風力發電電氣控制系統的設計與關鍵技術分析

摘 要：為探討風力發電電氣控制系統的設計，首先對風力發電系統的工作原理進行分析，揭示風力發電從風能捕獲到電能轉換的全過程。在此基礎上，進一步闡述風電機組的運行過程，包括風輪的旋轉、機械能的傳遞以及發電機的工作機制等關鍵環節。然后設計電控系統的控制結構，明確各組成部分的功能與相互關系，確保系統的高效穩定運行。最后對風電機組電控系統的具體功能需求和關鍵技術進行分析，包括轉速與功率控制技術、變槳控制技術等，為未來風力發電技術的進一步發展提供了實踐指導與理論依據。

關鍵詞：風力發[A2]"電" 電氣控制技術" 系統設計" 變槳控制技術

中圖分類號：TM614

Design and Key Technology AnalysisApplication Practice Architecture Design of Wind Power Electrical Control SystemTechnology

XU Mingyan¹ "TANG Liulang²

1.Jiangsu Yangzhou Technician College， Yangzhou， Jiangsu Province， 225000 China; 2. Yangzhou Industrial Vocational and Technical CollegePolytechnic Institute， Yangzhou， Jiangsu Province， 225000 China

Abstract： To explore the design of electrical control systems for wind power generation， the working principle of the wind power generation system is first analyzed， revealing the entire process of wind power generation from wind energy capture to electrical energy conversion. On this basis， it further elaborates on the operation process of wind turbines， including key links such as the rotation of wind turbines， the transmission of mechanical energy， and the working mechanism of generators. Then， it designs the control structure of the electronic control system， clarifiesy the functions and interrelationships of each component， and ensures the efficient and stable operation of the system. Finally， the specific functional requirements and key technologies of the wind turbine electrical control system were analyzed， including speed and power control technology， variable pitch control technology， etc.， providing practical guidance and theoretical basis for the further development of wind power generation technology in the future.

Key Wwords： Wind power generation; Electrical control technology; System design; Variable pitch control technology

隨著社會發展，電力是現代社會不可或缺的能源。風力發電是可再生能源重要部分，因清潔、可再生受廣泛關注。在風力發電系統里，電氣控制技術作用至關重要，既影響發電效率，又關系系統穩定性與安全性^[1]。所以，電力行業及相關機構[ 3]"亟須深化對該技術研究，尤其在電氣系統設計層面，要提高其運用效率。鑒于公眾電力需求不斷攀升，導致能源消耗大增，風能發電可以降低能耗、提升發電環保性，電力企業應高度關注其電氣控制技術研發。

1. "風力發電電氣控制系統設計

1.1" 風電機組工作原理

圖1顯示，雙饋型風電機組通過風能轉換技術工作。風力驅動風輪，通過齒輪箱放大轉速，轉化為高速軸旋轉，將風動力轉換為機械能。高速軸帶動雙饋感應發電機轉子產生電磁效應。雙饋電機精確控制轉子勵磁電流，由變頻器調整以優化性能。定子產生的三相交流電壓與電網同步，高效轉換風能為電能，保證電能質量穩定。轉子繞組使用可調節頻率的三相電源，提供電機靈活性和可控性。調整勵磁電流參數可以控制電機狀態，響應負荷變化，維持系統穩定。

1.2" 風電機組運行過程

雙饋風力發電系統運行流程涉及6個主要環節：一是預備階段，風速達3 m/s[ 5]"時進入待命模式，設備靜止，偏航系統運行收集數據；二是風速持續超 3 m/s且信號正常，主控系統啟動程序，調整風輪葉片攻角提升轉速；三是系統低功率運行，風速未達額定值時，葉片攻角約設為3°，可以調整發電機輸出功率；四是風速超額定風速，系統進入額定功率運行階段，變槳距控制系統運作，調整攻角保持輸出功率在額定值附近；五是常規停機，偏航系統停止，風機葉片順槳鎖定；六是遇緊急情況，風機葉片立即順槳，偏航系統與主軸剎車系統啟動執行緊急制動程序。

1.3" 電控系統結構設計

本系統結構分為策略層、協調層、執行層3層，如圖2所示。

1.3.1" 策略層

[A6]"依據風力發電系統運行狀態、電網需求及風電場全局策略制定最優發電策略，包括功率優化控制、故障預測與隔離、并網控制策略等。例如：通過監測風速、風向數據，能夠預測并調整發電機輸出功率，確保電網穩定接入。

1.3.2" 協調層

[A7]"主要把上層策略轉為具體控制指令，協調多個下層控制單元。其控制策略有功率平衡控制、電壓/頻率調節、動態無功補償等。

1.3.3" 執行層

[A8]"為電氣控制系統最直接操作層面，按中層控制指令對風力發電機、變流器、電容器等設備精確控制，包括發電機轉速控制、電流控制、電壓控制等，確保設備穩定運行與電能質量達標。

1.4" 電控系統設計方案

雙饋風電機組的電氣控制體系結構復雜，主要由四大核心組成部分構成：一是監控系統，包含監控軟件和工業以太網，負責整體運行的監測與調控；二是變槳系統，集成有變槳傳感器、變槳執行器、變槳控制器以及變槳電池組，確保葉片角度的精準調整；三是主控系統，由控制單元、傳感器單元、執行單元和總線單元集成，對機組運行狀態實施全面控制；四是變流系統，由整流單元、逆變單元、控制單元和濾波單元構成，實現電能的轉換與調節，以滿足電網接入標準。

2" 風電機組電控系統功能設計

2.1" 主配電系統

風電設備的主配電結構主要基于變壓器供給的三相交流電運行。對于采用雙饋發電機和變頻技術的系統，大部分電力被直接有效利用，剩余部分則通過變壓器進行精確的分配^[3]。每條饋電線路的入口處都配備了必要的保護裝置，如保險絲，其功能在于：當遭遇電氣故障時能夠自動斷開電源，阻止故障蔓延至其他設備或系統，從而保障整體系統的安全運行。

2.2" 中央監控系統

首先，其通信管理能力是核心特性之一。系統可以自動與預設風電機組建立通信連接，保障數據穩定傳輸，遇通信中斷能夠自我恢復連接，提高了系統可靠性與穩定性。其次，中央監控系統有強大曲線繪制功能，能夠生成風速趨勢曲線，揭示風速與風電機組輸出功率關系，是評估性能的重要工具；其還能夠繪制風速分布曲線，為風電機組優化運行提供數據支持。再次，監控功能是系統的重要部分，專注監測風電機組運行狀態，包括關鍵參數、運行模式及異常報警，確保設備正常運行。最后，遠程控制功能讓操作人員能夠在中央控制室內對風電機組進行遠程操作，如啟停、復位等，提高了運維效率^[4]。

2.3" 塔底主控系統

塔底主控系統是風力發電機組核心，負責數據采集、控制和信號處理。它向外部設備發指令，處理機艙反饋，執行邏輯判斷、偏航和液壓控制。與變槳控制柜通信，同步處理信號以精確控制變槳。監控變流系統，根據風力調整扭矩需求，確保最佳功率輸出。其組成部分包括控制液壓系統啟停的模塊、機艙的自動風向跟蹤系統、自動解纜功能以及濕度和溫度調節等模塊^[5]。系統運行過程中，首先執行系統初始化和電源啟動，隨后對執行機構和相關信號進行復位和狀態檢查。在確認無異常情況后，系統將完成初始化，進入準備階段，此時，操作人員需要確認停機信號的正常性以及風機啟動的準備情況。

3 "關鍵控制技術

3.1 "變槳控制技術

調整風輪葉片的角度來改變風力對葉片的推力，從而控制風力發電機的功率輸出^[6]。這一過程類似于飛行員調整飛機的機翼角度以適應不同的飛行條件。精確的變槳控制可以確保風力發電機在各種風速下都能保持最佳的工作狀態，有效避免過載和失速現象。

3.2 "轉速與功率控制技術

通過調節發電機的電磁阻力來控制風輪的轉速，以保持風力發電系統的穩定運行。同時，這種技術還能實現功率的平滑調節，確保電網的電能質量。例如：當風速增加時，控制系統會增大發電機的阻力，降低風輪轉速，以限制功率的過快增長，防止對電網造成沖擊^[7]。

4 "結語

綜上所述，風力發電電氣控制系統的設計是一項涉及多學科交叉的復雜任務，需要在技術先進性、經濟可行性和運行安全性等多個維度進行綜合考量，以保障風能發電能夠沿著高效、穩定且可持續的發展道路不斷前行。

參考文獻

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