淺談風電機組電氣控制系統

張海超

（遼寧大唐國際新能源有限公司 沈陽 110006）

淺談風電機組電氣控制系統

張海超

（遼寧大唐國際新能源有限公司 沈陽 110006）

風力發(fā)電機組因其運行方式多樣，動態(tài)特性復雜，在電氣設備及其保護控制系統的選型和設計上有一定的特殊性。因此，本文簡要介紹了各類風力發(fā)電機組及其控制系統主要設備的工作愿理和技術特點。并對風力發(fā)電控制設備的一些關鍵技術研究進行了探討。

風力發(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)模不斷擴大，我國風電規(guī)模也在與日劇增，取得了令人矚目的成績，風電的快速發(fā)展在一定程度上緩解了能源危機，改善了環(huán)境，截至2014年6月底，全國風電累計裝機容量已接近1億kW，但風電的大量投入也給電網的正常運行帶來新的挑戰(zhàn)。國家調整了對風電發(fā)展的支持力度，特別是對2015年1月1日以后核準的陸上風電項目下調了上網標桿電價。作為風電機組的重要組成部分，優(yōu)化風電機組電氣控制系統成為提高風電機組整體的可靠運行水平的一項重要手段。

2 風電機組的電氣控制系統

風力發(fā)電機組的電控系統主要包括風力發(fā)電變流器，現場控制設備，變槳傳動的驅動機構等，主要結構和原理為：

2.1 風力發(fā)電并網變流器

國際先進的兆瓦級變速恒頻直驅風力發(fā)電系統多沿用低速多極永磁發(fā)電機，使用一臺全功率變流器，通過交直交變流器將風機發(fā)出的變化的電壓和頻率的電能，經過交直交變流器變?yōu)榉€(wěn)定電壓和頻率的電力饋入電網。是將發(fā)電機輸出電能通過整流、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)電機容量的110～130%。

雙饋風力發(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整交流勵磁電流的幅值、頻率和相位。通過改變勵磁頻率，可調節(jié)轉速。這樣在負荷突然變化時，迅速改變電機的轉速，充分利用轉子的動能，釋放和吸收負荷，對電網的擾動遠比常規(guī)電機小。另外，通過調節(jié)轉子勵磁電流的幅值和相位，可達到調節(jié)有功功率和無功功率的目的。

2.2 現場控制設備

現場控制設備主要包含順序控制，數據采集與通信，聯鎖保護三部分。

作為順序控制，其主要包含的功能有：①迎風機構的控制；②電機各種工況的切換；③機組的起動與停機；④緊急停機控制；⑤自動并網／解列控制。

保護系統主要是由傳感器采集信號和安全鏈負責邏輯判斷的集成，主要為停機和緊急停機。保護系統具有最高的優(yōu)先權，它可以進入至少兩套剎車系統，一旦超出正常的設定值，保護系統立即動作起動剎車，同時還可以使槳葉90°順槳狀態(tài)。使系統處于安全狀態(tài)。

3 風電機組電氣控制系統的主要技術

3.1 風力發(fā)電機變流器

現在采用的直驅風力發(fā)電機，由于采用了變速恒頻控制技術，不僅節(jié)省了無功補償器，而且還可以捕獲更多的風能，并在風能不確定的條件下使發(fā)電機輸出穩(wěn)定。其控制主要通過以下三個部分來實現：

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

（2）直流控制器，主要控制直流，使其在要求的電壓下運行。

（3）電網側變流器，將直流通過逆變變?yōu)榻涣鞑⑷腚娋W，并根據系統的需要有效地調整輸出的功率因數，去除諧波，提高電能質量。

風力發(fā)電的變流裝置的主要關鍵技術在于：

（1）針對風力模型本身的不確定性，采用更優(yōu)的如非線性控制、魯棒控制技術，使得風力機組得到更好的特性。

（2）針對機組和系統的多種特殊情況采取有效的控制應對措施。能夠適應復雜惡劣環(huán)境的要求。

（3）在控制策略的設計上采取自診斷，冗余等技術盡可能提高系統可靠性。

3.2 風電場的控制與保護裝置

風電場相應的順序控制、安全聯鎖保護等機構，作為風電場的控制與保護，大致可以分為以下幾個功能模塊：

（1）連續(xù)調節(jié)控制。

（2）順序控制（SCS）。

（3）數據采集（DAS）。

（4）聯鎖保護。

（5）管理和信息處理。

從現場控制的結構來看，目前除部分分布式電源外，絕大多數風電機組都是以大型并網型機組為主，各機組有自己的控制系統，用來采集自然參數，機組自身數據及狀態(tài)，通過計算、分析、判斷而控制機組的起動、停機、調向、剎車和開啟油泵等一系列控制和保護動作，能使單臺風力發(fā)電機組實現全部自動控制，無需人為干預。

自動并網解列控制則需要交流采樣，各種裝置位置的判斷，具備機組與交流網絡同期檢測功能，以及對電能質量能有所改善的優(yōu)化控制功能。

在信息處理和通信的設計選擇上，考慮到風力發(fā)電分布廣，環(huán)境惡劣，工況復雜。這就需要動作快速，高可靠的現場控制通信冗余控制結構。風電場接入系統后通信和遠動自動化通道長距離情況下采用光纜通信。每臺風力發(fā)電機組的計算機單元通過光纖網絡接口箱采集各風力發(fā)電機上行的實時信息和發(fā)送運行人員下行的控制指令。

4 結論

風力發(fā)電作為我國近年來快速發(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。但是在風電規(guī)模大發(fā)展的同時，應在技術上和工程實踐上積極探索，熟悉風力發(fā)電場電氣設備結構以及特殊的運行情況，加強對風力發(fā)電設備的動態(tài)特性的了解，跟蹤電氣控制系統等方面的最新技術動態(tài)，不斷提高風力發(fā)電的應用水平。

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