特大型垂直轴风力发电机组电控系统设计分析

陈秀实

（大连华锐重工集团有限公司设计研究总院，辽宁 大连 106022）

1 概述

风力发电机按照风机中心轴的方向可分为两类：水平轴型风机和垂直轴型风机，目前已投用的风电设备中水平轴型风机占比较大，随着风机设备制造及控制水平的不断提高，需要风机机组容量逐步增大，水平轴型风机在结构和运行方面存在一定的局限：（1）由于变桨偏航技术的制约，风机损坏率较高；（2）机组容量增大时，占地面积大；（3）年运转效率低；（4）运输安装维修保养不方便。与水平轴风机相比，垂直轴风机具有单机机组容量大、无变桨偏航对风装置、效率较高、占地面积小、对成雨层影响小等特点。

2 系统构成

电气控制系统能够安全可靠地完成机械能转化为电能并输送至电网的功能，是风力发电机组运行的重要组成部分，系统主要由配电系统、电气传动系统、PLC控制系统、人机交互系统、工业电视监控系统构成。设计以满足先进性、实用性、安全可靠性和易维护性为原则进行。

3 配电系统

以垂直轴风电机组容量为32MW为目标，设置16台性价比较高、技术成熟可靠的2MW风力发电机，分两层布置在同一车间内，考虑到占地面积和成本，两台发电机共用一台升压变压器，共8台升压变压器，每台容量为5000kVA。兼顾变流器的设计，选择风力发电机输出电压为690V，根据当地电网的要求，经升压变压器升压到10kV或35kV输出至外网。配电系统主接线见图1所示，包括升压变压器、高压开关柜、为油泵及照明等辅助设备供电的辅助变压器等设备。

图1 配电系统图

4 电气传动系统

电气传动系统是风机机组电控系统的主要部分，目前成熟的变流器方案有双馈发电机-部分功率及永磁同步发电机-全功率两种，各有优缺点，具体分析如下。

4.1 双馈发电机—部分功率变流器方案

双馈发电机—部分功率变流器系统主要由发电机、双馈变流器、定子接触器、转子接触器等元件组成。双馈系统电气传动采用双馈变流器传动技术，发电机采用双馈异步发电机，电机转子通过滑环和电刷与双馈变流器相连接。其工作原理为：在电机转速低于同步转速时，发电机定子直接向电网馈送电能，而转子通过变流器从电网吸收电能；在电机转速高于同步转速时，发电机除通过定子向电网馈送电能外，还可以通过发电机转子向电网馈送电能。此方案的优点为：（1）变流器的容量只有风机容量的1/3左右，成本较低。（2）变流器与电网之间交换转差功率，通过控制发电机的速度和功率因数使风机工作在更宽的速度范围内，具有产生无功功率以适应电网的能力。（3）使用最新的IGBT技术，并由微处理器控制的电力电子器件来控制，通过脉宽调制获得接近无闪变的电能、可调节的无功功率、低失真和最低谐波含量。此方案的缺点是：对电网的冲击比较敏感，兼容性相对较弱。

4.2 永磁同步发电机—全功率变流器方案

永磁同步发电机—全功率变流器系统主要由永磁发电机、全功率变流器、定子接触器等元件组成。全功率系统电气传动采用全功率变流器传动技术，发电机为永磁同步发电机，电机定子通过断路器连接至电网，转子通过变流器连接至电网。变流器由机侧变流器、网侧变流器、控制电路等构成。其工作原理为：机侧变流器完成有功、无功的解耦控制和转速调节；网侧变流器完成输出并网，有功、无功的解耦控制和直流侧电压稳定性控制，当电网发生电压跌落等故障时,网侧变流器运行在静止无功补偿模式，向电网提供无功功率，稳定电网电压，同时具有良好的低电压穿越功能。此方案的优点为：（1）发电机与电网是完全隔离的，具有良好的兼容性，安全性也比较高。（2）实现低电压穿越成本低，不需要增加专门的设备。缺点是成本较高。

4.3 方案选择

为保证系统的高效可靠运行，发电系统同时采用2种方案互补运行，使系统具有更高的性价比。即16台2MW发电机，其中8台采用双馈发电机-部分功率变流器系统，另8台采用同步发电机-全功率变流器系统。

5 PLC控制系统

PLC控制系统是风机的控制核心，能够保证风力发电机组在最优状态下安全稳定运行，系统具有极高的先进性、可靠性和安全等级以适应风机现场恶劣的运行环境。系统由1个PLC主站、8个子站组成，每个子站控制两台发电机，通过现场总线与变流器、现场仪表等设备通讯如图2。

图2 PLC控制系统图

5.1 控制器及IO模块

控制器及IO模块选择具有抗干扰性强、控制灵活、处理速度快、扩展方便、通讯协议丰富等特点的设备。通过采集现场温度、压力、振动等环境参数信号完成系统功率控制、启动、停止、安全保护、辅机控制等功能。

5.2 通讯网络

通讯网络采用工业总线协议和以太协议两种方式。

变流器、风速仪等现场检测仪表与PLC子站之间采用工业总线协议进行通讯。现场级工业总线网络高速、经济、可靠，可以实现现场数据的快速传输，降低安装和维护成本，提高系统的抗干扰能力。

PLC主站和控制室人机交互系统及状态监测系统之间采用工业以太协议进行通讯，具有通信速率高、兼容性好等优势。

5.3 状态监测系统

本设计在顶部轴承、底部轴承、中间轴承、减速机轴承等处设置了在线振动检测点，用以监测关键轴承的运行状况，记录并分析其变化趋势，实现报警和预报警功能，提高轴承运行效率，改进维护计划，提高设备寿命。

6 人机交互系统

人机交互系统布置在中控室，完成生产过程的自动化监控与调度等功能，由服务器、操作员站、工程师站、网络交换机等设备构成。可实时对风机机组现场设备进行监视、操作和维护，全面掌握设备的运行状况，出现故障时能够及时报警，分析故障原因并存储。

7 工业电视监控系统

工业电视监控系统由摄像头和监控中心组成。在每层发电平台分别布置4个摄像头对电气设备进行实时监控，硬盘录像机、控制器和监视器等设备构成的监控中心安装于中控室。

工业电视系统使风机管理者通过图像直观地监视电气设备的运行情况，进行正常的作业和指挥调度。保证发电质量，提高生产效率。当图像显示异常信息时，可以及时予以发现，以便采用紧急措施迅速处理，排除故障，杜绝事故蔓延，避免导致人机伤亡。

8 结语

本文从实际需求出发，以先进性、实用性、稳定性、安全性和易维护性为原则，探索了特大功率垂直轴风力发电机组电控系统的设计方案，后期还需要进行实际工程验证和修正，对同类型风机机组电控系统的工程设计具有一定的借鉴和参考意义。