风力发电控制系统的深入研究

马慧霞，闫文吉

（中广核风电有限公司内蒙古分公司，内蒙古 呼和浩特 010010）

风力发电控制系统的深入研究

马慧霞，闫文吉

（中广核风电有限公司内蒙古分公司，内蒙古 呼和浩特 010010）

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。文章通过对风力发电机控制系统的组成和结构分析，深入研究风力发电控制技术。

风力；控制；组成；研究

1 风力发电机控制系统介绍

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。

2 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：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。系统结构示意图如图1所示。

图1 系统结构示意图

针对系统结构，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20世纪90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。

3 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更高的要求。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。

4 目前风力发电机控制方法

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。

［1］刘万琨，张志英,等.风能与风力发电技术［M］.北京：化学工业出版社，2007.

图2 市郊运转循环状况图

4 结语

文章设计的是机械能与电能的复合型制动系统模型，这个系统的关键在于三相电机系统和三相电整流器，DC-DC变换器三部分。踩踏制动器踏板进行车辆制动时，如果并不需要太多的制动力，仅电制动系统就可以提供所需的制动力;当电制动力不足以提供车辆制动能量时，这个复合型制动系统会同时提供所需要的制动力。根据仿真的结果来看，该系统完全可以将部分制动时产生的动能转化为电能，从而提高能量利用率，达到节能续航的目的。

Research on Control System of W ind Power Generation

MA Hui-xia，YAN Wen-jie
（Inner Mongolia branch of CGN Wind Power Co.，Ltd.，Hohhot，Inner Mongolia 010010，China）

Thewind powergenerator is composed ofa numberofparts，and the controlsystem runs through each part，which is equivalent to thenervoussystem of thewind powersystem.Through theanalysisof the composition and structureof the controlsystem of thewind turbinegenerator，thispaperstudies the control technology ofwind powergeneration.

wind power；control；composition；research

TM315

A

2095-980X（2016）11-0075-02

2016-09-25

马慧霞（1982-），女，内蒙古人，硕士，工程师，主要从事风力发电运行维护工作。