风力发电机组控制技术

恒速定桨距风力发电机组存在低风速运行时风能转换效 率低的问题。在整个运行风速范围内由于气流的速度是不断 变化的，如果风力机的转速不能随风速而调整，必然要使风 轮在低风速时的效率最低。发电机本身也存在低负荷时的效 率低的问题。 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 性都有显著的改善。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。
1.2.2 风力发电机组安全运行的基本条件 对安全运行起决定因素是风速变化引起的转速的变化，所以 转速的控制是机组安全运行的关键。风速的变化、转速的变化、 温度的变化、振动等都会直接威胁风力发电机组的安全的运行。 1.2.2.1 风力发电机组工作参数的安全运行范围 1风速 风速的规定工作范围3~25m/s，风速超过25m/s以上时，会 对机组的安全性产生威胁。 2转速 风力发电机组超速时，对机组的安全性将产生严重威胁。
风力发电机组的控制系统
风力发电机组的控制系统
1 概述 2 定桨距风力发电机的控制 3 变桨距风力发电机的控制 4 变速风力发电机的控制 5 控制系统的执行机构 6 偏航系统
1 概述 风力发电机组控制系统是机组正常运行的核心，其控制技 术是风力发电机组的关键技术之一，其精确的控制、完善的功 能将直接影响机组的安全与效率。 1.1 风力发电机组控制系统的基本组成 控制系统关系到风力机的工作状态、发电量的多少以及设备 的安全。 发电机的结构和类型不同形成了多种结构和控制方案。风力 发电机组控制系统由传感器、执行机构和软/硬件处理器系统组 成。
（4）热继电器保护运行，设过热、过载保护控制装置。 （5）接地保护，设备所有零部件因绝缘破坏或其他原因可能引 起出现危险电压的金属部分，均应实现保护接地。
风力发电机组控制系统工作的安全可靠性已成为风力发电系 统是否发挥作用，甚至成为风电场长期安全可靠运行的重大问 题。通常，往往不是控制系统有问题而是由于它的工作不可靠， 故障后维修困难。因此系统的安全可靠性必须认真考虑。使系统 在规定时间内不出故障，并且，在故障后能够快速修复使之会恢 复正常工作。
保护环节以失效保护为原则进行设计，即当控制失败，风 力发电机组内部或外部故障引起机组不能正常运行时，系统安全 保护装置动作，保护风力发电机组处于安全状态。引起控制系统 自动保护功能的情况有：超速、发电机过载和故障、过振动、电 网或负载丢失、脱网时的停机失败等。保护环节为多级安全链互 锁，具有逻辑功能。系统还设计了防雷装置，控制线路中每一电 源和信号输入端均设有防高压元件，主控柜设有良好的接地并提 供简单而有效的疏雷通道。
传感器一般包括如下装置 （1）风速仪 （6）各种限位开关 （2）风向标 （7）振动传感器 （3）转速传感器 （8）温度和油位指示器 （4）电量采集传感器 （9）液压系统压力传感器 （5）桨距角位置传感器 执行机构一般包括液压驱动装置或电动变桨距执行机 构、发电机转矩控制器、发电机接触器、刹车装置和偏航机 构等。 处理器系统通常有计算机或微型控制器和可靠性高的硬件 组成。以实现风机运行中的各种控制功能，同时必须满足当 严重故障发生时，能够保障风力发电机组处于安全的状态。
1.2.4控制保护要求 控制保护要求 （1）主电路保护，在低压配电线路中设置低压断路器，配 有分动脱扣和辅动触点，用来实现发电机的过电流，过载及 短路保护。 （2）过电压、过电流保护，在主电路计算机电源进线端、控 制变压器进线端和有关伺服电动机进线端，均设置过电压、 过电流保护措施。如整流电源、液压控制电源、稳压电源、 控制电源一次侧、调向系统、液压系统、机械闸系统、补偿 控制电容都有相应的过电流、过电压保护控制装置。 （3）防雷设施及熔丝主避雷器合理可靠的接地线，控制系 统有专门设计的防雷保护装置。所有信号的输入端均设有相 应的瞬时超电压和过电流保护装置。
图1风力发电机组控制系统结构示意图
控制系统基本目标分为三个层次，保证风力发电机组的 安全可靠运行，获取最大能量和提供高质量的电能。具体控 制内容有信号的数据采集和处理、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、远程 控制等。
3功率 在额定风速以下时，不作功率调节控制，在额定风速以上 应作限制最大功率的控制，通常运行安全最大功率不允许超 过设计值的20%。 4温度 发电机温度小于150。C 。 5电压 瞬间值超过额定值的30%时，视为系统故障。 6压力 液压执行机构的系统压力通常低于100MPa。
1.2.2.2 系统的接地保护安全要求 （1）配电设备接地，变压器、开关设备和互感器外壳、配 电柜、控制保护盘、金属构架、防雷设施及电缆头等必须接 地。 （2）塔筒与地基接地装置，接地体应水平敷设。塔内和地基 的角钢基础及支架要用截面25mmX4mm的扁钢相连作接地干 线，塔筒做一组，地基做一组，两者焊接相连形成接地网。 （3）接地体的外缘应闭合，埋设深度应不小于0.6m。 （4）避雷线宜设单独的接地装置。 （5）整个接地网的接地电阻应小于4 （6）如果电缆在地下敷设，两端都应接地。低压电缆在潮湿 的环境须接地，其他正常环境不必接地。高压电缆任何情况 下都应接地。
1.2.3 自动运行的控制要求 （1）开机并网控制 当风速10min平均值已在系统工作风速区内，风力发电 机组慢慢起动，正常情况下，风力发电机组转速连续增 高，当转速升到发电机同步转速时，机组并入电网运行。 （2）亏功率脱网 当平均风速小于小风脱网风速达到10min或发电机输出 功率负到一定值后，必须脱网，进入待风状态，风速再次 提升，风力发电机组又可自动旋转起来，达到并网转速， 风力发电机组又投入并网运行。 （3）普通故障脱网停机 机组运行时发生参数越限、状态异常等普通故障后， 风力发电机组进入普通停机程序，机组投入气动刹车，待 低速轴转速低于一定值后，再抱机械闸，如果是由于内部 因素产生的可恢复故障，计算机可自行处理，无需维护人 员到现场，即可恢复正常开机。
1.3.2.2 变速运行方式将迅速取代恒速运行方式 恒速运行的风力发电机组由于转速基本恒定，而风速经 常变化，因此风力机经常工作在风能利用系数较低的点上，风 能得不到充分利用。变速恒频运行方式的优点是可大范围调节 运行转速，跟踪风速保持最佳尖速比运行状态，因而效率较 高。 2 定桨距风力发电机的控制 2.1 定桨距风力机组的特点 2.1.1 风轮结构 定桨距风力发电机组的主要结构特点是：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。它应具备的条件一是桨叶自动失速性能，二是桨叶自身必 须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停 机。
（4）紧急故障脱网停机 当系统发生紧急故障时风力发电机组进入紧急停机程 序，机组投入气动刹车的同时执行90。偏航控制，机舱旋 转偏离主风向，转速降低后脱网，低速轴转速小于一定值 后，抱机械闸。排除故障后重新起动。 （5）安全链动作停机 安全链动作停机指电控制系统保护控制失败时，为安全 起见所采取的硬性停机，叶尖气动刹车、机械刹车和脱网同 时动作，风力发电机组在几秒钟的时间内停下来。排除故障 后重新起动。 （6）大风脱网控制 风速平均值大于25m/s达到10min时，风力发电机组可能 出现超速和过载，为了机组的安全，这时风力发电机组必须 进行大风脱网停机。
2.1.2 桨叶的失速调节 当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，产生升力，由于 气流在叶片上的分离随攻角的增大而增大，分离区形成大的涡 流，流动失去翼型效应，与未分离时相比，上下翼面压力差减 小，致使阻力激增，升力减少，造成叶片失速，从而限制了功 率的增加。
（a）正常运行 （b）高ຫໍສະໝຸດ 额定风速 图3定桨距风力机的气动特性
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。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。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。 1.2 风力发电机组的基本控制要求 1.2.1 风力发电机组的控制思路 失速型风力发电机组就是当风速超过风力发电机组额定风 速时，为确保风力发电机组功率输出不再增加，通过空气动力 学的失速特性，使叶片发生失速，控制风力发电机组的功率输 出。
变桨距风力发电机组采用变桨距方式改变风轮能量的捕获， 从而使风力发电机组的输出功率发生变化，最终达到限制功率输 出的目的。 控制系统的控制功能和参数包括功率极限、风轮转速、电 器负载的连接、起动及停机过程、电网或负载丢失时的停机、扭 缆限制、风轮对风、运行时电量和温度参数的限制。如风力发电 机组的工作风速是采用BIN法计算出10min的平均值，从而确定 小风脱网风速和大风切除风速。
1.3 风力发电组控制技术发展趋势 1.3.1 风力发电机组控制技术发展现状 自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的 并网和脱网，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。 与一般工业控制过程不同，风力发电机组是综合性控制 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 优化调制，以提高机组运行效率和发电量。
失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减少，因 而根部叶面先进入失速，随风速增大，失速部分向叶尖处扩 展，原先已失速的部分，失速程度加深，未失速的部分逐渐 进入失速区，从而使输入功率保持在额定功率附近。 2.1.3叶尖扰流器 叶尖扰流器 叶尖扰流器如图所示。当 风力机正常运行时，在液压系 统的作用下，叶尖扰流器与桨 叶主体部分紧密地合为一体， 组成完整的桨叶，当风力机需 要脱网停机时，液压系统按控 制指令将叶尖扰流器释放并使 之旋转90°形成阻尼板，实施 空气动力刹车。
变速风力发电机：由于变桨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 变桨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，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； 高于额定风速时功率输出更加稳定。当风速变化时通过调节发 电机电磁力矩或风力机桨距角使叶尖速比保持最佳值，实现风 能的最大捕获。