风力发电控制系统综述

作者：上海电力学院 曾婧婧

欢迎访问e展厅 展厅 3 风力发电机展厅 风力发电机,... 摘 要：介绍了世界风力发电控制系统的发展历程和我国的研究现状。分析并得出风力发电系统中，控制系统是确保机组安全可靠运行、优化机组效率的关键。详细介绍了控制系统的功能，并给出了DCS 控制系统结构图，同时探讨了控制系统发展趋势。仿真表明：风力发电控制技术的研究，对增强我国大型风力发电机组的自主开发能力、提高风力发电机组的国产化率和降低机组成本具有重要意义。 关键词：风力发电控制系统 功能 结构 研究动态 引言 煤炭、石油和天然气等化石燃料的蕴藏量是有限的，人类赖以生存、发展的能源总有一天要枯竭，并且不断增长的能源消耗所造成的环境污染和安全问题已经成为社会的主要突出矛盾。无论从人类将来的能源危机，或是眼前的环境污染问题来看，研究开发风力发电技术都具有十分重要的意义，而且，地球上蕴藏的风力资源也十分丰富，具有广阔的开发前景。 开发利用风力资源，要用到许多高新技术。其中最关键的是电力电子技术以及控制技术。将最新的电力电子技术、控制技术应用于风力发电系统中，提高风力发电的效率和电力变换质量、降低风电的成本，使得清洁可再生能源逐步替代传统的化石燃料，以改善人类生存的环境，提高人们的生活水平，具有重大的经济效益和社会价值。 1 风力发电的发展现状 现代风力发电崛起于上世纪八九十年代以来取得了飞速的进展。从控制系统的实现来说，由19 世纪末第一台现代风力发电机组在丹麦诞生，到20 世纪80 年代初，风力发电机组电气控制系统得以实现，但仍局限于采用模拟电子器件。到了80 年代中后期，随着计算机技术的发展及其在控制领域的应用，出现了基于微处理器的风力发电机组电气控制系统。步入90 年代，随着微处理器在电力电子、数据采集、信号处理、工业控制等领域的广泛应用，风力发电机组的电气控制系统往往采用基于单板机、单片机或可编程控制器的微机控制。 目前国外对大型风力发电机组控制系统的研究非常活跃，以提高机组的运行性能、降低发电成本。我国的风电产业与世界水平有所差距。为跟上国际发展步伐，在未来世界风电市场激烈竞争中占有一席之地，我国政府为风电产业从业者提供了更为广阔的空间，风力发电在我国将大有所为。 2 风力发电系统 风力发电机组主要由风轮、发电机、电能变换单元和控制系统组成，如图1 所示。 风轮通过叶片捕获风能，是吸收风能并将其转换成机械能的部件。发电机实现机械能－电能转换。由于异步发电机结构简单、运行可靠，目前风力发电几乎均采用异步发电机。 发电机所发出的电能有两种处理方式：可以直接给负载供电或并入电网；也可以通过储能设备进行蓄能，再由电能变换单元将储能设备输出的直流电转换成交流电再供给负载或并网。储能设备作为中间环节不仅可以将能量储存起来，还兼有稳定电压的优点，这样对负载供电更平稳，对电网的冲击亦可减小。风力发电机组的控制系统是综合性控制系统，不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组进行并网、脱网控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，而且还要根据风速、风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。 3 风力发电控制系统 在风力发电系统中需要解决的基本矛盾是如何在风速变化的情况下，获得较稳定的电压输出，以及如何解决无风时的用电问题。既要考虑到风能的特点，又要考虑到用户的需要，达到实用、可靠、经济的运行效果，关键环节之一就是要有一个稳定、可靠、功能齐全的控制系统。 3.1 控制系统发展历程 风力发电控制系统的基本目标分为3 个层次：保证可靠运行；获取最大能量；提供良好的电力质量。因此，为了达到这一控制目标，风力发电系统的控制技术从定桨距发展到变桨距又发展到近年来采用的变速控制技术。 20 世纪80 年代中期开始进入风力发电市场的定浆距风力发电机组，主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本问题。 20 世纪90 年代后，风力发电机组的可靠性已不是问题，变距风力发电机组开始进入风力发电市场。此种机组起动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著改善。 由于变距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想，到了20 世纪90 年代中期，基于变距技术的各种变速风力发电机组开始进入风电市场。变速与定速风力发电机组控制系统的根本区别在于，变速风力发电机组是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率控制的。变速风力发电机组的主要特点是：低于额定风速时，能跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转换效率；高于额定风速时，增加了传动系统的柔性，使功率输出更加稳定，特别是解决了高次谐波与功率因素等问题后，达到了高效率、高质量地向电网提供电力的目的。 风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展到基于变距技术的变速运行，已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标。 3.2 控制系统功能 风力发电机组控制系统的作用是对整个风力发电机组实施正常操作、调节和保护。 ① 启动控制 当风速检测系统在一段持续时间内测得风速平均值达到切入风速，并且系统自检无故障时，控制系统发出释放制动器命令，机组由待风状态进入低风速起动； ② 并/脱网控制 当风力发电机转速达到同步转速时，执行并网操作。为了减小对电网的冲击，通常采用晶闸管软切入并网。 软切入时，限制发电机并网电流并监视三相电流的平衡度，如果不平衡度超出限制则需停机。除此之外，软切入装置还可以使风力发电机在低风速下起动。当风速低于切入风速时，应控制已并网的发电机脱离电网，并在风速低于4 m/s 时进行机械制动； ③ 偏航与解缆 偏航控制即根据风向自动跟风。由于连续跟踪风向可能造成电缆缠绕，因此控制系统还具有解缆功能； ④ 限速及刹车 当转速超越上限发生飞车时，发电机自动脱离电网，桨叶打开实行软刹车，液压制动系统动作，抱闸刹车，使桨叶停止转动，调向系统将机舱整体偏转90°侧风，对整个塔架实施保护。 另外，控制系统还应具有以下功能：根据功率以及风速自动进行转速和功率控制；根据功率因数自动投入（或切出）相应的补偿电容；机组运行过程中，对电网、风况和机组运行状况进行检测和记录，对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，而且还能根据记录的数据生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标；对在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信功能。控制系统流程如图2 所示。 运行过程中，控制系统需要监测的主要参数包括以下几个方面： ① 电力参数——电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率及发电机功率因数等；② 风力参数——风速、风向；③ 机组状态参数——转速（发电机、风轮）、温度（发电机、控制器、轴承、增速器油温等）、电缆扭转、机械刹车状况、机舱振动、油位（润滑油位、液压系统油位）；④ 反馈信号——回收叶间扰流器、松开机械刹车、松开偏航制动器、发电机脱网及脱网后的转速降落信号。 3.3 控制系统结构 目前绝大多数风力发电机组的控制系统都选用集散型或分布式（DCS）工业控制计算机。有各种功能的专用模块可供选择，可以方便地实现就地控制，许多控制模块可直接布置在控制对象的工作点，就地采集信号进行处理；同时DCS 现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数。 风力发电机组DCS 控制系统的结构如图3 所示。 3.4 控制系统研究动态 由于控制技术的发展，许多先进技术被应用于风力发电系统中。 3.4.1 控制器件的选用 目前发电机组的运行通常由单片机或可编程逻辑控制器件等进行控制。 MCS-80C32、8XCl96MC 等各种单片机用于控制风力发电机的运行，实现了自动跟风、并/脱电网控制,甚至是通信功能等[2~3]。 C60P 等各型PLC 也作为主控单元被用于风力发电控制系统中，适应了集群控制和单机无人值守的应用要求[4]。 3.4.2 智能控制技术的应用 近年来，随着智能控制技术的日渐完善和发展，许多人也将其应用于风力发电控制系统中。 将神经网络控制方法用于风力发电系统的控制过程，以克服微机控制过程中存在的系统模型的非线性和复杂性，使系统达到最优控制效果[5]。 由模糊理论得出最优蓄电池电压，通过控制作为发电机负荷的蓄电池电压来控制发电机出力，从而有效地把风能转换为电能[6]。 应用遗传算法和模糊理论设计风力发电机变桨距控制器，利用遗传算法简单高效的寻优特点对模糊控制器的结构和参数进行优化设计[7]。 3.4.3 其他 新型电机－无刷双馈电机亦被应用于风力发电中。变速恒频无刷双馈电机风力发电系统功率控制策略已有人进行研究[8]。 另外，并网型风力发电机组可以通过并/脱电网进行持续正常供电。但对于无电网地区的独立电场，由于风能的不稳定性，要实现持续正常供电通常需与别的能源进行复合发电。例如风能、太阳能联合发电系统，风力、柴油、蓄电池组混合发电系统等，随之便产生了一系列对复合发电系统控制方案的研究[9]。 4 结束语 控制技术是风力发电的最关键技术之一，是风力发电机组运行的“大脑”，是使整个机组实现正常安全运行及实现最佳运行的可靠保证。控制技术的研究对增强我国大型风力发电机组的自主开发能力，提高风力发电机组的国产化率和降低机组成本具有重要意义。 由于对风力发电及其控制技术的日益重视，控制技术的研究也取得了较大进展。但相对于国外，我们还存在很大差距，还有一些领域很少涉足。譬如对系统中储能设备的控制只限于简单的监视和自动充电调整，完全没有自动维护功能。蓄电池组的运行和维护水平成为风力发电推广应用的瓶颈。 参考文献 1 叶杭治. 风力发电机组的控制技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002. 2 孙同景. 200kW 风力发电机控制系统研究[J]. 太阳能学报, 1998, 19(1):48-53. 3 代洪涛, 邹秋漌, 林成武. 变速恒频双馈风力发电机控制系统研究[J]. 沈阳工业大学学报, 2003, 25(6):479-481. 4 孙同景, 徐德. 55／11kW 风力发电机PLC 控制系统[J]. 工业控制计算机, 1997,6: 24-27. 5 姚兴佳, 曾小明. 基于神经网络的风力发电控制系统[J]. 控制与决策, 1997, 7: 482-486. 6 谢田. 带蓄电池的风力发电机组的模糊控制[J]. 新能源, 1998, 20(10): 22-26. 7 王松, 姚兴佳. 遗传算法在变桨距风力发电控制系统中的应用[J]. 新能源, 2000, 22(12): 48-51. 8 黄守道, 王毅, 王耀南，等.无刷双馈电机风力发电控制系统与仿真研究[J]. 湖南大学学报，2004,31(1):37-40. 9 倪受元, 许洪华, 孙晓. 30 千瓦风／光互补联合发电系统[J]. 新能源, 1996,18: 1-10, 12. 10 许洪华, 倪受元. 独立运行风电机组的最佳叶尖速比控制[J]. 太阳能学报, 1998, 19(1): 30-35. 11 谭天江, 张春喜. 风力发电机恒压恒频独立运行系统[J]. 应用能源技术，1999,（2）：4-5. 12 王慧贞, 黄恩舫，严仰光. 风力发电机组中的功率电子调节器[J]. 南京航空航天大学学报, 1997, 29(5):540-543. 13 赵秀珍, 王乃钊, 庞大衡, 等. 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