大型風電發(fā)電機組控制中的電氣設(shè)計簡析

張建濱

【摘 要】隨著社會及經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們環(huán)保意識的不斷增強，對于清潔能源的需求也越來越迫切，而風能是清潔能源中可再生且無污染的重要資源，風力發(fā)電也已得到高速發(fā)展，但是風電發(fā)電機組的工作效率及發(fā)電成本仍需要得到進一步改進，以更好的促進我國的清潔能源及電力行業(yè)的發(fā)展。本文首先介紹了風電發(fā)電機組的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并從不同的角度來分析風電發(fā)電機組控制中的電氣設(shè)計，以達到提高風電發(fā)電機組工作效率的目的。

【關(guān)鍵詞】風電發(fā)電機組 電氣控制 電氣設(shè)計

隨著對電力資源需求的增加，大型風電發(fā)電機組的數(shù)量也會不斷增加，有效促進我國風電企業(yè)的高效發(fā)展。但由于風能屬于天然資源，風速及風向等因素都比較難控制，并且通常大型風電發(fā)電機組的工作環(huán)境都比較惡劣，對其工作效果產(chǎn)生一定的影響，這就要求相關(guān)的風電企業(yè)，通過改善大型風電發(fā)電機組控制中電氣設(shè)計來促進我國風電行業(yè)的發(fā)展。

1 大型風電發(fā)電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的介紹

大型風電發(fā)電機控制系統(tǒng)的工作原理是借助現(xiàn)場安裝的各種模塊，來實現(xiàn)對周圍風況/發(fā)電機組的運行參數(shù)及電網(wǎng)運行情況等的監(jiān)控，并保持和其他功能模塊之間的通信。風電發(fā)電機控制系統(tǒng)是在綜合分析所有情況之后，將各類控制指令發(fā)出。在整個電控系統(tǒng)中，其核心便是主控制器，其借助各種傳感器來對風電機組運行參數(shù)/氣象及電網(wǎng)等實時監(jiān)控，通過向外發(fā)出不同的控制指令，完成整個機組的自動停機/啟動/監(jiān)控運行故障/變速控制/自動偏航控制等。

2 電氣控制系統(tǒng)基本功能的設(shè)計

2.1 自動起停風電機組設(shè)計

該部分主要分為控制面板啟動/自動啟動及遠程監(jiān)控啟動三種啟動方式。而停機主要是緊急停機/安全停機和自動停機三種，其中，如果出現(xiàn)的故障對機組產(chǎn)生致命性的嚴重損害時，實施緊急停機，即將補償電容切斷，并同時進行空氣動力剎車、偏航剎車/高速機械剎車，迫使電機組馬上停機；如果出現(xiàn)的故障對機組產(chǎn)生不太嚴重的損害時，選擇安全停機；如果出現(xiàn)的故障未損害到機組，選擇正常停機。

2.2 電機切換控制設(shè)計

電流從大電機向小電機切換的過程中，小電機會受到電流非常大的沖擊，為了將電流控制在小電機可接受的電流范圍內(nèi)，可以借助可控硅控件來實現(xiàn)對電流的控制，來確保小電機的正常運作。此外，為了確保使用可控硅過程中的安全性，需要將瞬態(tài)抑制電路安裝到主電路中，以有效抑制可控硅電壓的上升率，進而降低電流的上升率。

2.3 軟并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

軟并網(wǎng)系統(tǒng)限流效果的實現(xiàn)需要借助大功率可控硅，如果直接進行發(fā)電機組的并網(wǎng)，就很容易出現(xiàn)非常大的沖擊電流，對電網(wǎng)和發(fā)電機都會產(chǎn)生較大的損害，還會對其他聯(lián)機網(wǎng)組產(chǎn)生影響。機組在并網(wǎng)或者電動啟動時，主控制系統(tǒng)可以通過指揮可控硅的運作來安全控制并網(wǎng)的全過程。同時，并網(wǎng)旁路中還應(yīng)該通過可控硅控件來降低開關(guān)設(shè)備受到的電流沖擊，以有效保護整個開關(guān)設(shè)備。

2.4 自動解纜與偏航

自動解纜與偏航是大型風電機組電氣控制中一項重要技術(shù)，當優(yōu)先級比較高的偏航操作被執(zhí)行時，優(yōu)先級相對較低的偏航指令將會被清除或者自動屏蔽，還會根據(jù)不同級別的偏航指令的方向來分為方向相同和不相同兩種處理方式。出現(xiàn)故障或者處于維護狀態(tài)的系統(tǒng)，全部的偏航指令都會被屏蔽掉。偏航系統(tǒng)還分左右兩種偏航執(zhí)行操作，并且在設(shè)計兩種偏航操作的過程中，要保證其軟件設(shè)計、硬件線路和機械環(huán)節(jié)上的互鎖，確保整個偏航系統(tǒng)的安全。當出現(xiàn)風比較大的情況時，控制系統(tǒng)要通過葉輪九十度側(cè)風來對其進行保護，并且要對風向的變化繼續(xù)進行追蹤，保證整個風電機組的安全運行。

解纜系統(tǒng)也是由兩部分構(gòu)成，分別是扭纜開關(guān)控制的安全鏈保護和扭纜傳感器控制的自動解纜。如果電纜纏繞到達相應(yīng)的設(shè)定值的情況，電纜傳感器發(fā)出相應(yīng)的信號，控制系統(tǒng)結(jié)合信號來對偏航系統(tǒng)進行控制操作，以實現(xiàn)電纜解繞的效果。如果在這種情況下，控制系統(tǒng)未實施自動解纜操作，在電纜纏繞到達可承受的極限時，解纜的安全鏈保護就會被觸發(fā)，這時機組就會出現(xiàn)緊急停機，并對不能自動修復(fù)的故障進行報告，等待人工解纜操作。

2.5 人機交互式切換控制設(shè)計

體現(xiàn)風電發(fā)電機組自動化程度的重要指標之一就是人機交互式切換控制的實現(xiàn)，機組運行的各項參數(shù)值都可以通過MCGS組態(tài)軟件設(shè)計的操作界面被操作者操作和設(shè)計，進而通過工控機來對相關(guān)指令進行識別和接受，借助PLC控制系統(tǒng)通訊環(huán)節(jié)來實現(xiàn)遠程控制風電發(fā)電機組。此外，機組反饋回來的的運行參數(shù)及狀態(tài)和設(shè)定好的參數(shù)進行比較，以便于操作者及時準確的判斷出整個風電發(fā)電機組的運行狀態(tài)。

2.6 制動控制設(shè)計

制動設(shè)計環(huán)節(jié)包括設(shè)備自行保護措施、主控制保護系統(tǒng)和主控制保護系統(tǒng)限制不了的保護系統(tǒng)三個主要部分。設(shè)計制動控制時，應(yīng)該確保整個設(shè)計有不少于兩套不相互依賴的剎車設(shè)備，比如，可以利用冗余原則來設(shè)計主控制系統(tǒng)限制不了的保護系統(tǒng)，由于主控制保護系統(tǒng)是安全鏈中不被主控制系統(tǒng)限制的重要環(huán)節(jié)，這就要求必須要確保最高優(yōu)先級的安全鏈，一旦電網(wǎng)或者主控制保護系統(tǒng)有嚴重故障出現(xiàn)，安全鏈應(yīng)馬上制動，使風電發(fā)電機組立刻停機，實現(xiàn)安全拖網(wǎng)。

3 結(jié)語

綜上所述，風電發(fā)電機組作為風力發(fā)電能力的決定性因素，其工作效率直接影響到整個風力發(fā)電的結(jié)果，而風電發(fā)電機組的電氣控制系統(tǒng)是影響整個機組工作效率的關(guān)鍵部分，只有保證電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的科學(xué)合理，才能確保整個機組的運行效率，進而促進整個風力發(fā)電的效果，為社會及經(jīng)濟的發(fā)展提供充足穩(wěn)定的電力資源。

參考文獻：

[1]孔屹剛.大型風力機功率控制與最大能量捕獲策略研究[D].上海交通大學(xué)，2010.

[2]盧裕富，鐘理，劉天鵬.淺談大型風電發(fā)電機組控制中的電氣設(shè)計[J].科技風，2014（1）.

[3]張新房.大型風力發(fā)電機組的智能控制研究[D].華北電力大學(xué)（北京），2015.