风电控制系统概述.doc
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1、华北电力大学成人教育毕业设计(论文)成人教育毕业设计(论文)论文题目:风电控制系统概述年级.专业.层次: 学生姓名: 学号 函授站: 指导教师姓名: 年 月风电控制系统概述摘要介绍了世界风力发电控制系统的发展历程和我国的研究现状。分析并得出风力发电系统中,控制系统是确保机组安全可靠运行、优化机组效率的关键。详细介绍了控制系统的功能,并给出了控制系统结构图,同时探讨了控制系统发展趋势。风力发电控制技术的研究,对增强我国大型风力发电机组的自主开发能力、提高风力发电机组的国产化率和降低机组成本具有重要意义。关键词:风力发电;控制系统;研究概述II华北电力大学成人教育毕业设计(论文)目录摘要I1绪论4
2、1.1课题背景41.2 风能概述41.3风力发电的研究成果52风力发电系统521控制系统发展历程52.2风力发电控制系统概述62.2.1系统概述62.2.2风力发电机组控制单元(WPCU)72.2.3控制系统功能72.2.4远程监控系统(WPCM)82.3 WPCS风电控制系统功能82.3.1数据采集(DAS)功能82.3.2机组启停、发电控制92.3.3风电控制系统辅助设备逻辑9图3 控制系统结构图112.4控制系统研究动态112.4.1控制器件的选用112.4.2智能控制技术的应用112.4.3其他113 结论12致谢131绪论1.1课题背景煤炭、石油和天然气等化石燃料的蕴藏量是有限的,人
3、类赖以生存、发展的能源总有一天要枯竭,并且不断增长的能源消耗所造成的环境污染和安全问题已经成为社会的主要突出矛盾。无论从人类将来的能源危机,或是眼前的环境污染问题来看,研究开发风力发电技术都具有十分重要的意义,而且,地球上蕴藏的风力资源也十分丰富,具有广阔的开发前景。开发利用风力资源,要用到许多高新技术。其中最关键的是电力电子技术以及控制技术。将最新的电力电子技术、控制技术应用于风力发电系统中,提高风力发电的效率和电力变换质量、降低风电的成本,使得清洁可再生能源逐步替代传统的化石燃料,以改善人类生存的环境,提高人们的生活水平,具有重大的经济效益和社会价值。风电控制系统包括现场风力发电机组控制单
4、元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心,实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能;每台风力发电机组配有就地HMI人机接口以实现就地操作、调试和维护机组;高速环型冗余光纤以太网是系统的数据高速公路,将机组的实时数据送至上位机界面;上位机操作员站是风电厂的运行监视核心,并具备完善的机组状态监视、参数报警,实时/历史数据的记录显示等功能,操作员在控制室内实现对风场所有机组的运行监视及操作。1.2 风能概述在风能利用方面,可以追溯到很远久的时代。在我国的记载当中,我国在古代时期就已经能够利用风能从事生产、生活、交通等方面的活动,例如帆
5、船的利用、用风能抽水、晒盐等等。风能产生的根源来自于太阳能,因此,风能是一种地球上很常见的自然现象,风能利用后无任何的有害物质产生,是一种理想的资源。在上世纪 70 年代,全球经历过一段艰难的岁月,那时的化石能源,具体来说是石油发生了危机,这就催生了世界范围内对替代能源的挖掘,最终风能成为理想的替代能源之一。自那以后,风力发电出现了大繁荣的景象,装机容量不断飙升,虽然中间出现过一些衰落,但是总体走势是装机增加。 我国风能基地主要分布在三北地区,即西北、东北、华北,除了三北,在东南沿海地区风资源也是很丰富的,目前全国范围均出现了恶劣的雾霾天气,严重影响了人类的健康,所以风力发电又成为了环境治理的
6、最佳方案之一。 我国风力发电的发展是从上个世纪 70 年代开始的,从小功率机组开始,首先研制的为几百瓦的机组,主要用于电网难以覆盖的偏远地区,给当地人带来了电能。经过小型机组的制造,又向千瓦级风机迈进,成功研制出了 600W、850W、850W、1500W、以及 2000W 的机组,实现了技术层面的快速成熟4。进入 21 实际以后,我国风电取得了爆发性的发展,在“十二五”期间,我国的风力发电的装机容量平均增速保持在 34.6%,2016 年的同比增速达到 13.7%,使我国成为世界第一的风电装机容量大国。 如今,风能的利用相对成熟,风力发电也成为目前不可或缺的一种发电形式。目前,风力发电机组还
7、在不断完善当中,发电效率以及装机容量近一步加大,风力发电对化石能源的替代作用越来越明显,相信风电必能成为未来最主要的替代能源。 仅 2016 年我国的新增风电装机容量就达到了 1789 万千瓦,其中三北地区的新装机容量为 1079 万千瓦,其比例占 2016 年新装机的 60.3%。在 2016 年年底,分布在三北地区的风电机组装机容量占到全国风电总装机的 77.2%。另有统计显示,2016 年的风力发电所发出的电能为 2410 亿千瓦时,占我国总体发电量的 4%,其中,三北地区的发电量为 1782 亿千瓦时,占到了总体发电量的 74%。2016 年的新增发电量为 554 亿千瓦时,以上数据显
8、示了我国风力发电的一些显著成果,但是还存在各种已知的问题,例如大范围的弃风问题也是存在的,不过在提出能源互联网和大力发展储能技术的大背景下,风电的应用前景是很光明的,尤其我国目前的风电制造能力与技术水平不断提升,风电已经形成比较具有实力的产业链。2017 年,中国风力发电量达 305.7 太瓦时,相比 2016 年的发电量增长超过26%,在全国能源结构中的占比达到的 4.75%。就年度装机容量而言,中国保持了风力发电的领导地位。与全球相比较,中国的风能储备极为巨大,合理利用与消纳风能是我国能源可持续发展的重中之重。1.3风力发电的研究成果 环境恶化问题越来越多的受到各国的重点关注,因此风电技术
9、也已经成熟,使其成为了最能够大规模开发的一种能源替代方式。在过去的一段时间里,虽然风电的发展有过倒退,但是风电的总体趋势是快速增长的。从全球范围来看,自从 2005 年开始到现在,风电在新增的装机方面,一直保持在 27.3%的平均水平。纵观世界的风能利用情况,可以看出,全球存在 100 个左右的国家在开发风能。风力发电的发展速度飞快,将会成为发展最快的化石能源替代者。在我国开始扶持新能源发电以后,风电的发展速度迎来了新一轮的爆发,使其发展速度更加快速。到 2009 年年底的时候,我国已经有 2500 多万千瓦的风电装机了,这个时候的增长率已经是第三年超过 100%形成了风电发展的高峰期,在 2
10、010 年的时候,当年的新增风电装机 18927.99 兆瓦,截止到此年,我国现存的风电装机已经达到了 44733.29 兆瓦,此两项数据均成为了全球的第一位领跑者。 虽然我国很早就进行了风力发电的研究,但是风电的大力发展却是在近期才开始的,所以说各方面技术与国外相比还存在着一定的差距。在风电场建设方面,其设计规程也不如其他形式电厂丰富。对于电气设计来说,现有标准对风电场建设也能够起到规范性的作用,但是风电场的电气设计又具有其独有的特性,所以又不可完全照搬现有电气设计标准。由于这种现象的存在,在对风电场进行设计时完全没有任何的参考标准和实际案例的指导,这就导致了风电场设计大多按照传统的方法进行
11、,然而传统方法却不是最能够发挥风电场发电效率的方法。我国的风电大发展正是处在这种背景之下。为了应对快速增长的风电场设计相关工作,很多设计院都单独成立了针对风电场的新能源部专门进行此部分能容的设计。但是新部门里也均是一些长期从事火电厂设计的设计员工,对风电场的设计知之甚少,在缺乏标准规范的情形之下,导致了风电场的电气设计毫无章法,对设备的利用率不高、风电场的发电效率低、现场设备冗余等一系列问题。 风电场的接线型式总共有五种样式。在所有这些连接方法之中,只有一种是比较普遍的连接方法,就是链式,这种方法具有很多的好处,例如经济性好和结构简洁,主要思路就是用一条电缆将所有的风电机组串在一起。这种方式也
12、存在问题,就是风机数量与地理位置的影响较大,不利于电缆的敷设。若要追求高可靠度,就需要做成环形设计,但是环形设计需要的电缆长度更高。 环形结构也分为好多种形式,分为单边环形结构、双边环形结构和复合环形结构,单边环形结构是将每个链的尾部用电缆接回汇流母线;双边环形结构就是把链当中的尾部相连风机进行互连;复合环形结构是一种把两种接线型式各取优点进行改进的一种结构。 风电场内的高压母线接线中,一般有两种可供选择,即架空线和电缆。因为风电场具有其固有的特性,例如风能的不确定性导致的风电利用小时数低,风电场的线路检修不会对发电量造成大的影响等,还有就是考虑建设时的成本以及工程的建设难易程度,通常将接线方
13、式确定为架空线的方式。不过目前国家的规定以及现状情况可以见,电缆敷设的方式越来越成为主流的接线形式。在风电机组的分组问题上,多根据现场的实际情况,遵循便捷以及工程易实施的原则。分组中一定要保证每个母线中所连接的风电机组数量是基本一致的,这样才能使各线路的能量输出比较均衡,避免线路中的冲击。风电机组的分组是一个很重要的课题,合理的分组方式能够减少风电场建设投资和优化接线方案。 风电场的无功补偿应用在场内的 35kV 母线上,补偿的方案可以分成两种。在具体的施工上,还是以固定投切电容器组的方式为主流。 2风力发电系统在风力发电系统中需要解决的基本矛盾是如何在风速变化的情况下,获得较稳定的电压输出,
14、以及如何解决无风时的用电问题。既要考虑到风能的特点,又要考虑到用户的需要,达到实用、可靠、经济的运行效果,关键环节之一就是要有一个稳定、可靠、功能齐全的控制系统。21控制系统发展历程风力发电控制系统的基本目标分为3个层次:保证可靠运行;获取最大能量;提供良好的电力质量。因此,为了达到这一控制目标,风力发电系统的控制技术从定桨距发展到变桨距又发展到近年来采用的变速控制技术。20世纪80年代中期开始进入风力发电市场的定浆距风力发电机组,主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题,采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术,这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本问
15、题。20世纪90年代后,风力发电机组的可靠性已不是问题,变距风力发电机组开始进入风力发电市场。此种机组起动时可对转速进行控制,并网后可对功率进行控制,使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著改善。由于变距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想,到了20世纪90年代中期,基于变距技术的各种变速风力发电机组开始进入风电市场。变速与定速风力发电机组控制系统的根本区别在于,变速风力发电机组是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率控制的。变速风力发电机组的主要特点是:低于额定风速时,能跟踪最佳功率曲线,使风力发电机组具有最高的风能转换效率;高于额定风速时,增加了传动系统的柔性,使功率输
16、出更加稳定,特别是解决了高次谐波与功率因素等问题后,达到了高效率、高质量地向电网提供电力的目的。风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展到基于变距技术的变速运行,已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标。2.2风力发电控制系统概述2.2.1系统概述风力发电场具有机组布置范围广阔,设备运行的自然环境恶劣等特点,WPCS风电控制系统专为大型风力发电机组而设计,产品集成了当代最先进的电力电子、微电子、网络和软件技术,系统的网络结构如下:WPCS风电控制系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。2.2.2风力发电机
17、组控制单元(WPCU) 风力发电机组控制单元(WPCU)是每台风机的控制核心,分散布置在机组的塔筒和机舱内。由于风电机组现场运行环境恶劣,对控制系统的可靠性要求非常高,而WPCS风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计,具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等特点,其系统结构如下:图2控制系统结构WPCS风电控制系统的现场控制站包括:塔座主控制器机架、机舱控制站机架、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、以太网交换机、现场总线通讯网络、UPS电源、紧急停机后备系统等。 2.2.3控制系统功能风力发电机组控制系统的作用是对整个风力发电机组实施正常操作、调节和保护。启动控制当风速检测系统在一段持
18、续时间内测得风速平均值达到切入风速,并且系统自检无故障时,控制系统发出释放制动器命令,机组由待风状态进入低风速起动;并脱网控制当风力发电机转速达到同步转速时,执行并网操作。为了减小对电网的冲击,通常采用晶闸管软切入并网。软切入时,限制发电机并网电流并监视三相电流的平衡度,如果不平衡度超出限制则需停机。除此之外,软切入装置还可以使风力发电机在低风速下起动。当风速低于切入风速时,应控制已并网的发电机脱离电网,并在风速低于4 n讥时进行机械制动;偏航与解缆偏航控制即根据风向自动跟风。由于连续跟踪风向可能造成电缆缠绕,因此控制系统还具有解缆功能:限速及刹车当转速超越上限发生飞车时,发电机自动脱离电网,
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