风力发电控制技术.pdf

风力发电及其控制技术 摘要 : 风力发电是将风能转换成电能，风能推动叶轮旋转，叶轮带动转动 轴和增速机，增速机带动发电机，发电机通过输电电缆将电能输送地面控制系 统和负荷。风力发电技术是一项多学科的，可持续发展的，绿色环保的综合技 术。风力发电系统中的控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术，这是因为 自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的切入（电网）和切出 （电网）、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和保 护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是海岛或边远地区甚 至海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程监控，这 就对风力发电机组的控制系统的可靠性提出了很高的要求 一、风电控制系统简述 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。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。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，而风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计， 应具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等能力。 风电控制系统的现场控制站包括：塔座主控制器机柜、机舱控制站机柜、 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。 风力发电的基本原理 风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。 风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋 转，再通过增速器将旋转的速度提高来促 使发电机发电的。依据目前的风车技术， 大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风 力发电的原理说起来非常简单，最简单的 风力发电机可由叶片和发电机两部分构成 如图1-1所示。空气流动的动能作用在叶 轮上，将动能转换成机械能，从而推动片 叶旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的转 轴相连就会带动发电机发出电来。 风力发电的特点 （1）可再生的洁净能源 风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资源也不污染环境，这是 火力发电所无法比拟的优点。 （2）建设周期短 一个十兆瓦级的风电场建设期不到一年。 （3）装机规模灵活 可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台。 （4）可靠性高 把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发 电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电且机组寿命可达20年。 （5）造价低 从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和 常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进， 造价和电价相对比火力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化、产业 化，在不久的将来风力发电的造价和电价都将低于火力发电。 （6）运行维护简单 现代中大型风力发电机的自动化水平很高，完全可以在无人职守的情况下正常 工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电的大修问题。 （7）实际占地面积小 发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂 1%的土地，其余场地仍可供农、牧、 渔使用。 （8）发电方式多样化 风力发电既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发电、水 利发电机组形成互补系统，还可以独立运行，因此对于解决边远地区的用电问 题提供了现实可行性。 （9）单机容量小 由于风能密度低决定了单台风力发电机组容量不可能很大，与现在的火力 发电机组和核电机组无法相比。另外风况是不稳定的，有时无风有时又有破坏 性的大风，这都是风力发电必须解决的实际问题。 风力机发电机组分类 水平轴风力机 水平轴风力发电机组按风力机功率调节方式可分为： •定桨距失速型风力发电机组 •变桨距失速型风力发电机组 •变速恒频型风力发电机组 1）定桨距失速型风力发电机组 定桨距失速型风力发电机组通过风轮叶片失速来控制风力发电机组在