定桨距风电机组控制系统的研究

４ ３ 无功 补偿 ．
为了保证供电质量 ， 制系统 配备 了合 适 的电容 补偿装 置 ， 控 采用专用的电容接触器来 完成投切 。电容投 切必须 是在 风力 发 电机组并网运行后 ， 通过检测 电网参数来决定 电容器组 的投入 和
① 叶尖扰流器展开 ； ② 高速轴机械刹车立 即抱 闸；
图 １ 定 桨 距风 电机 组整 体 示 意 图
２ 控 制 系统 设 计 方 案
控制 系 统 作 为 风 力 发 电 机 组 的 最 关 键 技 术 之 一 ， 是 风 力 发 它
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尽管 在兆瓦级风力发 电机组 的设计 中 己经 开始 采用 变桨距 技术
电机组运行 的“ 大脑”， 是整个机组正常安全运行 的可靠保证 。
１ 定 桨 距 风 力 发 电机 组简 介
定桨距 风力发电机组 的主要结构特 点是 ， 叶与轮毅的连接 桨 是 固定 的， 即当风速变 化时 ， 叶节距 角不能 随之 变化 。这一特 桨 点使得 ， 当风速高于风轮 的额 定风速 时 ， 桨叶必 须能 够 自动地将
功率限制在额定值 附近 ， 叶的这 一特性称为 自动失 速性能 。运 桨 行 中的风力发 电机 组在突甩负载的情况下 ， 桨叶 自身必须 具备制
③ 发电机立 即与 电网脱离 ；
２ ４ Ｅｌｃｒｃ ｔ ｍａ ｉ ｅ ｔｉａＩ Ａｕｏ ｔ ｏｎ
组结构 简单 、 能 可靠 的优 点 ， 今 仍 然是 最 广 泛采 用 的风 电 性 现
机组 。
和触摸屏控制 软件 。
底柜 主要控制柜 内照明 、 通风 、 加热 、 筒照 明等 ； 塔 控制柜 主 要控制加热冷却系统 、 液压控制 、 风速 、 风向 、 电机转 速的检测 、 发 偏航控制 、 机控制 、 辅 软并 网的控制 、 停机保护等。电源柜 主要 完 成机组软并 网过程 。电容 柜保证 在机组并 网后 的无 功补偿 。同 时， 该控制 系统 Ｏ Ｃ具有开放性 ， 电厂管理 人员能够 远程检测 Ｐ 风 风机的运行状态 ， 同时实现 远程 开 、 停机和复位功能 。
０ 引 言
风能作 为一 种清 洁 可再 生清 洁能 源 ， 环境 污 染严 重 的今 在 天， 越来越 得到人们 的重视 。近 年来 随着风 力发 电技术 的成 熟 ，
风力发 电量在世 界发 电总量 中所 占的 比例 越来越 大。我 国风能
资源丰富 ， 发展风 电对于我 国减少 污染排放 ， 调整 能源结构 ， 减轻
《 气自 化 ２１年第３卷 第２ 电 动 ） ２ ０ ４ 期
能 源 发 电控 制 技
Ｔ ｅ Ｎｅ Ｅ ｅ ． ｏ ｒ ｎ ｒ ｌ ｅ ｈ ｏｌｇ ｈ ｗ ｎ ｒ ｙ Ｐ ｗｅ ｑ Ｃｏ ｔｏ ｃ ｎ ｏ Ｔ
３ 控 制 系统 功 能 设 计
风电机组 运行 状态控制包括机组起动控制 ， 电机软 并 网与 发 脱 网控制 ， 机舱偏 航 控制 ， 电缆缠 绕 自动解 缆控 制 ， 液压 系 统控
全球大气温 室 效 应 ， 行 减碳 计 划 中 的 国际 责任 ， 有 重 大 的 履 具
意义。 目前 并 网型 风 电 机组 主 要 有 定 桨 距 失 速 调 节 风 电 机 组 、 桨 变 距 调 节 风 电机 组 、 动 失 速 调 节 风 电机 组 和 变 速 恒 频 风 电 机 组 。 主
和变 速恒频技术 ， 由此增加 了控制 系统 与伺 服系统的复杂 性也 但
对机组 的成本和可靠性 提 出了新 的挑 战。而定桨距 风力 发 电机
控制 系统 主要 包括 硬件部 分和软件 部分 。硬件部 分包括 控
制柜 、 塔基柜 、 电源柜 、 电容柜 ； 软件部 分包括 Ｐ Ｃ系统控制 软件 Ｌ
要 ：介 绍 了研 制 的定 桨 距 风 电机 组 控 制 系 统 ， 述 了其 设 计 方 案 和 功 能结 构 。 同 时对 其 关 键 技 术进 行 了 分析 和论 述 。 描
关键词 ：风力发 电机 ； 控制系统 ； 定桨距 ［ 中图分类号 ］Ｔ ６ ４ ［ Ｍ １ 文献标志码 ］Ａ ［ 文章编号 ］１０ ３ ８ （０ ２ ０ ０ ２ ０ ００— ８ ６ ２ １ ） ２— ０３— ３
④ 所有辅机正 常工作， ； ⑤ 安全链保持 闭合 。
（ ）在风速较小 ， 电机输 出功 率较 低或 从 电网吸 收功 率 ３ 发 时电机需要停机 ， 或者系统出现除紧急停机和紧急安全链停 机 以
制， 冷却与加热 系统 自 动控制 ， 高速轴刹车控制 ， 叶尖刹 车控制 以
及各 部件的工作状态监测等 内容 ， 同时具有 日志记 录 、 息查询 、 信 系统参数设置 ， 测试模式及调试模 式功能。系统 总体 的工艺 图如
能源发电控制技术
Ｔ ｅ Ｎｅ Ｅ ｅ ｇ ｏ ｒ ｎ ｒ ｌ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｈ ｗ ｎ ｒ ｙ Ｐ ｗｅ Ｃｏ ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｏ Ｔ
皇皇
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定 桨 距 风 电机 组 控 制 系统 的研 究
梁 涛 李福先 。 。黄珥 （ ． 汉 数 宇 工 程研 究 所 。 北 武 汉 ４０ ７ ２ 空 军 雷 达 学 院 ， 北 武 汉 １武 湖 ３０ ４；． 湖 摘 ４０ ７ ） ３ ０２
图 ３ 控 制 系统 总体 工艺 图
电机并 网瞬 间的 冲击 电流控 制
在 允 许 的限 度 内 ， 般 为 １５— 一 ．
４ 控 制 系统 关 键 技 术
４ １ 停 机控 制 ．
停机控制是针对控制 系统检测 到的异 常情况 ， 按照轻重缓 急 的原则执行 的停机动 作 ， 要保护整 机 的安 全运行 ， 既 又要 让整 机 的损耗 降至最低 。控制 系统设计 了 ３种停 机模 式 ， 即正 常停机 、 紧急停机 和紧急安全链停 机。 （ ）安全链 回路是独立于主 控系统 ， １ 执行 紧急停 机逻辑 ， 所
① 叶尖扰流器展 开 ；
② 高速轴机 械刹 车立 即抱 闸 ；
③ 发 电机立 即与电网脱离 ；
发电机并 入电网是 目前 国内外 中型及 大型风 力发 电机组 中普 遍
采用的方 法。
④ 所有辅机停 止工作 ； ⑤ 安全链 断开。
（ ）触发 紧急停 机的事件包括 电 网故 障 、 压系统 故障 、 ２ 液 刹 车时 间超 出最大 限定值等 。 紧急停机执行 的动作 ：
④ 所有辅机正 常工作 ；
⑤ 安全链保持 闭合 。
４ ２ 软 并 网控制 ．
由于定桨距 风力发 电机组
采用 的发 电机类 型是异 步发 电 机， 宜采 用软 并 网方 式 并 网较
为 科 学 。这 种 并 网方 法 是 在 异
步 发电机定 子与 电网之间通 过 每相串入一只双 向晶闸管连 接 起来 ， 相 均有晶闸管控制。 三 接入双 向晶 闸管 的 目的是将 发
旁路接触器吸合 ， 软并 网装置 被旁路开 关短路 从而退 出运行 ， 异 步发 电机 的输 出电流将不再经双 向晶闸管 ， 而是通过 已闭合 的旁
路接触器直接流入 电网 ， 时机组完成 整个并 网过 程 ， 入稳 定 此 进 运行状态 。如果在机组并网过程 中 ， 维持 时间过 程超过 ６ ， 组 ｓ机
图 ３所 示 。
外 的需要执行停 机过程 的故 障 ， 进行正常停机 。 正常停 机执 行的动作 ： ① 叶尖扰流器展开 ； ② 高速轴机械刹 车在转速较低 时抱 闸 ， 减少机械损耗 ；
③ 发 电机 在 同步转 速 附
近 与 电 网 脱 离 ， 小 电 流 对 电 减 网的冲击 ；
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下 等紧急情 况 。紧 急停 机后 ， 要人 为进 行复 位消 除故 障 标志 需
位， 机组方可继续正常工作 。
紧急安全链停机执行的动作 ：
将执行正 常停机 的程序 。
这种软并 网方法 的特点是通 过控 制晶闸管 的导通 角 ， 将发 电 机并 网瞬间的冲击 电流值 限制在 规定 的范围内 ， 从而得到一个 平 滑的并 网暂态 过程 。通 过 晶闸管软并 网方法将 风力驱动 的异 步
Ｓｔ ｄ ｎ ｔ ｅ Ｃｏ ｔｏ ｓｅ ｏ ｉｅ ｔｈ ｉｄ Ｔｕ ｂｎ ｕ ｙ ｏ ｈ ｎｒ Ｉ Ｓｙ ｔ ｍ ｆＦｘ ｄ Ｐｉ Ｗ ｎ ｒｉｅ ｃ
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定 桨 距 风 电机 组 的 最 大 优 点 是 控 制 系 统 结 构 简 单 ， 造 成 本 制
低， 可靠性高 。
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收 稿 日期 ：２ １ ０ ０ ０ １— ８— １
图 ２ 控 制 系统 硬 件 框 图
Ｅ ｅ ｔｃ ｌ ｕｏ ｔ ｎ ２ ｌｃｒ ａ Ａ ｔ ｍａ ｉ ３ ｉ ｏ
动能力 ， 风力发 电机组 能 够在 大风 情况下 安 全停 机 。２ 使 ０世纪 ７ ０年代失速性能 良好 的桨 叶 的出现 ， 决 了风力发 电机组 的 自 解 动失速性能 的要 求 ， 以及 ２ ０世 纪 ８ Ｏ年代 以及 叶尖 扰流 器 的应 用， 解决 了在突甩负载情 况下 的安全停 机 问题 ， 这些使 得定 桨距 失速 型风 电机组在过去 ２ Ｏ年的风能开发利用 中始 终处 于主导地 位， 最新推 出的兆瓦级风 电机组仍有机 型采用该项技术 。
２倍 额 定 电流 。其 并 网过 程 ：
当风力发 电机组接 收到 由控 制系统发 出的启动命令 后 ， 检查发 先 电机的相序与电网的相序是 否一致 ， 若相 序正确 ， 则发 出风 力发 电机组开始启动的命令 ， ３相主电路上 的 ３组 晶闸管受软并 网控
制器的控制被触发导通 ， 导通角随着发 电机与 同步转速 的接近 而
增大 ； 当发 电机转速完全达到 同步转速 ， 晶闸管完全打开 ， 异步发 电机 即通过晶 闸管平稳地 并入 电网 ； 随着发 电机转速 继续 升高 ，
有相关 的驱 动回路有后备电池供电 ， 保证 系统在紧急状态 可靠执 行 。它也是停机类别 中级别最高的停机。
触 发紧急安全链 停机包括 振动超 限 、 缆过 度 、 扭 急停按 钮按