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风力发电控制系统一．风力发电机控制系统风力发电机由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于风电系统的神经。因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。目前风力发电亟待研究解决的的两个问题：发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。对此国内外学者进行了大量的研究，取得了一定进展，随着现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的研究提供了技术基础。1.1控制系统的组成风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：这就是保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。控制系统组成主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。当然对于不同类型的风力发电机控制单元会不相同。控制系统结构示意图如下：针对上述结构，目前绝大多数风力发电机组的控制系统都采用集散型或称分布式控制系统（DCS）工业控制计算机。采用分布式控制最大优点是许多控制功能模块可以直接布置在控制对象的位置。就地进行采集、控制、处理。避免了各类传感器、信号线与主控制器之间的连接。同时DCS现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数。并与其他功能模块保持通信，发出各种控制指令。目前计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，目前功能上有较大提高。很多厂家也开始采用PLC构成控制系统。现场总线技术(FCS)在进入九十年代中期以后发展也十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。1.2风力发电机控制技术风力发电系统中的控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术，这是因为自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的并网和退出电网、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是边远地区或是海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程监控，这就对风力发电机组的控制系统的自动化程度和可靠性提出了很高的要求。与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组运行进行控制。而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。20世纪80年代中期开始进入风力发电市场的定桨距风力发电机组，主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本的问题。由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制的，桨叶的节距角在安装时已经固定；而发电机转速由电网频率限制。因此，只要在允许的风速范围内，定桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对由于风速变化引起输出能量的变化是不作任何控制的。这就大大简化了控制技术和相应的伺服传动技术，使得定桨距风力发电机组能够在较短时间内实现商业化运行。20世纪90年代开始，风力发电机组的可靠性已经大大提高，变桨距风力发电机组开始进入风力发电市场。采用全变桨距的风力发电机组，起动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著和改善。由风力发电机组的变桨距系统组成的闭环控制系统，使控制系统的水平提高到一个新的阶段。由于变距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想，到了20世纪90年代中期，基于变距技术的各种变速风力发电机组开始进入风电场。变速风力发电机组的控制系统与定速风力发电机组的控制系统的根本区别在于，变速风力发电机组是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率控制的。变速风力发电机组的主要特点是：低于额定风速时，它能跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转换效率；高于额定风速时，它增加了传动系统的柔性，使功率输出更加稳定。特别是解决了高次谐波与功率因数等问题后，使供电效率、质量有所提高。随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展。目前的控制方法是：当风速变化时通过调节发电机电磁力矩或风力机浆距角使叶尖速比保持最佳值，实现风能的最大捕获。控制方法基于线性化模型实现最佳叶尖速比的跟踪，利用风速测量值进行反馈控制，或电功率反馈控制。但在随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统，传统的控制方法会产生较大误差。因此近些年国内外都开展了这方面的研究。一些新的控制理论开始应用于风电机组控制系统。如采用模糊逻辑控制、神经网络智能控制、鲁棒控制等。使风机控制向更加智能方向发展。二．风力发电机机组及类型对于不同类型的风力发电机，控制单元会有所不同，但主要是因为发电机的结构或类型不同而使得控制方法不同，加上定桨距和变桨距，形成多种结构和控制方案。2.1风力发电机组的类型(浆叶的不同)2.1.1定桨距失速调节型风力发电机组定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速是指桨叶本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流将在桨叶的表面产生涡流，使效率降低，产生失速，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高一些发电机的运行效率。定桨失速调节型的优点是失速调节由指桨叶本身完成，简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。但是在输入变化的情况下，风力发电机组只有很小的机会能运行在最佳状态下，因此机组的整体效率较低。通常很少应用在兆瓦级以上的大型风力机上。2.1.2变桨距调节型风力发电机组变奖距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小。在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。2.1.3主动失速调节型风力发电机组将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速肘，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值上。由于功率曲线在失速范围的变化率比失速前要低得多，控制相对容易，输出功率也更加平稳。根据风机转速分有恒速恒频和变速恒频两种，恒速恒频机组的整体效率较低,而变速恒频这种调节方式是目前公认的最优化调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。变速恒频的优点是大范围内调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功率的变化，可以最大限度的吸收风能，因而效率较高。控制上也很灵活，可以较好的调节系统的有功功率、无功功率，但控制系统较为复杂。2.1发电机类型（根据变速恒频）2.1.1异步感应发电机通过晶闸管控制的软并网装置接入电网，并网冲击电流较大。另外需要电容无功补偿装置。控制电路简单。各大风力发电制造商如：Vestas，NEG，Micon，Nordex都有此类产品。2.1.2绕线转子异步发电机对于绕线转子异步发电机可以采用功率辅助调节方式，即转子电流控制（RCC）方式来配合变浆距机构，共同完成发电机输出功率的调节。在绕线转子输入由电力电子装置控制的发电机转子电流，可以加大异步发电机转差率（可到10％），使得发电机在较大的转速范围内向电网送电。以提高异步发电机的风能利用2.1.3双馈发电机双馈电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具有固定频率的对称三根电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交一交变频器或交一直一交变频器供以低频电流。双馈电机励磁可调量有三个：一是可以调节励磁电流的幅值；二是可以改变励磁电流的频率；三是可以改变励磁电流的相位．通过改变励磁频率，可调节转速．这样在负荷突然变化时，迅速改变电机的转速，充分利用转子的动能，释放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机小。另外，通过调节转子励磁电流的幅值和相位，来调节有功功率和无功功率。双馈电机控制系统通过变频器控制器对逆变电路小功率器件的控制，可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值。频率及相位角，达到调节其转速、有功功率和无功功率的目的。既提高了机组的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。下图是双馈电机控制简要框图。整个控制系统可分为：转速调整单元、有功功率调整单元和电压调整单元（无功功率调整）。它们分别接受风速和转速。有功功率、无功功率指令，并产生一个综合信号，送给励磁控制装置，改变励磁电流的幅值。频率与相位角，以满足系统的要求。由于双馈电机既可调节有功功率；又可调节无功功率，有风时，机组并网发电；无风时，也可作抑制电网频率和电压波动的补偿装置。双馈电机应用于风力发电中，可以解决风力机转速不可调。机组效率低等问题。同时，由于双馈电机对无功功率。有功功率均可调，对电网可起到稳压。稳频的作用，提高了发电质量。与同步机交一直一交系统相比，它还具有变频装置容量小（一般为发电机额定容量的10％～20％左右）、重量轻的优点。但这种结构也还存在一些问题，如控制电路复杂一些，不同的控制方法效果有一定差异。另外该结构比其他结构更容易受到电网故障的影响。目前国内有多家开发成功双馈电机控制系统，如兰州电机有限责任公司与清华大学、沈阳工业大学合作研制的兆瓦级变速恒频双馈异步风力发电系统控制设备，采用全数字化矢量控制方法。中科院电工研究所研制的兆瓦级变速恒频风电机组电控系统，该系统采用IGBT技术、双PWM双向可逆变流控制。风力发电机控制系统（六）2.1.4永磁直驱同步发电机永磁直驱同步发电机系统结构如图：由变浆距风轮机直接驱动永磁同步发电机，省去了增速用齿轮箱。发电机输出先经整流器变为直流，再经IGBT（绝缘栅双极晶体管）逆变器将电能送到电网。对风力发电机工作点的控制是通过控制逆变器送到电网的电流实现对直流环节电压的控制，从而控制风轮机的转速。发电机发出电能的频率、电压、电功率都是随着风速的变化而变化的，这样有利于最大限度地利用风能资源，而恒频恒压并网的任务则由整流逆变系统系统完成。除了永磁直驱同步发电机可以直接并网外，还可以构成风力发电机（群），比如ABB公司的“Windformer”采用的是高压永磁直驱同步发电机（群），结构如下：单机容量为3～5MW，输出额定电压高达20kV，频率为5～10Hz，每一台发电机机端只配置有整流器，把交流变换为直流，通过直流母线实现与风电场其他机组(群)的并联运行，既提高了可靠性，又改进了效率。风电场由一台大容量公用逆变器把直流母线的直流电转换成50Hz的交流电，电压为12kV，可直接并入当地电网使用，也可经变压器升压至更高电压后并入更高压电网传输到远处。永磁直驱同步发电机系统存在的缺点是：对永磁材料的性能稳定性要求高，电机重量增加。另外，IGBT逆变器的容量较大，一般要选发电机额定功率的120％以上。但使用IGBT逆变器也带来一些好处：①使用脉宽调制（PWM）获得正弦形转子电流，电机内不会产生低次谐波转矩，改善了谐波性能。②有功功率和无功功率的控制更为方便。③大功率IGBT很容易驱动。④IGBT有很好的电流共享特性，这对于要达到风力发电机所需的功率水平，进行并联使用是非常必要。⑤开关时间短，导通时间不到1毫秒，关断时间小于6毫秒，使得管子功耗小。⑥目前单管容量已经较大，如Eupec公司的FZ600R65KF1等器件，可以在6kV电压下控制1.2kA电流，FZ3600R12KE3等低电压器件