風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)控制方案的確定

摘 要：風(fēng)能是一種清潔能源，但風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響風(fēng)能發(fā)電的效率。風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文著重從風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)選擇為主線，對控制系統(tǒng)多種方案進(jìn)行比較與選擇，進(jìn)而達(dá)到使風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)穩(wěn)定性與高效工作的目的。

關(guān)鍵詞：控制 風(fēng)電機(jī)組 結(jié)構(gòu)選擇

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（c）-0006-01

近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟，大功率變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組得到廣泛的應(yīng)用，而作為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈核心的環(huán)節(jié)之一的風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)，不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，對機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)、脫網(wǎng)控制，以確保運(yùn)行過程的安全性和可靠性，而且還要根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向的變化，對機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和發(fā)電量，從而達(dá)到可靠運(yùn)行、獲取最大能量、提供良好的電力質(zhì)量3個層次的目標(biāo)。相信隨著國內(nèi)技術(shù)的發(fā)展和大容量電力電子器件應(yīng)用技術(shù)的成熟再加上對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的研究，將會對我國掌握風(fēng)力發(fā)電的核心技術(shù)，打破國外的技術(shù)壟斷具有重要的意義！同時也能降低風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 風(fēng)力發(fā)電控制方案研究的目的與意義

據(jù)資料顯示，全球化石燃料的儲備量逐年下降，并且使用化石燃料所帶來的環(huán)境污染、溫室效應(yīng)也被世界很多國家擔(dān)心。所以尋找替代化石燃料途徑的研究應(yīng)運(yùn)而生！而風(fēng)能儲量達(dá)，風(fēng)電清潔作為替代能源之一越來越受到各個國家的青睞！風(fēng)電的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下方面。

（1）充分利用風(fēng)能資源，減少常規(guī)能源的消耗，符合很多國家能源改革的方向。

（2）風(fēng)力發(fā)電場對比同規(guī)模使用燃煤電廠其向大氣排放的污染物為零，實(shí)現(xiàn)固體、氣體零排放。對保護(hù)大氣環(huán)境有積極作用。

（3）風(fēng)力發(fā)電場比燃煤電廠可節(jié)省大量淡水資源，減少水環(huán)境污染。特別是對缺少淡水資源的沿海及干旱地區(qū)更重要。

（4）建設(shè)風(fēng)力電場對發(fā)展沿海經(jīng)濟(jì)有重大意義。如建海產(chǎn)冷庫、開展u6J+YkjNBwFrdHPwSnNuQhNnJVYvoQDJLBaotumOUGg=海水淡化、進(jìn)行電量季節(jié)調(diào)峰等都起到關(guān)鍵作用。

2 國內(nèi)外風(fēng)電行業(yè)發(fā)展概述

近年，世界風(fēng)力發(fā)電如雨后春筍，逐年以二位數(shù)速度迅猛增長，截至1998年，全球裝機(jī)9689 MW。裝機(jī)容量前10名的國家是：德國2874 MW、美國1890 MW、丹麥1400 MW、印度968 MW、西班牙834 MW、荷蘭364 MW、英國331 MW、中國223 MW、意大利180 MW和瑞典174 MW。

我國風(fēng)力發(fā)電起步于20世紀(jì)80年代末，集中在沿海和新疆、內(nèi)蒙風(fēng)能帶。1986年至1994年試點(diǎn)，1994年新疆達(dá)坂城2號風(fēng)場首次突破裝機(jī)10 MW（當(dāng)年全國裝機(jī)25 MW），4年后，全國裝機(jī)223 MW，增長9倍，占全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)的2.3%。

2.1 風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的確定

2.1.1 風(fēng)電機(jī)組類型的選擇

（1）按風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型選擇。

根據(jù)風(fēng)電場的風(fēng)能資源狀況，地區(qū)屬于Ⅲ級風(fēng)場，70 m高度年平均風(fēng)速7.2 m/s，適宜選擇中低風(fēng)速區(qū)型風(fēng)電機(jī)組；根據(jù)推算的風(fēng)場不同高度實(shí)測年歷時風(fēng)速資料，按不同風(fēng)電機(jī)組功率曲線，對各類機(jī)組的理論發(fā)電量和理論利用小時數(shù)進(jìn)行了初步估算，推薦選擇葉輪直徑較大的風(fēng)電機(jī)組。

（2）按風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量選擇。

目前風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量最大已可達(dá)到3 MW以上，如東特許權(quán)項目要求設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到50%，在與各設(shè)備供應(yīng)商咨詢了解后，初步確定4種可滿足國產(chǎn)化率要求的風(fēng)電機(jī)組，其單機(jī)容量分別為850 kW、1000 kW、1250 kW和2000 kW。

（3）按風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)對比選擇。

查閱相關(guān)資料對比可得WTG1與WTG3、WTG4型機(jī)組均采用變槳功率調(diào)節(jié)方式，在高風(fēng)速區(qū)段，葉輪保持較高的效率，對風(fēng)能資源的利用效率高，WTG4機(jī)組采用全變速運(yùn)行，為目前較新發(fā)展的技術(shù)。

2.1.2 變流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇

風(fēng)能機(jī)組是把風(fēng)能變成頻率和幅值都變化的交流電，然后經(jīng)過整流，把交流電變成直流電，再經(jīng)過三相逆變器把直流變成幅值和頻率一丁點(diǎn)額交流電輸入到電網(wǎng)中去。所以中間電力電子系統(tǒng)變幻的好壞在很大程度上影響風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電的好壞，當(dāng)然對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性也產(chǎn)生很大的影響，因此對變流器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的確定是必要的。變流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類及其特點(diǎn)。

（1）不可控二極管整流器接三相電壓型PWM逆變器，這種類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作用是將風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的那種幅值、頻率都變化的交流電通過整流器整流變成直流電，然后再經(jīng)過PWM電壓源型逆變器作用變成幅值和頻率都恒定的交流電。

優(yōu)點(diǎn)是：開關(guān)頻率較高，從而減少了對電網(wǎng)的諧波。

缺點(diǎn)是：由于前端是不可控整流所以輸出為不穩(wěn)定的直流電，當(dāng)風(fēng)速較低時，逆變器輸入電壓也會隨著較低，當(dāng)要并網(wǎng)時，就必須提高逆變器調(diào)制深度。

（2）電壓型PWM逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)因為升壓斬波電路相對第一種結(jié)構(gòu)可以解決在低風(fēng)速時逆變器輸入電壓低、運(yùn)行差等問題。同時通過斬波電路可以矯正功率因數(shù)，從而改變開關(guān)器件的占空比，進(jìn)而達(dá)到輸出電流與輸出的電壓同步的目的。這種結(jié)構(gòu)的主要的特點(diǎn)是：控制點(diǎn)額結(jié)構(gòu)簡單，控制方法靈活，開關(guān)的利用效率提高！

（3）接三相電壓型PWM逆變器。

使用這種結(jié)構(gòu)目的主要是采用交叉并聯(lián)的方法減小流過開關(guān)管的電流。其本質(zhì)兩個周期對單個升壓斬波電路電流控制一次。采用此方法能夠有效地提高放大倍數(shù)，調(diào)節(jié)占空比。其優(yōu)點(diǎn)是：保護(hù)開關(guān)管，減小流過開關(guān)管的電流，增加輸入電流的穩(wěn)定性，削弱紋波的影響。缺點(diǎn)：設(shè)計的技術(shù)瓶頸是并聯(lián)運(yùn)行時的均流問題。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)應(yīng)完成的功能。

（1）啟動控制。

（2）并/脫網(wǎng)控制。

（3）偏航與解纜。

（4）限速及剎車。

對在風(fēng)電場中運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還應(yīng)具備遠(yuǎn)程通信功能。運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)需要監(jiān)測的主要參數(shù)包括以下幾個方面：①電力參數(shù)—— 電網(wǎng)三相電壓、發(fā)電機(jī)輸出的三相電流、電網(wǎng)頻率及發(fā)電機(jī)功率因數(shù)等。②風(fēng)力參數(shù)—— 風(fēng)速、風(fēng)向。③機(jī)組狀態(tài)參數(shù)—— 轉(zhuǎn)速（發(fā)電機(jī)、風(fēng)輪）、溫度（發(fā)電機(jī)、控制器、軸承、增速器油溫等）、電纜扭轉(zhuǎn)、機(jī)械剎車狀況、機(jī)艙振動、油位（潤滑油位、液壓系統(tǒng)油位）。④反饋信號—— 回收葉間擾流器、松開機(jī)械剎車、松開偏航制動器、發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)及脫網(wǎng)后的轉(zhuǎn)速降落信號。

目前絕大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)都選用集散型或分布式（DCS）工業(yè)控制計算機(jī)。有各種功能的專用模塊可供選擇，可以方便地實(shí)現(xiàn)就地控制，許多控制模塊可直接布置在控制對象的工作點(diǎn)，就地采集信號進(jìn)行處理；同時DCS 現(xiàn)場適應(yīng)性強(qiáng)，便于控制程序現(xiàn)場調(diào)試及在機(jī)組運(yùn)行時可隨時修改控制參數(shù)。

通常發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行通常由單片機(jī)或可編程邏輯控制器件等進(jìn)行控制。MCS-80C32、8XCl96MC等各種單片機(jī)用于控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了自動跟風(fēng)、 并/脫電網(wǎng)控制，甚至是通信功能等。C60P等各型PLC也作為主控單元被用于風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，適應(yīng)了集群控制和單機(jī)無人值守的應(yīng)用要求。

3 結(jié)語

本文主要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)為研究對象，即從分電機(jī)組的選擇、變流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇、風(fēng)電控制系統(tǒng)控制的實(shí)現(xiàn)等方面闡述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中存在的問題及其相應(yīng)的解決方法，對風(fēng)電機(jī)組控制整個系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行都有十分重要的意義！

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