浅谈风电机组电气控制系统

张海超

（辽宁大唐国际新能源有限公司 沈阳 110006）

浅谈风电机组电气控制系统

张海超

（辽宁大唐国际新能源有限公司 沈阳 110006）

风力发电机组因其运行方式多样，动态特性复杂，在电气设备及其保护控制系统的选型和设计上有一定的特殊性。因此，本文简要介绍了各类风力发电机组及其控制系统主要设备的工作愿理和技术特点。并对风力发电控制设备的一些关键技术研究进行了探讨。

风力发电；电气控制；控制方法

1 引言

随着全球新能源发电的规模不断扩大，我国风电规模也在与日剧增，取得了令人瞩目的成绩，风电的快速发展在一定程度上缓解了能源危机，改善了环境，截至2014年6月底，全国风电累计装机容量已接近1亿kW，但风电的大量投入也给电网的正常运行带来新的挑战。国家调整了对风电发展的支持力度，特别是对2015年1月1日以后核准的陆上风电项目下调了上网标杆电价。作为风电机组的重要组成部分，优化风电机组电气控制系统成为提高风电机组整体的可靠运行水平的一项重要手段。

2 风电机组的电气控制系统

风力发电机组的电控系统主要包括风力发电变流器，现场控制设备，变桨传动的驱动机构等，主要结构和原理为：

2.1 风力发电并网变流器

国际先进的兆瓦级变速恒频直驱风力发电系统多沿用低速多极永磁发电机，使用一台全功率变流器，通过交直交变流器将风机发出的变化的电压和频率的电能，经过交直交变流器变为稳定电压和频率的电力馈入电网。是将发电机输出电能通过整流、逆变变换成要求频率的电能（交-直-交方式），然而由于电力变流装置处于主功率通道，其容量一般为发电机容量的110～130%。

双馈风力发电变流器则是交-交变频器或交-直-交变频器供以低频电流调整交流励磁电流的幅值、频率和相位。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，可达到调节有功功率和无功功率的目的。

2.2 现场控制设备

现场控制设备主要包含顺序控制，数据采集与通信，联锁保护三部分。

作为顺序控制，其主要包含的功能有：①迎风机构的控制；②电机各种工况的切换；③机组的起动与停机；④紧急停机控制；⑤自动并网／解列控制。

保护系统主要是由传感器采集信号和安全链负责逻辑判断的集成，主要为停机和紧急停机。保护系统具有最高的优先权，它可以进入至少两套刹车系统，一旦超出正常的设定值，保护系统立即动作起动刹车，同时还可以使桨叶90°顺桨状态。使系统处于安全状态。

3 风电机组电气控制系统的主要技术

3.1 风力发电机变流器

现在采用的直驱风力发电机，由于采用了变速恒频控制技术，不仅节省了无功补偿器，而且还可以捕获更多的风能，并在风能不确定的条件下使发电机输出稳定。其控制主要通过以下三个部分来实现：

（1）发电机侧交流器，其功能主要是利用IGBT等功率控制元件将发电机的出口交流转换成直流输出。

（2）直流控制器，主要控制直流，使其在要求的电压下运行。

（3）电网侧变流器，将直流通过逆变变为交流并入电网，并根据系统的需要有效地调整输出的功率因数，去除谐波，提高电能质量。

风力发电的变流装置的主要关键技术在于：

（1）针对风力模型本身的不确定性，采用更优的如非线性控制、鲁棒控制技术，使得风力机组得到更好的特性。

（2）针对机组和系统的多种特殊情况采取有效的控制应对措施。能够适应复杂恶劣环境的要求。

（3）在控制策略的设计上采取自诊断，冗余等技术尽可能提高系统可靠性。

3.2 风电场的控制与保护装置

风电场相应的顺序控制、安全联锁保护等机构，作为风电场的控制与保护，大致可以分为以下几个功能模块：

（1）连续调节控制。

（2）顺序控制（SCS）。

（3）数据采集（DAS）。

（4）联锁保护。

（5）管理和信息处理。

从现场控制的结构来看，目前除部分分布式电源外，绝大多数风电机组都是以大型并网型机组为主，各机组有自己的控制系统，用来采集自然参数，机组自身数据及状态，通过计算、分析、判断而控制机组的起动、停机、调向、刹车和开启油泵等一系列控制和保护动作，能使单台风力发电机组实现全部自动控制，无需人为干预。

自动并网解列控制则需要交流采样，各种装置位置的判断，具备机组与交流网络同期检测功能，以及对电能质量能有所改善的优化控制功能。

在信息处理和通信的设计选择上，考虑到风力发电分布广，环境恶劣，工况复杂。这就需要动作快速，高可靠的现场控制通信冗余控制结构。风电场接入系统后通信和远动自动化通道长距离情况下采用光缆通信。每台风力发电机组的计算机单元通过光纤网络接口箱采集各风力发电机上行的实时信息和发送运行人员下行的控制指令。

4 结论

风力发电作为我国近年来快速发展的新兴能源行业，在改善环境，优化资源配置方面发挥着不可或缺的作用。但是在风电规模大发展的同时，应在技术上和工程实践上积极探索，熟悉风力发电场电气设备结构以及特殊的运行情况，加强对风力发电设备的动态特性的了解，跟踪电气控制系统等方面的最新技术动态，不断提高风力发电的应用水平。

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