風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的深入研究

馬慧霞，閆文吉

（中廣核風(fēng)電有限公司內(nèi)蒙古分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的深入研究

馬慧霞，閆文吉

（中廣核風(fēng)電有限公司內(nèi)蒙古分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)由多個(gè)部分組成，而控制系統(tǒng)貫穿到每個(gè)部分，相當(dāng)于風(fēng)電系統(tǒng)的神經(jīng)。文章通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)分析，深入研究風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)。

風(fēng)力；控制；組成；研究

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)介紹

控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)、發(fā)電量的多少以及設(shè)備的安全。目前風(fēng)力發(fā)電亟待研究解決兩個(gè)問題：發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量都和風(fēng)電控制系統(tǒng)密切相關(guān)。對(duì)此國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，取得了一定進(jìn)展，隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，為風(fēng)電控制系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

2 控制系統(tǒng)的組成

風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)分為三個(gè)層次：保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行，獲取最大能量，提供良好的電力質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)組成主要包括各種傳感器、變距系統(tǒng)、運(yùn)行主控制器、功率輸出單元、無功補(bǔ)償單元、并網(wǎng)控制單元、安全保護(hù)單元、通訊接口電路、監(jiān)控單元。具體控制內(nèi)容有：信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、處理，變槳控制、轉(zhuǎn)速控制、自動(dòng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制、功率因數(shù)控制、偏航控制、自動(dòng)解纜、并網(wǎng)和解列控制、停機(jī)制動(dòng)控制、安全保護(hù)系統(tǒng)、就地監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)然對(duì)于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制單元會(huì)不相同。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，目前絕大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)都采用集散型或稱分布式控制系統(tǒng)（DCS）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。采用分布式控制最大優(yōu)點(diǎn)是許多控制功能模塊可以直接布置在控制對(duì)象的位置，就地進(jìn)行采集、控制、處理，避免了各類傳感器、信號(hào)線與主控制器之間的連接。同時(shí)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(shí)可隨時(shí)修改控制參數(shù)，并與其他功能模塊保持通信，發(fā)出各種控制指令。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，更多新的技術(shù)被應(yīng)用到了DCS之中。PLC是一種針對(duì)順序邏輯控制發(fā)展起來的電子設(shè)備，目前功能上有較大提高，很多廠家也開始采用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線技術(shù)（FCS）在進(jìn)入20世紀(jì)90年代中期以后發(fā)展也十分迅猛，以至于有些人已做出預(yù)測(cè)：基于現(xiàn)場總線的FCS將取代DCS成為控制系統(tǒng)的主角。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的控制技術(shù)和伺服傳動(dòng)技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)，這是因?yàn)樽匀伙L(fēng)速的大小和方向是隨機(jī)變化的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)和退出電網(wǎng)、輸入功率的限制、風(fēng)輪的主動(dòng)對(duì)風(fēng)以及對(duì)運(yùn)行過程中故障的檢測(cè)和保護(hù)必須能夠自動(dòng)控制。同時(shí)，風(fēng)力資源豐富的地區(qū)通常都是邊遠(yuǎn)地區(qū)或是海上，分散布置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常要求能夠無人值班運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控，這就對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和可靠性提出了更高的要求。與一般工業(yè)控制過程不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，對(duì)機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行控制。而且還要根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)向的變化，對(duì)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。

20世紀(jì)80年代中期開始進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電市場的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，主要解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)問題和運(yùn)行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動(dòng)力剎車技術(shù)、偏航與自動(dòng)解纜技術(shù)，這些都是并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要解決的最基本的問題。由于功率輸出是由槳葉自身的性能來限制的，槳葉的節(jié)距角在安裝時(shí)已經(jīng)固定；而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)頻率限制。因此，只要在允許的風(fēng)速范圍內(nèi)，定槳距風(fēng)

力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中對(duì)由于風(fēng)速變化引起輸出能量的變化是不作任何控制的，這就大大簡化了控制技術(shù)和相應(yīng)的伺服傳動(dòng)技術(shù)，使得定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。

20世紀(jì)90年代開始，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性已經(jīng)大大提高，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電市場。采用全變槳距的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，起動(dòng)時(shí)可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并網(wǎng)后可對(duì)功率進(jìn)行控制，使風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性能和功率輸出特性都有顯著和改善。由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距系統(tǒng)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)的水平提高到一個(gè)新的階段。由于變距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí)的效果仍不理想，到了20世紀(jì)90年代中期，基于變距技術(shù)的各種變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始進(jìn)入風(fēng)電場。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)與定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的根本區(qū)別在于，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是把風(fēng)速信號(hào)作為控制系統(tǒng)的輸入變量來進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率控制的。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是：低于額定風(fēng)速時(shí)，它能跟蹤最佳功率曲線，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；高于額定風(fēng)速時(shí)，它增加了傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加穩(wěn)定。特別是解決了高次諧波與功率因數(shù)等問題后，使供電效率、質(zhì)量有所提高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電領(lǐng)域，控制方式從基本單一的定槳距失速控制向變槳距和變速恒頻控制方向發(fā)展。

4 目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制方法

當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁力矩或風(fēng)力機(jī)漿距角使葉尖速比保持最佳值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲?？刂品椒ɑ诰€性化模型實(shí)現(xiàn)最佳葉尖速比的跟蹤，利用風(fēng)速測(cè)量值進(jìn)行反饋控制，或電功率反饋控制。但在隨機(jī)擾動(dòng)大、不確定因素多、非線性嚴(yán)重的風(fēng)電系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方法會(huì)產(chǎn)生較大誤差。因此近些年國內(nèi)外都開展了這方面的研究。一些新的控制理論開始應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)。如采用模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制、魯棒控制等，使風(fēng)機(jī)控制向更加智能方向發(fā)展。

［1］劉萬琨，張志英,等.風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

圖2 市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)狀況圖

4 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)的是機(jī)械能與電能的復(fù)合型制動(dòng)系統(tǒng)模型，這個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于三相電機(jī)系統(tǒng)和三相電整流器，DC-DC變換器三部分。踩踏制動(dòng)器踏板進(jìn)行車輛制動(dòng)時(shí)，如果并不需要太多的制動(dòng)力，僅電制動(dòng)系統(tǒng)就可以提供所需的制動(dòng)力;當(dāng)電制動(dòng)力不足以提供車輛制動(dòng)能量時(shí)，這個(gè)復(fù)合型制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)同時(shí)提供所需要的制動(dòng)力。根據(jù)仿真的結(jié)果來看，該系統(tǒng)完全可以將部分制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，從而提高能量利用率，達(dá)到節(jié)能續(xù)航的目的。

Research on Control System of W ind Power Generation

MA Hui-xia，YAN Wen-jie
（Inner Mongolia branch of CGN Wind Power Co.，Ltd.，Hohhot，Inner Mongolia 010010，China）

Thewind powergenerator is composed ofa numberofparts，and the controlsystem runs through each part，which is equivalent to thenervoussystem of thewind powersystem.Through theanalysisof the composition and structureof the controlsystem of thewind turbinegenerator，thispaperstudies the control technology ofwind powergeneration.

wind power；control；composition；research

TM315

A

2095-980X（2016）11-0075-02

2016-09-25

馬慧霞（1982-），女，內(nèi)蒙古人，碩士，工程師，主要從事風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行維護(hù)工作。