張海超

（遼寧大唐國(guó)際新能源有限公司 沈陽(yáng) 110006）

淺談風(fēng)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)

張海超

（遼寧大唐國(guó)際新能源有限公司 沈陽(yáng) 110006）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因其運(yùn)行方式多樣，動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜，在電氣設(shè)備及其保護(hù)控制系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)上有一定的特殊性。因此，本文簡(jiǎn)要介紹了各類(lèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其控制系統(tǒng)主要設(shè)備的工作愿理和技術(shù)特點(diǎn)。并對(duì)風(fēng)力發(fā)電控制設(shè)備的一些關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行了探討。

風(fēng)力發(fā)電；電氣控制；控制方法

1 引言

隨著全球新能源發(fā)電的規(guī)模不斷擴(kuò)大，我國(guó)風(fēng)電規(guī)模也在與日劇增，取得了令人矚目的成績(jī)，風(fēng)電的快速發(fā)展在一定程度上緩解了能源危機(jī)，改善了環(huán)境，截至2014年6月底，全國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已接近1億kW，但風(fēng)電的大量投入也給電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。國(guó)家調(diào)整了對(duì)風(fēng)電發(fā)展的支持力度，特別是對(duì)2015年1月1日以后核準(zhǔn)的陸上風(fēng)電項(xiàng)目下調(diào)了上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)。作為風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)成為提高風(fēng)電機(jī)組整體的可靠運(yùn)行水平的一項(xiàng)重要手段。

2 風(fēng)電機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電控系統(tǒng)主要包括風(fēng)力發(fā)電變流器，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，變槳傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等，主要結(jié)構(gòu)和原理為：

2.1 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器

國(guó)際先進(jìn)的兆瓦級(jí)變速恒頻直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多沿用低速多極永磁發(fā)電機(jī)，使用一臺(tái)全功率變流器，通過(guò)交直交變流器將風(fēng)機(jī)發(fā)出的變化的電壓和頻率的電能，經(jīng)過(guò)交直交變流器變?yōu)榉€(wěn)定電壓和頻率的電力饋入電網(wǎng)。是將發(fā)電機(jī)輸出電能通過(guò)整流、逆變變換成要求頻率的電能（交-直-交方式），然而由于電力變流裝置處于主功率通道，其容量一般為發(fā)電機(jī)容量的110～130%。

雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器則是交-交變頻器或交-直-交變頻器供以低頻電流調(diào)整交流勵(lì)磁電流的幅值、頻率和相位。通過(guò)改變勵(lì)磁頻率，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。這樣在負(fù)荷突然變化時(shí)，迅速改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，釋放和吸收負(fù)荷，對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)遠(yuǎn)比常規(guī)電機(jī)小。另外，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的幅值和相位，可達(dá)到調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率的目的。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備主要包含順序控制，數(shù)據(jù)采集與通信，聯(lián)鎖保護(hù)三部分。

作為順序控制，其主要包含的功能有：①迎風(fēng)機(jī)構(gòu)的控制；②電機(jī)各種工況的切換；③機(jī)組的起動(dòng)與停機(jī)；④緊急停機(jī)控制；⑤自動(dòng)并網(wǎng)／解列控制。

保護(hù)系統(tǒng)主要是由傳感器采集信號(hào)和安全鏈負(fù)責(zé)邏輯判斷的集成，主要為停機(jī)和緊急停機(jī)。保護(hù)系統(tǒng)具有最高的優(yōu)先權(quán)，它可以進(jìn)入至少兩套剎車(chē)系統(tǒng)，一旦超出正常的設(shè)定值，保護(hù)系統(tǒng)立即動(dòng)作起動(dòng)剎車(chē)，同時(shí)還可以使槳葉90°順槳狀態(tài)。使系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。

3 風(fēng)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)的主要技術(shù)

3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器

現(xiàn)在采用的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于采用了變速恒頻控制技術(shù)，不僅節(jié)省了無(wú)功補(bǔ)償器，而且還可以捕獲更多的風(fēng)能，并在風(fēng)能不確定的條件下使發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定。其控制主要通過(guò)以下三個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)：

（1）發(fā)電機(jī)側(cè)交流器，其功能主要是利用IGBT等功率控制元件將發(fā)電機(jī)的出口交流轉(zhuǎn)換成直流輸出。

（2）直流控制器，主要控制直流，使其在要求的電壓下運(yùn)行。

（3）電網(wǎng)側(cè)變流器，將直流通過(guò)逆變變?yōu)榻涣鞑⑷腚娋W(wǎng)，并根據(jù)系統(tǒng)的需要有效地調(diào)整輸出的功率因數(shù)，去除諧波，提高電能質(zhì)量。

風(fēng)力發(fā)電的變流裝置的主要關(guān)鍵技術(shù)在于：

（1）針對(duì)風(fēng)力模型本身的不確定性，采用更優(yōu)的如非線(xiàn)性控制、魯棒控制技術(shù)，使得風(fēng)力機(jī)組得到更好的特性。

（2）針對(duì)機(jī)組和系統(tǒng)的多種特殊情況采取有效的控制應(yīng)對(duì)措施。能夠適應(yīng)復(fù)雜惡劣環(huán)境的要求。

（3）在控制策略的設(shè)計(jì)上采取自診斷，冗余等技術(shù)盡可能提高系統(tǒng)可靠性。

3.2 風(fēng)電場(chǎng)的控制與保護(hù)裝置

風(fēng)電場(chǎng)相應(yīng)的順序控制、安全聯(lián)鎖保護(hù)等機(jī)構(gòu)，作為風(fēng)電場(chǎng)的控制與保護(hù)，大致可以分為以下幾個(gè)功能模塊：

（1）連續(xù)調(diào)節(jié)控制。

（2）順序控制（SCS）。

（3）數(shù)據(jù)采集（DAS）。

（4）聯(lián)鎖保護(hù)。

（5）管理和信息處理。

從現(xiàn)場(chǎng)控制的結(jié)構(gòu)來(lái)看，目前除部分分布式電源外，絕大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組都是以大型并網(wǎng)型機(jī)組為主，各機(jī)組有自己的控制系統(tǒng)，用來(lái)采集自然參數(shù)，機(jī)組自身數(shù)據(jù)及狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算、分析、判斷而控制機(jī)組的起動(dòng)、停機(jī)、調(diào)向、剎車(chē)和開(kāi)啟油泵等一系列控制和保護(hù)動(dòng)作，能使單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)全部自動(dòng)控制，無(wú)需人為干預(yù)。

自動(dòng)并網(wǎng)解列控制則需要交流采樣，各種裝置位置的判斷，具備機(jī)組與交流網(wǎng)絡(luò)同期檢測(cè)功能，以及對(duì)電能質(zhì)量能有所改善的優(yōu)化控制功能。

在信息處理和通信的設(shè)計(jì)選擇上，考慮到風(fēng)力發(fā)電分布廣，環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜。這就需要?jiǎng)幼骺焖?，高可靠的現(xiàn)場(chǎng)控制通信冗余控制結(jié)構(gòu)。風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)后通信和遠(yuǎn)動(dòng)自動(dòng)化通道長(zhǎng)距離情況下采用光纜通信。每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的計(jì)算機(jī)單元通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)接口箱采集各風(fēng)力發(fā)電機(jī)上行的實(shí)時(shí)信息和發(fā)送運(yùn)行人員下行的控制指令。

4 結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電作為我國(guó)近年來(lái)快速發(fā)展的新興能源行業(yè)，在改善環(huán)境，優(yōu)化資源配置方面發(fā)揮著不可或缺的作用。但是在風(fēng)電規(guī)模大發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)在技術(shù)上和工程實(shí)踐上積極探索，熟悉風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)以及特殊的運(yùn)行情況，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性的了解，跟蹤電氣控制系統(tǒng)等方面的最新技術(shù)動(dòng)態(tài)，不斷提高風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用水平。

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