大型風(fēng)電發(fā)電機(jī)組控制中的電氣設(shè)計(jì)簡析

摘 要：隨著社會(huì)及經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，對(duì)于清潔能源的需求也越來越迫切，而風(fēng)能是清潔能源中可再生且無污染的重要資源，風(fēng)力發(fā)電也已得到高速發(fā)展，但是風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的工作效率及發(fā)電成本仍需要得到進(jìn)一步改進(jìn)，以更好的促進(jìn)我國的清潔能源及電力行業(yè)的發(fā)展。文章首先介紹了風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并從不同的角度來分析風(fēng)電發(fā)電機(jī)組控制中的電氣設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高風(fēng)電發(fā)電機(jī)組工作效率的目的。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電發(fā)電機(jī)組；電氣控制；設(shè)計(jì)

引言

現(xiàn)階段的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)借助大型電力發(fā)電機(jī)組來達(dá)到增加場(chǎng)地利用率的效果，并且大型電力發(fā)電機(jī)組的使用對(duì)于降低各項(xiàng)成本也有著非常重要的意義，這也是風(fēng)能優(yōu)于其他清潔能源的方面，隨著對(duì)電力資源需求的增加，大型風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的數(shù)量也會(huì)不斷增加，有效促進(jìn)我國風(fēng)電企業(yè)的高效發(fā)展。但由于風(fēng)能屬于天然資源，風(fēng)速及風(fēng)向等因素都比較難控制，并且通常大型風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的工作環(huán)境都比較惡劣，對(duì)其工作效果產(chǎn)生一定的影響，這就要求相關(guān)的風(fēng)電企業(yè)，通過改善大型風(fēng)電發(fā)電機(jī)組控制中電氣設(shè)計(jì)來促進(jìn)我國風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展。

1 大型風(fēng)電發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的介紹

大型風(fēng)電發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理是借助現(xiàn)場(chǎng)安裝的各種模塊，來實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍風(fēng)況/發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)及電網(wǎng)運(yùn)行情況等的監(jiān)控，并保持和其他功能模塊之間的通信。風(fēng)電發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)是在綜合分析所有情況之后，將各類控制指令發(fā)出，電氣控制系統(tǒng)的框架如圖1：

框架圖中，整個(gè)電控系統(tǒng)的核心便是主控制器，其借助各種傳感器來對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)/氣象及電網(wǎng)等實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過向外發(fā)出不同的控制指令，完成整個(gè)機(jī)組的自動(dòng)停機(jī)/啟動(dòng)/監(jiān)控運(yùn)行故障/變速控制/自動(dòng)偏航控制等[2]。

2 電氣控制系統(tǒng)基本功能的設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)起停風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)

該部分主要分為控制面板啟動(dòng)/自動(dòng)啟動(dòng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控啟動(dòng)三種啟動(dòng)方式。而停機(jī)主要是緊急停機(jī)/安全停機(jī)和自動(dòng)停機(jī)三種，其中，如果出現(xiàn)的故障對(duì)機(jī)組產(chǎn)生致命性的嚴(yán)重?fù)p害時(shí)，實(shí)施緊急停機(jī)，即將補(bǔ)償電容切斷，并同時(shí)進(jìn)行空氣動(dòng)力剎車、偏航剎車/高速機(jī)械剎車，迫使電機(jī)組馬上停機(jī)；如果出現(xiàn)的故障對(duì)機(jī)組產(chǎn)生不太嚴(yán)重的損害時(shí)，選擇安全停機(jī)；如果出現(xiàn)的故障未損害到機(jī)組，選擇正常停機(jī)[1]。

2.2 電機(jī)切換控制設(shè)計(jì)

電流從大電機(jī)向小電機(jī)切換的過程中，小電機(jī)會(huì)受到電流非常大的沖擊，為了將電流控制在小電機(jī)可接受的電流范圍內(nèi)，可以借助可控硅控件來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，來確保小電機(jī)的正常運(yùn)作。此外，為了確保使用可控硅過程中的安全性，需要將瞬態(tài)抑制電路安裝到主電路中，以有效抑制可控硅電壓的上升率，進(jìn)而降低電流的上升率[3]。

2.3 軟并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

軟并網(wǎng)系統(tǒng)限流效果的實(shí)現(xiàn)需要借助大功率可控硅，如果直接進(jìn)行發(fā)電機(jī)組的的并網(wǎng)，就很容易出現(xiàn)非常大的沖擊電流，對(duì)電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)都會(huì)產(chǎn)生較大的損害，還會(huì)對(duì)其他聯(lián)機(jī)網(wǎng)組產(chǎn)生影響。機(jī)組在并網(wǎng)或者電動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，主控制系統(tǒng)可以通過指揮可控硅的運(yùn)作來安全控制并網(wǎng)的全過程。同時(shí)，并網(wǎng)旁路中還應(yīng)該通過可控硅控件來降低開關(guān)設(shè)備受到的電流沖擊，以有效保護(hù)整個(gè)開關(guān)設(shè)備。

2.4 自動(dòng)解纜與偏航

自動(dòng)解纜與偏航是大型風(fēng)電機(jī)組電氣控制中一項(xiàng)重要技術(shù)，當(dāng)優(yōu)先級(jí)比較高的偏航操作被執(zhí)行時(shí)，優(yōu)先級(jí)相對(duì)較低的偏航指令將會(huì)被清除或者自動(dòng)屏蔽，還會(huì)根據(jù)不同級(jí)別的偏航指令的方向來分為方向相同和不相同兩種處理方式。出現(xiàn)故障或者處于維護(hù)狀態(tài)的系統(tǒng)，全部的偏航指令都會(huì)被屏蔽掉。偏航系統(tǒng)還分左右兩種偏航執(zhí)行操作，并且在設(shè)計(jì)兩種偏航操作的過程中，要保證其軟件設(shè)計(jì)、硬件線路和機(jī)械環(huán)節(jié)上的互鎖，確保整個(gè)偏航系統(tǒng)的安全。當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)比較大的情況時(shí)，控制系統(tǒng)要通過葉輪九十度側(cè)風(fēng)來對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，并且要對(duì)風(fēng)向的變化繼續(xù)進(jìn)行追蹤，保證整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

解纜系統(tǒng)也是由兩部分構(gòu)成，分別是扭纜開關(guān)控制的安全鏈保護(hù)和扭纜傳感器控制的自動(dòng)解纜。如果電纜纏繞到達(dá)相應(yīng)的設(shè)定值的情況，電纜傳感器發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，控制系統(tǒng)結(jié)合信號(hào)來對(duì)偏航系統(tǒng)進(jìn)行控制操作，以實(shí)現(xiàn)電纜解繞的效果。如果在這種情況下，控制系統(tǒng)未實(shí)施自動(dòng)解纜操作，在電纜纏繞到達(dá)可承受的極限時(shí)，解纜的安全鏈保護(hù)就會(huì)被觸發(fā)，這時(shí)機(jī)組就會(huì)出現(xiàn)緊急停機(jī)，并對(duì)不能自動(dòng)修復(fù)的故障進(jìn)行報(bào)告，等待人工解纜操作。

2.5 人機(jī)交互式切換控制設(shè)計(jì)

體現(xiàn)風(fēng)電發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化程度的重要指標(biāo)之一就是人機(jī)交互式切換控制的實(shí)現(xiàn)，機(jī)組運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)值都可以通過MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的操作界面被操作者操作和設(shè)計(jì)，進(jìn)而通過工控機(jī)來對(duì)相關(guān)指令進(jìn)行識(shí)別和接受，借助PLC控制系統(tǒng)通訊環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制風(fēng)電發(fā)電機(jī)組。此外，機(jī)組反饋回來的的運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)和設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行比較，以便于操作者及時(shí)準(zhǔn)確的判斷出整個(gè)風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

2.6 制動(dòng)控制設(shè)計(jì)

制動(dòng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)包括設(shè)備自行保護(hù)措施、主控制保護(hù)系統(tǒng)和主控制保護(hù)系統(tǒng)限制不了的保護(hù)系統(tǒng)三個(gè)主要部分。設(shè)計(jì)制動(dòng)控制時(shí)，應(yīng)該確保整個(gè)設(shè)計(jì)有不少于兩套不相互依賴的剎車設(shè)備，比如，可以利用冗余原則來設(shè)計(jì)主控制系統(tǒng)限制不了的保護(hù)系統(tǒng)，由于主控制保護(hù)系統(tǒng)是安全鏈中不被主控制系統(tǒng)限制的重要環(huán)節(jié)，這就要求必須要確保最高優(yōu)先級(jí)的安全鏈，一旦電網(wǎng)或者主控制保護(hù)系統(tǒng)有嚴(yán)重故障出現(xiàn)，安全鏈應(yīng)馬上制動(dòng)，使風(fēng)電發(fā)電機(jī)組立刻停機(jī)，實(shí)現(xiàn)安全拖網(wǎng)。

2.7 其他方面的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程通訊控制功能是風(fēng)電發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)應(yīng)該具備的重要功能，由于風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員比較有限，這也就決定了集中管理及遠(yuǎn)程控制的必要性。為了降低工作人員的勞動(dòng)量，就需要借助中央控制室的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)來實(shí)時(shí)的對(duì)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行保存及收集分析。此外，運(yùn)行監(jiān)測(cè)及故障處理也是電氣控制系統(tǒng)具備的重要功能，電氣控制系統(tǒng)通過對(duì)收集到的各種參數(shù)的收集和分析，對(duì)故障類型進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果選擇合適的停機(jī)方式對(duì)故障進(jìn)行處理，并及時(shí)向操作者發(fā)出通知。

3 結(jié)束語

風(fēng)電發(fā)電機(jī)組作為風(fēng)力發(fā)電能力的決定性因素，其工作效率直接影響到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電的結(jié)果，而風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)是影響整個(gè)機(jī)組工作效率的關(guān)鍵部分，只有保證電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理，才能確保整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行效率，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電的效果，為社會(huì)及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供充足穩(wěn)定的電力資源。

參考文獻(xiàn)

[1]盧裕富，鐘理，劉天鵬.淺談大型風(fēng)電發(fā)電機(jī)組控制中的電氣設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2014，01：9.

[2]孔屹剛.大型風(fēng)力機(jī)功率控制與最大能量捕獲策略研究[D].上海交通大學(xué)，2009.

[3]張新房.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的智能控制研究[D].華北電力大學(xué)（北京），2005.