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浅谈风力发电设备电控系统

--浅谈风力发电设备电控系统

供稿:工控网 2015/7/11 9:12:00

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  • 关键词: 风力发电 变速恒频 偏航
  • 摘要:风能是世界上使用最为广泛和发展最快的可再生能源之一。截至2010年底,中国全年风力发电新增装机达1600万千瓦,累计装机容量达到4182.7万千瓦,首次超过美国,跃居世界第一,成为全球风电装备最大的消费者和生产者。风电已经成为中国经济发展的亮点,并具备主导世界市场的潜能,将成为第二大主力电源。

  风能是世界上使用最为广泛和发展最快的可再生能源之一。截至2010年底,中国全年风力发电新增装机达1600万千瓦,累计装机容量达到4182.7万千瓦,首次超过美国,跃居世界第一,成为全球风电装备最大的消费者和生产者。风电已经成为中国经济发展的亮点,并具备主导世界市场的潜能,将成为第二大主力电源。

大红大紫的风电行业吸引了大批国内机电制造商进入,造成整机产能明显过剩。目前中国已经形成年产2500万兆瓦的风机制造能力,而全国超过80家风电整机制造商中,仅华锐、金风和东方电气等六大厂商2010年产能总量即已超过1700万兆瓦,已超过去年国内需求。

风力发电机组电控系统

  风力发电机组的电控系统主要分为五个部分:电源系统、变速恒频控制系统、偏航控制系统、变桨控制系统和主控系统。

风力发电机组电源

        发电机和变流器为交流690V电源,通过箱式变压器升压接入风场电网。

变速恒频控制系统

1、发电机

        风机把旋转的机械能转换为电能。在风机中有双馈异步发电机和永磁发电机两种形式。

        双馈异步发电机是指将定、转子三相绕组分别接入独立的三相对称电源,定子绕组直接和电网连接,转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变流器(变频器)相连。变流器通过直流环节和逆变器与电网连接,控制电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态并随着风速的变化调节发电机的转速,进行能量交换。

        永磁发电机技术只是在最近才成为风电行业的新宠。过去,全球顶尖的风机制造商只使用双馈异步发电机技术,如今他们已经纷纷开始启用永磁发电机。此外,行业专家的多项独立研究已经证明永磁发电机是未来首选的技术。

2、变流器

        变流器是风力发电机组的重要组成部分,通过变流器的作用将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电馈入电网,保证风力发电机组稳定可靠的并网运行。

        变流器根据发电机形式分为双馈变流器和全功率变流器。双馈变流器应用于双馈异步发电机,全功率变流器则用于永磁发电机。

风电变流器在风电设备市场的快速发展带动下,增长迅猛。2009年达到34.5亿元左右,2010年超过40亿元。目前给国内主要的风电整机厂商供货的变流器企业主要是国际企业,国内的风电变流器还在风场小规模应用阶段。华锐的变流器主要是从美国超导购进,近年也在自行研发生产配套变流器;金风有the switch、ABB和Converteam多家供货,目前由金风科创自行研发配套;东方电气应用ABB和Converteam变流器,成都阜特也为其配套,东方电气自动化及东方日立也研发生产变流器配套;而其他的企业多应用ABB和Converteam的风电变流器。艾默生由于进入风电行业相对较晚,预计年应用规模在1亿左右。

        目前国内做风电变流器的企业有合肥阳光、科诺伟业、南车株洲、北车永济电机、清能华福、龙源电气、东方日立、成都阜特、禾望电气、众业达、上海海得、哈尔滨九洲、山东新风光、天津瑞能等众多企业。其中东方日立在东汽的风电机组上已有大量应用,天津瑞能、合肥阳光也有了一些应用,清能华福预计在2010年有较大批量的应用,南车株洲有了少量的应用,其它企业则在测试阶段。

偏航控制系统

        偏航控制系统是通过风向标控制使风机对准风向。机舱通过电气驱动相对于塔架旋转,驱动器固定在主机架上,通过一个正齿轮在与塔架连接的大齿圈上动作。控制方式采用一台变频器拖动四台变频电机的方式,开环控制。机舱位置检测装置是一个增量型的编码器,通过该编码器可以检测到机舱的当前位置。通过与风向检测装置的风向信号进行比较,实现偏航系统的准确对风。

变浆系统

        风力发电机并网以后,控制系统根据风速的变化,通过桨距调节机构,改变桨叶攻角以调整输出电功率,更有效地利用风能。在额定风速以下时,此时叶片攻角在零度附近,可认为等同于定桨距风力发电机,发电机的输出功率随风速的变化而变化。当风速达到额定风速以上时,变桨距机构发挥作用,调整叶片的攻角,保证发电机的输出功率在允许的范围内。

        变桨系统是风力发电机组的重要组成部分,主要功能是通过对叶片节距角的控制,实现最大风能捕获以及恒速运行。变桨系统还是风力发电机组的主刹车系统,电动变桨系统可以使每个桨叶独立地调整角度。通常一个完整的交流或直流变桨系统主要包括3个电动机(包括刹车,编码器,温度传感器,冷却风扇等),3个带驱动器的轴控制柜以及3个备电源柜,以及相关的电缆和插头。所有这些部件都装在轮毂内。

        目前,我国变浆系统产品主要依赖进口,代表性的有SSB、LUST、Mita、Bosch Rexroth等;国内主要有桂林星辰、连云港杰瑞、成都阜特有批量应用,和利时、天津瑞能相关产品也在进行测试中。

SSB变浆驱动器

和利时变浆驱动器

和利时LK820变桨驱动器一体化的设计,除了能驱动伺服电机进行桨叶调节外,还集成了PLC控制功能,可以完成变桨轴柜内的温度控制、传感器信号读取、安全链进行操作等。

主控系统

    主控系统是风机的大脑,控制风机的所有部件协调工作。主控系统分为塔基控制柜和机舱控制柜,相互之间通过现场总线进行通讯。

    主控系统是现代风力发电机的神经中枢。风电主控系统可根据风速、风向对系统加以控制,在稳定的电压和频率下运行,自动地并网和脱网,并监视齿轮箱、发电机的运行温度,液压系统的油压,对出现的任何异常进行报警,必要时自动停机。保证风电机组安全可靠运行,实现自然风的最大利用率和最高的能量转化率,向电网提供良好的电能。

     一般采用PAC、PLC作为此控制系统的主控制器,通过检测电网参数、风况、现场温度参数,对风电机组进行并、脱网控制,同时根据风况进行偏航、变桨等动作,以进行优化控制,从而提高风电机组的运行效率与发电质量。控制器主要有Bachmann、Beckhoff 、ABB、Mita等公司产品,主控系统多由风机厂设计成套,小规模风机厂则有国内专业公司集成,如:科诺伟业、成都阜特、天津瑞能、东方电气自动化、上海海得等。

机舱柜

     实现对各种参数的监控:风速,风向,塔筒震动频率,主轴转速,齿轮箱温度,发电机温度,润滑油温度,机舱内温度;

      实现各种控制功能的实施指令。具体来说,包括如下功能:控制机舱内的加热器进行加热,对齿轮箱进行润化,提供照明;

      在塔底柜和变桨系统中间建立一个通讯;

      为变桨系统提供电

审核编辑(王静)
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