风力发电机组控制系统及功能介绍

知识点：风电机组控制器

一、风力发电机组控制系统简介

风力发电机组由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，其相当于风电系统的神经。因此控制系统的质量直接关系到风力发电机组的工作状态、发电量的多少以及设备的安全性。

自热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、风轮的主动对封以及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控制，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。与一般的工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。他不仅要监视电网、风况和机组运行参，对机组进行控制。而且还要根据风速和风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率。

二、控制系统的组成

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。

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图1所示：

图1 控制系统结构示意图

三、控制系统的类型

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案。

1、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。

图2 双馈风力发电机组结构示意图

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。

图3 双馈风力发电机组控制系统示意图

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。

2、永磁直驱同步发电机

永磁直驱同步发电机系统结构图如图4所示。

图4 永磁直驱风力发电机组结构图

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。

 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。

发电机控制系统除了控制发电机“获取最大能量”外，还要使发电机向电网提供高品质的电能。因此要求发电机控制系统：

①尽可能产生较低的谐波电流；

②能够控制功率因数；

③使发电机输出电压适应电网电压的变化；

④向电网提供稳定的功率。

目前国内外兆瓦级以上技术较先进的、有发展前景的风力发电机组主要是双馈型风力发电机组和永磁直驱风力发电机组，二者各有优缺点。单从控制系统本身来讲，永磁直驱风力发电机组控制回路少，控制简单，但要求逆变器容量大。而双馈型风力发电机组控制回路多，控制复杂些，但控制灵活，尤其是对有功、无功的控制，而且逆变器容量小得多。

四、风力发电机组控制系统的目标

风力发电机组是利用风轮系统实现了从风能到机械能的能量转换，再利用发发电机和控制系统实现了从机械能到电能的转换过程，在空阿里风力发电机组控制系统的控制目标时，必须结合他们的运行方式和工作特点。风力发电控制系统的基本目标就是保证风力机发电机组安全可靠运行，获取最大风能，并提供良好的电力保证。

（1）控制系统应保持风力发电机组安全可靠运行，同时高质量地将不断变化的风能转化为频率、电压稳定的交流电送人电网。

（2）控制系统曹勇计算机控制技术实现对风力发电机组的运行参数、工作状态进行监控、显示以及故障处理。

（3）利用计算机智能控制技术实现机组的功率优化控制。对定桨距恒速风保证冲击电流小于额定电流。力发电机组，主要是进行软切入、软切出及功率因数补偿控制；对变桨距变速风力发电机组，主要是进行最佳尖速比和额定风速以上的恒功率控制。

（4）在大于起动风速并且转速达到并网转速的条件下，风力发电机组能自动起动、软切入自动并网。

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