风力发电机组及其控制系统

新能源专题

2009年第8期

62

风力发电机组及其控制系统

夏毅琴

（广东电力设计研究院，广州 510663）

摘要 风力发电场运行情况多样，动态特性复杂, 在电气设备、保护控制系统的选型和设计上有一定的特殊性，因此，在设计过程中尽可能多地熟悉掌握各类风电电气设备的技术特性。本文简要介绍了风力发电机组及其控制系统主要设备的工作原理和技术特点。并对风力发电控制设备的关键技术研究进行了探讨。

关键词：风力发电；控制；变流器；现场控制

Brief Analysis of Wind Power Generators and their Control Configuration

Xia Yiqing

（GuangDong Electric Power Design Institute, Guangzhou 510663）

Abstract Wind power generators which have complex dynamic characteristic, are operated in multiplicative conditions. Design of electrical and control equipment should meet special requirements of Wind power generators’ operation. According to this paper, the principle and characteristics of wind power generators and their control equipments are introduced. Key technologies research of wind power control equipment is studied.

Key words ：wind power generator ；control ；converter ；local control

1 引言

风电是电力行业的先进生产力，资源无尽、成

本低廉。我国已将风力发电作为新能源发展的一个

重点，在风力资源好、用电量需求大的地方，有计

划、有步骤地建设一定规模的风力发电场。

广东省在经济高速发展的过程中，既要解决电力

供应不足问题，又要保护好生态环境。在今后的规划

建设过程中，调整能源结构，逐步开发清洁能源，兴建核电、天然气发电、风力发电等清洁能源电站，实现电力结构多元化，是今后我省电力发展的重要方向。

我国风能理论储量32亿kW ，陆地可开发利用的

2.3亿kW ，近海可开发利用的7.5亿kW ，居世界首

位。按照发改委规划，到2020年我国风力发电要达到

3000万kW ，比现在要增长39倍。而在过去的5年中，

全球风电累计装机容量的平均增长率一直保持在33%

左右，2020年，全球风力发电装机容量将达到12.31

亿kW ，风力发电量将占全球发电总量的12%。风力

发电很可能成为未来最重要的替代传统能源的新能

源，发展前景广阔。这对电力设计单位，乃至整个电

力行业来说都是一个新的发展机会和新的发展空间。

但是风力发电与其他发电方式相比，遭遇自然条件复

杂，设备技术含量高，给电力设计又带来了许多新课

题。譬如风力电场运行情况多样，动态特性复杂，在风电大量并网前，应对其功率特性和潜在风险进行分

析；而且风电单机容量小，分布分散，需要采取集群

式控制。这在电气设备、保护控制系统的选型和设计

上有一定的特殊性，电力设计单位在进行风电设计时

需要应尽可能多地详细掌握各类风电电气设备的技

术特性。本文在此简要介绍了风力发电机组及其控制

系统主要设备的工作原理和技术关键。

2 风力发电场及其机组控制系统 风电场设备包括风机、输变电装置和集中监控系

统等。风电场设备常年在野外运行，风向、风速不可

控，风电机组承受极为复杂恶劣的交变载荷。又因为

风的能量密度小，风电机组需要庞大的机体，因此对

风力发电机组材质要求高，设计和制造难度均较大。

国际上生产风电设备的知名企业有：西班牙

Gamesa Eólica 公司，丹麦Vestas 公司，美国GE 公司

等，其技术已比较成熟，应用也比较多。国内现有的

风电机组制造商尚处于技术引进和经验积累阶段。

风力发电机按发电机驱动方式可分为双馈和直驱

两种。国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机，多沿用

低速多极永磁发电机，并使用一台全功率变流器将频

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率变化的风电送入电网，其中电控产品的特点可根据风速改变风轮转速，而保持上网频率不变，提高了风能利用率；还可以调节发电机有功功率、无功功率和功率因数，有利于电网稳定。风力发电机组的主要设计难点在于齿轮箱（仅限于双馈机组）、叶片和电控系统。本文着重介绍电控系统的技术原理和技术关键。

双馈电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具有固定频率的对称三相电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交-交变频器或交-直-交变频器供以低频电流。

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：

（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1.1～1.3倍，典型的直驱风力发电并网变流器基本原理如图1所示。

图1 直驱风力发电机组并网变流器

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。典型的双馈风力发电并网变流器基本原理如图2所示。

图2 双馈风力发电机组并网变流器

（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。

保护系统主要是传感器和工控机的集成，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，同时还可以使风机90°侧风。使系统处于安全状态。

如在下列情况发生时，风力机紧急停机，并网的电机解列。

1）风速不在运行范围内，风机停机。 2）转速超过正常转速的10%~20%。

3）振动过大：

当塔架振动幅度超过机械振动开关的限定值时，开关动作，发出停机信号。

4）电机温度过高。

5）刹车片的磨损：在刹车系统的的闸盘上均安装了闸磨损传感器，当闸垫与闸盘的间隙过大时，传感器动作，发出停机信号。

6）发电机电压频率相位错误。 7）液压系统故障。 8）结冰。

9）偏航故障：

当偏航传感器和控制器发生故障后，风机持续向同一方向连续偏航。为防止电缆扭断。发出偏航停机信号。

10）控制器错误。

11）电网故障：当电网电压消失后，由后备电源提供短时电源支持。再发出停机指令。

3 风力发电机组控制系统的关键技术

3.1 风力发电机变流器

风力发电变流装置采用经过验证的成熟的电力电子变频技术，可以根据要求进行有功功率、无功功率及频率输出的任意调节，谐波分量低，具有很强的低电压穿越能力以适应电网扰动，并网特性完全满足目前国际上最新风电并网技术标准的要求。

风能的随机性、阵风性、不确定性，导致风力机组所输出的电功率频率、电压均易随风速而变，因此必须对电能品质进行控制和整定。而风力发电系统具有很强的非线性和不确定性，多干扰等特点，所有基于某些有效系统模型的控制也仅适合于某个特定的系统和一定工作周期，因此风力发电系统模型的确定也很困难。

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