GE双馈式感应发电机原理

《GE双馈式感应发电机原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GE双馈式感应发电机原理（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、GEGE 雙饋式感應發電機控制簡介雙饋式感應發電機控制簡介劉大明劉大明一、一、前前 言言核三廠、大潭電廠及桃園大園觀音風力發電機組及附屬設備採購帶安裝案核三廠、大潭電廠及桃園大園觀音風力發電機組及附屬設備採購帶安裝案是屬 於風力發電第一期計畫之分標案，此一分標案由中興電工機械股份有限公司得標，包括大 潭電廠 23 部及核三廠 3 部共 26 部美國 GE 公司製的 1500KW 風力發電機，此分標案之預算 金額約新台幣 17 億 9 仟 9 百萬元，平均每一部 1500KW 風力發電機造價約新台幣 6 仟 9 百 萬元。大潭電廠 23 部風力發電機，其中大潭風力發電站有 3 部位於電廠廠區內，

2、其餘 20 部位於觀園風力發電站（大園鄉 5 部及觀音鄉 15 部） 。本文將針對 GE 1.5MW 風力發電機 之監控系統及雙饋式感應發電機（DFIG）運作之基本原理作介紹。二、二、風力發電機運轉監控風力發電機運轉監控及保護及保護系統系統大潭及觀園風力發電站之風力發電機監控系統架構如圖 1 所示。每一風力發電站之 現場電氣室均設置兩套監控系統，分別為 GE 風力發電機運轉監控系統及中興電工電力監 控系統。透過中華電信之數據專線或公司內部電力通信處所建置之光纖通訊網路，可以將 現場每一部風力發電機之運轉狀況傳送回到電廠中央控制室的 GE 風力發電機運轉監控系 統及中興電工電力監控系統，並可於電

3、廠中央控制室遙控操作每一部風力發電機啟動運轉 或停機。每一部 GE 1.5se 風力發電機之輸出電壓為 575V AC，大潭風力發電站經由風力 發電機旁之現場電氣室內的變壓器昇壓至 13.8KV，透過電力電纜送到全黑起動變壓器 （MTR BSGT）昇壓至 161KV，再傳輸到 161KV 開關場送電至系統。觀園風力發電站經由風 力發電機旁之現場電氣室內的變壓器昇壓至 22.4KV，透過電力電纜送到觀園風力發電站 內設置之兩台 25MVA 昇壓變壓器昇壓至 69KV，再傳輸到附近的 69KV 輸電線送電至電力系 統。臨近之觀音配電變電所亦設置一套中興電工之電力監控系統，可以監視觀園風力發電 站之

4、兩台 25MVA 昇壓變壓器運轉狀況及操作 69KV 斷路器。所有與安全有關之系統，如溫度、電壓、油壓、轉速、風速、風向及機艙累計旋轉 角度等，均由各別專司之電子感測器來監控，如偵測出有異常狀況，系統會立即自動發出 警訊，必要時則停機。另外 GE 1.5se 配置有多功能保護電驛，包括過電壓、低電壓、過 頻、低頻及電壓不平衡等五種保護電驛，以保護風力發電機。（一）（一）GEGE 風力發電機運轉監控系統風力發電機運轉監控系統GE 風力發電機運轉監控系統由風力發電機廠家美國奇異(GE)公司提供，圖 4.2 為 GE 1.5se 之 PLC 監控系統架構圖， PLC 模組製造廠商為 Bachmann

5、 公司，設備包括上機艙 控制箱（TOP BOX） 、下機艙控制箱（PPM） 、HUB 控制箱、可程式控制器(PLC)、旋角控制 器（PITCH CONTROLLER）及監控主機等設備所構成，PLC 是作為各控制設備與監控主機的 橋樑，透過雙回線之光纖通訊網路連接整個風力機監控系統，將獲得之風向、風速、轉速 及電力系統運轉狀況等資訊輸入控制系統，調整風力發電機葉片角度、葉片轉速及機艙轉 向，以達風力發電機最佳效率輸出。PLCRTU觀園風力發電站觀園風力發電站( 20 部機部機 )觀園風場電氣室觀園風場電氣室GE中興電工中興電工GE監控系統監控系統中興電工監控中興電工監控 系統系統大潭電廠大潭電廠

6、 中央控制室中央控制室大潭風力發電大潭風力發電站站( 3 部機部機 )大潭風力發電站大潭風力發電站( 3 部機部機 )GE中興電工中興電工大潭風場電氣室大潭風場電氣室PLCRTUPLCRTUPLCRTU中興電工中興電工 觀音變電所觀音變電所RTUPLCPLCRTU圖圖 1 1 大潭及觀園風力發電站監控系統架構大潭及觀園風力發電站監控系統架構監控主機分別設置於觀園及大潭風力發電站之現場電氣室，可監控每一部風力發電 機，監控範圍包括風速、葉片轉速、發電量、機艙方向、煞車系統及風力發電機啟動、停 止等功能。監控主機還提供遠端監視設備(PC)各項運轉資料及故障訊息存取，位於大潭發 電廠中央控制室之遠端

7、監視設備可透過撥接方式即可與監控主機連線，提供即時運轉資訊 的監視及遠端遙控操作。圖 4.3 為風力發電機之運轉資訊(1 天)之實際趨勢圖，其中輸出 功率(kw)係參考左方 Y 軸刻度；轉子轉速(rpm)、葉片角度(度)及風速(m/s)係參考右方 Y 軸刻度，從趨勢圖中可以看出：（1）當風速達 11m/s 左右時，葉片旋角控制器從 2 度開 始動作，風速達 12m/s 時葉片旋角約 56 度，風速達 14m/s 時葉片旋角約 13 度，（2） 風速達 11m/s 以上時，風力發電機可以輸出 1500W 額定功率，此時經由旋角控制器調整 葉片旋角控制葉輪維持額定轉矩，使得轉子轉速固定於 20 r

8、pm，相當於發電機轉子固定 於額定轉速 1440 rpm。（二）中興電工電力監控系統（二）中興電工電力監控系統 採用中興電工公司產製的 DS-32 RTU 作為資料收集器並搭配美國 Intellution 公 司所開發的 i FIX SCADA 軟體構成風力發電電力監控系統，使用微軟 SQL Server 關聯式 資料庫，搭配微軟 Office 軟體(Excel)製作報表。圖 4.4 為中興電工之觀園風力發電站開 關場電力單線圖，此監控系統係針對風力發電站內之開關場或電氣室及各風力發電機塔內 所有電力設備及附屬設備之狀態監視、電氣設備遙控及電氣量量測等，經由裝置設在開關 場控制室或電氣室及其所

9、屬遙控站之監控主機執行監視、量測、控制、資料收集儲存、分 析及各種電力運轉資料列印等功能。另在觀園風力發電站設有通訊處理單元模擬資訊末端 設備(Remote Terminal Unit RTU)功能可與配電調度控制中心(DDCS)管轄之觀音變電所連 線，接受其監視及操作。PPM PLCTOP BOX PLCHUB PLC電氣室電氣室PWMPOWER CONVERTER旋角控制器旋角控制器圖圖 4.24.2 GEGE 1.5se1.5se 風力發電機之風力發電機之 PLCPLC 監控系統架構圖監控系統架構圖輸出功率輸出功率(kw)(kw) 風速風速(m/s)(m/s) 葉片角度葉片角度( (度度

10、) ) 轉子轉速轉子轉速(rpm)(rpm) 圖圖 4.34.3 風力發電機之運轉資訊風力發電機之運轉資訊 (1(1天天) ) （一）迎風系統（一）迎風系統 圖 3.2 為 GE 1.5se 風力發電機之機艙轉向驅動馬達及滾柱軸承，在塔架與機艙迎風 設施間裝有一滾柱軸承。四個由交流驅動馬達及行星齒輪組成之迎風裝置（Yaw Driver）， 其中尚包括四組煞車可於此四個行星迎風裝置失效時使用，滾柱軸承與外部行星齒輪相結 合可驅使機艙追蹤風向而轉動。在機艙之頂端裝設有風向感應器，可送出風向信號供風力 機控制器以求出機艙與風向之相對位置。在一定時間內控制器驅動迎風裝置調整機艙至平 均風力方向。在迎風

11、控制的下層，裝置一電纜扭轉感應器，可紀錄機艙迎風位及電纜扭轉 狀況。當感應器感測到機艙同一方向旋轉 900 度(往左或往右達二圈半)後，風力機控制 器會自動將轉子完全停止，並使機艙反轉回到參考零點之位置以消除電纜之扭轉狀況，再 重新啟動風力發電機。1440rpm1500KW11m/s16m/s9m/s8m/s12m/s7m/s5m/s6m/s4m/s1200rpm圖圖 3.33.3 變速旋角控制之風速、發電量及轉子轉速曲線變速旋角控制之風速、發電量及轉子轉速曲線圖圖 3.43.4 變速旋角控制之風速、旋角及轉子轉速曲線變速旋角控制之風速、旋角及轉子轉速曲線（二）旋角控制系統（二）旋角控制系統由

12、於風的不穩定性，使得風力發電機輸出亦變得不穩定，為了維持較穩定輸出以及避免超額輸出，亦有必要做輸出控制，通常風力機均有額定輸出 (Rated Power)，超出額 定太多的輸出易造成增速齒輪箱及發電機的損壞。基本上，風力機可分為可變速風力機組 (Variable Speed Turbine)和定速風力機組(Fixed Speed Turbine)，可變速風力機通常 使用旋角控制(Pitch Control)，而定速風力機組則大部份使用失速調整控制(Stall Regulation)。前者係利用可變旋角構造於高風速時可同時調節整個葉片的角度，以減低 風的推力。水平軸式之葉片與主軸接合構件為輪轂（

13、Hub），其構造相當複雜，旋角控制 裝置要有足夠能力去驅動整個葉輪。而失速節制則利用固定旋角(Stall Control)藉由翼 型在較高風速時受空氣動力之分流或失速現象(Stalling)來做輸出降低的調整，此種方式 較為簡單及便宜。 圖 3.3 為變速旋角控制之風速、發電量及轉子轉速曲線，若在額定風速(Rated Wind Speed)以下，轉子的效率由葉片尖端速度(Rotor Blade Tip Speed)和風速的比例決定。 固定旋角之定速風力機組由於轉子速度是固定的，故不能控制尖端速度比，在高風速時葉 片轉子效率大幅遞減；然而在可變旋角風力機組，尖端速度隨風速和轉子速度而改變，為 達

14、到最大的轉子效率，尖端速度比必需始終保持在最佳轉子效率時之數值。 變速旋角控制( variable speed pitch control)：此種功率控制方式目前已普遍應 用於大型變速風力發電機，是由發電機之變速控制與葉片之旋角控制互相協調來進行控制。 基本上，變速風力發電機是依據風速大小來劃分旋角控制的模式，圖 3.4 即為一典型之參 考例。旋角控制之基本原理為： （1）當風速低於額定風速值時，旋角固定於 0 deg，風力發電機利用控制發電機之 轉速， 以達到最大功率點的追蹤控制，故此區之特色為功率最佳化功率最佳化(Power(Power optimization)optimization)

15、；（2）當風速超過額定值時，葉輪被固定於額定轉速 1440rpm，而旋角控制機構則隨 風速增加而調增葉片旋角，因此葉輪轉矩不隨風速昇高而增加，可以達到最大 定功率輸出之控制， 故此區之特色為功率極限化功率極限化( ( PowerPower limitation)limitation)。透過回授控制，在風速超過額定值時，風力發電機可維持準確的定功率輸出。由於 變速旋角控制對發電機及葉片都進行主動控制，雖然可使風力發電機兼具良好之動態及穩 態性能，但設置成本將增加許多；唯若以長期營運積效觀察，其投資報酬率卻可能最高。 此係因風力本身具有隨機性，且在大部分地區低風速的出現時機皆多於高風速，因此盡量

16、多利用低風速的風力，可以提高風力發電機的獲利率。圖 3.5 為 GE 1.5se 風力發電機之旋角控制(pitch control)系統架構圖，GE 1.5se 風力發電機葉片旋翼角度調整仍使用三個固定於輪轂內之獨立的旋轉步進馬達（144VDC） 驅動減速機，帶動葉片旋轉，旋轉角度由位於 PITCH MOTOR 轉軸之上 ENCORDER 偵測實際 角度，訊號傳遞給各自的旋角控制器（PITCH CONTROLLER），經中空主軸傳遞給安裝於齒 輪箱上之 SLIP RING，再由 SLIP RING 傳遞給位於機艙內之 TOP BOX 的 PLC 模組。圖 3.6 為葉片驅動步進馬達及蓄電池設備實體圖，圖 3.7 為葉片旋角控制之步進馬達及旋角傳送器實體圖。本系統包括一組旋角控制器，其控制程式可同時控制三支葉片之旋轉角度，每 一支葉片之旋角係由內環之速度控制器與外環之旋角位置控制器所組成之雙環串聯控制器 所控制，透過圖 3.7 裝設於步進馬達轉軸上之旋角編碼器將葉片之實際角度傳送至旋角控 制器進行角度及速度計算，使雙環閉迴路