風力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究

風力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究一．風力發(fā)電機控制系統(tǒng)

風力發(fā)電機由多個部分組成，而控制系統(tǒng)貫穿到每個部分，相當于風電系統(tǒng)的神經(jīng)。因此控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到風力發(fā)電機的工作狀態(tài)、發(fā)電量的多少以及設備的安全。目前風力發(fā)電亟待研究解決的的兩個問題：發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量都和風電控制系統(tǒng)密切相關(guān)。對此國內(nèi)外學者進行了大量的研究，取得了一定進展，隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，為風電控制系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)基礎

1.1控制系統(tǒng)的組成

風力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標分為三個層次：這就是保證風力發(fā)電機組安全可靠運行，獲取最大能量，提供良好的電力質(zhì)量。

控制系統(tǒng)組成主要包括各種傳感器、變距系統(tǒng)、運行主控制器、功率輸出單元、無功補償單元、并網(wǎng)控制單元、安全保護單元、通訊接口電路、監(jiān)控單元。

具體控制內(nèi)容有：信號的數(shù)據(jù)采集、處理，變槳控制、轉(zhuǎn)速控制、自動最大功率點跟蹤控制、功率因數(shù)控制、偏航控制、自動解纜、并網(wǎng)和解列控制、停機制動控制、安全保護系統(tǒng)、就地監(jiān)控、遠程監(jiān)控。當然對于不同類型的風力發(fā)電機控制單元會不相同。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下：

針對上述結(jié)構(gòu)，目前絕大多數(shù)風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)都采用集散型或稱分布式控制系統(tǒng)（DCS）工業(yè)控制計算機。采用分布式控制最大優(yōu)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(xiàn)場適應性強，便于控制程序現(xiàn)場調(diào)試及在機組運行時可隨時修改控制參數(shù)。并與其他功能模塊保持通信，發(fā)出各種控制指令。目前計算機技術(shù)突飛猛進，更多新的技術(shù)被應用到了DCS之中。PLC是一種針對順序邏輯控制發(fā)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(gòu)成控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線技術(shù)(FCS)在進入九十年代中期以后發(fā)展也十分迅猛，以至于有些人已做出預測：基于現(xiàn)場總線的FCS將取代DCS成為控制系統(tǒng)的主角。1.2風力發(fā)電機控制技術(shù)

風力發(fā)電系統(tǒng)中的控制技術(shù)和伺服傳動技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)，這是因為自然風速的大小和方向是隨機變化的，風力發(fā)電機組的并網(wǎng)和退出電網(wǎng)、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(qū)通常都是邊遠地區(qū)或是海上，分散布置的風力發(fā)電機組通常要求能夠無人值班運行和遠程監(jiān)控，這就對風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)的自動化程度和可靠性提出了很高的要求。

與一般工業(yè)控制過程不同，風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風況和機組運行參數(shù)，對機組運行進行控制。而且還要根據(jù)風速與風向的變化，對機組進行優(yōu)化控制，以提高機組的運行效率和發(fā)電量。

20世紀80年代中期開始進入風力發(fā)電市場的定槳距風力發(fā)電機組，主要解決了風力發(fā)電機組的并網(wǎng)問題和運行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動力剎車技術(shù)、偏航與自動解纜技術(shù)，這些都是并網(wǎng)運行的風力發(fā)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(jié)距角在安裝時已經(jīng)固定；而發(fā)電機轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)頻率限制。因此，只要在允許的風速范圍內(nèi)，定槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)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(shù)和相應的伺服傳動技術(shù)，使得定槳距風力發(fā)電機組能夠在較短時間內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化運行。

20世紀90年代開始，風力發(fā)電機組的可靠性已經(jīng)大大提高，變槳距風力發(fā)電機組開始進入風力發(fā)電市場。采用全變槳距的風力發(fā)電機組，起動時可對轉(zhuǎn)速進行控制，并網(wǎng)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(fā)電機組的變槳距系統(tǒng)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)的水平提高到一個新的階段。

由于變距風力發(fā)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(shù)的各種變速風力發(fā)電機組開始進入風電場。變速風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)與定速風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)的根本區(qū)別在于，變速風力發(fā)電機組是把風速信號作為控制系統(tǒng)的輸入變量來進行轉(zhuǎn)速和功率控制的。變速風力發(fā)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(fā)電機組具有最高的風能轉(zhuǎn)換效率；高于額定風速時，它增加了傳動系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加穩(wěn)定。特別是解決了高次諧波與功率因數(shù)等問題后，使供電效率、質(zhì)量有所提高。

隨著計算機技術(shù)與先進的控制技術(shù)應用到風電領(lǐng)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(fā)展。

目前的控制方法是：當風速變化時通過調(diào)節(jié)發(fā)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(xiàn)風能的最大捕獲?？刂品椒ɑ诰€性化模型實現(xiàn)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(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方法會產(chǎn)生較大誤差。因此近些年國內(nèi)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(tǒng)。如采用模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡智能控制、魯棒控制等。使風機控制向更加智能方向發(fā)展。二．風力發(fā)電機機組及類型

對于不同類型的風力發(fā)電機，控制單元會有所不同，但主要是因為發(fā)電機的結(jié)構(gòu)或類型不同而使得控制方法不同，加上定槳距和變槳距，形成多種結(jié)構(gòu)和控制方案。

2.1風力發(fā)電機組的類型(漿葉的不同)

2.1.1定槳距失速調(diào)節(jié)型風力發(fā)電機組定槳距是指槳葉與輪轂的連接是固定的，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。失速是指槳葉本身所具有的失速特性，當風速高于額定風速時，氣流將在槳葉的表面產(chǎn)生渦流，使效率降低，產(chǎn)生失速，來限制發(fā)電機的功率輸出。為了提高風電機組在低風速時的效率，通常采用雙速發(fā)電機（即大/小發(fā)電機）。在低風速段運行的，采用小電機使槳葉具有較高的氣動效率，提高一些發(fā)電機的運行效率。

定槳失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點是失速調(diào)節(jié)由指槳葉本身完成，簡單可靠，當風速變化引起的輸出功率的變化只通過槳葉的被動失速調(diào)節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，使控制系統(tǒng)大為減化。但是在輸入變化的情況下，風力發(fā)電機組只有很小的機會能運行在最佳狀態(tài)下，因此機組的整體效率較低。通常很少應用在兆瓦級以上的大型風力機上。

2.1.2變槳距調(diào)節(jié)型風力發(fā)電機組

變獎距是指安裝在輪轂上的葉片通過控制可以改變其槳距角的大小。在運行過程中，當輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在0°位置不變，不作任何調(diào)節(jié)；當發(fā)電機輸出功率達到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率。此時控制系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制。

2.1.3主動失速調(diào)節(jié)型風力發(fā)電機組

將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風力發(fā)電機組相結(jié)合，充分吸取了被動失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點，槳葉采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)。在低風速肘，將槳葉節(jié)距調(diào)節(jié)到可獲取最大功率位置，槳距角調(diào)整優(yōu)化機組功率的輸出；當風力機發(fā)出的功率超過額定功率后，槳葉節(jié)距主動向失速方向調(diào)節(jié)，將功率調(diào)整在額定值上。由于功率曲線在失速范圍的變化率比失速前要低得多，控制相對容易，輸出功率也更加平穩(wěn)。

根據(jù)風機轉(zhuǎn)速分有恒速恒頻和變速恒頻兩種，恒速恒頻機組的整體效率較低,而變速恒頻這種調(diào)節(jié)方式是目前公認的最優(yōu)化調(diào)節(jié)方式，也是未來風電技術(shù)發(fā)展的主要方向。變速恒頻的優(yōu)點是大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運行轉(zhuǎn)速，來適應因風速變化而引起的風力機功率的變化，可以最大限度的吸收風能，因而效率較高?？刂粕弦埠莒`活，可以較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率、無功功率，但控制系統(tǒng)較為復雜。

2.1發(fā)電機類型（根據(jù)變速恒頻）

2.1.1異步感應發(fā)電機

通過晶閘管控制的軟并網(wǎng)裝置接入電網(wǎng)，并網(wǎng)沖擊電流較大。另外需要電容無功補償裝置?？刂齐娐泛唵?。各大風力發(fā)電制造商如：Vestas，NEG，Micon，Nordex都有此類產(chǎn)品。

2.1.2繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機

對于繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機可以采用功率輔助調(diào)節(jié)方式，即轉(zhuǎn)子電流控制（RCC）方式來配合變漿距機構(gòu)，共同完成發(fā)電機輸出功率的調(diào)節(jié)。在繞線轉(zhuǎn)子輸入由電力電子裝置控制的發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流，可以加大異步發(fā)電機轉(zhuǎn)差率（可到10％），使得發(fā)電機在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)向電網(wǎng)送電。以提高異步發(fā)電機的風能利用

2.1.3雙饋發(fā)電機

雙饋電機的結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應電機，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三根電源激勵，所不同的是轉(zhuǎn)子繞組具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵，一般采用交一交變頻器或交一直一交變頻器供以低頻電流。

雙饋電機勵磁可調(diào)量有三個：一是可以調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值；二是可以改變勵磁電流的頻率；三是可以改變勵磁電流的相位．通過改變勵磁頻率，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速．這樣在負荷突然變化時，迅速改變電機的轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子的動能，釋放和吸收負荷，對電網(wǎng)的擾動遠比常規(guī)電機小。另外，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值和相位，來調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。

雙饋電機控制系統(tǒng)通過變頻器控制器對逆變電路小功率器件的控制，可以改變雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值。頻率及相位角，達到調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速、有功功率和無功功率的目的。既提高了機組的效率，又對電網(wǎng)起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的作用。下圖是雙饋電機控制簡要框圖。

整個控制系統(tǒng)可分為：轉(zhuǎn)速調(diào)整單元、有功功率調(diào)整單元和電壓調(diào)整單元（無功功率調(diào)整）。它們分別接受風速和轉(zhuǎn)速。有功功率、無功功率指令，并產(chǎn)生一個綜合信號，送給勵磁控制裝置，改變勵磁電流的幅值。頻率與相位角，以滿足系統(tǒng)的要求。由于雙饋電機既可調(diào)節(jié)有功功率；又可調(diào)節(jié)無功功率，有風時，機組并網(wǎng)發(fā)電；無風時，也可作抑制電網(wǎng)頻率和電壓波動的補償裝置。

雙饋電機應用于風力發(fā)電中，可以解決風力機轉(zhuǎn)速不可調(diào)。機組效率低等問題。同時，由于雙饋電機對無功功率。有功功率均可調(diào)，對電網(wǎng)可起到穩(wěn)壓。穩(wěn)頻的作用，提高了發(fā)電質(zhì)量。與同步機交一直一交系統(tǒng)相比，它還具有變頻裝置容量?。ㄒ话銥榘l(fā)電機額定容量的10％～20％左右）、重量輕的優(yōu)點。但這種結(jié)構(gòu)也還存在一些問題，如控制電路復雜一些，不同的控制方法效果有一定差異。另外該結(jié)構(gòu)比其他結(jié)構(gòu)更容易受到電網(wǎng)故障的影響。

目前國內(nèi)有多家開發(fā)成功雙饋電機控制系統(tǒng)，如蘭州電機有限責任公司與清華大學、沈陽工業(yè)大學合作研制的兆瓦級變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)控制設備，采用全數(shù)字化矢量控制方法。中科院電工研究所研制的兆瓦級變速恒頻風電機組電控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用IGBT技術(shù)、雙PWM雙向可逆變流控制。風力發(fā)電機控制系統(tǒng)（六）

2.1.4永磁直驅(qū)同步發(fā)電機

永磁直驅(qū)同步發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖：

由變漿距風輪機直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機，省去了增速用齒輪箱。發(fā)電機輸出先經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?，再?jīng)IGBT（絕緣柵雙極晶體管）逆變器將電能送到電網(wǎng)。對風力發(fā)電機工作點的控制是通過控制逆變器送到電網(wǎng)的電流實現(xiàn)對直流環(huán)節(jié)電壓的控制，從而控制風輪機的轉(zhuǎn)速。

發(fā)電機發(fā)出電能的頻率、電壓、電功率都是隨著風速的變化而變化的，這樣有利于最大限度地利用風能資源，而恒頻恒壓并網(wǎng)的任務則由整流逆變系統(tǒng)系統(tǒng)完成。

除了永磁直驅(qū)同步發(fā)電機可以直接并網(wǎng)外，還可以構(gòu)成風力發(fā)電機（群），比如ABB公司的“Windformer”采用的是高壓永磁直驅(qū)同步發(fā)電機（群），結(jié)構(gòu)如下：

單機容量為3～5MW，輸出額定電壓高達20kV，頻率為5～10Hz，每一臺發(fā)電機機端只配置有整流器，把交流變換為直流，通過直流母線實現(xiàn)與風電場其他機組(群)的并聯(lián)運行，既提高了可靠性，又改進了效率。風電場由一臺大容量公用逆變器把直流母線的直流電轉(zhuǎn)換成50Hz的交流電，電壓為12kV，可直接并入當?shù)仉娋W(wǎng)使用，也可經(jīng)變壓器升壓至更高電壓后并入更高壓電網(wǎng)傳輸?shù)竭h處。

永磁直驅(qū)同步發(fā)電機系統(tǒng)存在的缺點是：對永磁材料的性能穩(wěn)定性要求高，電機重量增加。另外，IGBT逆變器的容量較大，一般要選發(fā)電機額定功率的120％以上。

但使用IGBT逆變器也帶來一些好處：①使用脈寬調(diào)制（PWM）獲得正弦形轉(zhuǎn)子電流，電機內(nèi)不會產(chǎn)生低次諧波轉(zhuǎn)矩，改善了諧波性能。②有功功率和無功功率的控制更為方便。③大功率IGBT很容易驅(qū)動。④IGBT有很好的電流共享特性，這對于要達到風力發(fā)電機所需的功率水平，進行并聯(lián)使用是非常必要。⑤開關(guān)時間短，導通時間不到1毫秒，關(guān)斷時間小于6毫秒，使得管子功耗小。⑥目前單管容量已經(jīng)較大，如Eupec公司的FZ600R65KF1等器件，可以在6kV電壓下控制1.2kA電流，F(xiàn)Z3600R12KE3等低電壓器件，可以在1.2kV電壓下開關(guān)3.6kA電流。

發(fā)電機控制系統(tǒng)除了控制發(fā)電機“獲取最大能量”外，還要使發(fā)電機向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能。因此要求發(fā)電機控制系統(tǒng)：①盡可能產(chǎn)生較低的諧波電流，②能夠控制功率因數(shù)，③使發(fā)電機輸出電壓適應電網(wǎng)電壓的變化，④向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率

目前國內(nèi)外兆瓦級以上技術(shù)較先進的、有發(fā)展前景的風力發(fā)電機組主要是雙饋型風力發(fā)電機組和永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組，二者各有優(yōu)缺點。單從控制系統(tǒng)本身來講，永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組控制回路少，控制簡單，但要求逆變器容量大。而雙饋型風力發(fā)電機組控制回路多，控制復雜些，但控制靈活，尤其是對有功、無功的控制，而且逆變器容量小得多。

雙饋型風力發(fā)電機組與永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組的綜合比較：

三.風電機的運行控制

3.1無功補償控制

由于異步發(fā)電機要從電網(wǎng)吸收無功功率，使風電機組的功率因數(shù)降低，而并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組一般要求其功率因數(shù)達到0．99以上，所以必須用電容器組進行無功補償．由于風速變化的隨機性，在達到額定功率前，發(fā)電機的輸出功率大小是隨機變化的，因此對補償電容的投入與切除需要進行自動控制，由計算機根據(jù)輸出無功功率的變化，控制補償電容器分段投入或切除，保證功率因數(shù)達到要求。對于雙饋發(fā)電機，是直接由控制系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)無功功率的。

3.2偏航與自動解纜控制

①自動對風正常運行時偏航控制系統(tǒng)自動對風，即當機艙偏離風向一定角度時，控制系統(tǒng)發(fā)出向左或向右調(diào)向的指令，機艙開始對風，當達到允許的誤差范圍內(nèi)時，自動對風停止。

②自動解纜當機艙向同一方向累計偏轉(zhuǎn)2.3圈后，若此時風速小于風電機組啟動風速且無功率輸出，則停機，控制系統(tǒng)使機艙反方向旋轉(zhuǎn)2.3圈解繞；若此時機組有功率輸出，則暫不自動解繞；若機艙繼續(xù)向同一方向偏轉(zhuǎn)累計達3圈時，則控制停機，解繞；若因故障自動解繞未成功，在扭纜達4圈時，扭纜機械開關(guān)將動作，此時報告扭纜故障，自動停機；等待人工解纜操作。

③風輪保護當有特大強風發(fā)生時，停機并釋放葉尖阻尼板，槳距調(diào)到最大，偏航90度背風，以保護風輪免受損壞。

3.3停機控制

當控制器發(fā)出正常停機指令后，風電機組將按下列程序停機：①切除補償電容器；②釋放葉尖阻尼板；③發(fā)電機脫網(wǎng)；④測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降到設定值后，投入機械剎車；⑤若出現(xiàn)利車故障則收槳，機艙偏航如90度背風。

當出現(xiàn)緊急停機故障時，執(zhí)行如不停機操作：首先切除補償電容器，葉尖阻尼板動作，延時0．3秒后卡鉗閘動作。檢測瞬時功率為負或發(fā)電機轉(zhuǎn)達小于同步速時；發(fā)電機解列（脫網(wǎng)），若制動時間超過20秒，轉(zhuǎn)速仍未降到某設定值，則收槳，機艙偏航90度背風。

四.安全保護系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)是風力發(fā)電機組核心部件，是風力發(fā)電機組安全運行根本保證，所以為了提高風力發(fā)電機組運行安全性，必須認真考慮控制系統(tǒng)的安全性和可靠性問題。

4.1雷電安全保護

多數(shù)風機都安裝在山谷的風口處、山頂上、空曠的草地、海邊海島等，易受雷擊，安裝在多雷雨區(qū)的風力發(fā)電機組受雷擊的可能性更大，其控制系統(tǒng)大多為計算機和電子器件，最容易因雷電感應造成過電壓損壞，因此需要考慮防雷問題。一般使用避雷器或防雷組件吸收雷電波。

當雷電擊中電網(wǎng)中的設備后，大電流將經(jīng)接地點泄入地網(wǎng)，使接地點電位大大升高，若控制設備接地點靠近雷擊大電流的入地點，則電位將隨之升高，會在回路中形成共模干擾，引起過電壓，嚴重時會造成相關(guān)設備絕緣擊穿。

根據(jù)國外風場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，風電場因雷擊而損壞的主要風電機部件是控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。雷擊事故中的40％～50％涉及到風電機控制系統(tǒng)的損壞，15％～25％涉及到通訊系統(tǒng)，15％～20％涉及到風機葉片，5％涉及到發(fā)電機。

我國一些風場統(tǒng)計雷擊損壞的部件主要也是控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的通訊部件。這說明以電纜傳輸?shù)?～20mA電流環(huán)通信方式和RS485串行通信方式由于通訊線長，分布廣，部件多，最易受到雷擊，而控制部件大部分是弱電器件，耐過壓能力低，易造成部件損壞。

防雷是一個系統(tǒng)工程，不能僅僅從控制系統(tǒng)來考慮，需要在風電場整體設計上考慮，采取多層防護措施。

4.2運行安全保護

1）大風安全保護：一般風速達到25米/秒（10分鐘）即為停機風速，機組必須按照安全程序停機，停機后，風力發(fā)電機組必須90度對風控制。

2）參數(shù)越限保護：各種采集、監(jiān)控的量根據(jù)情況設定有上、下限值，當數(shù)據(jù)達到限定值時，控制系統(tǒng)根據(jù)設定好的程序進行自動處理。

3)過壓過流保護：當裝置元件遭到瞬間高壓沖擊和電流過流時所進行的保護。通常采用隔離、限壓、高壓瞬態(tài)吸收元件、過流保護器等

4)震動保護：機組應設有三級震動頻率保護，震動球開關(guān)、震動頻率上限1、震動頻率極限2，當開關(guān)動作時，控制系統(tǒng)將分級進行處理。

5)開機關(guān)機保護：設計機組開機正常順序控制，確保機組安全。在小風、大風、故障時控制機組按順序停機。

4.3電網(wǎng)掉電保護

風力發(fā)電機組離開電網(wǎng)的支持是無法工作的，一旦有突發(fā)故障而停電時，控制器的計算機由于失電會立即終止運行，并失去對風機的控制，控制葉尖氣動剎車和機械剎車的電磁閥就會立即打開，液壓系統(tǒng)會失去壓力，制動系統(tǒng)動作，執(zhí)行緊急停機。緊急停機意味著在極短的時間內(nèi)，風機的制動系統(tǒng)將風機葉輪轉(zhuǎn)數(shù)由運行時的額定轉(zhuǎn)速變?yōu)榱?。大型的機組在極短的時間內(nèi)完成制動過程，將會對機組的制動系統(tǒng)、齒輪箱、主軸和葉片以及塔架產(chǎn)生強烈的沖擊。緊急停機的設置是為了在出現(xiàn)緊急情況時保護風電機組安全的。然而，電網(wǎng)故障無須緊急停機；突然停電往往出現(xiàn)在天氣惡劣、風力較強時，緊急停機將會對風機的壽命造成一定影響。另外風機主控制計算機突然失電就無法將風機停機前的各項狀態(tài)參數(shù)及時存儲下來，這樣就不利于迅速對風機發(fā)生的故障作出判斷和處理。針對上述情況，可以在控制系統(tǒng)電源中加設在線UPS后備電源，這樣當電網(wǎng)突然停電時，UPS自動投入，為風電機控制系統(tǒng)提供電力，使風電控制系統(tǒng)按正常程序完成停機過程。

4.4緊急停機安全鏈保護

系統(tǒng)的安全鏈是獨立于計算機系統(tǒng)的硬件保護措施，即使控制系統(tǒng)發(fā)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(fā)電機造成致命傷害的超常故障串聯(lián)成一個回路，當安全鏈動作后將引起緊急停機，執(zhí)行機構(gòu)失電，機組瞬間脫網(wǎng)，控制系統(tǒng)在3秒左右，將機組平穩(wěn)停止，從而最大限度地保證機組的安全。發(fā)生下列故障時將觸發(fā)安全鏈：葉輪過速、機組部件損壞、機組振動、扭纜、電源失電、緊急停機按鈕動作。

4.5微機控制器抗干擾保護

風電場控制系統(tǒng)的主要干擾源有：工業(yè)干擾：如高壓交流電場、靜電場、電弧、可控硅等，自然界干擾：雷電沖擊、各種靜電放電、磁爆等；高頻干擾：微波通訊。無線電信號、雷達等。這些干擾通過直接輻射或由某些電氣回路傳導進入的方式進入到控制系統(tǒng)，干擾控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。從干擾的種類來看，可分為交變脈沖干擾和單脈沖干擾兩種，它們均以電或磁的形式干擾控制系統(tǒng)。

參考國家（國際）關(guān)于電磁兼容（EMC）的有關(guān)標準，風電場控制設備也應滿足相關(guān)要求。如：GB／T13926.1（IEC8011）工業(yè)過程測量和控制裝置的電磁兼容性總論

GB／T13926.2（IEC8011）工業(yè)過程測量和控制裝置的電磁兼容性靜電放電要求

GB／T13926.3（IEC8011）工業(yè)過程測量和控制裝置的電磁兼容性輻射電磁場要求

GB／T13926.4（IEC8011）工業(yè)過程測量和控制裝置的電磁兼容性電快速瞬變脈沖群要求。

并應通過相關(guān)行業(yè)根根標準GB/T17626（IEC61000）進行的檢測。以保證設備的可靠性。

4.6接地保護

接地保護是非常重要的環(huán)節(jié)。良好的接地將確?？刂葡到y(tǒng)免受不必要的損害。在整個控制系統(tǒng)中通常采用以下幾種接地方式，來達到安全保護的目的。

工作接地、保護接地、防雷接地、防靜電接地、屏蔽接地。接地的主要作用一方面是為保證電器設備安全運行，另一方面是防止設備絕緣被破壞時可能帶電，以致危及人身安全。同時能使保護裝置迅速切斷故障回路，防止故障擴大。

要使風電機組可靠運行，需要在風電機組控制系統(tǒng)的保護功能設計上加以重視。在設計控制系統(tǒng)的時候，往往更注重系統(tǒng)的最優(yōu)化設計和提高可利用率，然而進行這些設計的前提條件卻是風電機組控制系統(tǒng)的安全保護，只有在確保機組安全運行的前提下，我們才可以討論機組的最優(yōu)化設計、提高可利用率等。因此，控制系統(tǒng)具備完善的保護功能，是風電機組安全運行的首要保證。

五.風電場的計算機監(jiān)控系統(tǒng)風電場計算機監(jiān)控系統(tǒng)分中央監(jiān)控系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由監(jiān)控計算機、數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)、信號轉(zhuǎn)換模塊、監(jiān)控軟件等組成。

中央監(jiān)控系統(tǒng)的功能是：對風力發(fā)電機進行實時監(jiān)測、遠程控制、故障報警、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)報表、曲線生成等。

中央監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：

5.1風機控制器

目前風電場所采用的風電機組都是以大型并網(wǎng)型機組為主，各機組有自己的控制系統(tǒng)，用來采集機組數(shù)據(jù)及狀態(tài)，通過計算、分析、判斷而控制機組的啟動、停機、調(diào)向、剎車和開啟油泵等一系列控制和保護動作，能使單臺風力發(fā)電機組實現(xiàn)全部自動控制，無需人為干預。

目前國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的下位機是指著風電機組的控制器。對于每臺風力發(fā)電機組來說，即使沒有上位機的參與，也能安全正確地工作。所以相對于整個監(jiān)控系統(tǒng)來說，下位機控制系統(tǒng)是一個子系統(tǒng)，具有在各種異常工況下單獨處理風電機組故障，保證風電機組安全穩(wěn)定運行的能力。從整個風電場的運行管理來說，每臺風電機組的下位控制器都應具有與上位機進行數(shù)據(jù)交換的功能，使上位機能隨時了解下位機的運行狀態(tài)并對其進行常規(guī)的管理性控制，為風電場的管理提供方便。因此，下位機控制器必須使各自的風力發(fā)電機組可靠地工作，同時具有與上位機通訊聯(lián)系的專用通訊接口。

國外進口的風機控制器主機一般采用專門設計的工業(yè)計算機或單板機。也有采用可編程控制器（PLC）。國內(nèi)生產(chǎn)的一般較多采用可編程控制器（如西門子S7-300），這樣硬件的可靠性和穩(wěn)定性好，尤其是對于海上風電維護不便，更需要高可靠的控制器。PLC模塊化的結(jié)構(gòu)方便組成各種所需單元?？刂破髦g的聯(lián)接也很方便，易于構(gòu)成主從式分散控制系統(tǒng)。

5.2計算機監(jiān)控系統(tǒng)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)負責管理各風電機組的運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)、保護裝置動作情況、故障類型等。為了實現(xiàn)上述功能，下位機（風機控制器）控制系統(tǒng)應能將機組的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和故障情況等通過專用的通訊裝置和接口電路與中央控制器的上位計算機通訊，同時上位機應能向下位機傳達控制指令，由下位機的控制系統(tǒng)執(zhí)行相應的動作，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

中央監(jiān)控系統(tǒng)一般運行在位于中央控制室的一臺通用PC機或工控機上，通過與分散在風電場上的每臺風力機就地控制系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)對全場風力機的集群監(jiān)控。風電場中央監(jiān)控機與風力機就地控制系統(tǒng)之間的通信屬于較遠距離的一對多通信。國內(nèi)現(xiàn)有的風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)一般采用RS485串行通信方式和4～20mA電流環(huán)通信方式。比較先進的通訊方式還有PROFIBUS通信方式、工業(yè)以太網(wǎng)通信方式等。

上述各種通訊方式能夠完成風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)中的通信問題，但具有各自的特點，主要通信方式簡要對比如下：

5.3監(jiān)控系統(tǒng)軟件

目前，我國各大風電場在引進國外風力發(fā)電機組的同時，一般也都配有相應的監(jiān)控系統(tǒng)，

但各有自己的設計思路和通訊規(guī)約，致使風電場監(jiān)控技術(shù)互不兼容。同時，控制界面全部是英文的也不利于運行人員操作。如果一個風電場中有多個廠家的多種機型的風電機組的話，就會給風電場的運行管理造成一定困難。如內(nèi)蒙輝騰錫勒風電廠就有約5種的監(jiān)控軟件。因此，國家在科技攻關(guān)計劃中除了對大型風電機組進行攻關(guān)外，也把風電場的監(jiān)控系統(tǒng)列入攻關(guān)計劃，以期開發(fā)出適合我國風電場運行管理的監(jiān)控系統(tǒng)。目前也有一些國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)成功并投入運行。如：新疆風能有限責任公司的“通用風電場中央及遠程監(jiān)控系統(tǒng)”。

風電場的監(jiān)控軟件應具有如下功能：①友好的控制界面。在編制監(jiān)控軟件時，應充分考慮到風電場運行管理的要求，應當使用中文萊單，使操作簡單，盡可能為風電場的管理提供方便。②能夠顯示各臺機組的運行數(shù)據(jù)，比如每臺機組的瞬時發(fā)電功率、累計發(fā)電量、發(fā)電小時數(shù)、風輪及電機的轉(zhuǎn)速和風速、風向等，將下位機的這些數(shù)據(jù)調(diào)入到上位機，在顯示器上顯示出來，必要時還應當用曲線或圖表的形式直觀地顯示出來。③顯示各風電機組的運行狀態(tài)。如開機、停車、調(diào)向、手／自動控制以及大利、發(fā)電機工作情況。通過各風電機組的狀態(tài)了解整個風電場的運行情況，這對整個風電場的管理是十分重要的。④能夠及時顯示各機組運行過程中發(fā)生的故障。在顯示故障時，應能顯示出故障的類型及發(fā)生時間，以便運行人員及時處理和消除故障，保證風電機組的安全和持續(xù)運行。⑤能夠?qū)︼L電機組實現(xiàn)集中控制。值班員在集中控制室內(nèi)，就能對下位機進行狀態(tài)設置和控制，如開機、停機、左右調(diào)向等。但這類操作必須有一定的權(quán)限，以保證整個風電場的運行安全。⑥歷史記錄。監(jiān)控軟件應當具有運行數(shù)據(jù)的定時打印和人工即時打印以及故障自動記錄的功能，以便隨時查看風電場運行狀況的歷史記錄情況。

監(jiān)控軟件的開發(fā)應盡可能在現(xiàn)有工業(yè)控制軟件的基礎上進行二次開發(fā)，這樣一方面可以縮短開發(fā)周期，另一方面現(xiàn)有的工業(yè)控制軟件技術(shù)成熟、應用廣泛，因此穩(wěn)定性好。隨著軟件的升級而方便地升級。而直接從底層開發(fā)的監(jiān)控軟件如果沒有強大的軟件隊伍，和經(jīng)驗豐富的軟件人員很難與之相比。

5.4遠程監(jiān)控系統(tǒng)

功能：實時查看就地風機運行情況、數(shù)據(jù)記錄。

實際上只要通訊網(wǎng)連通，理論上遠程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能和中央監(jiān)控系統(tǒng)一樣。但是為了安全起見目前國內(nèi)遠程監(jiān)控系統(tǒng)只完成監(jiān)視功能，隨著技術(shù)的發(fā)展，無人值班風電場的推出，遠程監(jiān)控系統(tǒng)將發(fā)揮更大作用。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)通訊網(wǎng)絡又是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)國家經(jīng)貿(mào)委關(guān)于“電網(wǎng)和電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡安全防護規(guī)定”，電力監(jiān)控系統(tǒng)和電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡均不得和互聯(lián)網(wǎng)相連。因此遠程監(jiān)控系統(tǒng)通常只能使用專線或電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡?？紤]到實際情況和需要，現(xiàn)在實現(xiàn)的風電場遠程監(jiān)控系統(tǒng)一般采用電話線進行通訊。

六.風力發(fā)電和電網(wǎng)的聯(lián)接

近年來大規(guī)模風力發(fā)電場的數(shù)量大幅度增加。由于風場大都位于海面上，或遙遠的鄉(xiāng)村、山區(qū)，如何將風場連接至電網(wǎng)是投資風力發(fā)電時一個重要的考慮因素。如果是海上風場，這個因素更為重要。除了建設需要考慮的問題外，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響也是需要考慮的重要因素。隨著風電場的容量越來越大，對電力系統(tǒng)的影響也越來越明顯，研究風電并網(wǎng)后對系統(tǒng)的影響己成為重要課題。

風電的隨機性使風電廠輸入系統(tǒng)的有功功率處于不易控制的變化之中，相應地風電場吸收的無功功率也處于變化之中。在系統(tǒng)重負荷或者臨近功率極限運行時，風速的突然變化將成為系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的擾動。

風電場所在地區(qū)往往遠離負荷中心，處于供電網(wǎng)絡的末端，而且需要消耗感性無功，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題更加突出。

在風電場規(guī)劃設計時，通常根據(jù)電力系統(tǒng)確定一個風電場的最大容量，但是不同廠家、型號的風力發(fā)電機組的功率曲線不同，無功電壓特性也不同。目前國內(nèi)采用的雙饋機組可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)無功，對系統(tǒng)來說起到了一定的穩(wěn)壓作用。

風電也給發(fā)電和運行計劃的制定帶來很多困難，需要重新評估系統(tǒng)的發(fā)電可靠性，分析風電的容量可信度，研究新的無功調(diào)度及電壓控制策略以保證風電場和整個系統(tǒng)的電壓水平及無功平衡，以及對孤立系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響等。

6.1風力發(fā)電機的并網(wǎng)

風力發(fā)電領(lǐng)域要解決的一個很重要的問題是風力發(fā)電機組的并網(wǎng)問題。目前在國內(nèi)和國外大量采用的是交流異步發(fā)電機，其并網(wǎng)方法也根據(jù)電機的容量不同和控制方式不同而變化。異步發(fā)電機并入網(wǎng)運行時，是靠滑差率來調(diào)整負荷的，其輸出的功率與轉(zhuǎn)速近乎成線性關(guān)系，因此對機組的調(diào)速要求不像同步發(fā)電機那么嚴格和精確，只要檢測到轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時就可并網(wǎng)，但異步發(fā)電機在并網(wǎng)瞬間會出現(xiàn)較大的沖擊電流（約為異步發(fā)電機額定電流的4~7倍），并使電網(wǎng)電壓瞬時下降。隨著風力發(fā)電機組單機容量的不斷增大，這種沖擊電流對發(fā)電機自身部件的安全及對電網(wǎng)的影響也愈加嚴重。過大的沖擊電流，有可能使發(fā)電機與電網(wǎng)連接的主回路中的自動開關(guān)斷開；而電網(wǎng)電壓的較大幅度下降，則可能會使電壓保護回路動作，從而導致異步發(fā)電機根本不能并網(wǎng)。當前在風力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異步發(fā)電機并網(wǎng)方法有以下幾種。

1.直接并網(wǎng)

這種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)時發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同，當風力驅(qū)動的異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速(達到99％～100%同步轉(zhuǎn)速)時即可并入電網(wǎng)；自動并網(wǎng)的信號由測速裝置給出，而后者通過自動空氣開關(guān)合閘完成并網(wǎng)過程。這種并網(wǎng)方式比同步發(fā)電機的準同步并網(wǎng)簡單，并網(wǎng)容易。但直接并網(wǎng)時會出現(xiàn)較大的沖擊電流（4～5倍發(fā)電機額定電流），電網(wǎng)電壓瞬時嚴重下降，因此這種并網(wǎng)方法只適用于異步發(fā)電機容量在百千瓦級以下或電網(wǎng)容量較大的情況下。中國最早引進的55KW風力發(fā)電機組及自行研制的50KW風力發(fā)電機組都是采用這種方法并網(wǎng)的。

2.準同期并網(wǎng)

與同步發(fā)電機準同步并網(wǎng)方式相同，在轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，先用電容勵磁，建立額定電壓，然后對已勵磁建立的發(fā)電機電壓和頻率進行調(diào)節(jié)和校正，使其與系統(tǒng)同步。當發(fā)電機的電壓、頻率、相位與系統(tǒng)一致時，將發(fā)電機投入電網(wǎng)運行。采用這種方式，若按傳統(tǒng)的步驟經(jīng)整步到同步并網(wǎng)，則仍須要高精度的調(diào)速器和整步、同期設備，不僅要增加機組的造價，而且從整步達到準同步并網(wǎng)所花費的時間很長，這是我們所不希望的。該并網(wǎng)方式合閘瞬間盡管沖擊電流很小，但必須控制在最大允許的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)運行，以免造成網(wǎng)上飛車。由于它對系統(tǒng)電壓影響極小，所以適合于電網(wǎng)容量比風力發(fā)電機組大不了幾倍的地方使用。

3.降壓并網(wǎng)

這種并網(wǎng)方法是在異步電機與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器，或者接入自耦變壓器，以達到降低并網(wǎng)合閘瞬間沖擊電流幅值及電網(wǎng)電壓下降的幅度。因為電阻、電抗器等元件要消耗功率，在發(fā)電機并入電網(wǎng)以后，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)時，必須將其迅速切除，這種并網(wǎng)方法適用于百千瓦級以上，容量較大的機組，顯見這種并網(wǎng)方法的經(jīng)濟性較差，中國引進的200KW異步風力發(fā)電機組，就是采用這種并網(wǎng)方式，并網(wǎng)時發(fā)電機每相繞組與電網(wǎng)之間皆串接有大功率電阻。

4.軟并網(wǎng)

這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機定子與電網(wǎng)之間通過每相串入一只雙向晶閘管連接起來，三相均有晶閘管控制。接入雙向晶閘管的目的是將發(fā)電機并網(wǎng)瞬間的沖擊電流控制在允許的限度內(nèi)。其并網(wǎng)過程：當風力發(fā)電機組接收到由控制系統(tǒng)內(nèi)微處理機發(fā)出的啟動命令后，先檢查發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序是否一致，若相序正確，則發(fā)出風力發(fā)電機組開始啟動的命令。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時（約為99%~100%同步轉(zhuǎn)速），雙向晶閘管的控制角同時逐步打開，異步發(fā)電機即通過晶閘管平穩(wěn)地并入電網(wǎng)；隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，電機的滑差率逐漸趨于零，當滑差率為零時，并網(wǎng)自動開關(guān)動作，雙向晶閘管被短接，異步發(fā)電機的輸出電流將不再經(jīng)雙向晶閘管，而是通過已閉合的自動開關(guān)直接流入電網(wǎng)。在發(fā)電機并網(wǎng)后，應立即在發(fā)電機端并入補償電容，將發(fā)電機的功率因數(shù)（COSφ）提高到0.95以上。

這種軟并網(wǎng)方法的特點是通過控制晶閘管的導通角，將發(fā)電機并網(wǎng)瞬間的沖擊電流值限制在規(guī)定的范圍內(nèi)（一般為1.5倍額定電流以下，從而得到一個平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程。通過晶閘管軟并網(wǎng)方法將風力驅(qū)動的異步發(fā)電機并入電網(wǎng)是目前國內(nèi)外中型及大型風力發(fā)電機組中普遍采用的，中國引進和自行開發(fā)研制生產(chǎn)的250KW、300KW、600KW的并網(wǎng)型異步風力發(fā)電機組，都是采用這種并網(wǎng)技術(shù)。

七.并網(wǎng)后需要關(guān)注的主要問題

7.1電能質(zhì)量

根據(jù)國家標準，對電能質(zhì)量的要求有五個方面：電網(wǎng)高次諧波、電壓閃變與電壓波動、三相電壓及電流不平衡、電壓偏差、頻率偏差。風電機組對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的主要有高次諧波和電壓閃變與電壓波動。

電壓閃變

風力發(fā)電機組大多采用軟并網(wǎng)方式，但是在啟動時仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流。當風速超過切出風速時，風機會從額定出力狀態(tài)自動退出運行。如果整個風電場所有風機幾乎同時動作，這種沖擊對配電網(wǎng)的影響十分明顯。容易造成電壓閃變與電壓波動。

諧波污染

風電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種。一種是風機本身配備的電力電子裝置可能帶來諧波問題。對于直接和電網(wǎng)相連的恒速風機，軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連，因此會產(chǎn)生一定的諧波，不過過程很短。對于變速風機是通過整流和逆變裝置接入系統(tǒng)，如果電力電于裝置的切換頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi)，則會產(chǎn)生很嚴重的諧波問題，不過隨著電力電子器件的不斷改進，這個問題也在逐步得到解決。另一種是風機的并聯(lián)補償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振，在實際運行中，曾經(jīng)觀測到在風電場出口變壓器的低壓側(cè)產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。當然與閃變問題相比，風電并網(wǎng)帶來的諧波問題不是很嚴重。

7.2電網(wǎng)穩(wěn)定性

在風電的領(lǐng)域，經(jīng)常遇到的一個的難題是：薄弱的電網(wǎng)短路容量、電網(wǎng)電壓的波動和風力發(fā)電機的頻繁掉線。尤其是越來越多的大型風電機組并網(wǎng)后，對電網(wǎng)的影響更大。在過去的20年間，風電場的主要特點是采用感應發(fā)電機，裝