兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳景文

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710021)

1 引言

伴隨世界經(jīng)濟(jì)和國(guó)際工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程,世界各國(guó)對(duì)能源的需求越來(lái)越大,人類正面臨著能源短缺和環(huán)境保護(hù)兩方面的壓力。風(fēng)能作為一種清潔的綠色能源,是近期內(nèi)具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用前景的可再生能源,開(kāi)發(fā)利用可再生能源已成為21世紀(jì)能源發(fā)展戰(zhàn)略的必然選擇。

一般變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng),均包含以下3方面的要求:

1)保證發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。要保證機(jī)組可以在不同的風(fēng)速下自動(dòng)調(diào)整控制目標(biāo)和控制策略,實(shí)現(xiàn)機(jī)組的正常開(kāi)機(jī)、運(yùn)行、并脫網(wǎng)和安全停機(jī);

2)保證機(jī)組以最佳葉尖速比運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤。從頻繁變化的風(fēng)力資源中如何在最大程度上吸收風(fēng)能、提高發(fā)電效率;

3)向電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)的電能。

2 電氣控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及功能

2.1 電氣控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

本風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要電氣參數(shù)有:同步發(fā)電機(jī)參數(shù)為電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～1 800 r/min,電壓等級(jí)AC 690V,額定功率1 500 kW;功率特征為啟動(dòng)風(fēng)速3 m/s,額定風(fēng)速12 m/s,停機(jī)風(fēng)速25 m/s,抗最大風(fēng)速56 m/s;風(fēng)輪參數(shù)為直徑70 m,3片葉片,掃風(fēng)面積3 848 m2,通過(guò)變槳距調(diào)節(jié)功率。

機(jī)組控制系統(tǒng)的主控制器安裝在現(xiàn)場(chǎng)的模塊上,對(duì)電網(wǎng)、風(fēng)況及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,并與其他功能模塊保持通信,對(duì)各方面的情況做出綜合分析后,發(fā)出各種控制指令。

發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)圖如圖1所示,圖1中主控制器是電控系統(tǒng)的核心,通過(guò)各類傳感器對(duì)電網(wǎng)、氣象及風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,并發(fā)出各種控制指令,實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)/停機(jī)、手自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換、發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無(wú)擾動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)偏航控制(不偏離風(fēng)向±10°)、機(jī)艙扭纜和自動(dòng)解繞控制、自動(dòng)變槳距控制、變速控制、風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)除濕、加熱、冷卻控制、液壓系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行控制和運(yùn)行故障監(jiān)控等。電控系統(tǒng)首先必須確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身安全可靠的運(yùn)行,并實(shí)現(xiàn)機(jī)組的變速恒頻控制,此外對(duì)故障的判斷處理要及時(shí)、準(zhǔn)確。

圖1 系統(tǒng)電氣控制總圖Fig.1 System electricity control assembly chart

控制器首先完成系統(tǒng)監(jiān)控需要的氣象、電網(wǎng)、風(fēng)電機(jī)組和變頻器狀態(tài)、參數(shù)監(jiān)控和記錄,以開(kāi)機(jī)→并網(wǎng)→發(fā)電控制→脫網(wǎng)→安全停機(jī)為主線,分別按要求進(jìn)行開(kāi)機(jī)準(zhǔn)備、偏航調(diào)整、故障處理、優(yōu)化參數(shù)計(jì)算、速度和功率控制給定及系統(tǒng)運(yùn)行管理?？刂破鞯暮诵氖且訢SP為內(nèi)部控制器的大功率變流器,它與主控制器組成主-從控制,控制器將根據(jù)PLC給定的參數(shù)和控制信息獨(dú)立地進(jìn)行其運(yùn)行管理。

2.2 控制系統(tǒng)的具體功能

1)啟動(dòng)前的準(zhǔn)備。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行之前要確定風(fēng)機(jī)安全鏈、偏航系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、齒輪箱系統(tǒng)及并網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)故障。持續(xù)檢測(cè)10 min內(nèi)風(fēng)速的平均值達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速,電網(wǎng)電壓和頻率持續(xù)10 min檢測(cè)正常。當(dāng)風(fēng)速在3 m/s以下的低風(fēng)速區(qū)時(shí),根據(jù)控制策略變槳距系統(tǒng)將使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)到保證轉(zhuǎn)輪具有最大啟動(dòng)力矩的位置;當(dāng)風(fēng)速超過(guò)3 m/s時(shí),此時(shí)發(fā)電機(jī)葉輪慢慢轉(zhuǎn)動(dòng),處于待風(fēng)狀態(tài),當(dāng)風(fēng)速在5 m/s以上時(shí),風(fēng)力機(jī)由待風(fēng)狀態(tài)進(jìn)入低風(fēng)速啟動(dòng)。

2)啟動(dòng)/停機(jī)。風(fēng)電機(jī)組的啟動(dòng)主要有2種情況:①正常的風(fēng)速大于切入風(fēng)速后自啟動(dòng);②高于切入風(fēng)速時(shí)的啟動(dòng)并網(wǎng),通常發(fā)生在緊急故障恢復(fù)后的重新開(kāi)機(jī),此時(shí)槳距角應(yīng)復(fù)位置于0°,當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)后,根據(jù)功率優(yōu)化策略再重新調(diào)整槳距角,當(dāng)滿足并網(wǎng)條件后再重新進(jìn)行并網(wǎng)。

3)手/自動(dòng)切換。機(jī)組維修時(shí),需手動(dòng)調(diào)節(jié),要求在停機(jī)方式下可任意手動(dòng)操作。

4)自動(dòng)偏航控制。

5)機(jī)艙扭纜和自動(dòng)解繞控制。由于自動(dòng)偏航單元的工作,機(jī)組有可能朝一個(gè)方向進(jìn)行多次對(duì)風(fēng)。當(dāng)機(jī)艙連續(xù)朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)數(shù)圈后,就有可能造成機(jī)組內(nèi)電纜的纏繞甚至發(fā)生斷裂,因此必須應(yīng)有機(jī)艙扭纜檢測(cè)功能。

6)變槳距控制。這是機(jī)組在高風(fēng)速區(qū)主要的功率調(diào)節(jié)方式,它在保證機(jī)組恒功率輸出目標(biāo)的同時(shí),也是保證機(jī)組安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要措施,并且在機(jī)組正?；蚓o急停機(jī)時(shí)也將發(fā)揮重要作用。

7)變速優(yōu)化控制。額定風(fēng)速以前,采用最佳葉尖速比控制,以獲得最大風(fēng)能為控制目標(biāo)。達(dá)到額定風(fēng)速以后,按機(jī)組轉(zhuǎn)速-風(fēng)速工作特性曲線進(jìn)行控制,將變速控制與變槳距相結(jié)合,以保持輸出功率恒定在額定功率附近。

8)并網(wǎng)控制。調(diào)節(jié)控制繞組勵(lì)磁電流,使功率繞組的輸出頻率、幅值、相位與電網(wǎng)同步后,發(fā)出并網(wǎng)指令,以保證發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無(wú)擾動(dòng)并網(wǎng)。

9)脫網(wǎng)關(guān)機(jī)。機(jī)組的脫網(wǎng)關(guān)機(jī)分3種方式。①手動(dòng)停機(jī)和發(fā)生普通故障時(shí)的脫網(wǎng)停機(jī),當(dāng)機(jī)組接到停機(jī)命令,首先順槳使發(fā)電機(jī)功率接近零,然后脫網(wǎng),使能機(jī)械閘直到轉(zhuǎn)速降為零。②為保證機(jī)組安全運(yùn)行,當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速時(shí)脫網(wǎng)停機(jī),與第1種方式的順序基本一樣。③緊急故障的安全停機(jī),當(dāng)機(jī)組發(fā)生超速、振動(dòng)、發(fā)電機(jī)短路等緊急故障時(shí),順槳閘、機(jī)械閘將輔助脫網(wǎng),使機(jī)組在最短時(shí)間內(nèi)安全停機(jī)。

10)風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)除濕、加熱、冷卻控制。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 主控設(shè)備選型

硬件選擇依據(jù)系統(tǒng)的控制精度、通訊速度、響應(yīng)時(shí)間、高性價(jià)比、高可靠性的原則,選用SIEMENS S7 315-2DP大型 PLC,作為系統(tǒng)主控單元,它具有抗振動(dòng)性、抗沖擊性、高的電磁兼容性及允許使用的最高環(huán)境溫度達(dá)55℃的適應(yīng)性。系統(tǒng)的所有輸出/輸入信號(hào)分別由不同功能的接口電路(溫度信號(hào)輸入處理、電量傳感信號(hào)放大處理、頻率信號(hào)光電隔離保護(hù)、開(kāi)關(guān)數(shù)字信號(hào)接口保護(hù)處理、變速控制器信號(hào)交換接口)處理后,送入主控制器進(jìn)行采集和監(jiān)控處理,完成系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行控制、速度和功率優(yōu)化控制、變距控制等。

由SIEMENS的OP27彩色操作屏實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操作控制和狀態(tài)顯示。上位機(jī)采用DELL工控機(jī),配置為“PIV2.0G/25”,用于系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。

控制系統(tǒng)的其他元器件采用進(jìn)口產(chǎn)品,如編碼器選OMRON E6B2-CWZ6C 1024P/R型,溫度傳感器選進(jìn)口鉑電阻,空氣開(kāi)關(guān)選施耐德公司的等。提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性。

3.2 電氣控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)控制點(diǎn)

1)主要輸入開(kāi)關(guān)變量信號(hào)。①手動(dòng)/自動(dòng);②緊急停車;③扭纜到位;④剎車片磨損;⑤散熱器電機(jī)狀態(tài);⑥油泵電機(jī)狀態(tài);⑦蓄電池電量;⑧并網(wǎng)狀態(tài);⑨葉輪失速;⑩加熱絲運(yùn)行狀態(tài)。

2)主要輸出開(kāi)關(guān)變量信號(hào)。①機(jī)艙散熱器接觸器;②偏航電機(jī)接觸器;③機(jī)艙加熱器接觸器;④并網(wǎng)許可;⑤高速制動(dòng)閘松閘;⑥低速制動(dòng)閘松閘;⑦葉片1電機(jī)接觸器;⑧葉片2電機(jī)接觸器;⑨葉片3電機(jī)接觸器;⑩齒輪箱加熱;[11]齒輪箱散熱;[12]偏航故障。

3)主要模擬量輸入。①機(jī)艙溫度;②環(huán)境溫度;③電機(jī)繞組溫度A;④電機(jī)繞組溫度B;⑤電機(jī)繞組溫度C;⑥發(fā)電機(jī)前軸承溫度;⑦發(fā)電機(jī)后軸承溫度;⑧整流管溫度;⑨齒輪箱溫度;⑩發(fā)電機(jī)輸出冷卻水溫;[11]風(fēng)速信號(hào);[12]風(fēng)向信號(hào);[13]X軸震動(dòng)信號(hào);[14]Y軸震動(dòng)信號(hào);[15]液壓油壓力信號(hào);[16]勵(lì)磁繞組溫度1;[17]勵(lì)磁繞組溫度2;[18]勵(lì)磁繞組溫度 3;[19]IGBT 溫度;[20]電網(wǎng) A 相電流;[21]電網(wǎng)B相電流;[22]電網(wǎng) C相電流;[23]電網(wǎng) A相電壓;[24]電網(wǎng)B 相電壓;[25]電網(wǎng)C相電壓 。

4)脈沖計(jì)數(shù)量。①偏航編碼器;②變槳編碼器1;③變槳編碼器2;④變槳編碼器3;⑤葉輪轉(zhuǎn)速編碼器;⑥發(fā)電機(jī)速度。

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

按照上面對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的分析,對(duì)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)程序模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),各種功能以子程序結(jié)構(gòu)適時(shí)調(diào)用實(shí)現(xiàn);程序采用循環(huán)掃描方式對(duì)主程序進(jìn)行處理,提高程序執(zhí)行效率;程序設(shè)計(jì)通用性強(qiáng),并具有全面的保護(hù)功能和一定的智能性;人機(jī)界面友好、方便操作。主程序的流程圖如圖2所示。

圖2 主程序的流程圖Fig.2 M aster program flow chart

由于篇幅所限,其它分布的流程圖這里不再一一列舉。

4 系統(tǒng)的安全可靠性設(shè)計(jì)

安全生產(chǎn)是我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理的一項(xiàng)基本要求,保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全是風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的基本原則?？刂葡到y(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件,是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的根本保證,所以為了提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全性,必須從控制系統(tǒng)的安全性和可靠性設(shè)計(jì)開(kāi)始。

4.1 機(jī)組控制裝置的安全系統(tǒng)組成

機(jī)組控制裝置的安全系統(tǒng)組成由運(yùn)行保護(hù)、抗干擾保護(hù)、接地保護(hù)等組成,如圖3所示。

圖3 機(jī)組安全系統(tǒng)圖Fig.3 Unit security system chart

4.2 機(jī)組控制運(yùn)行安全保護(hù)系統(tǒng)

1)強(qiáng)風(fēng)保護(hù)安全系統(tǒng)。機(jī)組設(shè)計(jì)有切入風(fēng)速,停機(jī)風(fēng)速,一般取10 min,25 m/s的風(fēng)速為停機(jī)風(fēng)速。由于此時(shí)風(fēng)的能量很大,系統(tǒng)必須采取保護(hù)措施,將自動(dòng)調(diào)節(jié)槳距角,限制最大功率的輸出,保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全。

2)參數(shù)越限保護(hù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中,針對(duì)機(jī)組運(yùn)行的不同現(xiàn)場(chǎng),規(guī)定越限參數(shù)值不同。溫度參數(shù)由計(jì)算機(jī)采樣值和實(shí)際工況計(jì)算確定上下限,壓力參數(shù)的極限采用壓力繼電器,根據(jù)工況要求確定和調(diào)整越限設(shè)定值。

3)電壓電流保護(hù)。電壓保護(hù)是對(duì)電氣裝置元件遭到的瞬間高壓沖擊所進(jìn)行的保護(hù),通常對(duì)控制系統(tǒng)交流電源進(jìn)行隔離穩(wěn)壓保護(hù),同時(shí)裝置加高壓瞬態(tài)吸收元件,提高控制系統(tǒng)的耐高壓能力。電流保護(hù):控制系統(tǒng)的電氣電路都必須加過(guò)流保護(hù)器,將根據(jù)各自的負(fù)荷計(jì)算允許通過(guò)的電流并選配不同斷路器如熔斷器、空開(kāi)等。

4)啟動(dòng)保護(hù)。主要體現(xiàn)在開(kāi)機(jī)正常順序控制和軟并網(wǎng)控制上。對(duì)于軟并網(wǎng)控制,采取同步、同相、同壓控制,限制并網(wǎng)時(shí)的電流沖擊。

5)關(guān)機(jī)保護(hù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在小風(fēng)擾動(dòng)、強(qiáng)風(fēng)及故障時(shí)需要安全停機(jī),停機(jī)的順序應(yīng)先采用空氣制動(dòng),然后軟切除脫網(wǎng)停機(jī)。

6)緊急停機(jī)保護(hù)。緊急停機(jī)是機(jī)組安全保護(hù)的有效措施,當(dāng)振動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作、轉(zhuǎn)速超限、電網(wǎng)中斷、機(jī)組部件突然損壞或出現(xiàn)其他嚴(yán)重事故時(shí),機(jī)組緊急停機(jī)。

4.3 電氣接地保護(hù)系統(tǒng)

接地在正常情況或事故情況下,為了保證電器設(shè)備的安全運(yùn)行,必須將電控制系統(tǒng)一點(diǎn)進(jìn)行接地,如變壓器的中心點(diǎn)接地等,稱為工作接地。為了防止由于絕緣損壞而造成觸電危險(xiǎn),把電器設(shè)備不帶電的金屬外殼用導(dǎo)線和接地裝置相連接,控制板、電機(jī)外殼接地,稱為保護(hù)接地。

4.4 抗電磁干擾保護(hù)系統(tǒng)

抗電磁干擾的基本原則是為了使控制系統(tǒng)既不因外界電磁干擾的影響而誤動(dòng)作或喪失功能,也不向外界發(fā)送過(guò)大的噪聲干擾,以免影響其他系統(tǒng)或裝置正常工作,所以遵循下列3個(gè)原則:1)抑制噪聲源,直接消除干擾產(chǎn)生的原因;2)切斷電磁干擾的傳遞途徑或提高傳遞途徑對(duì)電磁干擾的衰減作用,以消除噪聲源和受擾設(shè)備之間的噪聲耦合;3)加強(qiáng)受擾設(shè)備抵抗電磁干擾的能力,降低其噪聲靈感度。

5 結(jié)論

文章以當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電中流行的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)為例,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能的分析,在此基礎(chǔ)上對(duì)軟硬件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì),最后分析了系統(tǒng)的安全可靠性問(wèn)題,設(shè)計(jì)完成一套較完整的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。本系統(tǒng)已在內(nèi)蒙風(fēng)電廠得到廣泛使用,實(shí)際運(yùn)行效果理想:在3 m/s風(fēng)速能夠正常發(fā)電啟動(dòng),在風(fēng)速12 m/s至25 m/s均可以保證發(fā)出額定功率電能,在暴風(fēng)(主要旋風(fēng))時(shí)可安全停機(jī)保護(hù);所發(fā)出并網(wǎng)電能質(zhì)量良好,功率因數(shù)接近1;偏航系統(tǒng)及變槳系統(tǒng)反應(yīng)靈敏度高,控制準(zhǔn)確。

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