据电控系统的控制要求,对系统的输入输出信号和控制单元进行了分析。在此基础上确定了控制系统的硬件配置,并基于模块化的编程思想,设计了控制程序,最后就系统安全运行及可靠性问题作了详细的讨论。关键词:风力发电;变速恒频;控制系统;安全可靠设计中图分类号:TP273 文献标识码:AMWLevelWindPowerGenerationUnitElectricalControlSystemDesignCHENJing2wen(ElectricalandInformationEngineeringInstitute,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710021,Shaanxi,China)Abstract:TheoperatingconditionsofVSCFwindturbinegeneratorsystem,thecontrolrequirementsandstrategiesindifferentrunningstatesintheallprocessfromtostarttillhaltwereanalyzed.Accordingtothee2lectricalcontrolsystemcontrolrequest,carriedontheanalysistothesysteminputoutputsignalandthecontrolunit.Inthisfoundation,determinedthecontrolsystemhardwaredisposition,andbasedonthemodularpro2grammingthought,designedthecontrolprocedure,finallymadethedetaileddiscussiononthesystemsafetymovementandthereliablequestion.Keywords:windpowergeneration;variablespeedconstantfrenquency(VSCF);controlledsystem;thesafetyandreliabledesign

作者简介:陈景文(1978-),男,硕士,讲师,Email:chenjw@sust.edu.cn1　引言伴随世界经济和国际工业化发展进程,世界各国对能源的需求越来越大,人类正面临着能源短缺和环境保护两方面的压力。风能作为一种清洁的绿色能源,是近期内具有大规模开发利用前景的可再生能源,开发利用可再生能源已成为21世纪能源发展战略的必然选择。一般变速恒频风力发电机组电气控制系统,均包含以下3方面的要求:1)保证发电机组稳定可靠的运行。要保证机组可以在不同的风速下自动调整控制目标和控制策略,实现机组的正常开机、运行、并脱网和安全停机;2)保证机组以最佳叶尖速比运行,实现最大风能追踪。从频繁变化的风力资源中如何在最大程度上吸收风能、提高发电效率;3)向电网提供优质的电能。2　电气控制系统基本结构及功能2.1　电气控制系统基本结构本风力发电机主要电气参数有:同步发电机参数为电机转速1000～1800r/min,电压等级AC690V,额定功率1500kW;功率特征为启动风速3m/s,额定风速12m/s,停机风速25m/s,抗最大风速56m/s;风轮参数为直径70m,3片叶片,扫风面积3848m2,通过变桨距调节功率。机组控制系统的主控制器安装在现场的模块上,对电网、风况及风力发电机组运行参数进行监控,并与其他功能模块保持通信,对各方面的情况做出综合分析后,发出各种控制指令。发电机组电气控制系统图如图1所示,图1中主控制器是电控系统的核心,通过各类传感器对电网、气象及风电机组运行参数进行监控,并发

94ELECTRICDRIVE　2010　Vol.40　No.2电气传动　2010年　第40卷　第2期

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net出各种控制指令,实现机组的自动启动/停机、手自动无扰动切换、发电机在转速范围内无扰动并网、自动偏航控制(不偏离风向±10°)、机舱扭缆和自动解绕控制、自动变桨距控制、变速控制、风电机组自动除湿、加热、冷却控制、液压系统自动运行控制和运行故障监控等。电控系统首先必须确保风力发电机组本身安全可靠的运行,并实现机组的变速恒频控制,此外对故障的判断处理要及时、准确。

图1　系统电气控制总图Fig.1　Systemelectricitycontrolassemblychart 控制器首先完成系统监控需要的气象、电网、风电机组和变频器状态、参数监控和记录,以开机→并网→发电控制→脱网→安全停机为主线,分别按要求进行开机准备、偏航调整、故障处理、优化参数计算、速度和功率控制给定及系统运行管理。控制器的核心是以DSP为内部控制器的大功率变流器,它与主控制器组成主-从控制,控制器将根据PLC给定的参数和控制信息独立地进行其运行管理。2.2　控制系统的具体功能1)启动前的准备。风机在运行之前要确定风机安全链、偏航系统、刹车系统、齿轮箱系统及并网系统无故障。持续检测10min内风速的平均值达到启动风速,电网电压和频率持续10min检测正常。当风速在3m/s以下的低风速区时,根据控制策略变桨距系统将使叶片转动到保证转轮具有最大启动力矩的位置;当风速超过3m/s时,此时发电机叶轮慢慢转动,处于待风状态,当风速在5m/s以上时,风力机由待风状态进入低风速启动。2)启动/停机。风电机组的启动主要有2种情况:①正常的风速大于切入风速后自启动;②高于切入风速时的启动并网,通常发生在紧急故障恢复后的重新开机,此时桨距角应复位置于0°,当风轮转动起来后,根据功率优化策略再重新调整桨距角,当满足并网条件后再重新进行并网。3)手/自动切换。机组维修时,需手动调节,要求在停机方式下可任意手动操作。4)自动偏航控制。5)机舱扭缆和自动解绕控制。由于自动偏航单元的工作,机组有可能朝一个方向进行多次对风。当机舱连续朝一个方向旋转数圈后,就有可能造成机组内电缆的缠绕甚至发生断裂,因此必须应有机舱扭缆检测功能。6)变桨距控制。这是机组在高风速区主要的功率调节方式,它在保证机组恒功率输出目标的同时,也是保证机组安全运行的一项重要措施,并且在机组正常或紧急停机时也将发挥重要作用。7)变速优化控制。额定风速以前,采用最佳叶尖速比控制,以获得最大风能为控制目标。达到额定风速以后,按机组转速-风速工作特性曲线进行控制,将变速控制与变桨距相结合,以保持输出功率恒定在额定功率附近。8)并网控制。调节控制绕组励磁电流,使功率绕组的输出频率、幅值、相位与电网同步后,发出并网指令,以保证发电机在转速范围内无扰动并网。9)脱网关机。机组的脱网关机分3种方式。①手动停机和发生普通故障时的脱网停机,当机组接到停机命令,首先顺桨使发电机功率接近零,然后脱网,使能机械闸直到转速降为零。②为保证机组安全运行,当风速大于切出风速时脱网停机,与第1种方式的顺序基本一样。③紧急故障的安全停机,当机组发生超速、振动、发电机短路等紧急故障时,顺桨闸、机械闸将辅助脱网,使机组在最短时间内安全停机。10)风电机组自动除湿、加热、冷却控制。3　控制系统设计实现3.1　主控设备选型硬件选择依据系统的控制精度、通讯速度、响应时间、高性价比、高可靠性的原则,选用SIE2MENSS731522DP大型PLC,作为系统主控单元,它具有抗振动性、抗冲击性、高的电磁兼容性及允许使用的最高环境温度达55℃的适应性。系统的所有输出/输入信号分别由不同功能的接05电气传动　2010年　第40卷　第2期陈景文:兆瓦级风力发电机组电控系统设计

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net口电路(温度信号输入处理、电量传感信号放大处理、频率信号光电隔离保护、开关数字信号接口保护处理、变速控制器信号交换接口)处理后,送入主控制器进行采集和监控处理,完成系统的自动运行控制、速度和功率优化控制、变距控制等。由SIEMENS的OP27彩色操作屏实现对系统的操作控制和状态显示。上位机采用DELL工控机,配置为“PIV2.0G/25”,用于系统状态监控。控制系统的其他元器件采用进口产品,如编码器选OMRONE6B22CWZ6C1024P/R型,温度传感器选进口铂电阻,空气开关选施耐德公司的等。提高系统稳定性、可靠性。3.2　电气控制系统的相关参数控制点1)主要输入开关变量信号。①手动/自动;②紧急停车;③扭缆到位;④刹车片磨损;⑤散热器电机状态;⑥油泵电机状态;⑦蓄电池电量;⑧并网状态;⑨叶轮失速;⑩加热丝运行状态。2)主要输出开关变量信号。①机舱散热器接触器;②偏航电机接触器;③机舱加热器接触器;④并网许可;⑤高速制动闸松闸;⑥低速制动闸松闸;⑦叶片1电机接触器;⑧叶片2电机接触器;⑨叶片3电机接触器;⑩齿轮箱加热;󰁠λϖ齿轮箱散热;󰁠λω偏航故障。3)主要模拟量输入。①机舱温度;②环境温度;③电机绕组温度A;④电机绕组温度B;⑤电机绕组温度C;⑥发电机前轴承温度;⑦发电机后轴承温度;⑧整流管温度;⑨齿轮箱温度;⑩发电机输出冷却水温;󰁠λϖ风速信号;󰁠λω风向信号;󰁠λξX轴震动信号;󰁠λψY轴震动信号;󰁠λζ液压油压力信号;󰁠λ{励磁绕组温度1;󰁠λ|励磁绕组温度2;󰁠λ}励磁绕组温度3;󰁠λ∼IGBT温度;󰁠µυ电网A相电流;󰁠µϖ电网B相电流;󰁠µω电网C相电流;󰁠µξ电网A相电压;󰁠µψ电网B相电压;󰁠µζ电网C相电压。4)脉冲计数量。①偏航编码器;②变桨编码器1;③变桨编码器2;④变桨编码器3;⑤叶轮转速编码器;⑥发电机速度。3.3　控制系统软件设计按照上面对风电机组运行状态的分析,对系统软件实现程序模块化结构设计,各种功能以子程序结构适时调用实现;程序采用循环扫描方式对主程序进行处理,提高程序执行效率;程序设计通用性强,并具有全面的保护功能和一定的智能性;人机界面友好、方便操作。主程序的流程图如图2所示。

图2　主程序的流程图Fig.2　Masterprogramflowchart 由于篇幅所限,其它分布的流程图这里不再一一列举。4　系统的安全可靠性设计安全生产是我国风电场运行管理的一项基本要求,保证风力发电机组的运行安全是风电场设计的基本原则。控制系统是风力发电机的核心部件,是风力发电机组安全运行的根本保证,所以为了提高风力发电机组的运行安全性,必须从控制系统的安全性和可靠性设计开始。4.1　机组控制装置的安全系统组成机组控制装置的安全系统组成由运行保护、抗干扰保护、接地保护等组成,如图3所示。