風(fēng)電知識(shí)
發(fā)電機(jī)分為兩個(gè)主要類型。同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的頻率與其所連電網(wǎng)的頻率完全相同,同步發(fā)電機(jī)也被稱為交流發(fā)電機(jī)。異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的頻率比電網(wǎng)頻率稍高,異步發(fā)電機(jī)常被稱為感應(yīng)發(fā)電機(jī)。
感應(yīng)發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)都有一個(gè)不旋轉(zhuǎn)的部件被稱為定子,這兩種電機(jī)的定子相似,兩種電機(jī)的定子都與電網(wǎng)相連,而且都是由疊片鐵芯上的三相繞組組成,通電后產(chǎn)生一個(gè)以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁場。盡管兩種電機(jī)有相似的定子,但它們的轉(zhuǎn)子是完全不同的。同步電機(jī)中的轉(zhuǎn)子有一個(gè)通直流電的繞組,稱為勵(lì)磁繞組,勵(lì)磁繞組建立一個(gè)恒定的磁場鎖定定子繞組建立的旋轉(zhuǎn)磁場。因此,轉(zhuǎn)子始終能以一個(gè)恒定的與定子磁場和電網(wǎng)頻率同步的恒定轉(zhuǎn)速上旋轉(zhuǎn)。在某些設(shè)計(jì)中,轉(zhuǎn)子磁場是由永磁機(jī)產(chǎn)生的,但這對(duì)大型發(fā)電機(jī)來說不常用。 感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就不同例如,它是由一個(gè)兩端都短接的鼠籠形繞組構(gòu)成。轉(zhuǎn)子與外界沒有電的連接,轉(zhuǎn)子電流由轉(zhuǎn)子切割定子旋轉(zhuǎn)磁場的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生。如果轉(zhuǎn)子速度完全等于定子轉(zhuǎn)速磁場的速度(與同步發(fā)電機(jī)一樣),這樣就沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng),也就沒有轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流。因此,感應(yīng)發(fā)電機(jī)總的轉(zhuǎn)速總是比定子旋轉(zhuǎn)磁場速度稍高,其速度差叫滑差,在正常運(yùn)行期間。它大概為1%。 同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī) 將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能裝置的發(fā)電機(jī)常用同步勵(lì)磁發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)應(yīng)用非常廣泛,在核電、水電、火電等常規(guī)電網(wǎng)中所使用的幾乎都是同步發(fā)電機(jī),在風(fēng)力發(fā)電中同步發(fā)電機(jī)即可以獨(dú)立供電又可以并網(wǎng)發(fā)電。然而同步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)時(shí)必須要有同期檢測(cè)裝置來比較發(fā)電機(jī)側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的頻率、電壓、相位,對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整,使發(fā)電機(jī)發(fā)出電能的頻率與系統(tǒng)一致;操作自動(dòng)電壓調(diào)壓器將發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整到與系統(tǒng)電壓相一致;同時(shí),微調(diào)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速從周期檢測(cè)盤上監(jiān)視,使發(fā)電機(jī)的電壓與系統(tǒng)的電壓相位相吻合,就在頻率、電壓、相位同時(shí)一臻的瞬間,合上斷路器將風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入系統(tǒng)。同期裝置可采用手動(dòng)同期并網(wǎng)和自同期并網(wǎng)。但總體來說,由于同步發(fā)電機(jī)造價(jià)比較高,同時(shí)并網(wǎng)麻煩,故在并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中很少采用。 控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行及保護(hù)需要一個(gè)全自動(dòng)控制系統(tǒng),它必須能控制自動(dòng)啟動(dòng),葉片槳距的機(jī)械調(diào)節(jié)裝置(在變槳距風(fēng)力機(jī)上)及在正常和非正常情況下停機(jī)。除了控制功能,系統(tǒng)也能用于監(jiān)測(cè)以提供運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)速、風(fēng)向等信息。該系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ),除了小的風(fēng)力機(jī),控制及監(jiān)測(cè)還可以遠(yuǎn)程進(jìn)行??刂葡到y(tǒng)具有及格主要功能: 1、順序控制啟動(dòng)、停機(jī)以及報(bào)警和運(yùn)行信號(hào)的監(jiān)測(cè) 2、偏航系統(tǒng)的低速閉環(huán)控制 3、槳距裝置(如果是變槳距風(fēng)力機(jī))快速閉環(huán)控制 4、與風(fēng)電場控制器或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的通訊 風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng) 葉輪葉片產(chǎn)生的機(jī)械能有機(jī)艙里的傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機(jī),它包括一個(gè)齒輪箱、離合器和一個(gè)能使風(fēng)力機(jī)在停止運(yùn)行時(shí)的緊急情況下復(fù)位的剎車系統(tǒng)。齒輪箱用于增加葉輪轉(zhuǎn)速,從20~50轉(zhuǎn)/分到1000~1500轉(zhuǎn)/分,后者是驅(qū)動(dòng)大多數(shù)發(fā)電機(jī)所需的轉(zhuǎn)速。 齒輪箱可以是一個(gè)簡單的平行軸齒輪箱,其中輸出軸是不同軸的,或者它也可以是較昂貴的一種,允許輸入、輸出軸共線,使結(jié)構(gòu)更緊湊。傳動(dòng)系統(tǒng)要按輸出功率和最大動(dòng)態(tài)扭矩載荷來設(shè)計(jì)。由于葉輪功率輸出有波動(dòng),一些設(shè)計(jì)者試圖通過增加機(jī)械適應(yīng)性和緩沖驅(qū)動(dòng)來控制動(dòng)態(tài)載荷,這對(duì)大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說是非常重要的,因其動(dòng)態(tài)載荷很大,而且感應(yīng)發(fā)電機(jī)的緩沖余地比小型風(fēng)力機(jī)的小。 異步發(fā)電機(jī) 永磁發(fā)電機(jī)是一種將普通同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子改變成永磁結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī),常用的永磁材料有鐵氧體(BaFeO)、釤鈷5(SmCo)等,永磁發(fā)電機(jī)一般用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中。 異步發(fā)電機(jī)是指異步電機(jī)處于發(fā)電的工作狀態(tài),從其激勵(lì)方式有電網(wǎng)電源勵(lì)磁發(fā)電(他勵(lì))和并聯(lián)電容自勵(lì)發(fā)電(自勵(lì))兩種情況。 1電網(wǎng)電源勵(lì)磁發(fā)電:是將異步電機(jī)接到電網(wǎng)上,電機(jī)內(nèi)的定子繞組產(chǎn)生以同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場,再用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng),使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速,電網(wǎng)提供的磁力矩的方向必定與轉(zhuǎn)速方向相反,而機(jī)械力矩的方向則與轉(zhuǎn)速方向相同,這時(shí)就將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在這種情況下,異步電機(jī)發(fā)出的有功功率向電網(wǎng)輸送;同時(shí)又消耗電網(wǎng)的無功功率作勵(lì)磁作用,并供應(yīng)定子和轉(zhuǎn)子漏磁所消耗的無功功率,因此異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電時(shí),一般要求加無功補(bǔ)償裝置,通常用并列電容器補(bǔ)償?shù)姆绞健? 2、并聯(lián)電容器自勵(lì)發(fā)電:并聯(lián)電容器的連接方式分為星形和三角形兩種。勵(lì)磁電容的接入在發(fā)電機(jī)利用本身的剩磁發(fā)電的過程中,發(fā)電機(jī)周期性地向電容器充電;同時(shí),電容器也周期性地通過異步電機(jī)的定子繞組放電。這種電容器與繞組組成的交替進(jìn)行充放電的過程,不斷地起到勵(lì)磁的作用,從而使發(fā)電機(jī)正常發(fā)電。勵(lì)磁電容分為主勵(lì)磁電容和輔助勵(lì)磁電容,主勵(lì)磁電容是保證空載情況下建立電壓所需要的電容,輔助電容則是為了保證接入負(fù)載后電壓的恒定,防止電壓崩潰而設(shè)的。 通過上述的分析,異步發(fā)電機(jī)的起動(dòng)、并網(wǎng)很方便且便于自動(dòng)控制、價(jià)格低、運(yùn)行可靠、維修便利、運(yùn)行效率也較高、因此在風(fēng)力發(fā)電方面并網(wǎng)機(jī)組基本上都是采用異步發(fā)電機(jī),而同步發(fā)電機(jī)則常用于獨(dú)立運(yùn)行方面。 偏航系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 根據(jù)調(diào)向力矩的大小,可以進(jìn)行齒輪傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)計(jì)算。當(dāng)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)體大齒輪的主動(dòng)小齒輪的強(qiáng)度不能滿足時(shí),可選用兩套偏航電機(jī)---行星齒輪減速器分置于風(fēng)輪主輪的兩側(cè)對(duì)稱布置,每個(gè)電機(jī)的容量為總?cè)萘康囊话?。齒輪傳動(dòng)計(jì)算可按開式齒輪傳動(dòng)計(jì)算,其主要的磨損形式是齒面磨損失效,如調(diào)向力矩較大,除按照彎曲強(qiáng)度計(jì)算之外,應(yīng)計(jì)算齒面接觸強(qiáng)度。 值得注意的是,大多數(shù)風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)輸出功率的同軸電纜在風(fēng)力機(jī)偏航時(shí)一同旋轉(zhuǎn),為了防止偏航超出而引起的電纜旋轉(zhuǎn),應(yīng)該設(shè)置解纜裝置,并增加扭纜傳感器以監(jiān)視電纜的扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。位于下風(fēng)向布重的風(fēng)輪,能夠自動(dòng)找正風(fēng)向。在總體布置時(shí)應(yīng)考慮塔架前面的重量略重一些,這樣在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)平衡就會(huì)好一些。 電機(jī)的切換 根據(jù)風(fēng)速?zèng)Q定是選擇小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電,還是選擇大發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn),若風(fēng)速低于8米/秒,則小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行且風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)切換到“投入G2”。 如果風(fēng)速高于8米/秒,則選擇“空轉(zhuǎn)G1”運(yùn)行狀態(tài)。 投入G2: 小發(fā)電機(jī)接觸器閉合,發(fā)電機(jī)并網(wǎng)電流由可控硅控制到350A。一旦投入過程完成,可控硅切除,風(fēng)機(jī)切換到“運(yùn)行G2”狀態(tài)。 風(fēng)電投入小發(fā)電機(jī)發(fā)電,如果平均輸出功率在某一單位時(shí)間內(nèi)太低,這是小發(fā)電機(jī)斷開且風(fēng)機(jī)切換到“等待重新支轉(zhuǎn)”的狀態(tài)。如果平均輸出功率超過了限定值110KW,則小發(fā)電機(jī)切除,風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)切換到“G1空轉(zhuǎn)”。 G1空轉(zhuǎn): 風(fēng)機(jī)等待風(fēng)速達(dá)到投入大電機(jī)的風(fēng)速,一旦達(dá)到這個(gè)風(fēng)速則風(fēng)機(jī)就切換到“投入G1”狀態(tài)。 投入G1: 大發(fā)電機(jī)的接觸接通。發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)電流由可控硅將其限定在350A。投入過程一結(jié)束,可控硅切除,風(fēng)機(jī)切換到“運(yùn)行G1”狀態(tài)。 運(yùn)行G1 風(fēng)機(jī)的大電機(jī)投入發(fā)電,如果功率輸出在一定的時(shí)間內(nèi)少于限定值80KW,大發(fā)電機(jī)切除,風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)切換到“切換G11-G12”狀態(tài)。 切換G1-G2 大發(fā)電機(jī)的接觸器切除小發(fā)電機(jī)的接觸器接通,可控硅將發(fā)電機(jī)的電流限定到700A,一旦投入過程完成,可控硅切除,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)為“運(yùn)轉(zhuǎn)G2”狀態(tài)。 等待再投入 如果小發(fā)電機(jī)的出力小于限定值,則此運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)作。此狀態(tài)下,小發(fā)電機(jī)的接觸器被切除,如果風(fēng)速有效,風(fēng)機(jī)就切換到“投入G2”狀態(tài),如果風(fēng)速低于限定值,風(fēng)機(jī)將切換到“空轉(zhuǎn)G2”狀態(tài)。 風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變 風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變 說明各種工作狀態(tài)之間是如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。 提高工作狀態(tài)層次只能一層一層地上升,而要降低工作狀態(tài)層次可以是一層或多層。這種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變方法是基本的控制策略,它主要出發(fā)點(diǎn)是確保機(jī)組的安全運(yùn)行。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)要往更高層次轉(zhuǎn)化,必須一層一層往上升,用這種過程確定系統(tǒng)的每個(gè)故障是否被檢測(cè)。當(dāng)系統(tǒng)在狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中檢測(cè)到故障,則自動(dòng)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。 當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)中檢測(cè)到故障,并且這種故障是致命的,那么工作狀態(tài)不得不從運(yùn)行直接到緊停,這可以立即實(shí)現(xiàn)而不需要通過暫停和停止。 下面我們進(jìn)一步說明當(dāng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí),系統(tǒng)是如何動(dòng)作的。 1.工作狀態(tài)層次上升 緊停→停機(jī) 如果停機(jī)狀態(tài)的條件滿足,則: 1)關(guān)閉緊停電路; 2)建立液壓工作壓力; 3)松開機(jī)械剎車。 停機(jī)→暫停 如果暫停的條件滿足,則, 1)起動(dòng)偏航系統(tǒng); 2)對(duì)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,接通變槳距系統(tǒng)壓力閥。 暫停→運(yùn)行 如果運(yùn)行的條件滿足,則: 1)核對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是否處于上風(fēng)向; 2)葉尖阻尼板回收或變槳距系統(tǒng)投入工作; 3)根據(jù)所測(cè)轉(zhuǎn)速,發(fā)電機(jī)是否可以切人電網(wǎng)。 2.工作狀態(tài)層次下降 工作狀態(tài)層次下降包括3種情況: (1)緊急停機(jī)。緊急停機(jī)也包含了3種情況,即:停止→緊停;暫停→緊停;運(yùn)行→緊停。其主要控制指令為: 1)打開緊停電路; 2)置所有輸出信號(hào)于無效; 3)機(jī)械剎車作用; 4)邏輯電路復(fù)位。 (2)停機(jī)。停機(jī)操作包含了兩種情況,即:暫停→停機(jī);運(yùn)行→停機(jī)。 暫停→停機(jī) 1)停止自動(dòng)調(diào)向; 2)打開氣動(dòng)剎車或變槳距機(jī)構(gòu)回油閥(使失壓)。 運(yùn)行→停機(jī) 1)變槳距系統(tǒng)停止自動(dòng)調(diào)節(jié); 2)打開氣動(dòng)剎車或變槳距機(jī)構(gòu)回油閥(使失壓); 3)發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)。 (3)暫停。 1)如果發(fā)電機(jī)并網(wǎng),調(diào)節(jié)功率降到。后通過晶閘管切出發(fā)電機(jī); 2)如果發(fā)電機(jī)沒有并入電網(wǎng),則降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速至0。 (三)故障處理 工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程實(shí)際上還包含著一個(gè)重要的內(nèi)容:當(dāng)故障發(fā)生時(shí),風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將自動(dòng)地從較高的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到較低的工作狀態(tài)。故障處理實(shí)際上是針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從某一工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到較低的狀態(tài)層次可能產(chǎn)生的問題,因此檢測(cè)的范圍是限定的。 為了便于介紹安全措施和對(duì)發(fā)生的每個(gè)故障類型處理,我們給每個(gè)故障定義如下信息: 1)故障名稱; 2)故障被檢測(cè)的描述; 3)當(dāng)故障存在或沒有恢復(fù)時(shí)工作狀態(tài)層次; 4)故障復(fù)位情況(能自動(dòng)或手動(dòng)復(fù)位,在機(jī)上或遠(yuǎn)程控制復(fù)位)。 (1)故障檢測(cè)??刂葡到y(tǒng)設(shè)在頂部和地面的處理器都能夠掃描傳感器信號(hào)以檢測(cè)故障,故障由故障處理器分類,每次只能有一個(gè)故障通過,只有能夠引起機(jī)組從較高工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入較低工作狀態(tài)的故障才能通過。 (2)故障記錄。故障處理器將故障存儲(chǔ)在運(yùn)行記錄表和報(bào)警表中。 (3)對(duì)故障的反應(yīng)。對(duì)故障的反應(yīng)應(yīng)是以下三種情況之一: 1)降為暫停狀態(tài); 2)降為停機(jī)狀態(tài); 3)降為緊急停機(jī)狀態(tài)。 4)故障處理后的重新起動(dòng)。在故障已被接受之前,工作狀態(tài)層不可能任意上升。故障被接受的方式如下: 如果外部條件良好,一此外部原因引起的故障狀態(tài)可能自動(dòng)復(fù)位。一般故障可以通過遠(yuǎn)程控制復(fù)位,如果操作者發(fā)現(xiàn)該故障可接受并允許起動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,他可以復(fù)位故障。有些故障是致命的,不允許自動(dòng)復(fù)位或遠(yuǎn)程控制復(fù)位,必須有工作人員到機(jī)組工作現(xiàn)場檢查,這些故障必須在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)的控制面板上得到復(fù)位。故障狀態(tài)被自動(dòng)復(fù)位后10min將自動(dòng)重新起動(dòng)。但一天發(fā)生次數(shù)應(yīng)有限定,并記錄顯示在控制面板上。 如果控制器出錯(cuò)可通過自檢(WATCHDOG)重新起動(dòng)。 |
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