孫 慶

（南京中核能源工程有限公司，江蘇 南京 210008）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生的清潔能源，在發(fā)電過程中不會產(chǎn)生污染物，是理想的綠色發(fā)電能源。風(fēng)力發(fā)電電氣控制技術(shù)是保證風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定運(yùn)行以及在規(guī)定時間內(nèi)不出故障的關(guān)鍵核心，因此設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電電控系統(tǒng)安全可靠是風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行的重要保障。

1 風(fēng)力發(fā)電電控系統(tǒng)概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中包括電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，兩者相互聯(lián)系密不可分，其中電氣系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的傳感單元和控制單元，當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或失效時，承擔(dān)著保護(hù)策略和硬件保護(hù)工作?？刂葡到y(tǒng)是電氣系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的邏輯中樞，因此在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電電控系統(tǒng)設(shè)計時分別對電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，但又需將兩者進(jìn)行聯(lián)合分析，以此驗證風(fēng)力發(fā)電電控系統(tǒng)的可靠性。

1.1 風(fēng)力發(fā)電電控系統(tǒng)設(shè)計要求

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中一般使用變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在進(jìn)行電控系統(tǒng)設(shè)計時需要滿足以下3個方面的設(shè)計要求：(1）風(fēng)力發(fā)電電控系統(tǒng)設(shè)計中最關(guān)鍵的要求就是系統(tǒng)的可靠性。對風(fēng)力發(fā)電是在不同風(fēng)下進(jìn)行發(fā)電，因此設(shè)計的電控系統(tǒng)需要在風(fēng)力變速情況下實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整控制目標(biāo)和控制策略，保證發(fā)電機(jī)組正常的開關(guān)機(jī)、運(yùn)行和并脫網(wǎng)操作；(2）風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)最核心的技術(shù)是最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，保證發(fā)電機(jī)組的葉尖速比是最佳狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤，以此來提高風(fēng)力發(fā)電的效率；(3）發(fā)電機(jī)組在吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能后，還能保證向電網(wǎng)輸送優(yōu)質(zhì)的電能，最終完成風(fēng)力發(fā)電的整個過程。

1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由塔架、發(fā)電機(jī)、儲能蓄電池、葉片、齒輪箱、整流器、控制電路、逆變器、變槳偏航系統(tǒng)、聯(lián)軸器等組成。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計概述

電氣系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中重要的組成部分之一，機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行驅(qū)動是靠電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出實(shí)現(xiàn)的，同時又肩負(fù)著控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)連接的重任。因此，電氣系統(tǒng)的可靠與否將直接影響發(fā)電機(jī)組的整體運(yùn)行。

2.1.1 電氣系統(tǒng)組成

將風(fēng)力風(fēng)電電氣系統(tǒng)進(jìn)行功能性劃分為：接入網(wǎng)系統(tǒng)、電氣傳動系統(tǒng)、線路傳輸系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、機(jī)柜配電系統(tǒng)、伺服執(zhí)行系統(tǒng)等。如果將發(fā)電機(jī)組按照模塊化設(shè)計可分成測風(fēng)系統(tǒng)、偏航電氣系統(tǒng)、變槳電氣系統(tǒng)、變頻器、電機(jī)系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)、油冷電氣系統(tǒng)以及潤滑系統(tǒng)等。

2.1.2 電氣系統(tǒng)拓?fù)?/p>

電氣系統(tǒng)的拓?fù)浒ㄖ麟姎饣芈吠負(fù)浜团潆娀芈?，設(shè)計理念是從全局掌控電控系統(tǒng)的組成和主回路的設(shè)計。其中主電氣回路拓?fù)浒俗儔浩飨到y(tǒng)、電機(jī)、變頻器、并網(wǎng)單元等?？紤]到機(jī)組配電系統(tǒng)的供電需求，配備了輔助變壓器；電氣系統(tǒng)配電回路包含了各種電機(jī)系統(tǒng)以及泵單元、加熱和冷卻單元、潤滑單元以及開關(guān)電源和UPS等。

2.2 電氣系統(tǒng)綜合設(shè)計

2.2.1 安全系統(tǒng)設(shè)計

電氣系統(tǒng)設(shè)計中最基本的設(shè)計就是安全系統(tǒng)設(shè)計，它是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的保證。安全系統(tǒng)設(shè)計采取的相關(guān)措施主要有：(1）采用安全鏈系統(tǒng)保證發(fā)電機(jī)組發(fā)生情況時，通過安全鏈保護(hù)電氣系統(tǒng)不受到損傷。安全鏈介入保護(hù)的時機(jī)是檢測到上一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，進(jìn)行停機(jī)操作。(2）采用剎車雙保險系統(tǒng)，也就是兩套剎車系統(tǒng)。(3）后備電源。(4）采取有效接閃。(5）將控制系統(tǒng)與安全系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置，保證兩者在發(fā)生事故時服從安全系統(tǒng)指令。

2.2.2 抵抗大風(fēng)設(shè)計

考慮到臺風(fēng)因素的影響，如果不加以重視的話，很可能會對發(fā)電機(jī)組造成毀滅性的后果。因此，在發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)設(shè)計時，要充分考慮載荷設(shè)計，并對設(shè)計的控制器進(jìn)行模擬評估；此外，在臺風(fēng)來臨時，對于臺風(fēng)工況需進(jìn)行控制策略設(shè)計，采取剎車停機(jī)策略，可以有效地降低機(jī)組荷載［1］。

2.2.3 防雷電系統(tǒng)設(shè)計

雷雨天氣發(fā)生時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可能受到雷電的襲擊，在電氣系統(tǒng)設(shè)計時，如果未考慮雷電帶來的影響，將有可能出現(xiàn)過電壓和保護(hù)控制系統(tǒng)元件損壞情況。解決的策略是在電氣系統(tǒng)設(shè)計時，加入防雷擊系統(tǒng)，通過設(shè)置傳導(dǎo)路徑將雷電泄放出去；同時，還要實(shí)行接地保護(hù)措施，將雷電引入低下以此保證系統(tǒng)不受沖擊［2］。

2.2.4 機(jī)艙電氣系統(tǒng)設(shè)計

(1）電氣傳動系統(tǒng)設(shè)計。

發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電的核心元件，通過變頻器來控制勵磁電流完成轉(zhuǎn)子磁場的改變，促使發(fā)電機(jī)輸出的頻率和電壓與電網(wǎng)所需電壓一致。發(fā)電機(jī)的選型要嚴(yán)格按照GL標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

(2）電氣控制系統(tǒng)設(shè)計。

電氣控制系統(tǒng)是由電源系統(tǒng)、控制柜體、PLC控制系統(tǒng)、就地控制系統(tǒng)組成。通過設(shè)計電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對電機(jī)組的各項功能的控制以及對電機(jī)組狀態(tài)的檢測。

3 控制系統(tǒng)綜合設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計概述

作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行中樞，控制系統(tǒng)將全部的電氣單元進(jìn)行連接和通訊，通過獲取的信息實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送，讓各單元都能接收并協(xié)同工作，從而保證發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 控制系統(tǒng)總框

控制系統(tǒng)的核心價值是獲取風(fēng)能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計的重心是力矩和變槳的控制，使其能夠協(xié)同工作使風(fēng)能獲取最大化?？刂葡到y(tǒng)總框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)

3.3 變槳控制

變槳控制作為控制系統(tǒng)中的重要組成部分，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)葉片的角度以達(dá)到最優(yōu)位置，提升獲取風(fēng)能的效率。變槳控制能夠通過手動和自動兩種方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)組停車。控制器中的變槳控制包含Gain Shedule，PID控制以及Notch Filter.其中Gain Shedule控制設(shè)計的目的是在風(fēng)速較大的情況下，保證轉(zhuǎn)速在有效控制范圍內(nèi)而進(jìn)行的變槳調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)迎風(fēng)面積減小然而額定功率可以做到穩(wěn)定輸出；Notch Filter是指帶阻濾波器，設(shè)計的目的是為了消除因PID環(huán)節(jié)帶來的無用的、周期性的頻率，以此保護(hù)變槳軸承不受損傷；雙輸入PID變槳控制器設(shè)計的目的是為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速有效控制和保證功率的穩(wěn)定輸出［3］。

4 風(fēng)力發(fā)電電控系統(tǒng)測試

研究對機(jī)組的安全設(shè)計、電氣系統(tǒng)工作狀態(tài)、控制系統(tǒng)工作狀態(tài)、發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的故障率以及元件的在線監(jiān)測及管理等方面進(jìn)行驗證。通過對以上幾個方面的測試，研究設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電電控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定，工作狀態(tài)良好，故障發(fā)生率控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，遠(yuǎn)程監(jiān)測可以做到對各元件的管理和維護(hù)，研究設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)完全符合可靠性原則，可以作為風(fēng)力發(fā)電的電控控制系統(tǒng)投入實(shí)際生產(chǎn)。

5 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電作為一種綠色可再生的能源，在獲取時不會對環(huán)境造成污染，已經(jīng)成為國家重要的能源發(fā)展戰(zhàn)略。因此，優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，改變發(fā)展策略向海上及低速地區(qū)進(jìn)行建設(shè)，將會成為風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展方向，與此同時，設(shè)計出更加高效和可靠的電控系統(tǒng)也成了專業(yè)人員未來的前進(jìn)目標(biāo)。