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1、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制原理摘要:本文綜述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣控制。在介紹風(fēng)力渦輪機(jī)特性的基礎(chǔ)上介紹了雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)和永磁同步全饋發(fā)電系統(tǒng),具體介紹了雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過程,最后簡(jiǎn)單介紹了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一些輔助控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:風(fēng)力渦輪機(jī);雙饋異步;永磁同步發(fā)電系統(tǒng)概述:經(jīng)過20年的發(fā)展風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)從基本單一的定槳距失速控制發(fā)展到全槳葉變距和變速恒頻控制,目前主要的兩種控制方式是:雙饋異步變槳變速恒頻控制方式和低速永磁同步變槳變速恒
2、頻控制方式。在講述風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)之前,我們需要了解風(fēng)力渦輪機(jī)輸出功率與風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。風(fēng)力渦輪機(jī)特性:1,風(fēng)能利用系數(shù)Cp風(fēng)力渦輪從自然風(fēng)能中吸取能量的大小程度用風(fēng)能利用系數(shù)Cp表示:P風(fēng)力渦輪實(shí)際獲得的軸功率????空氣密度S風(fēng)輪的掃風(fēng)面積V上游風(fēng)速根據(jù)貝茲(Betz)理論可以推得風(fēng)力渦輪機(jī)的理論最大效率為:Cpmax=0.593。2,葉尖速比?為了表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài),用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比來衡量,稱為葉尖速比?。
3、n風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速????風(fēng)輪叫角頻率R風(fēng)輪半徑V上游風(fēng)速在槳葉傾角?固定為最小值條件下,輸出功率PPn與渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速NNn的關(guān)系如圖1所示。從圖1中看,對(duì)應(yīng)于每個(gè)風(fēng)速的曲線,都有一個(gè)最大輸出功率點(diǎn),風(fēng)速越高,最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)得轉(zhuǎn)速越高。如故能隨風(fēng)速變化改變轉(zhuǎn)速,使得在所有風(fēng)速下都工作于最大工作點(diǎn),則發(fā)出電能最多,否則發(fā)電效能將降低。渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出功率還與槳葉傾角?有關(guān),關(guān)系曲線見圖2。圖中橫坐標(biāo)為槳葉尖速度比,縱坐標(biāo)為輸出功率系統(tǒng)Cp。在圖2中
4、,每個(gè)傾角對(duì)應(yīng)于一條Cp=f(?)曲線,傾角越大,曲線越靠左下方。每條曲線都有一個(gè)上升段和下降段,其中下降段是穩(wěn)定工作段(若風(fēng)速和傾角不變,受擾動(dòng)后轉(zhuǎn)速增加,?加大,Cp減小,渦輪機(jī)輸出機(jī)械功率和轉(zhuǎn)矩減小,轉(zhuǎn)子減速,返回穩(wěn)定點(diǎn)。)它是工作區(qū)段。在工作區(qū)段中,傾角越大,?和Cp越小。3,變速發(fā)電的控制變速發(fā)電不是根據(jù)風(fēng)速信號(hào)控制功率和轉(zhuǎn)速,而是根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)控制,因?yàn)轱L(fēng)速信號(hào)擾動(dòng)大,而轉(zhuǎn)速信號(hào)較平穩(wěn)和準(zhǔn)確(機(jī)組慣量大)。三段控制要求:低風(fēng)速
5、段N<Nn,按輸出功率最大功率要求進(jìn)行變速控制。聯(lián)接不同風(fēng)速下渦輪機(jī)功岸的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中。永磁同步全饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的運(yùn)行和雙饋系統(tǒng)基本類似,也通過同步切入過程,和正常運(yùn)行階段,控制方式也采用上述的三段式控制。永磁同步全饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部電功率都通過變頻器,變頻器容量需按100%功率選取,比雙饋系統(tǒng)容量大,投資和損耗大,使用永磁同步發(fā)電機(jī),電機(jī)輕,取消變速齒輪結(jié)構(gòu)減輕了整機(jī)重量,變換器增加的投資可以從機(jī)械結(jié)構(gòu)的節(jié)約中得到
6、補(bǔ)償。7,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的輔助控制系統(tǒng)這些輔助控制系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主控制器控制,主要包括:槳葉傾角控制系統(tǒng):槳葉傾角控制通過液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),在轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速增加升至額定轉(zhuǎn)速后,通過加大傾角來維持轉(zhuǎn)速不變,目前工程上使用線性PID控制器來進(jìn)行控制。偏航控制系統(tǒng):偏航系統(tǒng)有兩個(gè)主要目的:一是使風(fēng)輪跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向,二是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于偏航作用,機(jī)艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時(shí),自動(dòng)解除纏繞。偏航系統(tǒng)一般通過控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)。風(fēng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng):風(fēng)葉
7、的制動(dòng)系統(tǒng)采用液壓的盤式剎車系統(tǒng),一般安排在高速軸上。具有三種剎車方式:正常停機(jī)方式;安全停車方式;緊急停車方式。其他安全保護(hù)系統(tǒng):其他安全保護(hù)系統(tǒng)主要有:超速保護(hù)、電網(wǎng)失電保護(hù)、電氣保護(hù)(過壓,過流)、雷擊保護(hù)、機(jī)艙機(jī)械保護(hù)、槳葉保護(hù)、緊急安全鏈保護(hù)等等。結(jié)束語:目前風(fēng)力發(fā)電的主要方向:陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用15/2M雙饋異步發(fā)電機(jī)組。離岸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用4/5M永磁同步全饋發(fā)電機(jī)組。建設(shè)大型或者超大型的風(fēng)力電場(chǎng)(有上百臺(tái)風(fēng)力機(jī)組組成)
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