风力发电机组及其控制系统

题目风力发电机组及其控制系统学院机械交通学院专业电气工程及其自动化班级092班姓名冉雷学号徐立军职称专家讲师讲师2023年11月26日新疆农业大学教务处制好好排版好好排版风力发电机组及其控制系统冉雷（新疆农业大学，乌鲁木齐，830052）摘要：风力发电厂运营情况多种多样，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，在设计过程中尽也许多地熟悉和掌握各类风力发电电气设备的技术特性。这部分是废话，不要，后面再补充一些本文介绍了风力发电机组及其控制系统重要设备的工作原理和技术特点，并且对风力发电控制设备的关键技术研究进行了探讨。这部分是废话，不要，后面再补充一些关键词：风力发电控制变流器现场控制BriefAnalysisofWindPowerGeneratorsandtheirControlConfigurationRan大写Lei大写（XinJiangAgriculturalUniversity，Urumqi830052）Abstract：Windpowergeneratorswhichhavecomplexdynamiccharacteristic,areoperatedinmultiplicativeconditions.DesignofelectricalshouldmeetspecialrequirementsofWindpowergenerators’operation.Accordingtothispaper,theprincipleandcharacteristicsofwindpowergeneratorsandtheircontrolequipmentsareintroduced.Keytechnologiesresearchofwindpowercontrolequipmentisstudied.Keywords:windpowergeneratorcontrolconverterlocalcontrol0引言21世纪是可再生能源的世纪,在不断连续的能源紧张中不少人想到了新能源运用。运用洁净的能源，可再生能源是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、是环保理念的体现。洁净能源指太阳能、风能、潮汐能、生物能等这都是可再生取之不尽的能源，特别是风能技术最为成熟，经济可行性较高是一种较抱负的发展能源。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。风能是太阳能的一种转换形式是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表面地球表面各处受热不同产生温差从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观。全球的风能约为2.74×109MW，其中可运用的风能为2×107MW，比地球上可开发运用的水能总量还要大10倍。风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭，又可以在很大范围内取得，非常干净、没有污染，不会对气候导致影响，因而风力发电具有极大的推广价值。我国风能资源总量约42亿千瓦，技术可开发量约3亿千瓦。风能资源丰富的地区重要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高雨水少，夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿。目前东南沿海是最大风能资源区，风能密度为200W/M2--300W/M2，大于6m/s的风速时间全年3000h以上就可取得较大经济效益。此外，新疆风能资源丰富，开发运用起步较早，新疆达坂城风电一场于1989年建成，这是中国第一座风力发电场。通过近2023的发展，截至2023年终，新疆已在9大风区中的5个风区“排兵布阵”，新疆作为中国风能资源大区迎来风电开发的热潮。截至2023年终，新疆风电装机规模达成27.9万千瓦，占新疆电力装机总量的3.4％。仅2023年一年，新疆经许可建设的风电场项目装机规模就达29万千瓦。2023年下半年以来，受国际国内宏观经济形势影响，新疆供电负荷增长趋缓，传统电力行业面临亏损，但风力发电发展势头仍然迅猛。随着大批风电项目陆续开工建设，新疆风力发电装机规模连续扩张。2023年12月，年发电量约1.2亿千瓦时玛依塔斯风电一期项目竣工暨二期项目启动典礼在新疆额敏县举行。2023年1月，投资4亿元，装机4.95万千瓦的阿勒泰金风布尔津风电场开始并网发电。新疆风力发电迎来历史性发展机遇。1风力发电机控制系统1.1风力发电机的组成

风力发电机由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相称于风电系统的神经。因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。目前风力发电亟待研究解决的的两个问题：发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。对此国内外学者进行了大量的研究，取得了一定进展，随着现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的研究提供了技术基础。

1.2控制系统的组成

风力发电控制系统的基本目的分为三个层次：保证风力发电机组安全可靠运营；获取最大能量；提供良好的电力质量。

控制系统组成重要涉及各种传感器、变距系统、运营主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。

具体控制内容有：信号的数据采集、解决，变桨控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。当然对于不同类型的风力发电机控制单元会不相同。控制系统结构示意图如下：

所有的图一定要有标注，后面的都同样，并且这个图太小，主线看不清

针对上述结构，目前绝大多数风力发电机组的控制系统都采用集散型或称分布式控制系统（DCS）工业控制计算机。采用分布式控制最大优点是许多控制功能模块可以直接布置在控制对象的位置。就地进行采集、控制、解决。避免了各类传感器、信号线与主控制器之间的连接。同时DCS现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运营时可随时修改控制参数。并与其他功能模块保持通信，发出各种控制指令。目前计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，目前功能上有较大提高。很多厂家也开始采用PLC构成控制系统。现场总线技术(FCS)在进入九十年代中期以后发展也十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。所有的图一定要有标注，后面的都同样，并且这个图太小，主线看不清2控制系统技术2.1风力发电技术风力发电系统中的控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术，这是由于自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的并网和退出电网、输入功率的限制、风轮的积极对风以及对运营过程中故障的检测和保护必须可以自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是边远地区或是海上，分散布置的风力发电机组通常规定可以无人值班运营和远程监控，这就对风力发电机组的控制系统的自动化限度和可靠性提出了很高的规定。

与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网、风况和机组运营参数，对机组运营进行控制。并且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运营效率和发电量。通过2023的发展风力发电系统已经从基本单一的定桨距失速控制发展到全桨叶变距和变速恒频控制，目前重要的两种控制方式是：双馈异步变桨变速恒频控制方式和低速永磁同步变桨变速恒频控制方式。在讲述风力发电控制系统之前，我们需要了解风力涡轮机输出功率与风速和转速的关系。风力涡轮机特性：2.1.1风能运用系数Cp风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小限度用风能运用系数Cp表达：P---风力涡轮实际获得的轴功率r---空气密度S---风轮的扫风面积V---上游风速根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。2.1.2叶尖速比l为了表达风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。n---风轮的转速w---风轮叫角频率R---风轮半径V---上游风速在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，相应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点相应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将减少。涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2中，每个倾角相应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增长，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。）它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。2.1.3变速发电的控制变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，由于风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。2.2三段控制规定：低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率规定进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速变化时的调速过程示意图。设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿相应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率尚未达成额定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入工作，风速增长时，控制器限制转速升，而功率则随着风速增长上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。高风速段为功率和转速均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速增长时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。

2.3双馈发电机

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根电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交一交变频器或交一直一交变频器供以低频电流。

双馈电机励磁可调量有三个：一是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．这样在负荷忽然变化时，迅速改变电机的转速，充足运用转子的动能，释放和吸取负荷，对电网的扰动远比常规电机小。此外，通过调节转子励磁电流的幅值和相位，来调节有功功率和无功功率。

双馈电机控制系统通过变频器控制器对逆变电路小功率器件的控制，可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值。频率及相位角，达成调节其转速、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，下图是双馈电机控制简要框图。整个控制系统可分为好好排版，每段开始应当空两格：转速调整单元、有功功率调整单元和电压调整单元（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，以满足系统的规定。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，也可作克制电网频率和电压波动的补偿装置。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。同时，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，提高了发电质量。与同步机交一直一交系统相比，它还具有变频装置容量小（一般为发电机额定容量的10％～20％左右）、重量轻的优点。但这种结构也还存在一些问题，如控制电路复杂一些，不同的控制方法效果有一定差异。此外该结构比其他结构更容易受到电网故障的影响。好好排版，每段开始应当空两格2.4永磁直驱同步发电机

永磁直驱同步发电机系统结构如图：

由变浆距风轮机直接驱动永磁同步发电机，省去了增速用齿轮箱。发电机输出先经整流器变为直流，再经IGBT（绝缘栅双极晶体管）逆变器将电能送到电网。对风力发电机工作点的控制是通过控制逆变器送到电网的电流实现对直流环节电压的控制，从而控制风轮机的转速。发电机发出电能的频率、电压、电功率都是随着风速的变化而变化的，这样有助于最大限度地运用风能资源，而恒频恒压并网的任务则由整流逆变系统系统完毕。永磁直驱同步发电机系统存在的缺陷是：对永磁材料的性能稳定性规定高，电机重量增长。此外，IGBT逆变器的容量较大，一般要选发电机额定功率的120％以上。

但使用IGBT逆变器也带来一些好处：①使用脉宽调制（PWM）获得正弦形转子电流，电机内不会产生低次谐波转矩，改善了谐波性能。②有功功率和无功功率的控制更为方便。③大功率IGBT很容易驱动。④IGBT有很好的电流共享特性，这对于要达成风力发电机所需的功率水平，进行并联使用是非常必要。⑤开关时间短，导通时间不到1毫秒，关断时间小于6毫秒，使得管子功耗小。⑥目前单管容量已经较大，如Eupec公司的FZ600R65KF1等器件，可以在6kV电压下控制1.2kA电流，FZ3600R12KE3等低电压器件，可以在1.2kV电压下开关3.6kA电流。

发电机控制系统除了控制发电机“获取最大能量”外，还要使发电机向电网提供高品质的电能。因此规定发电机控制系统：①尽也许产生较低的谐波电流，②可以控制功率因数，③使发电机输出电压适应电网电压的变化，④向电网提供稳定的功率

目前国内外兆瓦级以上技术较先进的、有发展前景的风力发电机组重要是双馈型风力发电机组和永磁直驱风力发电机组，两者各有优缺陷。单从控制系统自身来讲，永磁直驱风力发电机组控制回路少，控制简朴，但规定逆变器容量大。而双馈型风力发电机组控制回路多，控制复杂些，但控制灵活，特别是对有功、无功的控制，并且逆变器容量小得多。

2.5双馈型风力发电机组与永磁直驱风力发电机组的综合比较：

表格应当有表标，放置在表格正上方3风电机的运营控制

3.1无功补偿控制

由于异步发电机要从电网吸取无功功率，使风电机组的功率因数减少，而并网运营的风力发电机组一般规定其功率因数达成0．99以上，所以必须用电容器组进行无功补偿．由于风速变化的随机性，在达成额定功率前，发电机的输出功率大小是随机变化的，因此对补偿电容的投入与切除需要进行自动控制，由计算机根据输出无功功率的变化，控制补偿电容器分段投入或切除，保证功率因数达成规定。对于双馈发电机，是直接由控制系统控制和调节无功功率的。

3.2偏航与自动解缆控制

①

自动对风

正常运营时偏航控制系统自动对风，即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，当达成允许的误差范围内时，自动对风停止。

②

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

风轮保护

当有特大强风发生时，停机并释放叶尖阻尼板，桨距调到最大，偏航90度背风，以保护风轮免受损坏。

3.3停机控制

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若出现利车故障则收桨，机舱偏航如90度背风。

当出现紧急停机故障时，执行如不断机操作：一方面切除补偿电容器，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达小于同步速时；发电机解列（脱网），若制动时间超过20秒，转速仍未降到某设定值，则收桨，机舱偏航90度背风。表格应当有表标，放置在表格正上方4风力发电机控制系统的安全保护控制系统是风力发电机组核心部件，是风力发电机组安全运营主线保证，所认为了提高风力发电机组运营安全性，必须认真考虑控制系统的安全性和可靠性问题。

控制系统的安全保护组成：

4.1雷电安全保护

多数风机都安装在山谷的风口处、山顶上、空旷的草地、海边海岛等，易受雷击，安装在多雷雨区的风力发电机组受雷击的也许性更大，其控制系统大多为计算机和电子器件，最容易因雷电感应导致过电压损坏，因此需要考虑防雷问题。一般使用避雷器或防雷组件吸取雷电波。

当雷电击中电网中的设备后，大电流将经接地点泄入地网，使接地点电位大大升高，若控制设备接地点靠近雷击大电流的入地点，则电位将随之升高，会在回路中形成共模干扰，引起过电压，严重时会导致相关设备绝缘击穿。

根据国外风场的记录数据表白，风电场因雷击而损坏的重要风电机部件是控制系统和通讯系统。雷击事故中的40％～50％涉及到风电机控制系统的损坏，15％～25％涉及到通讯系统，15％～20％涉及到风机叶片，5％涉及到发电机。

我国一些风场记录雷击损坏的部件重要也是控制系统和监控系统的通讯部件。这说明以电缆传输的4～20mA电流环通信方式和RS485串行通信方式由于通讯线长，分布广，部件多，最易受到雷击，而控制部件大部分是弱电器件，耐过压能力低，易导致部件损坏。

防雷是一个系统工程，不能仅仅从控制系统来考虑，需要在风电场整体设计上考虑，采用多层防护措施。

4.2运营安全保护

大风安全保护：一般风速达成25米/秒（10分钟）即为停机风速，机组必须按照安全程序停机，停机后，风力发电机组必须90度对风控制。

参数越限保护：各种采集、监控的量根据情况设定有上、下限值，当数据达成限定值时，控制系统根据设定好的程序进行自动解决。

过压过流保护：当装置元件遭到瞬间高压冲击和电流过流时所进行的保护。通常采用隔离、限压、高压瞬态吸取元件、过流保护器等

震动保护：机组应设有三级震动频率保护，震动球开关、震动频率上限1、震动频率极限2，当开关动作时，控制系统将分级进行解决。

开机关机保护：设计机组开机正常顺序控制，保证机组安全。在小风、大风、故障时控制机组按顺序停机。

4.3电网掉电保护

风力发电机组离开电网的支持是无法工作的，一旦有突发故障而停电时，控制器的计算机由于失电会立即终止运营，并失去对风机的控制，控制叶尖气动刹车和机械刹车的电磁阀就会立即打开，液压系统会失去压力，制动系统动作，执行紧急停机。紧急停机意味着在极短的时间内，风机的制动系统将风机叶轮转数由运营时的额定转速变为零。大型的机组在极短的时间内完毕制动过程，将会对机组的制动系统、齿轮箱、主轴和叶片以及塔架产生强烈的冲击。紧急停机的设立是为了在出现紧急情况时保护风电机组安全的。然而，电网故障无须紧急停机；忽然停电往往出现在天气恶劣、风力较强时，紧急停机将会对风机的寿命导致一定影响。此外风机主控制计算机忽然失电就无法将风机停机前的各项状态参数及时存储下来，这样就不利于迅速对风机发生的故障作出判断和解决。针对上述情况，可以在控制系统电源中加设在线UPS后备电源，这样当电网忽然停电时，UPS自动投入，为风电机控制系统提供电力，使风电控制系统按正常程序完毕停机过程。

4.4紧急停机安全链保护

系统的安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。安全链是将也许对风力发电机导致致命伤害的超常故障串联成一个回路，当安全链动作后将引起紧急停机，执行机构失电，机组瞬间脱网，控制系统在3秒左右，将机组平稳停止，从而最大限度地保证机组的安全。发生下列故障时将触发安全链：叶轮过速、机组部件损坏、机组振动、扭缆、电源失电、紧急停机按钮动作。

4.5微机控制器抗干扰保护

风电场控制系统的重要干扰源有：工业干扰：如高压交流电场、静电场、电弧、可控硅等，自然界干扰：雷电冲击、各种静电放电、磁爆等；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到控制系统，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控制系统。

参考国家（国际）关于电磁兼容（EMC）的有关标准，风电场控制设备也应满足相关规定。如：GB／T13926.1（IEC8011）工业过程测量和控制装置的电磁兼容性总论

GB／T13926.2（IEC8011）工业过程测量和控制装置的电磁兼容性静电放电规定

GB／T13926.3（IEC8011）工业过程测量和控制装置的电磁兼容性辐射电磁场规定

GB／T13926.4（IEC8011）工业过程测量和控制装置的电磁兼容性电快速瞬变脉冲群规定。

并应通过相关行业根根标准GB/T7626（IEC61000）进行的检测。以保证设备的可靠性。

4.6接地保护

接地保护是非常重要的环节。良好的接地将保证控制系统免受不必要的损害。在整个控制系统中通常采用以下几种接地方式，来达成安全保护的目的。

工作接地、保护接地、防雷接地、防静电接地、屏蔽接地。接地的重要作用一方面是为保证电器设备安全运营，另一方面是防止设备绝缘被破坏时也许带电，以致危及人身安全。同时能使保护装置迅速切断故障回路，防止故障扩大。

要使风电机组可靠运营，需要在风电机组控制系统的保护功能设计上加以重视。在设计控制系统的时候，往往更注重系统的最优化设计和提高可运用率，然而进行这些设计的前提条件却是风电机组控制系统的安全保护，只有在保证机组安全运营的前提下，我们才可以讨论机组的最优化设计、提高可运用率等。因此，控制系统具有完善的保护功能，是风电机组安全运营的首要保证。5风电控制发展动态

尽管目前风电场大多还在使用恒速风机，不少风机厂商也在制造兆瓦级以上恒速风机。但是有趋势表白：未来几年变浆距功率调节方式将取代定浆距功率调节方式；变速恒频方式将取代恒速恒频方式，以达成最大限度地提高风能的运用效率。使用变速风机有多种方案可供选择：采用通过电力电子装置与电网相连的同步多极电机，取消风机上常用的变速齿轮箱，减少风机的故障率；或者采用双馈感应电机，实现风机以最佳叶尖比运营。由于电力电子元件的性能不断提高，价格不断下降，以IGBT为代表的新型电力电子器件的最大功率已经达成MVA级，升关频率达成10kHZ，脉定调制技术（PW