風力發電的電控系統設計與實現

孫 慶

（南京中核能源工程有限公司，江蘇 南京 210008）

0 引言

風力發電作為一種可再生的清潔能源，在發電過程中不會產生污染物，是理想的綠色發電能源。風力發電電氣控制技術是保證風力發電穩定運行以及在規定時間內不出故障的關鍵核心，因此設計的風力發電電控系統安全可靠是風力發電運行的重要保障。

1 風力發電電控系統概述

風力發電機組中包括電氣系統和控制系統，兩者相互聯系密不可分，其中電氣系統作為控制系統的傳感單元和控制單元，當控制系統出現故障或失效時，承擔著保護策略和硬件保護工作。控制系統是電氣系統功能實現的邏輯中樞，因此在進行風力發電電控系統設計時分別對電氣系統和控制系統進行設計，但又需將兩者進行聯合分析，以此驗證風力發電電控系統的可靠性。

1.1 風力發電電控系統設計要求

風力發電機組中一般使用變速恒頻風力發電機組，在進行電控系統設計時需要滿足以下3個方面的設計要求：(1）風力發電電控系統設計中最關鍵的要求就是系統的可靠性。對風力發電是在不同風下進行發電，因此設計的電控系統需要在風力變速情況下實現自動調整控制目標和控制策略，保證發電機組正常的開關機、運行和并脫網操作；(2）風力發電控制系統最核心的技術是最大限度地將風能轉化成電能，保證發電機組的葉尖速比是最佳狀態，從而實現最大風能追蹤，以此來提高風力發電的效率；(3）發電機組在吸收風能轉化成電能后，還能保證向電網輸送優質的電能，最終完成風力發電的整個過程。

1.2 風力發電系統結構

風力發電系統結構是由塔架、發電機、儲能蓄電池、葉片、齒輪箱、整流器、控制電路、逆變器、變槳偏航系統、聯軸器等組成。

2 電氣控制系統設計

2.1 電氣系統設計概述

電氣系統作為風力發電機組中重要的組成部分之一，機械系統的運行驅動是靠電氣系統的穩定輸出實現的，同時又肩負著控制系統和機械系統連接的重任。因此，電氣系統的可靠與否將直接影響發電機組的整體運行。

2.1.1 電氣系統組成

將風力風電電氣系統進行功能性劃分為：接入網系統、電氣傳動系統、線路傳輸系統、傳感系統、機柜配電系統、伺服執行系統等。如果將發電機組按照模塊化設計可分成測風系統、偏航電氣系統、變槳電氣系統、變頻器、電機系統、并網系統、油冷電氣系統以及潤滑系統等。

2.1.2 電氣系統拓撲

電氣系統的拓撲包括主電氣回路拓撲和配電回路，設計理念是從全局掌控電控系統的組成和主回路的設計。其中主電氣回路拓撲包含了變壓器系統、電機、變頻器、并網單元等。考慮到機組配電系統的供電需求，配備了輔助變壓器；電氣系統配電回路包含了各種電機系統以及泵單元、加熱和冷卻單元、潤滑單元以及開關電源和UPS等。

2.2 電氣系統綜合設計

2.2.1 安全系統設計

電氣系統設計中最基本的設計就是安全系統設計，它是風力發電機組安全運行的保證。安全系統設計采取的相關措施主要有：(1）采用安全鏈系統保證發電機組發生情況時，通過安全鏈保護電氣系統不受到損傷。安全鏈介入保護的時機是檢測到上一環節出現問題，進行停機操作。(2）采用剎車雙保險系統，也就是兩套剎車系統。(3）后備電源。(4）采取有效接閃。(5）將控制系統與安全系統進行獨立設置，保證兩者在發生事故時服從安全系統指令。

2.2.2 抵抗大風設計

考慮到臺風因素的影響，如果不加以重視的話，很可能會對發電機組造成毀滅性的后果。因此，在發電機組電氣系統設計時，要充分考慮載荷設計，并對設計的控制器進行模擬評估；此外，在臺風來臨時，對于臺風工況需進行控制策略設計，采取剎車停機策略，可以有效地降低機組荷載［1］。

2.2.3 防雷電系統設計

雷雨天氣發生時，風力發電機組可能受到雷電的襲擊，在電氣系統設計時，如果未考慮雷電帶來的影響，將有可能出現過電壓和保護控制系統元件損壞情況。解決的策略是在電氣系統設計時，加入防雷擊系統，通過設置傳導路徑將雷電泄放出去；同時，還要實行接地保護措施，將雷電引入低下以此保證系統不受沖擊［2］。

2.2.4 機艙電氣系統設計

(1）電氣傳動系統設計。

發電機是風力發電的核心元件，通過變頻器來控制勵磁電流完成轉子磁場的改變，促使發電機輸出的頻率和電壓與電網所需電壓一致。發電機的選型要嚴格按照GL標準進行測試。

(2）電氣控制系統設計。

電氣控制系統是由電源系統、控制柜體、PLC控制系統、就地控制系統組成。通過設計電氣控制系統實現對電機組的各項功能的控制以及對電機組狀態的檢測。

3 控制系統綜合設計

3.1 控制系統設計概述

作為風力發電機組的運行中樞，控制系統將全部的電氣單元進行連接和通訊，通過獲取的信息實現指令的發送，讓各單元都能接收并協同工作，從而保證發電機組的穩定運行。

3.2 控制系統總框

控制系統的核心價值是獲取風能，所以控制系統設計的重心是力矩和變槳的控制，使其能夠協同工作使風能獲取最大化。控制系統總框圖如圖1所示。

圖1 控制系統

3.3 變槳控制

變槳控制作為控制系統中的重要組成部分，負責調節葉片的角度以達到最優位置，提升獲取風能的效率。變槳控制能夠通過手動和自動兩種方式，實現機組停車。控制器中的變槳控制包含Gain Shedule，PID控制以及Notch Filter.其中Gain Shedule控制設計的目的是在風速較大的情況下，保證轉速在有效控制范圍內而進行的變槳調節，從而實現迎風面積減小然而額定功率可以做到穩定輸出；Notch Filter是指帶阻濾波器，設計的目的是為了消除因PID環節帶來的無用的、周期性的頻率，以此保護變槳軸承不受損傷；雙輸入PID變槳控制器設計的目的是為了實現轉速有效控制和保證功率的穩定輸出［3］。

4 風力發電電控系統測試

研究對機組的安全設計、電氣系統工作狀態、控制系統工作狀態、發電機組運行的故障率以及元件的在線監測及管理等方面進行驗證。通過對以上幾個方面的測試，研究設計的風力發電電控系統能夠實現運行穩定，工作狀態良好，故障發生率控制在標準范圍之內，遠程監測可以做到對各元件的管理和維護，研究設計的風力發電控制系統完全符合可靠性原則，可以作為風力發電的電控控制系統投入實際生產。

5 結語

風力發電作為一種綠色可再生的能源，在獲取時不會對環境造成污染，已經成為國家重要的能源發展戰略。因此，優化風力發電技術，改變發展策略向海上及低速地區進行建設，將會成為風力發電的發展方向，與此同時，設計出更加高效和可靠的電控系統也成了專業人員未來的前進目標。