風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)
風(fēng)力發(fā)電機由多個部分組成，而控制系統(tǒng)貫穿到每個部分，相當(dāng)
于風(fēng)電系統(tǒng)的神經(jīng)。因此控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機的工
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
的的兩個問題：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
此國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究，取得了一定進展，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)。
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)分為三個層次：這就是保證風(fēng)力發(fā)
電機組安全可靠運行，獲取最大能量，提供良好的電力質(zhì)量。
控制系統(tǒng)組成主要包括各種傳感器、變距系統(tǒng)、運行主控制器、功率
輸出單元、無功補償單元、并網(wǎng)控制單元、安全保護單元、通訊接口
電路、監(jiān)控單元。
具體控制內(nèi)容有：信號的數(shù)據(jù)采集、處理，變槳控制、轉(zhuǎn)速控制、
自動最大功率點跟蹤控制、功率因數(shù)控制、偏航控制、自動解纜、并
網(wǎng)和解列控制、停機制動控制、安全保護系統(tǒng)、就地監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控。
當(dāng)然對于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機控制單元會不相同?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示
意圖如下：針對上述結(jié)構(gòu)，目前絕大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)都采用集
散型或稱分布式控制系統(tǒng)（DCS）工業(yè)控制計算機。采用分布式控制
最大優(yōu)點是許多控制功能模塊可以直接布置在控制對象的位置。就地
進行采集、控制、處理。避免了各類傳感器、信號線與主控制器之間
的連接。同時 DCS 現(xiàn)場適應(yīng)性強，便于控制程序現(xiàn)場調(diào)試及在機組運
行時可隨時修改控制參數(shù)。并與其他功能模塊保持通信，發(fā)出各種控
制指令。目前計算機技術(shù)突飛猛進，更多新的技術(shù)被應(yīng)用到了 DCS 之
中。PLC 是一種針對順序邏輯控制發(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)在進入九十年代中期以后發(fā)展也十分迅猛，以至于有些人已做
出預(yù)測：基于現(xiàn)場總線的 FCS 將取代 DCS 成為控制系統(tǒng)的主角。
風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)（二）
控制系統(tǒng)技術(shù)
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的控制技術(shù)和伺服傳動技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)，這是因為自然風(fēng)速的大小和方向是隨機變化的，風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)
和退出電網(wǎng)、輸入功率的限制、風(fēng)輪的主動對風(fēng)以及對運行過程中故
障的檢測和保護必須能夠自動控制。同時，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)電機組通常要求能夠無人
值班運行和遠(yuǎn)程監(jiān)控，這就對風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)的自動化程度
和可靠性提出了很高的要求。
與一般工業(yè)控制過程不同，風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是綜合性控
制系統(tǒng)。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機組運行參數(shù)，對機組運行進行
控制。而且還要根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)向的變化，對機組進行優(yōu)化控制，以提
高機組的運行效率和發(fā)電量。
20 世紀(jì) 80 年代中期開始進入風(fēng)力發(fā)電市場的定槳距風(fēng)力發(fā)電機
組，主要解決了風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)問題和運行的安全性與可靠性問
題，采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動力剎車技術(shù)、偏航與自動解纜技術(shù)，
這些都是并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機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)距角在安裝時已經(jīng)固
定；而發(fā)電機轉(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)電機組的控制系統(tǒng)在運行過程中對由于風(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)
的伺服傳動技術(shù)，使得定槳距風(fēng)力發(fā)電機組能夠在較短時間內(nèi)實現(xiàn)商
業(yè)化運行。
20 世紀(jì) 90 年代開始，風(fēng)力發(fā)電機組的可靠性已經(jīng)大大提高，變
槳距風(fēng)力發(fā)電機組開始進入風(fēng)力發(fā)電市場。采用全變槳距的風(fēng)力發(fā)電機組，起動時可對轉(zhuǎn)速進行控制，并網(wǎng)后可對功率進行控制，使風(fēng)力
機的起動性能和功率輸出特性都有顯著和改善。由風(fēng)力發(fā)電機組的變
槳距系統(tǒng)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)的水平提高到一個新的階
段。
由于變距風(fēng)力發(fā)電機組在額定風(fēng)速以下運行時的效果仍不理想，
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)電機組開
始進入風(fēng)電場。變速風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)與定速風(fēng)力發(fā)電機組的
控制系統(tǒng)的根本區(qū)別在于，變速風(fēng)力發(fā)電機組是把風(fēng)速信號作為控制
系統(tǒng)的輸入變量來進行轉(zhuǎn)速和功率控制的。變速風(fēng)力發(fā)電機組的主要
特點是：低于額定風(fēng)速時，它能跟蹤最佳功率曲線，使風(fēng)力發(fā)電機組
具有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；高于額定風(fēng)速時，它增加了傳動系統(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。
隨著計算機技術(shù)與先進的控制技術(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。
目前的控制方法是：當(dāng)風(fēng)速變化時通過調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁力矩或風(fēng)
力機漿距角使葉尖速比保持最佳值，實現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。控制方法
基于線性化模型實現(xiàn)最佳葉尖速比的跟蹤，利用風(fēng)速測量值進行反饋
控制，或電功率反饋控制。但在隨機擾動大、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)機控制向更加智能方向發(fā)展。
風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)（三）
控制系統(tǒng)的類型
對于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機，控制單元會有所不同，但主要是因
為發(fā)電機的結(jié)構(gòu)或類型不同而使得控制方法不同，加上定槳距和變槳
距，形成多種結(jié)構(gòu)和控制方案。
根據(jù)漿葉的不同，分為以下三種：
l 定槳距失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機組
定槳距是指槳葉與輪轂的連接是固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時，槳葉
的迎風(fēng)角度不能隨之變化。失速是指槳葉本身所具有的失速特性，當(dāng)
風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，氣流將在槳葉的表面產(chǎn)生渦流，使效率降低，
產(chǎn)生失速，來限制發(fā)電機的功率輸出。為了提高風(fēng)電機組在低風(fēng)速時
的效率，通常采用雙速發(fā)電機（即大/小發(fā)電機）。在低風(fēng)速段運行的，
采用小電機使槳葉具有較高的氣動效率，提高一些發(fā)電機的運行效
率。
定槳失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點是失速調(diào)節(jié)由指槳葉本身完成，簡單可
靠，當(dāng)風(fēng)速變化引起的輸出功率的變化只通過槳葉的被動失速調(diào)節(jié)而
控制系統(tǒng)不作任何控制，使控制系統(tǒng)大為減化。但是在輸入變化的情
況下，風(fēng)力發(fā)電機組只有很小的機會能運行在最佳狀態(tài)下，因此機組
的整體效率較低。通常很少應(yīng)用在兆瓦級以上的大型風(fēng)力機上。
2 變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機組
變獎距是指安裝在輪轂上的葉片通過控制可以改變其槳距角的大小。在運行過程中，當(dāng)輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在 0°
位置不變，不作任何調(diào)節(jié)；當(dāng)發(fā)電機輸出功率達(dá)到額定功率以后，調(diào)
節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機的輸出功率
保持在額定功率。此時控制系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制。
3 主動失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機組
將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風(fēng)力發(fā)電機組相結(jié)合，
充分吸取了被動失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點，槳葉采用失速特性，調(diào)節(jié)系