MW 級雙饋風力發電系統

吳潔 上海電氣輸配電技術中心 (200042）

吳潔（1986年～），女，工學碩士。現主要從事風電并網運行分析與控制、雙饋風力發電系統的研究。

0 引言

風能是一種清潔環保的可再生能源，也是解決能源問題的重要途徑之一。近年來，風能保持著世界增長最快能源的地位。隨著風電技術的發展，為了進一步降低風電成本，風力發電機組逐步朝著單臺大容量方向發展。MW級雙饋式風電機組已成為國內陸上風電的主力機型。雙饋風力發電機組定子和電網直接相連接，轉子和功率變換器相連接，通過變換器的功率僅僅是轉差功率，這是各種傳動系統中效率比較高的，而變速調節主要用來響應快速變化的風速，可以實現發電機平滑的功率輸出和功率因數在一定范圍內調節。該結構適合于調速范圍不寬的風力發電系統，尤其是大、中容量的風力發電系統。

雙饋風力發電機組結構復雜，主要包括以下幾個部分：塔架、葉片、風輪機、齒輪箱、傳動軸、雙饋異步發電機、變流器、電網接入系統以及控制系統與遠程監控系統等。在整個雙饋風力發電機組當中，機組控制是其中的一個非常關鍵的技術，也是雙饋風力發電的技術核心之一。目前國內MW級風電機組采用的變流器大多還是引進組裝，成本居高。我們對風力發電技術進行了長期的跟蹤和研究，在引進、消化、吸收國外先進技術的基礎上，開發出的具有自主知識產權的MW級變速恒頻雙饋風力發電機組用變流器和主控制器已達到國際先進水平。

SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統，即數據采集與監視控制系統，是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統。風電場SCADA系統用于中控站對整個風場機組的監控以及數據的記錄分析，包括風機運行記錄、風玫瑰圖數據、風電機組發電功率曲線、風機運行故障代碼及風機運行的各項操作等，是用戶查詢系統風機當前及歷史數據的重要工具。輸配電自主研發了帶功率預測功能的SCADA系統，該系統具備強大的用戶個性化定制功能，并具備風電場短期和中長期發電量預測功能。

為了提高風電機組電網接入可靠性，風電場接入標準明確規定了風電機組應具有低電壓穿越功能，該功能是針對電網受到暫態擾動（如雷擊線路、電弧故障、局部短路故障等）出現電壓跌落時，機組能在一定的時間內保持并網狀態，為電網恢復留出一定的時間，避免因機組大面積脫網而造成電網的二次擾動。輸配電自主研發的變流器采用能量泄放組件Crowbar加Chopper的拓撲結構來實現低電壓穿越期間的能量釋放，同時變流器控制系統針對低電壓期間的電網無功需求，控制機組輸出無功，支撐電網電壓，該方案是目前風力發電機組低電壓穿越的主流技術方案，其穿越功能高效可靠，同時又能有效控制低電壓穿越模塊的硬件成本。

這里從主控制器、變流器、SCADA系統、低電壓穿越四個方面介紹典型的MW級雙饋風力發電機組系統。

1 主控制器

風力發電機組的主控制系統是綜合性控制系統，是風機的大腦，控制風機的所有設備的啟停。它不僅要監視電網、風況和機組運行參數，對機組進行并網與離網控制，以確保運行過程的安全性與可靠性，而且還要根據風速與風向的變化，對機組進行優化控制，以提高機組的運行效率和發電量。

主控制系統分塔頂柜和塔底柜，塔底柜（圖1左）運行所有的控制程序，包括數據運算和統計功能，發送風機各個設備的啟停指令；實現對電網的監控，包括電網電壓、電流、頻率、功率因數、三相均衡等監控；對過壓與欠壓、過流與欠流、過頻與低頻、功率因數偏離正常值、電壓缺相等故障發出報警及停機指令，通過柜門上的人機界面來實現用戶對風機的各種控制；實現與機艙柜、變流器、中控室之間的通訊，并支持多種通訊方式。塔頂柜（圖1右）實現對風速、風向，塔筒振動頻率、主軸轉速、發電機溫度、齒輪箱溫度、潤滑油溫度、機艙內溫度等各種參數的監控；控制機艙內加熱設備和冷卻設備的啟停，實現與變槳系統、塔底柜的通訊。

主控制系統采用了可編程計算機控制器PCC，與常規PLC相比較，PCC最大的特點在于分時多任務操作系統和多樣化的應用軟件的設計，這樣應用程序的運行周期則與程序長短無關，而是由操作系統的循環周期決定。由此，它將應用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區別開來，滿足了真正實時控制的要求。當然，這種控制周期可以在CPU運算能力允許的前提下，按照用戶的實際要求，任意調整。故PCC完全能夠適應風電行業的控制需要。

為了構建更加安全的生產環境，主控制系統還使用了獨立的安全控制器，該安全控制系統使用工業以太網Ethernet Power link為安全現場總線，保護對象包含輸入輸出接口、電源、伺服系統、軟件設計等各個方面，是一套全集成的安全系統。該系統主要依賴安全鏈在危急情況下及時斷開實現對系統的保護作用，安全鏈采用反邏輯設計，將可能對風機造成致命傷害的重要機構部件的控制端串聯成一個回路。當回路中任意一個觸點發生故障，安全鏈斷開，引起緊急停機、執行機構失電、風機瞬間脫網、從而最大限度地保證風機的安全。

圖1 主控柜

用系統建模仿真分析和設計是國際上通行技術開發應用的慣例和手段。輸配電集團以Matlab為平臺建立控制系統的仿真模型和以Blanded為平臺建立風機系統各子系統的詳細模型及傳遞函數，用于研究風機在各種工況下的動、靜態特性，這是研制風機主控制器先進控制策略的第一步。根據風機葉片、塔架、傳動鏈及發電機固有特性，得到以減小機械載荷和疲勞為條件的風機最佳功率曲線，將風機功率曲線分區域采取變結構PID控制，以獲得發電機輸出最大功率。同時，設計了使系統響應最快，發電機輸出功率變化率最小的策略，使風速突變對電網的影響最小。該系統帶有風機運行的實時監控、狀態檢測與越線報警及歷史事件記錄庫。具備與上級監控系統連接遠程控制功能、與各閉環控制子系統之間的通訊及控制、與保護系統之間的聯絡、良好的人機交互等功能。當有故障發生時，安全保護系統能使風機維持在安全狀態，并可進行故障自診斷及遠程復位。

2 變流器

變流器是風力發電系統的核心部件之一，其主要功能是完成對發電機的輸出功率控制以及并網控制。變流器一般由電力電子變流電路與相應的DSP控制系統組成。電力電子變流電路是完成交/直流變換與電壓電流幅頻控制的執行機構，主要由電力電子開關、電力二極管、電力電容器、電抗器等器件構成。DSP控制系統是變流器的大腦，主要功能是實現對電力電子變流電路中相關器件以及其他外圍設備的控制，并與風力發電主控制器進行實時數據交互。

風電變流系統拓撲結構如圖2所示，連接雙饋發電機網側的變流器用于維持直流電容電壓穩定；連接轉子側的變流器用于雙饋電機的轉子勵磁，實現雙饋電機變速恒頻控制及能量雙向流動，滿足電機不同轉速運行狀態的要求。轉子側裝有由三相整流橋、IGBT、放電電阻及吸收電路構成的能量泄放組件（Crowbar）裝置，用于電網電壓跌落時的低電壓穿越用，保證定子側短時低電壓狀態下機組不脫網，持續運行，提高機組運行的可靠性；直流電容側裝有預充電回路，用于機組啟動時的直流電容預充電。同時直流電容側還裝有由IGBT和放電電阻串聯構成的能量泄放組件（Chopper）裝置，用于能量突變導致直流側電壓過高時泄放能量，以保護直流側電容；在網側變流器前，安裝諧振式濾波器。在轉子側變流器后，裝有du/dt濾波器，用于濾除開關頻率附近的電壓諧波。另外，在定子側裝有接觸器與斷路器，其中接觸器用于機組并網及脫網，斷路器則實現過流、短路等保護動作。控制單元，采用數字信號處理器(DSP)與現場可編程門陣列(FPGA)構成嵌入式控制系統，能夠高速高效地實現各種控制算法。

圖2 變頻器的硬件電路

在軟件設計方面，變速恒頻雙饋風力發電系統的運行目標主要有兩個，首先是實現最大風能追蹤，其核心是對雙饋異步發電機轉速或者是有功功率的控制；其次是對雙饋異步發電機定子輸出無功功率的控制。雙饋異步發電機的有功和無功功率與轉子電流密切相關，所以這兩個目標又是通過轉子側PWM變流器對雙饋異步發電機轉子電流的有效控制來實現的。由此可見,雙饋異步發電機是控制的對象，轉子側PWM變流器是控制指令的執行者。為了對控制對象實現有效控制，轉子側PWM變流器的控制應以雙饋異步發電機的數學模型為基礎來進行設計。與普通的三相交流電機一樣，三相靜止坐標系下雙饋異步發電機的數學模型是一個高階、多變量、非線性、強耦合的系統，很難進行控制系統的分析與設計。為了實現對雙饋異步發電機有功、無功功率的有效控制，二者必須解耦，因而可把交流調速中的矢量控制技術應用于雙饋異步發電機的有功、無功解耦控制中，即通過旋轉坐標系變換，將轉子電流分解成d軸分量和q軸分量，使轉子電流的有功分量與無功分量實現解耦，控制轉子電流的有功分量和無功分量就可以實現雙饋異步發電機的有功功率和無功功率的解耦控制，從而實現變速恒頻雙饋風力發電系統的兩個目標。

變流器采用SVPWM四象限空間矢量調制技術(Space Vector Pulse Width Modulation)，與常規的正弦脈寬調制(SPWM)相比具有直流母線電壓利用率高，電流波形畸變小和易于實現數字化等優點，在電力電子與電氣傳動領域獲得越來越廣泛的應用。采用SVPWM技術而不做過調制處理時，變流器輸出交流線電壓基波的最大值為直流母線電壓，因而比采用一般的SPWM的變流器的輸出交流電壓高了15%。

在風速變化情況下，變流器可實現功率的平滑控制，同時可根據實時情況進行有功無功調節，有效抑制電網電壓波動，設計了低電壓穿越與三相不平衡控制模塊，強化了對國內各種惡劣電網條件的適應能力。變流器具有多種通訊接口，如以太網、CAN、GPRS及RS232等，接口協議完善，可進行遠程監控；此外變流器具有完備的故障冗余和保護功能，保證系統正常穩定可靠高效運行。針對特殊工作環境，如低溫、高原、海上等研制了具備相應耐受能力的系列產品，以滿足用戶不同的需求。變流器用戶界面操作簡單、快捷。可進行常規參量的在線監測、參數設置、故障報警和信息查閱等操作。

3 帶功率預測的風場SCADA系統

數據采集與監視控制（SCADA）系統，具有數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能。它在電力系統、給水系統、石油、化工等領域中得到了廣泛的應用。輸配電設計的SCADA系統針對目前國內大規模風電場的需要，采用了雙環路冗余配置的SCADA通訊網絡、通用的通訊協議、模塊化的軟件設計思路和功能強大的實時/歷史數據庫，具有很強的通用性和擴展性，能滿足現有和將來用戶的不同需求。系統主要由主站（上位機）、交換機、網絡通道和若干風機控制器（下位機）組成，其硬件構架的設計如圖3。

圖3 SCADA系統硬件架構

就SCADA 軟件而言，市場上大多采取封閉式的軟件，即軟件對下位和控制器綁定，對軟件內部采用專屬結構開發，對上層接口開放程度差。基于該行業的現狀，輸配電研發了基于開放式平臺、具有分布式多層架構、適應于國內風電的SCADA系統。SCADA系統軟件構架設計如圖4所示。該系統具備以下5項功能。圖5為SCADA系統人機交互主界面。

圖4 SCADA系統軟件構架的設計

（1）運行實時監測：系統可以實時顯示每一臺風力發電機組的運行狀態，這些數據包括：功率、風速、風向、槳距角、功率因數等實時數據。風電場實時數據采集系統利用TCP/IP協議通過千兆局域網絡采集這些信息，數據更新周期小于500ms。在風機遇到故障的情況下，能夠主動向運營商或者制造商發出報警信息。

（2）歷史數據統計：系統能夠顯示發電量、可利用率、功率曲線、風玫瑰圖、故障統計等歷史數據信息，同時還需要具備針對上述數據的統計、存儲、報表、打印等其他輔助功能。

（3）電網調度傳輸：系統將風機運行的數據傳輸到電網調度中心。

（4）風場運行控制：系統在下位機內置入數據發送服務程序，根據配置搜集微控制器內的變量值，打包通過TCP/IP協議發送至監控中心的后臺處理服務器，同時接收風場監控中心的控制指令,對風機等設備進行開機、關機、復位及有功、無功控制操作。

（5）其他功能：用戶根據自己的實際要求拓展SCADA系統的功能。

圖5 風機監控系統主界面

為了滿足電網對風電場的調度需求和合理安排風機的日常維護工作，具有風力發電場功率預測系統WPPS(Wind Power Prediction System)的SCADA系統則實現了對陸上和海上風電場短期和中長期發電量的有效預測，其短期預測精度達到90%以上。

在風場功率預測系統研發過程中，首先開發了實時數據監測系統，接收風場SCADA系統提供的風電機組實時運行數據，并設計出了具備可擴展性的數據庫存儲構架；其次開發了能夠獲取風場地區的氣象部門發布的風速、風向預報的軟件模塊，為開展中長期功率預測研究提供技術支持。進一步利用數據挖掘技術對獲取的風場風速、風向等歷史數據做出處理，以得到預測用的模型訓練樣本數據；最后，利用自回歸移動平均模型和神經網絡模型建立風電場的發電功率預測模型，實現對不同時間尺度(提供未來1~6h內風電場輸出功率預報值和未來24h的風電輸出功率小時變化曲線，其中1h預測步長為10min，6h和24h的預測步長為1h)的風電場發電功率進行預測，并建立風電機組功率產出和預測結果的統計、評價系統。

4 低電壓穿越

風電機組的低電壓穿越功能是為了解決電網的暫態穩定性問題而提出的。所謂“低電壓穿越”是指風電機組在電網電壓發生跌落期間在一定時間內保持不脫網持續運行的能力，若有可能還應當發出無功支撐電網電壓。目前，已經明確規定了風機應具備此項功能，并對跌落幅度與時間進行了定標(見圖6)。由于目前國內很多風場的機組并不具備該功能，大規模的設備改造工作已經展開。

圖6 風機低電壓穿越要求

在電壓跌落期間風機保持不脫網，風電系統會經受較大的機械與電氣上的暫態沖擊，因此如何通過控制算法與硬件配合將這種沖擊的影響減至最小將是成功實現低電壓穿越的關鍵因素。在軟件仿真的基礎上，為了更清楚地了解電網電壓跌落期間風機系統各部件的暫態運行情況，2MW全功率低電壓穿越測試平臺不僅可以模擬風機在整個轉速范圍內的運行工況，還可以實現電網中壓側幅值時間可控的電壓跌落，從而驗證系統能否通過電控系統協調控制實現低電壓穿越功能。在此基礎上，該變流器和主控制系統于2011年通過了電科院的低電壓穿越認證。

5 結 語

我國是風能資源較豐富的國家，但實際風電裝機容量僅占全國電力裝機總容量的3.06%，而風力發電的電控設備主要靠進口，風力發電無論是市場占有率還是在能源結構中的比重，乃至發電設備制造水平，都落后于丹麥、德國等國家。MW級雙饋式風電機組控制系統及變流器的研制及產業化項目可創造數百億元的產值，并能為減輕能源開發利用對于環境的污染和生態的破壞做出積極的貢獻，對打破跨國公司風電機組主控產品對我國風電產業的壟斷也具有十分重要的意義,同時也為上海電氣發展大型海上風電主控系統奠定了基礎。

MW級變速恒頻雙饋風力發電機組用變流器和主控制器產品自2008年起已在長興島、東臺、羅平山、啟東等多個風電場投入運行，成為國內具有自主知識產權的風電變流器和主控制器供應商之一。