关键词：风力发电机；控制系统；设计；应用
引言
风力发电因成本低、建设周期短、生态影响小等，已经成为新能源发电的主要组成部分，在我国已经形成规模化发展趋势。其中600kW以上的大中型风力发电机组大多采用并网运行方式，可以克服风能随机性带来的储能难题，并向电网输送电能。对于大中型的风力发电机组目前已经有多种控制方式。发电机组的转速随着风速变化做变速运行，并输出恒定频率的变速恒频控制方式，可以最大限度地提高风能的利用率。虽然控制较为复杂，但是随着变频逆变及其控制技术的进步，这种控制方式将成为未来发展方向。本文针对变速变桨距的变速恒频控制原理，提出了一种新的控制方法。
1风力发电机组
对于较大规模的风力发电机组来说，控制、安全系统是通过做好系统中的平安规划来实现减少系统故障率以及保证系统安全运行的重要举措。如若在实际运行中出现故障，它能在第一时间内对故障进行定位检修。控制功能主要包含风轮限速、电气负载连接、电池电量、电功率范围、温度参数控制等等，通过主动控制以及被动控制的方式对管制机组的实际运行进行监控，进而保证系统能在允许范围内高效运行。实际维护的规则是无效-维护原则，指的是在实际管制无效或者内在障碍使得机组无法正常工作的情况下，系统中的安全维护装备可以采取有效措施使得发电机组仍旧处于能够正常运行的平安状况下。当系统中存在超速、电网负荷过大以及电机过载等情况时，系统会出现上述的安全维护状况。此外，该系统仍含有避雷装置，能够实现主电、管制电子回路中的避雷系统检修。风力发电机组的实际运行状况一般有正常运行、暂停、关停、火速关停四种情况。其运行中的最高级别是正常运行，最低级别是火速关停，如图1所示。针对实际工作情况的提升，不可以越层提升，而需要遵守逐级提升的原则，但是降级时可以越级降低。这一原则是为了保证风力发电组的实际安全运行。实际操作过程中如果需要提升层级，需要逐级提升，这是为了能够实时监控每一层级中的故障信息，若检测出问题则直接进行火速关停，进而维修，若没有检测出问题则实现系统的正常运行。发电管制存在两种情况，即风速高于实际规定以及低于实际规定。当风速高于实际规定，为保证其正常功率运行需要通过变距管制控制其正常工作；若处于低于实际规定情况，为了防止变距增大，需要通过扭矩，对其进行优质管制，实现提高功率的目的。
2风力发电机一体化控制系统
2.1硬件设计
风力发电机一体化控制概念的提出，主要考虑硬件和软件的设计。在硬件设计方面，主控制系统采用贝加莱Ｘ２０系列的控制器、Ｉ／Ｏ模块和通信模块，机舱与轮毂考虑采用贝加莱控制系统的Ｐｏｗｅｒｌｉｎｋ通信方式，通过样机试验，采用Ｐｏｗｅｒｌｉｎｋ通信方式对硬件及对所采用的电缆有比较高的要求。在实际操作中，电缆要经过轮毂、中心轴、滑环等一系列设备，其抗干扰能力没有得到实际的验证，为了保证系统的稳定性以及可靠性，最终采用了工业中比较常用的通信方式ＣＡＮｏｐｅｎ。ＣＡＮｏｐｅｎ是一种架构在控制局域网路上的高层通信协定，包括通信子协定及设备子协定，常在嵌入式系统中使用，也是工业控制常用到的一种现场总线，其特点是通信稳定，抗干扰能力强，符合风力发电机所运行的环境。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆贝加莱公司生产的专门用于ＣＡＮｏｐｅｎ通信的ＩＦ１０４１－１模块，已经在其它工业控制行业使用，具有较好的稳定性。
2.2整体结构
一体化检测装置需实现多个绝缘特征参数的现场检测，结合各参数的测量原理与适宜风电场的检测技术，基于前期工作的基础，设计了风力发电机绝缘状态一体化检测装置整体结构。该装置主要分为电源模块、信号测量模块、数据采集模块和软件分析模块。信号测量模块包括温度和湿度测量模块，用于现场检测时记录被测发电机绕组的环境温度与湿度，便于更准确评估发电机的真实绝缘状态。为了提升一体化检测装置的便携性，该装置采用USB型数据采集卡实现4种绝缘参数检测所需的数据采集功能，数据采集卡通过USB传输线与便携式笔记本电脑中的软件分析模块相连接，通过软件分析模块实现对检测数据的现场分析处理，从而实现风力发电机绝缘状态特征参数的现场检测。
2.3不同风速变桨距功率
变桨距控制在不同风速下控制策略不同。在额定风速以下运行时应尽可能多地捕捉更多的风能，桨距角根据风速变化(一般采用风速仪信号或者功率反馈信号)改变角度，按比例调节叶轮速度以维持最佳叶尖速比λOPT不变，获得最大风能利用系数CPmax，实现最大功率输出的最优控制方式。事实上如果低风速时仅采用变桨距角的控制方式，当风速变化较快时，由于存在较大的叶轮转动惯量阻碍了转速的较快变化，风力机组只能工作在CP－λ曲线的峰值两侧附近。近年来，在并网运行的异步发电机(如双馈异步发电机)上，利用电力电子新技术的发展成果，可以根据风力的大小来调整发电机的转差率实现调速，保证最佳叶尖速比不变。
2.4软件设计
风力发电机一体化控制方案最主要的是软件方面作出了很大的提升，围绕主控制系统，分别从一体化解决方案、独立安全控制器、完善的故障诊断、先进的ＳＣＡＤＡ（监控与数据采集）系统、传动链载荷优化、冗余控制技术、优化的功率控制等几方面进行设计。风力发电机一体化控制方案其优势在于所有的控制核心包括变桨控制器、变流器均集成在主控制系统ＣＰＵ中，这样有利于数据的积累。对于故障分析、功率控制等都有了大量数据的基础，通过对变桨控制器、变流器、主控制系统控制算法的优化，从而提高风力发电机的可利用率以及发电量。在故障诊断方面，故障诊断的准确性直接决定风力发电机维护时间以及成本。变桨控制器和变流器将其内部故障全部移植到主控制系统中，主控制系统能够第一时间得到变桨控制器和变流器的故障信息，并且这些故障信息直接与主控制系统故障代码连接，省去了主控制系统与变桨控制器、变流器之间故障传输判断的环节，大大提高了故障诊断的速度及准确度。
结语
综上所述，风力发电机一体化控制系统方案从硬件设计到软件设计，从样机到风场批量运行，都体现出了其预期的效果。现在该机型已经２０多个风电场使用。从目前运行效果来看，无论是从可利用率、还是从发电量和功率曲线上都表现出其突出的特点，风场业主对该系统相当认可，系统的稳定性和可靠性也在风场的实际运行中得到验证，也充分说明了该一体化控制系统的实用价值。
参考文献
[1]赵艳梅.基于变速恒频风力发电机组电气控制系统的分析[J].内燃机与配件,2018(11):103-104.
[2]常春永.风力发电机组电气控制系统检修探讨[J].中国高新技术企业,2016(06):139-140.
[3]吴永强.风力发电机组电气与控制系统快速检修思路探索[J].科技视界,2015(25):259+283.
论文作者:常河
论文发表刊物:《中国电业》2019年 23期
论文发表时间:2020/4/24
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