獨立變槳控制對大功率風力發電機振動影響

肖博漢

摘 要：隨著風力機功率的越來越大，結構越來越大，國產化風力發電機振動問題逐漸顯現出來。以國產兆瓦級風力發電機組為依托，研究大型風力發電機組獨立變槳距控制技術，并以此為基礎研究獨立變槳控制對大功率風力發電機振動影響。

關鍵詞：獨立變槳控制；振動；大功率風力發電機

本文根據在風機制造車間及風場對風機調試及排故的心得、經驗加以全面、系統的歸納和總結。詳細的闡述了風力發電機組靜態調試、動態調試的基本方法及注意要點，并著重介紹了風機排故的一般步驟、注意要點及其原則和方法。經實踐證明，文中的許多調試及排故觀點和方法對風機的調試及其故障的處理具有一定的指導意義，并對于其它電氣設備的調試及故障處理也有一定的借鑒意義。

一、風電控制系統簡述

風電控制系統包括現場風力發電機組控制單元、高速環型冗余光纖以太網、遠程上位機操作員站等部分。現場風力發電機組控制單元是每臺風機控制的核心，實現機組的參數監視、自動發電控制和設備保護等功能；每臺風力發電機組配有就地HMI人機接口以實現就地操作、調試和維護機組；高速環型冗余光纖以太網是系統的數據高速公路，將機組的實時數據送至上位機界面；上位機操作員站是風電廠的運行監視核心，并具備完善的機組狀態監視、參數報警，實時/歷史數據的記錄顯示等功能，操作員在控制室內實現對風場所有機組的運行監視及操作。

風力發電機組控制單元（WPCU）是每臺風機的控制核心，分散布置在機組的塔筒和機艙內。由于風電機組現場運行環境惡劣，對控制系統的可靠性要求非常高，而風電控制系統是專門針對大型風電場的運行需求而設計，應具有極高的環境適應性和抗電磁干擾等能力。

（一）變槳距系統

大型MW級以上風電機組通常采用液壓變槳系統或電動變槳系統。變槳系統由前端控制器對3個風機葉片的槳距驅動裝置進行控制，其是主控制器的執行單元，采用 CANOPEN與主控制器進行通訊，以調節3個葉片的槳距工作在最佳狀態。變槳系統有后備電源系統和安全鏈保護，保證在危急工況下緊急停機。

（二）變流器系統

大型風力發電機組目前普遍采用大功率的變流器以實現發電能源的變換，變流器系統通過現場總線與主控制器進行通訊，實現機組的轉速、有功功率和無功功率的調節。

（三）現場觸摸屏站

現場觸摸屏站是機組監控的就地操作站，實現風力機組的就地參數設置、設備調試、維護等功能，是機組控制系統的現場上位機操作員站。

（四）后備危急安全鏈系統

后備危急安全鏈系統獨立于計算機系統的硬件保護措施，即使控制系統發生異常，也不會影響安全鏈的正常動作。安全鏈是將可能對風力發電機造成致命傷害的超常故障串聯成一個回路，當安全鏈動作后將引起緊急停機，機組脫網，從而最大限度地保證機組的安全。

所有風電機組通過光纖以太網連接至主控室的上位機操作員站，實現整個風場的遠程監控。

二、風電控制系統基本功能

1、數據采集（DAS）功能：包括采集電網、氣象、機組參數，實現控制、報警、記錄、曲線功能等；

2、機組控制功能：包括自動啟動機組、并網控制、轉速控制、功率控制、無功補償控制、自動對風控制、解纜控制、自動脫網、安全停機控制等；

3、遠程監控系統功能：包括機組參數、相關設備狀態的監控，歷史和實時曲線功能，機組運行狀況的累計監測等。

三、風電控制系統輔助設備邏輯

（一）發電機系統

監控發電機運行參數，通過3臺冷卻風扇和4臺電加熱器，控制發電機線圈溫度、軸承溫度、滑環室溫度在適當的范圍內，相關邏輯如下：當發電機溫度升高至某設定值后，起動冷卻風扇，當溫度降低到某設定值時，停止風扇運行；當發電機溫度過高或過低并超限后，發出報警信號，并執行安全停機程序。

當溫度越低至某設定值后，起動電加熱器，溫度升高至某設定值后時，停止加熱器運行；同時電加熱器也用于控制發電機的溫度端差在合理的范圍內。

（二）液壓系統

機組的液壓系統用于偏航系統剎車、機械剎車盤驅動。機組正常時，需維持額定壓力區間運行。 液壓泵控制液壓系統壓力，當壓力下降至設定值后，啟動油泵運行，當壓力升高至某設定值后，停泵。

（三）電動變槳距系統

變槳距系統包括每個葉片上的電機、驅動器、以及主控制PLC等部件，該PLC通過CAN總線和機組的主控系統通訊，是風電控制系統中槳距調節控制單元，變槳距系統有后備DO順槳控制接口。槳距系統的主要功能如下： 緊急剎車順槳 系統控制，在緊急情況下，實現風機順槳控制。

四、結語

為提高風力機發電系統的風能利用效率、改善輸出電能質量，針對變速變槳風力發電機組的控制問題，以混雜系統理論為核心，建立了應用于變速變槳風力機組的混雜自動機控制結構。同時，結合模糊控制理論，給出控制器的算法。通過對該控制結構和控制算法的仿真表明，與常規的控制方法相比，采用混雜自動機控制結構和控制算法控制變速變槳風力機組，既提高了風能的利用效率，又很好地改善了風力機輸出電能質量，實際控制效果良好。

參考文獻：

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