风力发电机组的控制技术(论文)
风力发电机组的控制技术
风力发电电源由风力发电机组、支撑发电机组的塔架、蓄电池充电控制器、逆变器、卸荷器、并网控制器、蓄电池组等组成; 风力发电机组包括风轮、发电机;风轮中含叶片、轮毂、加固件等组成;它有叶片受风力旋转发电、发电机机头转动等功能。 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。与一般工业控制过程不同,风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网、风况和机组运行参数,对机组进行并网与脱网控制,以确保运行过程的安全性与可靠性,而且还要根据风速与风向的变化,对机组进行优化控制,以提高机组的运行效率和发电量。20世纪80年代中期开始进入风力发电市场的定桨距风力发电机组,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的问题。由于功率输出是由桨叶自身的性能
来限制的,桨叶的节距角在安装时已经固定;而发电机转速由电网频率限制。因此,只要在允许的风速范围内,定桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对由于风速变化引起输出能量的变化是不作任何控制的。这就大大简化了控制技术和相应的伺服传动技术,使得定桨距风力发电机组能够在较短时间内实现商业化运行。 20世纪90年代后,风力发电机组的可靠性已经不是问题,变桨距风力发电机组开始进入风力发电市场。采用全桨变距的风力发电机组,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和改善。风力发电机组的液压系统不再是简单的执行机构,作为变距系统,它自身组成闭环控制系统,采用了电液比例阀或电液伺服阀,使控制系统的水平提高到一个新的阶段。 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场。变速风力发电机组的控制系统与定速风力发电机组的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,它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,它增加了传动系统的柔性,使功率输出更加稳定,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。 可以说,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。
风力发电机组控制系统的结构:主控制器,用户界面,软切入控制,无功补偿控制,变距系统,液压系统,控制系统,调向系统目前绝大多数风力发电机组的控制系统都采用基于DCS技术的主用控制器,主控制器通过各类安装在现场的模块,对电网风况及风力发电机组运行参数进行监控并与其他功能模块保持通信,对各方面的情况作出总和,分析后发出各种控制指令。 风力发电机组控制系统的基本功能:
并网运行的风力发电机组的控制系统必须具备以下功能; 1 根据风速信号自动进入启动状态或电网切出
2 根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制
3 根据风向信号自动对风
4 根据功率因素自动投入(或切出)相应的补偿电容 5 当发电机脱网时,能确保机组安全停机
6 在机组运行过程中能对电网风况和机组的运行状况进行监测和记录时出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施;并能够根据记录的数据生成各种图表以反映风力发电机组的各项性能指标。
7 对在风电场中运行的风力发电机组还应具备运程通信功能
运行过程中的主要参数监测:
(一)电力参数监测
1、电压测量 :电网冲击 相电压超过450V 0.2S
过电压 相电压超过433V 50S
低电压 相电压低于329V 50S
电网电压跌落 相电压低于260V 0.1S
相序故障
2、电流测量:电流跌落 两相不对称 晶闸管故障
3、频率 4、功率因数 5、功率
(二)风力参数监测
1、风速 2、风向
(三)机组状态参数检测
1、转速 2、温度 3、机舱震动 4、电缆扭转
5、机械刹车状况 6、油位
(四)各种反馈信号的检测
控制器在以下指令发出后的设定时间内应收到动作已执行的反馈信号:1 回收叶尖扰流器 2 松开机械刹车 3 松开偏航制动器 4 发电机脱网及脱网后的转速降落信号
(五)增速器油温的控制
(六)发电机温升控制
(七)功率过高或过低的处理
风力发电机组的基本控制策略:
(一)风力发电机组的工作状态
风力发电机组总是工作在如下状态之一:1 运行状态 2 暂停状态 3 停机状态 4 紧急停机状态 每一个工作状态可看做风力发电机组的一个活动层次,运行状态处在最高层次,紧停状态处在最低层次
四种状态的主要特征及简要说明
1) 运行状态:1机械刹车松开 2 允许机组并网发电 3 机组
自动调向 4 液压系统保持工作压力 5 叶尖阻尼回收和变桨距系统选择最佳工作状态。
2) 暂停状态:1 机械刹车松开 2 液压泵保持工作状态 3
自动调向保持工作状态 4 叶尖阻尼板回收或变桨距系统调整桨叶节距角向90°方向。5 风力发电组空转
3) 停机状态:1 机械刹车松开 2 液压系统打开电磁阀使叶
尖阻尼板弹出或变距系统失去压力而实现机械弯路。
(二)风力发电机组的噪声控制
简要分析了风力发电机组的噪声源,重点介绍了阻尼减振降噪控制和噪声传播降噪控制的原理和方法,提出风力发电机组的噪声控制措施和方法。
能源是现代社会和经济发展的基础。在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下,风能作为最有开发利用前景和技术最成熟的一种新能源和可再生能源之一,已成了全球能源工业关注的热点。自二十世纪七十年代以来,风能开发和利用在欧美发
达国家发展非常迅速,风力发电的技术也日趋成熟。中国国家计委于1996年3月制定了“乘风计划”,以风力发电机的国产化来带动风电场建设的产业化。该计划旨在采取技贸结合的形式,引进国外先进技术,通过消化吸收,达到自主开发,自行设计和制造大型风力发电机的能力。
风能开发能减轻空气污染和水污染,但如果处理不当,则会增加噪声污染。近几年,随着风力发电机国产化程度的不断扩大,而我国制造业与欧美发达国家还有一定的差距,因此国产化风力发电机振动噪声问题逐渐显现出来。风力发电场附近居民对风力发电机组产生大噪声烦扰的投诉、申告也越来越多,甚至威胁到风力发电机的正常国产产业化,因此,风力发电机的减振降噪控制是非常重要和必要的。阻尼减振降噪技术和噪声传播降噪技术在风力发电机组噪声控制中的应用。
1 噪声源分析
风力发电机组工作过程中在风及运动部件的激励下,叶片及机组部件产生了较大的噪声,其噪声源主要有:
(1)机械噪声及结构噪声
齿轮噪声。啮合的齿轮对或齿轮组,由于互撞和摩擦激起齿轮体的振动,而通过固体结构辐射齿轮噪声。
② 轴承噪声。由轴承内相对运动元件之间的摩擦和振动及转动部件的不平衡或相对运动元件之间的撞击引起振动辐射产生噪声。
③ 周期作用力激发的噪声。由转动轴等旋转机械部件产生周期作用力激发的噪声。
④ 电机噪声。不平衡的电磁力使电机产生电磁振动,并通过固体结构辐射电磁噪声。
机械噪声和结构噪声是风力发电机组的主要噪声源,而且对人的烦扰度最大。这部分噪声是能够控制的,其主要途径是避免或减少撞击力、周期力和摩擦力,如提高加工工艺和安装精度,使齿轮和轴承保持良好的润滑条件等。为减小机械部件的振动,可在接近力源的地方切断振动传递的途径,如以弹性连接代替刚性连接;或采取高阻尼材料吸收机械部件的振动能,以降低振动噪声。
(2)空气动力噪声
空气动力噪声由叶片与空气之间作用产生,它的大小与风速有关,随风速增大而增强。处理空气动力噪声的困难在于其声源处在传播媒质中,因而不容易分离出声源区。
(3)通风设备噪声
散热器、通风机等辅助设备产生的噪声。
2 噪声控制
噪声控制可以从噪声源、噪声传播途径和噪声接受者三方面入手。噪声控制技术主要以噪声的声学控制方法为主,具体的技术途径一般包括隔声处理、吸声处理、振动的隔离、阻尼减振等。隔声处理和吸声处理属于噪声传播降噪控制;振动的隔离和阻尼
减振属于阻尼减振降噪控制。这些噪声控制方法的机理在于,通过噪声声波与声学材料或声学结构、振动波与阻尼材料或阻尼结构的相互作用消耗能量,从而达到降低噪声的目的。
2.1 阻尼减振降噪控制
阻尼减振降噪技术是利用阻尼材料的特性以及阻尼结构的合理设计,耗散结构件的振动能量,来达到减振降噪的目的。阻尼减振技术近年来得到了迅速的发展,尤其在航空航天、汽车工业、仪器仪表、兵器、建筑业及家电行业等领域有着广泛的应用。无论是在基础理论方面,还是在新材料的研制以及应用技术方面都已成长为一个独立的科学分支。
2.1.1 阻尼材料及其特性
材料阻尼是指材料内部在经受振动变形过程中损耗振动能量的能力。阻尼材料也称粘弹阻尼材料,或粘弹性高阻尼材料。它是一种兼有某些粘性液体和弹性固体特性的材料。粘性液体有耗散能量的能力,而不能储存能量;相反,弹性材料有储存能量的能力,而不能耗散能量。粘弹性材料介于两者之间,当它产生动态应力和应变时,有一部分能量被转化为热能而耗散掉,而另一部分能量以位能的形式储存起来。能量被转化和耗散的现象表现为阻尼特性。利用它可抑制共振频率下的振动峰值,减少振动沿结构的传递,降低结构噪声。
各种阻尼材料都受环境温度和工作频率的影响,温度不同,工作频率不同,阻尼特性也不同。作为良好的阻尼材料,应在较宽温度范围和较宽频率范围具有较高的损耗因子,
2.1.2 表面阻尼处理
表面阻尼处理主要应用于受弯曲振动为主的厚度不大的构件或薄板零件。风力发电机舱以及隔板等均为薄板振动件,因此表面阻尼处理在风力发电机上能得以应用。表面阻尼处理通常分为自由阻尼处理和约束阻尼处理两大类。
(1)自由阻尼处理
将一层一定厚度的粘弹阻尼材料粘贴于基板表面上,当基板产生弯曲振动时,阻尼层随基本层一起振动,在阻尼层内部产生拉压变形。根据阻尼材料的耗能机理,当阻尼材料内部产生交变应力时,阻尼材料就会将有序的机械能转化为无序的热能,从而起到耗能的作用,阻尼层越厚,阻尼损耗因子越大,制振效能就越好。
(2)约束阻尼处理
在自由阻尼处理的阻尼层外侧表面再粘贴一弹性层,这一弹性层应具有远大于阻尼层的弹性摸量。当阻尼层随基本结构层一起产生弯曲振动而使阻尼层产生拉-压变形时,由于粘贴在外侧弹性层的弹性摸量远大于阻尼层的弹性摸量,因此这一弹性层将起到约束阻尼层的拉-压变形的作用,所以这一弹性层被称为约束层,而受弹性层约束的阻尼层被称为约束阻尼层。由于阻尼层
与基本层接触的表面所产生的拉-压变形不同于与约束层接触的表面所产生的拉-压变形,从而在阻尼材料内部产生剪切变形。因此约束阻尼处理结构中,阻尼层不仅承受拉-压变形,还同时承受剪切变形,它们都能起到耗能作用。约束阻尼结构比自由阻尼结构耗散更多的能量,因此具有更好的减振降噪效果。
风力发电机组的控制系统是综合性控制系统,它不仅要监视电网,风况和机组运行参数,对机组进行并网与脱网控制,以确保运行过程的安全性与可靠性,而且还要根据风速与风向的变化,对机组进行优化控制,以提高机组的运行效率和发电量,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速恒频技术的变速运行,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的向电网提供店里的最终目标。
风力发电机组的动态特性是指构成机组各部件的动态特性的总和,它包括风轮(桨叶)的气动特性,传动系统动态特性,发电机动态特性及控制系统动态特性。