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风力发电控制系-统陶冲风力发电(上)(1)

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2011/4/8 18:43:20   

  在风力发电控制系统中,基于PLC为主控制器的设计是未来的发展方向。本设计基于PLC的风力发电控制系统,旨在解决风力波动对输出功率的影响,从而实现恒功率输出;通过选择合适的控制方法,使系统能更快更准确的达到稳定状态,进而可以有效提高风力利用率。

  

  设计中主要对发电机控制电路、偏航控制电路及变浆距控制电路和工作情况进行了设计,并绘制了相应的电气原理图。在控制电路中还说明了PLC、电动机及相应低压器件的型号选择,绘制了I/O 接线图;在发电机控制电路中,设计了发电机的转速控制方面;偏航电路中,设计了对风、解缆功能;在变浆距电路中,完成了变浆距功能。

  

  同时在设计中还详细编写了各部分的控制程序,并进行了相关调试,另外利用S7-200 仿真软件进行了系统仿真验证,仿真结果满足设计要求。

 

  第1 章引言

  

  1.1 选题背景和意义

 

  风力发电机利用风轮将风能转变为机械能[1], 然后在用发电机将机械能转变为电能。控制系统是风力发电机组的“大脑”,由它自动完成风力发电机组的所有工作过程,并提供人机接口和远方监控的接口。目前风力发电亟待研究解决的的两个问题[2]:发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。

  

  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[3],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。由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制的[4],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[5]。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。到了20 世纪90 年代中期[6],变桨距风力发电机组和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数等问题后,使供电效率、质量有所提高。

  

  随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域[7],控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展。目前的控制方法是:当风速变化时通过调节发电机电磁力矩或风力机浆距角使叶尖速比保持最佳值,实现风能的最大捕获。控制方法基于线性化模型实现最佳叶尖速比的跟踪,利用风速测量值进行反馈控制,或电功率反馈控制。但在随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统,传统的控制方法会产生较大误差。因此近些年国内外都开展了这方面的研究。一些新的控制理论开始应用于风电机组控制系统[8]。如采用模糊逻辑控制、神经网络智能控制、鲁棒控制等。使风机控制向更加智能方向发展。

  

  我国风电产业起步较晚,目前对变速风电机组的运行特性及规律缺乏深入研究,在控制系统的产业化项目中,缺乏最优的控制策略依据。深入研究风电机组及风力机的运行特性和规律对于控制系统的分析与设计具有十分重要的指导意义。

  

  本设计主要依据风力发电机组的控制目标和控制策略[9],由于风的不稳定性和风力发电机单机容量的不断增大,使风力发电系统和电网的相互影响也越来越复杂,因此,对风力发电系统功率输出的稳定性提出了更高的要求。控制系统对提高风力发电系统功率输出的稳定性有很大的作用,所以有必要对控制系统和控制过程进行分析。传统的风力发电控制方法存在诸多不足[10],引起较大的能量损失,基于PLC 为主控制器的控制系统,结构简单,通用性强,编程方便,抗干扰能力强,可靠性较高,并且维护起来比较方面,能够直观的反应现场信号的变化状态,通过编程工具可以直接观察系统的运行状态,极大的方面了维护人员查找故障,缩短了对系统维护的时间。随着新型控制算法的研究和应用,可以有效提高风能利用效率,对于提高风电机组的发电量,减小风电成本具有重要意义。

   

  1.2 风力发电在国内外的发展现状

  

  风能,是人类最早使用的能源之一。远在公元前2000 年,埃及、波斯等国已出现帆船和风磨,中世纪荷兰与美国已有用于排灌的水平轴风车。我国是世界上最早利用风能的国家之一,早在距今1800 年前,我国就有风力提水的记载。1890 年丹麦的P·拉库尔研制成功了风力发电机,1908 年丹麦已建成几百个小型风力发电站。自二十世纪初至二十世纪六十年代末,一些国家对风能资源的开发,尚处于小规模的利用阶段。

  

  随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展[11],1970 年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰,到二十世纪六十年代末相继都停止了运转。这一阶段的试验研究表明,这些中、大型机组一般在技术上还是可行的,它为二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。

  

  1980 年以来,国际上风力发电机技术日益走向商业化。主要机组容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991 年丹麦在Vindeby 建成了世界上第一个海上风电场,由11 台丹麦Bonus 450kW 单机组成,总装机4.95MW。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。

   

  目前,已经备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家[12],主要有丹麦的Vestas(包括被其整合的NEG-Micon),美国的GE 风能,德国的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus 和德国着名的Enercon 公司。单机额定功率覆盖范围从2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW 到5MW。叶轮直径从80m、82.4m、100m、110m、114m、116m 到126m。

  

  目前,中、大型风力发电机组已在世界上40 多个国家陆地和近海并网运行,风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续[13]。截止2005 年12 月31 日世界装机容量已达58,982MW,年装机容量为11,310MW,增长率为24%;风力发电量占全球电量的1%,部分国家及地区已达20%甚至更多。2005 年世界风电累计装机容量最多[14],前十名合计51750.9MW,约占世界总装机容量的87.7%。2005 年国际风电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋势[15]:有11 个国家的装机容量已高于1,000MW,其中7 个欧洲国家(德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙),3 个亚洲国家(印度、中国、日本),还有美国。亚洲正成为发展全球风电的新生力量,其增长率为48%。

  

  2002 年欧洲风能协会(EWEA)与绿色和平组织(Greenpeace International)发表了一份标题为"风力12(Wind Force 12)"的报告[16],勾画了风电在2020 年达到世界电量12%的蓝图。报告声明这份文件不是预测,而是从世界风能资源、世界电力需求的增长和电网容量、风电市场发展趋势和潜在的增长率、与核电和大水电等其他电源技术发展历程的比较以及减排CO2 等温室气体的要求,论证了风电达到世界电量12%的可能性。报告还指出中国2020 年风电装机有可能达到1.7 亿千瓦。根据国家气象科学院的估算[17],我国陆地地面10 米高度层风能的理论可开发量为32 亿kW,实际可开发量为2.53 亿kW。海上风能可开发量是陆地风能储量的3倍。

 

  内蒙古实际可开发量0.618 亿kW

 

  西藏实际可开发量0.408 亿kW

 

  新疆实际可开发量0.343 亿kW

 

  青海实际可开发量0.242 亿kW

 

  黑龙江实际可开发量0.172 亿kW

 

  2005 年中国除台湾省外新增风电机组592 台[18],装机容量50.3 万kW。与2004年当年新增装机19.8 万kW 相比, 2005 年当年新增装机增长率为254% 。截至2005 年底,中国除台湾省外累计风电机组1864 台,装机容量126.6 万kW,风电场62 个。分布在15 个省(市、自治区、特别行政区)。与2004 年累计装机76.4万kW 相比,2005 年累计装机增长率为65.6%。2005 年风电上网电量约15.3 亿kW.h。中国"十一五"国家科技支撑计划项目"大功率风电机组研制与示范"支持1.5 MW 以及2.5MW 和2.5MW 以上双馈式变速恒频风电机组的研制[19];1.5MW、2.5MW 以上直驱式变速恒频风电机组的研制;1.5MW 以上风电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化;1.5MW 以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化;近海风电场建设关键技术的研究;近海风电机组安装及维护专用设备的研制[20];大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等16 个课题的研究。"十一五"末[21],我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。

   

  目前大多数风力发电机组的控制系统都采用集散型或称分布式控制系统(DCS)工业控制计算机[22]。采用分布式控制最大优点是许多控制功能模块可以直接布置在控制对象的位置。就地进行采集、控制、处理。避免了各类传感器、信号线与主控制器之间的连接。同时DCS 现场适应性强,便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数。并与其他功能模块保持通信,发出各种控制指令。目前计算机技术突飞猛进,更多新的技术被应用到了DCS 之中。PLC 是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备[24],目前功能上有较大提高。很多厂家也开始采用PLC 构成控制系统。现场总线技术(FCS)在进入九十年代中期以后发展也十分迅猛,以至于有些人已做出预测:基于现场总线的FCS 将取代DCS 成为控制系统的主角。

  

  在今后的20 年内,国际上风力发电产业将是增长速度最快的产业,风力发电技术也将进入快速发展的黄金时期[25];在中国,并网型风力发电机组装机容量增长速度将明显加快,令世界瞩目,离网型风力发电机组发展的地域广、潜力大,装机总容量最终将超过并网型风力发电机组,同时基于PLC 为主控制器的控制系统也将会得到越来越多的应用。

  

  

  

来源:百度文库

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