風力發電控制系統的深入研究

馬慧霞，閆文吉

（中廣核風電有限公司內蒙古分公司，內蒙古 呼和浩特 010010）

風力發電控制系統的深入研究

馬慧霞，閆文吉

（中廣核風電有限公司內蒙古分公司，內蒙古 呼和浩特 010010）

風力發電機由多個部分組成，而控制系統貫穿到每個部分，相當于風電系統的神經。文章通過對風力發電機控制系統的組成和結構分析，深入研究風力發電控制技術。

風力；控制；組成；研究

1 風力發電機控制系統介紹

控制系統的好壞直接關系到風力發電機的工作狀態、發電量的多少以及設備的安全。目前風力發電亟待研究解決兩個問題：發電效率和發電質量都和風電控制系統密切相關。對此國內外學者進行了大量的研究，取得了一定進展，隨著現代控制技術和電力電子技術的發展，為風電控制系統的研究提供了技術基礎。

2 控制系統的組成

風力發電控制系統的基本目標分為三個層次：保證風力發電機組安全可靠運行，獲取最大能量，提供良好的電力質量。控制系統組成主要包括各種傳感器、變距系統、運行主控制器、功率輸出單元、無功補償單元、并網控制單元、安全保護單元、通訊接口電路、監控單元。具體控制內容有：信號的數據采集、處理，變槳控制、轉速控制、自動最大功率點跟蹤控制、功率因數控制、偏航控制、自動解纜、并網和解列控制、停機制動控制、安全保護系統、就地監控、遠程監控。當然對于不同類型的風力發電機控制單元會不相同。系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

針對系統結構，目前絕大多數風力發電機組的控制系統都采用集散型或稱分布式控制系統（DCS）工業控制計算機。采用分布式控制最大優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現場適應性強，便于控制程序現場調試及在機組運行時可隨時修改控制參數，并與其他功能模塊保持通信，發出各種控制指令。目前計算機技術突飛猛進，更多新的技術被應用到了DCS之中。PLC是一種針對順序邏輯控制發展起來的電子設備，目前功能上有較大提高，很多廠家也開始采用PLC構成控制系統。現場總線技術（FCS）在進入20世紀90年代中期以后發展也十分迅猛，以至于有些人已做出預測：基于現場總線的FCS將取代DCS成為控制系統的主角。

3 風力發電機控制技術

風力發電系統中的控制技術和伺服傳動技術是其關鍵技術，這是因為自然風速的大小和方向是隨機變化的，風力發電機組的并網和退出電網、輸入功率的限制、風輪的主動對風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，風力資源豐富的地區通常都是邊遠地區或是海上，分散布置的風力發電機組通常要求能夠無人值班運行和遠程監控，這就對風力發電機組的控制系統的自動化程度和可靠性提出了更高的要求。與一般工業控制過程不同，風力發電機組的控制系統是綜合性控制系統。它不僅要監視電網、風況和機組運行參數，對機組運行進行控制。而且還要根據風速與風向的變化，對機組進行優化控制，以提高機組的運行效率和發電量。

20世紀80年代中期開始進入風力發電市場的定槳距風力發電機組，主要解決了風力發電機組的并網問題和運行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網技術、空氣動力剎車技術、偏航與自動解纜技術，這些都是并網運行的風力發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，槳葉的節距角在安裝時已經固定；而發電機轉速由電網頻率限制。因此，只要在允許的風速范圍內，定槳距風

力發電機組的控制系統在運行過程中對由于風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和相應的伺服傳動技術，使得定槳距風力發電機組能夠在較短時間內實現商業化運行。

20世紀90年代開始，風力發電機組的可靠性已經大大提高，變槳距風力發電機組開始進入風力發電市場。采用全變槳距的風力發電機組，起動時可對轉速進行控制，并網后可對功率進行控制，使風力機的起動性能和功率輸出特性都有顯著和改善。由風力發電機組的變槳距系統組成的閉環控制系統，使控制系統的水平提高到一個新的階段。由于變距風力發電機組在額定風速以下運行時的效果仍不理想，到了20世紀90年代中期，基于變距技術的各種變速風力發電機組開始進入風電場。變速風力發電機組的控制系統與定速風力發電機組的控制系統的根本區別在于，變速風力發電機組是把風速信號作為控制系統的輸入變量來進行轉速和功率控制的。變速風力發電機組的主要特點是：低于額定風速時，它能跟蹤最佳功率曲線，使風力發電機組具有最高的風能轉換效率；高于額定風速時，它增加了傳動系統的柔性，使功率輸出更加穩定。特別是解決了高次諧波與功率因數等問題后，使供電效率、質量有所提高。隨著計算機技術與先進的控制技術應用到風電領域，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展。

4 目前風力發電機控制方法

當風速變化時通過調節發電機電磁力矩或風力機漿距角使葉尖速比保持最佳值，實現風能的最大捕獲。控制方法基于線性化模型實現最佳葉尖速比的跟蹤，利用風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、非線性嚴重的風電系統，傳統的控制方法會產生較大誤差。因此近些年國內外都開展了這方面的研究。一些新的控制理論開始應用于風電機組控制系統。如采用模糊邏輯控制、神經網絡智能控制、魯棒控制等，使風機控制向更加智能方向發展。

［1］劉萬琨，張志英,等.風能與風力發電技術［M］.北京：化學工業出版社，2007.

圖2 市郊運轉循環狀況圖

4 結語

文章設計的是機械能與電能的復合型制動系統模型，這個系統的關鍵在于三相電機系統和三相電整流器，DC-DC變換器三部分。踩踏制動器踏板進行車輛制動時，如果并不需要太多的制動力，僅電制動系統就可以提供所需的制動力;當電制動力不足以提供車輛制動能量時，這個復合型制動系統會同時提供所需要的制動力。根據仿真的結果來看，該系統完全可以將部分制動時產生的動能轉化為電能，從而提高能量利用率，達到節能續航的目的。

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，內蒙古人，碩士，工程師，主要從事風力發電運行維護工作。