大型风力发电机组调向功率的探讨

　　偏航控制系统有三个主要功能:
　　（1） 正常运行时自动对风。当机舱偏离风向一定角度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，直到达到允许的误差范围内，自动对风停止。
　　（2） 绕缆时自动解缆。当机舱向同一方向累计偏转2.3圈后，若此时风速小于风电机组启动风速且无功率输出，则停机，控制系统使机舱反方向旋转2.3圈解绕;若此时机组有功率输出，则暂不自动解绕;若机舱继续向同一方向偏转累计达3圈时，则控制停机，解绕;若因故障自动解绕未成功，在扭缆达4圈时，扭缆机械开关将动作，此时报告扭缆故障，自动停机，等待人工解缆操作。
　　（3） 失速保护时偏离风向。当有特大强风发生时，停机，释放叶尖阻尼板，桨距调到最大，偏航90o背风，以保护风轮免受损坏。
　　3.6 停车控制
　　停机过程分为正常停机和紧急停机。
　　（1） 正常停机
　　当控制器发出正常停机指令后，风电机组将按下列程序停机:
　　①　切除补偿电容器;
　　②　释放叶尖阻尼板;
　　③　发电机脱网;
　　④　测量发电机转速下降到设定值后，投入机械刹车;
　　⑤　若出现刹车故障则收桨，机舱偏航900背风。
　　（2） 紧急故障停机
　　当出现紧急停机故障时，执行如下停机操作:首先切除补偿电容器，叶尖阻尼板动作，延时0.3秒后卡钳闸动作。检测瞬时功率为负或发电机转速小于同步速时，发电机解列（脱网），若制动时间超过20S，转速仍未降到某设定值，则收桨， 机舱偏航900背风。
　　停机如果是由于外部原因，例如风速过小或过大，或因电网故障，风电机组停机后将自动处于待机状态;如果是由于机组内部故障，控制器需要得到已修复指令，才能进入待机状态。

　　4　变速恒频发电机组的控制

　　4.1　同步发电机交一直一交系统的控制
　　这种类型的风电机组采用同步发电机，发电机发出的电能的频率、电压、电功率都是随着风速的变化而变化的，这样有利于最大限度地利用风能资源，而恒频恒压并网的任务则由交一直一交系统完成。
　　（1） 风轮机的控制
　　风轮机的起动、控制、保护功能基本上与恒速恒频机组相似，所不同的是这类机组一般采用定桨距风轮，因此省去了变桨距控制机构。
　　（2） 发电机的控制
　　发电机的输出功率由励磁来控制。当输出功率小于额定功率时，以固定励磁运行;当输出功率超过额定功率时，则通过调整励磁来调整发电机的输出功率在允许的安全范围内运行。励磁的调整是由控制器调整励磁系统晶闸管的导通角来实现的。
　　（3） 交-直-交变频系统的控制
　　这里的变频器的概念与普通变频器的概念是不一样的。普通变频器是将电压和频率固定的市电（220/380V，50Hz），
变成频率和电压都可变的电源，以适应各种用电器的需要，如果用于变频调速系统，则电压和频率根据负载的要求不断地改变。相反，这里的变频器则是将风力发电机发出的电压和频率都在不断改变的电能，变成频率和电压都稳定（220/380V，50Hz）的电能，以便与电网的电压及频率相匹配，而使风电机组能并网运行。
　　所谓的“交-直-交”变频，是变频方式的一种，是将一种频率和电压的交流电整流成直流电，再通过微机控制电力电子器件，将直流电再逆变成某种频率和电压的交流电的变频方式。其基本原理如图1所示。
　　风力发电机发出的三相交流电，经二极管三相全桥整流成直流电后，再由六只绝缘栅双极型电力晶体管（IGBT），在控制和驱动电路的控制下，逆变成三相交流电并入电网。逆变器的控制一般采用SPWM-VVVF方式，即正弦波脉宽调制式变压变频方式。采用交-直-交系统的变频装置的容量较大，一般要选发电机额定功率的120%以上。
　　4.2　双馈发电机的控制
　　目前的风电机组多采用恒速恒频系统，发电机多采用同步电机或异步感应电机。在风电机组向恒频电网送电时，不需要调速，因为电网频率将强迫控制风轮的转速。在这种情况下，风力机在不同风速下维持或近似维持同一转速。效率下降，被迫降低出力，甚至停机，这显然是不可取的。与之不同的是，无论处于亚同步速或超同步速的双馈发电机都可以在不同的风速下运行，其转速可随风速变化做相应的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，机组效率提高。同时，定子输出功率的电压和频率却可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。
　　（1） 双馈电机的工作特性
　　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。
　　当双馈电机定子对称三相绕组由频率为f1（f1=P?n1/60）的三相电源供电时，由于电机转子的转速n＝（l-s）n1（s为转差率，n1为气隙中基波旋转磁场的同步速率）。为了实现稳定的机电能量转换，定子磁场与转子磁场应保持相对静止，即应满足:
　　ωR＝ω1-ω2
　　其中:ωR是转子旋转角频率;
　　ω1是定子电流形成的旋转磁场的角频率;
　　ω2是转子电流形成的旋转磁场的角频率。
　　由此可得转子供电频率f2＝S?f1，此时定转子旋转磁场均以同步速n1旋转，两者保持相对静止。
　　与同步电机相比，双馈电机励磁可调量有三个:一是与同步电机一样，可以调节励磁电流的幅值;二是可以改变励磁电流的频率；三是可以改变励磁电流的相位。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。而同步电机的可调量只有一个，即励磁电流的幅值，所以调节同步电机的励磁一般只能对无功功率进行补偿。与之不同的是双馈电机的励磁除了可以调节电流幅值外，亦可以调节其相位，当转子电流的相位改变时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置就产生一个位移，改变了双馈电机电势与电网电压向量的相对位置，也就改变了电机的功率角。所以双馈电机不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。一般来说，当电机吸收电网的无功功率时，往往功率角变大，使电机的稳定性下降。而双馈电机却可通过调节励磁电流的相位，减小机组的功率角，使机组运行的稳定性提高，从而可多吸收无功功率，克服由于晚间负荷下降，电网电压过高的困难。与之相比，异步发电机却因需从电网吸收无功的励磁电流，与电网并列运行后，造成电网的功率因数变坏。所以双馈电机较同步电机和异步电机都有着更加优越的运行性能。
　　（2） 风力发电中双馈电机的控制
　　在风力发电中，由于风速变幻莫测，使对其的利用存在一定的困难。所以改善风力发电技术，提高风力发电机组的效率，最充分地利用风能资源，有着十分重要的意义。任何一个风力发电机组都包括作为原动机的风力机和将机械能转变为电能的发电机。其中，作为原动机的风力机，其效率在很大程度上决定了整个风力发电机组的效率，而风力机的效率又在很大程度上取决于其负荷是否处于最佳状态。不管一个风力机是如何精细地设计和施工建造，若它处于过载或久载的状态下，都会损失其效率。从风力机的气动曲线可以看出，存在一个最佳周速比λ，对应一个最佳的效率。所以风力发电机的最佳控制是维持最佳周速比λ。另外，由于要考虑电网对有功功率和无功功率的要求，所以风力机最佳工况时的转速应由其气动曲线及电网的功率指令综合得出。也就是说，风力发电机的转速随风速及负荷的变化应及时作出相应的调整，依靠转子动能的变化，吸收或释放功率，减少对电网的扰动。通过变频器控制器对逆变电路中功率器件的控制。可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值、频率及相位角，达到调节其转速、有功功率和无功功率的目的，既提高了机组的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。图2是按这种控制思路得出的风力发电双馈电机控制系统框图。
　　整个控制系统可分为三个单元:转速调整单元、有功功率调整单元、电压调整单元（无功功率调整）。它们分别接受风速和转速、有功功率、无功功率指令，并产生一个综合信号，送给励磁控制装置，改变励磁电流的幅值、频率与相位角，以满足系统的要求。由于双馈电机既可调节有功功率，又可调节无功功率，有风时，机组并网发电;无风时，也可作抑制电网频率和电压波动的补偿装置。
　　（3） 双馈风力发电机组应用前景广阔
　　综上所述，将双馈电机应用于风力发电中，可以解决风力机转速不可调、机组效率低等问题。另外，由于双馈电机对无功功率、有功功率均可调，对电网可起到稳压、稳频的作用，提高发电质量。与同步机交一直一交系统相比，还有变频装置容量小（一般为发电机额定容量的10～20%）、重量轻的优点，更适合于风力发电机组使用，同时也降低了造价。
　　将双馈电机应用于风力发电的设想，不仅在理论上成立，在技术上也是可行的。与现有的风力发电技术相比，无论从经济性，还是可靠性来看，都具有无可替代的优势，具有很强的竞争力，有利于风电机组国产化的进程，其发展前景十分广阔。

　　5　大型风电场的计算机监控系统

　　风力发电技术的发展将带动大型风电场的建设。以大型风力发电机组组成的大型风电场，可为电网提供可再生的绿色能源，也可解决边远地区的能源供应紧张形势，大型风电场的运行管理己提上议事日程。目前，我国各大风电场在引进国外风力发电机组的同时，一般也都配有相应的监控系统。但各有自己的设计思路，致使风电场监控技术互不兼容。如果一个风电场中有多种机型的风电机组的话，就会给风电场的运行管理造成很大困难。因此，国家计委在“九五”科技攻关计划中实施对大型风电机组进行攻关的同时，也把风电场的监控系统列入攻关计划，以期开发出适合我国风电场运行管理的监控系统。本文在对目前国内几个风电场监控系统进行调研分析的基础上，提出我们的总体设计思路。
　　5.1 通讯方式
　　目前风电场所采用的风电机组都是以大型并网型机组为主，各机组有自己的控制系统，用来采集自然参数，机组自身数据及状态，通过计算、分析、判断而控制机组的启动、停机、调向、刹车和开启油泵等一系列控制和保护动作，能使单台风力发电机组实现全部自动控制，无需人为干预。当这些性能优良的风电机组安装在某一风电场时，集中监控管理各风电机组的运行数据、状态、保护装置动作情况、故障类型等，十分重要。为了实现上述功能，下位机（机组控制机）控制系统应能将机组的数据、状态和故障情况等通过专用的通讯装置和接口电路与中央控制室的上位计算机通讯，同时上位机应能向下位机传达控制指令，由下位机的控制系统执行相应的动作，从而实现远程监控功能。根据风电场运行的实际情况，上、下位机通讯有如下特点:
　　①　一台上位机能监控多台风电机组的运行，属于一对多通讯方式;
　　②　下位机应能独立运行，并能对上位机通讯;
　　③　上、下位机之间的安装距离较远，超过500m;
　　④　下位机之间的安装距离也较远，超过100m;
　　⑤　上、下位机之间的通讯软件必须协调一致，并应开发出工业控制专用功能。
　　为了适应远距离通讯的需要，目前国内风电场所引进的监控系统主要采用如下两种通讯方式:
　　①　异步串行通讯，用RS-422或RS-485通讯接口。它的传输距离可达数千公里，传输速度也可达数百万位。由于所用传输线较少，所以成本较低，很适合风电场监控系统采用。同时因为此种通讯方式的通讯协议比较简单，也很常用，所以成为较远距离通讯的首选方式。
　　②　调制解调器（MODEM）方式。这是将数字信号调制成一种模拟信号，通过介质传输到远方，在远方再用解调器将信号恢复，取出信息进行处理，是一种实现远距离信号传输的方式。此种传输方式的传输距离不受限制，可以将某地的信息与世界各地交换，且抗干扰能力较强，可靠性高，虽相对说来成本较高，但在风电机组通讯中也有较多的应用。
　　5.2 上、下位机通讯接口的设计
　　（1） 上位机通讯接口的设计
　　在工业现场控制应用中，通常采用工控PC机作为上位计算机，通过RS-232串行口与下位机通讯，构成集散式监控系统。但是，采用RS-232串行口进行数据通讯，其缺点是带负载能力差，仅用于近距离（15m以内）通讯，无法满足分散的、远距离的风电场监控的通讯要求。无论是采用异步串行通讯方式还是调制解调方式，均要在PC机RS-232串行口的基础上进行适当的改进与扩展。
　　RS-232的电气接口是单端的，双极性电源供电系统，这种电路无法区分由驱动电
路产生的有用信号和外部引入的干扰信号，使传输速率和传输距离都受到限制；RS-422则采用平衡驱动和差分接收的方法，从根本上消除信号地线。当干扰信号作为共模信号出现时，接收器只接收差分输入电压，因而这种电路保证了较长的传输距离和较高的传输速率。两者之间可用异步通讯用RS-232/422转换接口板转换。
　　（2） 下位机通讯接口的设计
　　监控系统的下位机是指各风电机组的中心控制器。对于每台风力发电机组来说，即使没有上位机的参与，也能安全正确地工作。所以相对于整个监控系统来说，下位机控制系统是一个子系统，具有在各种异常工况下单独处理风电机组故障，保证风电机组安全稳定运行的能力。从整个风电场的运行管理来说，每台风电机组的下位控制器都应具有与上位机进行数据交换的功能，使上位机能随时了解下位机的运行状态并对其进行常规的管理性控制，为风电场的管理提供方便。因此，下位机控制器必须使各自的风力发电机组可靠地工作，同时具有与上位机通讯联系的专用通讯接口。
　　可编程控制器（PLC）具有功能齐全，可靠性高和编程方便的特点，在工业控制领域受到广泛的欢迎。尤其是近年来，为了适应现场控制要求及集散控制的要求，国外的PLC厂家纷纷推出与各自PLC相配套的通讯模块，这些模块提供了RS232/422适配器或RS-232接口与PC机之间实现数据通讯，并有专门的编程软件，使软件开发更加方便。因而，采用可编程控制器（PLC）作为风力发电机组的下位控制器，完全可以满足风力发电机组控制和风电场监控的要求。
　　5.3 抗干扰措施
　　风电场监控系统的主要干扰源是:
　　①　工业干扰:高压交流电场、静电场、电弧、可控硅等;
　　②　自然界干扰:雷电冲击、各种静电放电、磁爆等;
　　③　高频干扰:微波通讯、无线电信号、雷达等。
　　这些干扰通过直接辐射或由某些电气回路传导进入的方式进入控制系统，干扰控制系统工作的稳定性。从干扰的种类来看，可分为交变脉冲干扰和单脉冲干扰两种，它们均以电或磁的形式干扰系统，从而抗干扰措施应从以下几方面着手:
　　①　在机箱、控制柜的结构上:对于上位机来说，要求机箱能有效地防止来自空间辐射的电磁干扰，而且尽可能将所有的电路、电子器件均安装于机箱内。还应防止由电源进入的干扰，所以应加入电源滤波环节，同时要求机箱有良好的接地和机房内有良好的接地装置。
　　②　通讯线路上:信号传输线路要求有较好的信号传输功能，衰减较小，而且不受外界电磁场的干扰，所以应该使用屏蔽电缆。
　　③　通讯方式及电路上:不同的通讯方式对干扰的抵御能力不同。一般说来，风电场中上、下位机之间的距离不会超过几千米，这种情况下经常采用串行异步通讯方式，其接口形式采用RS-422A接口电路，采用平衡驱动、差分接收的方法，从根本上消除信号地线。这种驱动器相当于两个单端驱动电路，输入相同信号，输出一个正向信号和一个反向信号，对共模干扰有较好的抑制作用。RS-422A串行通讯接口电路适合于点对点、一点对多点、多点对多点的总线型或星型网络，它的发送和接收是分开的，所以组成双工网络非常方便，很适合于风电场监控系统。
　　调制解调方式一般适用于远距离传输，用于多站互联，现在也有用于风电场监控系统的例子。此种通讯方式的特点是采用平衡差分方式，是半双工的，具有RS-422A的优点。用一对双绞线即可实现通讯，可节省电缆投资。但对于近距离通讯来说，RS-422A电路的串行通讯方式显得更加经济一些。
　　5.4 监控软件的编制
　　监控应用软件是根据具体对象来实施工业监控而开发出的软件，用在监控系统中执行监视、控制生产过程和及时调整的应用程序。对于风电场监控系统，首先要显示风电场整体及机组安装的具体位置，而后要了解各台机组之间的连接关系及每台风电机组的运行情况。因此，风电场的监控软件应具有如下功能:
　　①　友好的控制界面。在编制监控软件时，应充分考虑到风电场运行管理的要求，应当使用汉语菜单，使操作简单，尽可能为风电场的管理提供方便。
　　②　能够显示各台机组的运行数据，如每台机组的瞬时发电功率、累计发电量、发电小时数、风轮及电机的转速和风速、风向等，将下位机的这些数据调入上位机，在显示器上显示出来，必要时还应当用曲线或图表的形式直观地显示出来。
　　③　显示各风电机组的运行状态，如开机、停车、调向、手/自动控制以及大/小发电机工作等情况。通过各风电机组的状态了解整个风电场的运行情况，这对整个风电场的管理是十分重要的。
　　④　能够及时显示各机组运行过程中发生的故障。在显示故障时，应能显示出故障的类型及发生时间，以便运行人员及时处理及消除故障，保证风电机组的安全和持续运行。
　　⑤　能够对风电机组实现集中控制。值班员在集中控制室内，只需对标明某种功能的相应键进行操作，就能对下位机进行改变设置、状态和对其实
施控制。如开机、停机和左右调向等。但这类操作必须有一定的权限，以保证整个风电场的运行安全。
　　⑥　系统管理。监控软件应当具有运行数据的定时打印和人工即时打印以及故障自动记录的功能，以便随时查看风电场运行状况的历史记录情况。
　　监控软件的开发应尽可能在现有工业控制软件的基础上进行二次开发，这样可以缩短开发周期。（下转23页）同时，在软件的编制过程申，应当采用模块化程序设计思想，有利于软件的编制和总体调试。

　　6　结束语

　　风力发电技术已日趋成熟，在可再生的绿色能源的开发领域中占有突出的地位，具有重要的开发利用价值。尤其是在偏远的山区、牧区和海岛等地区，风力发电可为当地居民的生活和生产提供洁净的能源，缓解能源供应紧张的局面。

　　参考文献
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