特大型垂直軸風力發電機組電控系統設計分析

陳秀實

（大連華銳重工集團有限公司設計研究總院，遼寧 大連 106022）

1 概述

風力發電機按照風機中心軸的方向可分為兩類：水平軸型風機和垂直軸型風機，目前已投用的風電設備中水平軸型風機占比較大，隨著風機設備制造及控制水平的不斷提高，需要風機機組容量逐步增大，水平軸型風機在結構和運行方面存在一定的局限：（1）由于變槳偏航技術的制約，風機損壞率較高；（2）機組容量增大時，占地面積大；（3）年運轉效率低；（4）運輸安裝維修保養不方便。與水平軸風機相比，垂直軸風機具有單機機組容量大、無變槳偏航對風裝置、效率較高、占地面積小、對成雨層影響小等特點。

2 系統構成

電氣控制系統能夠安全可靠地完成機械能轉化為電能并輸送至電網的功能，是風力發電機組運行的重要組成部分，系統主要由配電系統、電氣傳動系統、PLC控制系統、人機交互系統、工業電視監控系統構成。設計以滿足先進性、實用性、安全可靠性和易維護性為原則進行。

3 配電系統

以垂直軸風電機組容量為32MW為目標，設置16臺性價比較高、技術成熟可靠的2MW風力發電機，分兩層布置在同一車間內，考慮到占地面積和成本，兩臺發電機共用一臺升壓變壓器，共8臺升壓變壓器，每臺容量為5000kVA。兼顧變流器的設計，選擇風力發電機輸出電壓為690V，根據當地電網的要求，經升壓變壓器升壓到10kV或35kV輸出至外網。配電系統主接線見圖1所示，包括升壓變壓器、高壓開關柜、為油泵及照明等輔助設備供電的輔助變壓器等設備。

圖1 配電系統圖

4 電氣傳動系統

電氣傳動系統是風機機組電控系統的主要部分，目前成熟的變流器方案有雙饋發電機-部分功率及永磁同步發電機-全功率兩種，各有優缺點，具體分析如下。

4.1 雙饋發電機—部分功率變流器方案

雙饋發電機—部分功率變流器系統主要由發電機、雙饋變流器、定子接觸器、轉子接觸器等元件組成。雙饋系統電氣傳動采用雙饋變流器傳動技術，發電機采用雙饋異步發電機，電機轉子通過滑環和電刷與雙饋變流器相連接。其工作原理為：在電機轉速低于同步轉速時，發電機定子直接向電網饋送電能，而轉子通過變流器從電網吸收電能；在電機轉速高于同步轉速時，發電機除通過定子向電網饋送電能外，還可以通過發電機轉子向電網饋送電能。此方案的優點為：（1）變流器的容量只有風機容量的1/3左右，成本較低。（2）變流器與電網之間交換轉差功率，通過控制發電機的速度和功率因數使風機工作在更寬的速度范圍內，具有產生無功功率以適應電網的能力。（3）使用最新的IGBT技術，并由微處理器控制的電力電子器件來控制，通過脈寬調制獲得接近無閃變的電能、可調節的無功功率、低失真和最低諧波含量。此方案的缺點是：對電網的沖擊比較敏感，兼容性相對較弱。

4.2 永磁同步發電機—全功率變流器方案

永磁同步發電機—全功率變流器系統主要由永磁發電機、全功率變流器、定子接觸器等元件組成。全功率系統電氣傳動采用全功率變流器傳動技術，發電機為永磁同步發電機，電機定子通過斷路器連接至電網，轉子通過變流器連接至電網。變流器由機側變流器、網側變流器、控制電路等構成。其工作原理為：機側變流器完成有功、無功的解耦控制和轉速調節；網側變流器完成輸出并網，有功、無功的解耦控制和直流側電壓穩定性控制，當電網發生電壓跌落等故障時,網側變流器運行在靜止無功補償模式，向電網提供無功功率，穩定電網電壓，同時具有良好的低電壓穿越功能。此方案的優點為：（1）發電機與電網是完全隔離的，具有良好的兼容性，安全性也比較高。（2）實現低電壓穿越成本低，不需要增加專門的設備。缺點是成本較高。

4.3 方案選擇

為保證系統的高效可靠運行，發電系統同時采用2種方案互補運行，使系統具有更高的性價比。即16臺2MW發電機，其中8臺采用雙饋發電機-部分功率變流器系統，另8臺采用同步發電機-全功率變流器系統。

5 PLC控制系統

PLC控制系統是風機的控制核心，能夠保證風力發電機組在最優狀態下安全穩定運行，系統具有極高的先進性、可靠性和安全等級以適應風機現場惡劣的運行環境。系統由1個PLC主站、8個子站組成，每個子站控制兩臺發電機，通過現場總線與變流器、現場儀表等設備通訊如圖2。

圖2 PLC控制系統圖

5.1 控制器及IO模塊

控制器及IO模塊選擇具有抗干擾性強、控制靈活、處理速度快、擴展方便、通訊協議豐富等特點的設備。通過采集現場溫度、壓力、振動等環境參數信號完成系統功率控制、啟動、停止、安全保護、輔機控制等功能。

5.2 通訊網絡

通訊網絡采用工業總線協議和以太協議兩種方式。

變流器、風速儀等現場檢測儀表與PLC子站之間采用工業總線協議進行通訊。現場級工業總線網絡高速、經濟、可靠，可以實現現場數據的快速傳輸，降低安裝和維護成本，提高系統的抗干擾能力。

PLC主站和控制室人機交互系統及狀態監測系統之間采用工業以太協議進行通訊，具有通信速率高、兼容性好等優勢。

5.3 狀態監測系統

本設計在頂部軸承、底部軸承、中間軸承、減速機軸承等處設置了在線振動檢測點，用以監測關鍵軸承的運行狀況，記錄并分析其變化趨勢，實現報警和預報警功能，提高軸承運行效率，改進維護計劃，提高設備壽命。

6 人機交互系統

人機交互系統布置在中控室，完成生產過程的自動化監控與調度等功能，由服務器、操作員站、工程師站、網絡交換機等設備構成。可實時對風機機組現場設備進行監視、操作和維護，全面掌握設備的運行狀況，出現故障時能夠及時報警，分析故障原因并存儲。

7 工業電視監控系統

工業電視監控系統由攝像頭和監控中心組成。在每層發電平臺分別布置4個攝像頭對電氣設備進行實時監控，硬盤錄像機、控制器和監視器等設備構成的監控中心安裝于中控室。

工業電視系統使風機管理者通過圖像直觀地監視電氣設備的運行情況，進行正常的作業和指揮調度。保證發電質量，提高生產效率。當圖像顯示異常信息時，可以及時予以發現，以便采用緊急措施迅速處理，排除故障，杜絕事故蔓延，避免導致人機傷亡。

8 結語

本文從實際需求出發，以先進性、實用性、穩定性、安全性和易維護性為原則，探索了特大功率垂直軸風力發電機組電控系統的設計方案，后期還需要進行實際工程驗證和修正，對同類型風機機組電控系統的工程設計具有一定的借鑒和參考意義。