风电控制技术

风电控制技术

知识讲座

根据我国《可再生能源中长期发展规划》，到2020年我国可再生能源在能源结构中的比例争取达到16%，其中风电将达到3000万千瓦。据统计，去年我国风电新增装机容量344.9万千瓦，在全球新增市场份额中占17.2%，排名世界第三位；累积装机容量达到605万千瓦，排名世界第五位。2008年底我国风电的装机容量将突破1000万千瓦，两年后将突破2000万千瓦，中国不久将成为最大的风力发电国家。

风力发电机组的类型

1 恒速恒频与变速恒频

在风力发电中，当风力发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率保持一致，即保持频率恒定。恒速恒频即在风力发电过程中，保持风车的转速(也即发电机的转速)不变，从而得到恒频的电能。在风力发电过程中让风车的转速随风速而变化，而通过其它控制方式来得到恒频电能的方法称为变速恒频。

2 两种类型机组的性能比较

由于风能与风速的三次方成正比，当风速在一定范围变化时，如果允许风车做变速运动，则能达到更好利用风能的目的。风车将风能转换成机械能的效率可用输出功率系数CP来表示，CP在某一确定的风轮周速比λ(桨叶尖速度与风速之比)下达到最大值。恒速恒频机组的风车转速保持不变，而风速又经常在变化，显然CP不可能保持在最佳值。变速恒

频机组的特点是风车和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。由于风车的转速可变，可以通过适当的控制，使风车的周速比处于或接近最佳值，从而最大限度地利用风能发电。

3 恒速恒频机组的特点

目前，在风力发电系统中采用最多的异步发电机属于恒速恒频发电机组。为了适应大小风速的要求，一般采用两台不同容量、不同极数的异步发电机，风速低时用小容量发电机发电，风速高时则用大容量发电机发电，同时一般通过变桨距系统改变桨叶的攻角以调整输出功率。但这也只能使异步发电机在两个风速下具有较佳的输出系数，无法有效地利用不同风速时的风能。

4 变速恒频系统的实现

可用于风力发电的变速恒频系统有多种:如交一直一交变频系统，交流励磁发电机系统，无刷双馈电机系统，开关磁阻发电机系统，磁场调制发电机系统，同步异步变速恒频发电机系统等。这种变速恒频系统有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的;有的则是发电机与电力电子装置、微机控制系统相结合而实现变速恒频的。它们各有其特点，适用场合也不一样。为了充分利用不同风速时的风能，应该对各种变速恒频技术做深入的研究，尽快开发出实用的，适合于风力发电的变速恒频技术。

定桨距与变桨距风力发电机组

l 定桨距失速调节型风力发电机组

定奖距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速69，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶县有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。

失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。其缺点是叶片重晏大（与变桨距风机叶片比较），桨叶、轮载、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。

2 变桨距调节型风力发电机组

变奖距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45”，当转速达到一定时，再调节到0“，直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。

随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用OptitiP技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。

变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的吸收风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。

3 主动失速调节型风力发电机组

将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速肘，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值以下，机组最大功率输出，随着风速的不断变化，桨叶仅需要微调维持失速状态。制动刹车时，调节桨叶相当于气动刹车，很大程度上减少了机械刹车对传动系统的冲击。

主动失速调节型的优点是其言了定奖距失速型的特点，并在此基础上进行变桨距调节，提高了机同频率后并入电网。机组在叶片设计上采用了变桨距结构。其调节方法是：在起动阶段，通过调节变桨距系统控制发电机转速，将发电机转速保持在同步转速附近，寻找最佳并网时机然后平稳并网；在额定风速以下时，主要调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上时，采用变速与桨叶节距双重调节，通过变桨距系统调节风力机获取能量，保证发电机功率输出的稳定性，获取良好的动态特性；而变速调节主要用来响应快速变化的风速，减轻桨距调节的频繁动作，提高传动系统的柔性。变速恒频这种调节方式是目前公认的最优化调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。

变速恒频的优点是大范围内调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功率的变化，可以最大限度的吸收风能，因而效率较高；控制系统采取的控制手段可以较好的调节系统的有功功率、无功功率，但控制系统较为复杂。

风电机组的软启动并网

在风电机组启动时，控制系统对风速的变化情况进行不间断的检测，当10分钟平均风速大于起动风速时，控制风电机组作好切入电网的一切准备工作:松开机械刹车，收回叶尖阻尼板，风轮处于迎风方向。控制系统不间断地检测各传感器信号是否正常，如液压系统压力是否正常，风向是否偏离，电网参数是否正常等。如10分钟平均风速仍大于起动风速，则检测风轮是否已开始转动，并开启晶闸管限流软起动装置快速起动风轮机，并对起动电流进行控制，使其不超过最大限定值。异步风力发电机在起动时，由于其转速很小，切入电网时其转差率很大，因而会产生相当于发电机额定电流的5～7倍的冲击电流，这个电流不仅对电网造成很大的冲击，也会影响风电机组的寿命。因此在风电机组并网过程中采取限流软起动技术，以控制起动电流。当发电机达到同步转速时电流骤然下降，控制器发出指令，将晶闸管旁路。晶闸管旁路后，限流软起动控制器自动复位，等待下一次起动信号。这个起动过程约40S左右，若超过这个时间，被认为是起动失败，发电机将被切出电网，控制器根据检测信号，确定机组是否重新起动。

异步风电机组也可在起动时转速低于同步速时不并网，等接近或达到同步速时再切入电网，则可避免冲击电流，也可省掉晶闸管限流软启动器。

风力发电机组的软并网程序

当平均风速高于3m/s时，风轮开始逐渐起动；风速继续升高，当v>4m/s时，机组可自起动直到某一设定转速，此时发电机将按控制程序被自动地联入电网。一般总是小发电机先并网；当风速继续升高到7～8m/s，发电机将被切换到大发电机运行。如果平均风速处于8～20m/s，则直接从大发电机并网。发电机的并网过程，是通过三相主电路上的三组晶闸管完成的。当发电机过渡到稳定的发电状态后，与晶闸管电路平行的旁路接触器合上，机组完成并网过程，进入稳定运行状态。为了避免产生火花，旁路接触器的开与关，都是在晶闸管关断前进行的。

(一)大小发电机的软并网程序

1)发电机转速已达到预置的切人点，该点的设定应低于发电机同步转速。

2)连接在发电机与电网之间的开关元件晶闸管被触发导通(这时旁路接触器处于断开状态)，导通角随发电机转速与同步转速的接近而增大，随着导通角的增大，发电机转速的加速度减小。

3)当发电机达到同步转速时，晶闸管导通角完全打开，转速超过同步转速进入发电状态。

4)进入发电状态后，晶闸管导通角继续完全导通，但这时绝大部分的电流是通过旁路接触器输送给电网的，因为它比晶闸管电路的电阻小得多。

并网过程中，电流一般被在大发电机额定电流以下，如超出额定电流时间持续3.0s，可以断定晶闸管故障，需要安全停机。由于并网过程是在转速达到同步转速附近进行的，这时转差不大，冲击电流较小，主要是励磁涌流的存在，持续30～40ms。因此无需根据电流反馈调整导通角。晶闸管按照0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、180°导通角依次变化，可保证起动电流在额定电流以下。晶闸管导通角由0°大到180°完全导通，时间一般不超过6s，否则被认为故障。晶闸管完全导通1s后，旁路接触器吸合，发出吸合命令1s内应收到旁路反馈信号，否则旁路投入失败，正常停机。在此期间，晶闸管仍然完全导通，收到旁路反馈信号后，停止触发，风力发电机组进入正常运行。

(二)从小发电机向大发电机的切换

为提高发电机运行效率，风力发电机采用了双速发电机。低风速时，小发电机工作，高风速时，大发电机工作。小发电机为6极绕组，同步转速为1000r/min，大发电机为4极绕组，同步转速1500r/min小发电机向大发电机切换的控制，一般以平均功率或瞬时功率参数为预置切换点。例如NEGMicon 750kW机组以10min平均功率达到某一预置值P1或4min平均功率达到预置值P2为切换依据。采用瞬时功率参数时，一般以5min内测量的功率值全部大于某一预置值P1，或lmin内的功率全部大于预置P2值作为切换的依据。

执行小发电机向大发电机的切换时，首先断开小发电机接触器，再断开旁路接触器。此时，发电机脱网，风力将带动发电机转速迅速上升，在到达同步转速1500r/min附近时，再次执行大小发电机的软并网程序。

(三)大发电机向小发电机的切换

当发电机功率持续10min内低于预置值P3时,或10min内平均功率低于预置值P4时，将执行大发电机向小发电机的切换。

首先断开大发电机接触器，再断开旁路接触器。由于发电机在此之前仍处于出力状态，转速在1500r/min以上，脱网后转速将进一步上升。由于存在过速保护和计算机超速检测，因此，应迅速投入小发电机接触器，执行软并网，由电网负荷将发电机转速拖到小发电机额定转速附近。只要转速不超过超速保护的设定值，就允许执行小发电机软并网。

由于风力机是一个巨大的惯性体,当它转速降低时要释放出巨大的能量，这些能量在过渡过程中将全部加在小发电机轴上而转换成电能，这就必然使过渡过程延长。为了使切换过程得以安全、顺利地进行，可以考虑在大发电机切出电网的同时释放叶尖扰流器，使转

速下降到小发电机并网预置点以下，再由液压系统收回叶尖扰流器。稍后，发电机转速上升，重新切人电网。国产FD23—200/40kW风力发电机组便是采用这种方式进行切换的。NEGMicon750/200kW风力发电机组也是采用这种方式进行切换的。

(四)电动机起动

电动机起动是指风力发电机组在静止状态时，把发电机用作电动机将机组起动到额定转速并切人电网。电动机起动目前在大型风力发电机组的设计中不再进入自动控制程序。因为气动性能良好的桨叶在风速v>4m／s的条件下即可使机组顺利地自起动到额定转速。

电动机起动一般只在调试期间无风时或某些特殊的情况下，比如气温特别低，又未安装齿轮油加热器时使用。电动机起动可使用安装在机舱内的上位控制器按钮或是通过主控制器键盘的起动按钮操作，总是作用于小发电机。发电机的运行状态分为发电机运行状态和电动机运行状态。发电机起动瞬间，存在较大的冲击电流(甚至超过额定电流的10倍)，将持续一段时间(由静止至同步转速之前)，因而发电机起动时需采用软起动技术，根据电流反馈值，控制起动电流，以减小对电网冲击和机组的机械振动。电动机起动时间不应超出60s，起动电流小于小发电机额定电流的3倍。

风电变桨距控制方式

风力发电机并网以后，控制系统根据风速的变化，通过桨距调节机构，改变桨叶攻角以调整输出电功率，更有效地利用风能。在额定风速以下时，此时叶片攻角在零度附近，可认为等同于定桨距风力发电机，发电机的输出功率随风速的变化而变化。当风速达到额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片的攻角，保证发电机的输出功率在允许的范围内。

但是，由于自然界的风力变幻莫测。风速总是处在不断地变化之中，而风能与风速之间成三次方的关系，风速的较小变化都将造成风能的较大变化，导致风力发电机的输出功率处于不断变化的状态。对于变桨距风力发电机，当风速高于额定风速后，变桨距机构为了发电机输出功率，将调节桨距，以调节输出功率。如果风速变化幅度大，频率高，将导致变桨距机构频繁大幅度动作，使变桨距机构容易损坏;同时，变桨距机构控制的叶片桨距为大惯量系统，存在较大的滞后时间，桨距调节的滞后也将造成发电机输出功率的较大波动，对电网造成一定的不良影响。

为了减小变桨距调节方式对电网的不良影响，可采用一种新的功率辅助调节方式-RCC(Rotor Current Control转子电流控制)方式来配合变桨距机构，共同完成发电机输出功率的调节。RCC控制必须使用在线绕式异步发电机上，通过电力电子装置，控制发电机的转子电流，使普通异步发电机成为可变滑差发电机。RCC控制是一种快速电气控制方式，用于克服风速的快速变化。采用了RCC控制的变桨距风力发电机，变桨距机构主要用于风速缓慢上升或下降的情况，通过调整叶片攻角，调节输出功率；RCC控制单元则应用于风速变化较快的情况，当风速突然发生变化时，RCC单元调节发电机的滑差，使发电机的转速可在一定范围内变化，同时保持转子电流不变，发电机的输出功率也就保持不变。

风电机组电液伺服变桨距机构

并网型风电机组一般由风轮、增速传动机构、偏航机构、发电机、塔架和控制系统等部分组成。以变速变桨距风力发电控制系统为例：

液压变桨距控制机构属于电液伺服系统。典型的变桨距液压执行机构如美国Zond 公司的Z- 40型变桨距风力发电机组,其原理图如图3 所示。桨叶通过机械连杆机构与液压缸相连接,节距角的变化同液压缸位移基本成正比。当液压缸活塞杆朝左移动到最大

位置时,节距角为88°,而活塞向右移动到最大位置时,节距角为- 5°。在系统正常工作时,两位三通电磁换向阀a ,b ,c 都通电,液控单向阀打开,液压缸的位移由电液比例阀换向阀进行精确控制。在风速低于额定风速时,不论风速如何变化,电液比例换向阀维持桨叶节距角为3°,考虑到油缸的泄漏,电液比例换向阀进行微调,保持节距角不变;当风速高于额定风速时,根据输出功率,利用电液比例换向阀精确改变输出流量,从而控制桨叶的节距角,使输出功率恒定。

风电偏航与自动解缆控制

偏航控制系统有三个主要功能:

(1) 正常运行时自动对风。当机舱偏离风向一定角度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，直到达到允许的误差范围内，自动对风停止。

(2) 绕缆时自动解缆。当机舱向同一方向累计偏转2.3圈后，若此时风速小于风电机组启动风速且无功率输出，则停机，控制系统使机舱反方向旋转2.3圈解绕;若此时机组有功率输出，则暂不自动解绕;若机舱继续向同一方向偏转累计达3圈时，则控制停机，解绕;若因故障自动解绕未成功，在扭缆达4圈时，扭缆机械开关将动作，此时报告扭缆故障，自动停机，等待人工解缆操作。

(3) 失速保护时偏离风向。当有特大强风发生时，停机，释放叶尖阻尼板，桨距调到最大，偏航90o背风，以保护风轮免受损坏。

风电系统停车控制

停机过程分为正常停机和紧急停机。

(1) 正常停机

当控制器发出正常停机指令后，风电机组将按下列程序停机:

① 切除补偿电容器;

② 释放叶尖阻尼板;

③ 发电机脱网;

④ 测量发电机转速下降到设定值后，投入机械刹车;

⑤ 若出现刹车故障则收桨，机舱偏航900背风。

(2) 紧急故障停机

当出现紧急停机故障时，执行如下停机操作:首先切除补偿电容器，叶尖阻尼板动作，延时0.3秒后卡钳闸动作。检测瞬时功率为负或发电机转速小于同步速时，发电机解列(脱网)，若制动时间超过20S，转速仍未降到某设定值，则收桨，机舱偏航900背风。

停机如果是由于外部原因，例如风速过小或过大，或因电网故障，风电机组停机后将自动处于待机状态;如果是由于机组内部故障，控制器需要得到已修复指令，才能进入待机状态。

风电同步发电机交一直一交系统的控制

这种类型的风电机组采用同步发电机，发电机发出的电能的频率、电压、电功率都是随着风速的变化而变化的，这样有利于最大限度地利用风能资源，而恒频恒压并网的任务则由交一直一交系统完成。

(1) 风轮机的控制

风轮机的起动、控制、保护功能基本上与恒速恒频机组相似，所不同的是这类机组一般采用定桨距风轮，因此省去了变桨距控制机构。

(2) 发电机的控制

发电机的输出功率由励磁来控制。当输出功率小于额定功率时，以固定励磁运行;当输出功率超过额定功率时，则通过调整励磁来调整发电机的输出功率在允许的安全范围内运行。励磁的调整是由控制器调整励磁系统晶闸管的导通角来实现的。

(3) 交-直-交变频系统的控制

这里的变频器的概念与普通变频器的概念是不一样的。普通变频器是将电压和频率固定的市电(220/380V，50Hz)，变成频率和电压都可变的电源，以适应各种用电器的需要，如果用于变频调速系统，则电压和频率根据负载的要求不断地改变。相反，这里的变频器则是将风力发电机发出的电压和频率都在不断改变的电能，变成频率和电压都稳定(220/380V，50Hz)的电能，以便与电网的电压及频率相匹配，而使风电机组能并网运行。

所谓的“交-直-交”变频，是变频方式的一种，是将一种频率和电压的交流电整流成

直流电，再通过微机控制电力电子器件，将直流电再逆变成某种频率和电压的交流电的变频方式。

风力发电机发出的三相交流电，经二极管三相全桥整流成直流电后，再由六只绝缘栅双极型电力晶体管(IGBT)，在控制和驱动电路的控制下，逆变成三相交流电并入电网。逆变器的控制一般采用SPWM-VVVF方式，即正弦波脉宽调制式变压变频方式。采用交-直-交系统的变频装置的容量较大，一般要选发电机额定功率的120%以上。

风电双馈发电机的控制

目前的风电机组多采用恒速恒频系统，发电机多采用同步电机或异步感应电机。在风电机组向恒频电网送电时，不需要调速，因为电网频率将强迫控制风轮的转速。在这种情况下，风力机在不同风速下维持或近似维持同一转速。效率下降，被迫降低出力，甚至停机，这显然是不可取的。与之不同的是，无论处于亚同步速或超同步速的双馈发电机都可以在不同的风速下运行，其转速可随风速变化做相应的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，机组效率提高。同时，定子输出功率的电压和频率却可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。

(1) 双馈电机的工作特性

双馈电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具有固定频率的对称三相电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交-交变频器或交-直-交变频器供以低频电流。

当双馈电机定子对称三相绕组由频率为f1(f1=P•n1/60)的三相电源供电时，由于电机

转子的转速n＝(l-s)n1(s为转差率，n1为气隙中基波旋转磁场的同步速率)。为了实现稳定的机电能量转换，定子磁场与转子磁场应保持相对静止，即应满足:

ωR＝ω1-ω2

其中:ωR是转子旋转角频率;

ω1是定子电流形成的旋转磁场的角频率;

ω2是转子电流形成的旋转磁场的角频率。

由此可得转子供电频率f2＝S•f1，此时定转子旋转磁场均以同步速n1旋转，两者保持相对静止。

与同步电机相比，双馈电机励磁可调量有三个:一是与同步电机一样，可以调节励磁电流的幅值;二是可以改变励磁电流的频率；三是可以改变励磁电流的相位。通过改变励磁频率，可调节转速。这样在负荷突然变化时，迅速改变电机的转速，充分利用转子的动能，释放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机小。另外，通过调节转子励磁电流的幅值和相位，可达到调节有功功率和无功功率的目的。而同步电机的可调量只有一个，即励磁电流的幅值，所以调节同步电机的励磁一般只能对无功功率进行补偿。与之不同的是双馈电机的励磁除了可以调节电流幅值外，亦可以调节其相位，当转子电流的相位改变时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置就产生一个位移，改变了双馈电机电势与电网电压向量的相对位置，也就改变了电机的功率角。所以双馈电机不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。一般来说，当电机吸收电网的无功功率时，往往功率角变大，使电机的稳定性下降。而双馈电机却可通过调节励磁电流的相位，减小机组的功率角，使机组运行的

稳定性提高，从而可多吸收无功功率，克服由于晚间负荷下降，电网电压过高的困难。与之相比，异步发电机却因需从电网吸收无功的励磁电流，与电网并列运行后，造成电网的功率因数变坏。所以双馈电机较同步电机和异步电机都有着更加优越的运行性能。

(2) 风力发电中双馈电机的控制

在风力发电中，由于风速变幻莫测，使对其的利用存在一定的困难。所以改善风力发电技术，提高风力发电机组的效率，最充分地利用风能资源，有着十分重要的意义。任何一个风力发电机组都包括作为原动机的风力机和将机械能转变为电能的发电机。其中，作为原动机的风力机，其效率在很大程度上决定了整个风力发电机组的效率，而风力机的效率又在很大程度上取决于其负荷是否处于最佳状态。不管一个风力机是如何精细地设计和施工建造，若它处于过载或久载的状态下，都会损失其效率。从风力机的气动曲线可以看出，存在一个最佳周速比λ，对应一个最佳的效率。所以风力发电机的最佳控制是维持最佳周速比λ。另外，由于要考虑电网对有功功率和无功功率的要求，所以风力机最佳工况时的转速应由其气动曲线及电网的功率指令综合得出。也就是说，风力发电机的转速随风速及负荷的变化应及时作出相应的调整，依靠转子动能的变化，吸收或释放功率，减少对电网的扰动。通过变频器控制器对逆变电路中功率器件的控制。可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值、频率及相位角，达到调节其转速、有功功率和无功功率的目的，既提高了机组的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。

整个控制系统可分为三个单元:转速调整单元、有功功率调整单元、电压调整单元(无功功率调整)。它们分别接受风速和转速、有功功率、无功功率指令，并产生一个综合信号，送给励磁控制装置，改变励磁电流的幅值、频率与相位角，以满足系统的要求。由于双馈电机既可调节有功功率，又可调节无功功率，有风时，机组并网发电;无风时，也可作抑制电网频率和电压波动的补偿装置。

(3) 双馈风力发电机组应用前景广阔

综上所述，将双馈电机应用于风力发电中，可以解决风力机转速不可调、机组效率低等问题。另外，由于双馈电机对无功功率、有功功率均可调，对电网可起到稳压、稳频的作用，提高发电质量。与同步机交一直一交系统相比，还有变频装置容量小(一般为发电机额定容量的10～20%)、重量轻的优点，更适合于风力发电机组使用，同时也降低了造价。

将双馈电机应用于风力发电的设想，不仅在理论上成立，在技术上也是可行的。与现有的风力发电技术相比，无论从经济性，还是可靠性来看，都具有无可替代的优势，具有很强的竞争力，有利于风电机组国产化的进程，其发展前景十分广阔。

大型风电场的计算机监控系统

风力发电技术的发展将带动大型风电场的建设。以大型风力发电机组组成的大型风电场，可为电网提供可再生的绿色能源，也可解决边远地区的能源供应紧张形势，大型风电场的运行管理己提上议事日程。目前，我国各大风电场在引进国外风力发电机组的同时，一般也都配有相应的监控系统。但各有自己的设计思路，致使风电场监控技术互不兼容。如果一个风电场中有多种机型的风电机组的话，就会给风电场的运行管理造成很大困难。因此，国家计委在科技攻关计划中实施对大型风电机组进行攻关的同时，也把风电场的监控系统列入攻关计划，以期开发出适合我国风电场运行管理的监控系统。

1 通讯方式

目前风电场所采用的风电机组都是以大型并网型机组为主，各机组有自己的控制系统，用来采集自然参数，机组自身数据及状态，通过计算、分析、判断而控制机组的启动、停

机、调向、刹车和开启油泵等一系列控制和保护动作，能使单台风力发电机组实现全部自动控制，无需人为干预。当这些性能优良的风电机组安装在某一风电场时，集中监控管理各风电机组的运行数据、状态、保护装置动作情况、故障类型等，十分重要。为了实现上述功能，下位机(机组控制机)控制系统应能将机组的数据、状态和故障情况等通过专用的通讯装置和接口电路与控制室的上位计算机通讯，同时上位机应能向下位机传达控制指令，由下位机的控制系统执行相应的动作，从而实现远程监控功能。根据风电场运行的实际情况，上、下位机通讯有如下特点:

① 一台上位机能监控多台风电机组的运行，属于一对多通讯方式;

② 下位机应能运行，并能对上位机通讯;

③ 上、下位机之间的安装距离较远，超过500m;

④ 下位机之间的安装距离也较远，超过100m;

⑤ 上、下位机之间的通讯软件必须协调一致，并应开发出工业控制专用功能。

为了适应远距离通讯的需要，目前国内风电场所引进的监控系统主要采用如下两种通讯方式:

① 异步串行通讯，用RS-422或RS-485通讯接口。它的传输距离可达数千公里，传输速度也可达数百万位。由于所用传输线较少，所以成本较低，很适合风电场监控系统采用。同时因为此种通讯方式的通讯协议比较简单，也很常用，所以成为较远距离通讯的首选方式。

② 调制解调器(MODEM)方式。这是将数字信号调制成一种模拟信号，通过介质传输到远方，在远方再用解调器将信号恢复，取出信息进行处理，是一种实现远距离信号传输的方式。此种传输方式的传输距离不受，可以将某地的信息与世界各地交换，且抗干扰能力较强，可靠性高，虽相对说来成本较高，但在风电机组通讯中也有较多的应用。

2 下位机通讯接口的设计

监控系统的下位机是指各风电机组的中心控制器。对于每台风力发电机组来说，即使没有上位机的参与，也能安全正确地工作。所以相对于整个监控系统来说，下位机控制系统是一个子系统，具有在各种异常工况下单独处理风电机组故障，保证风电机组安全稳定运行的能力。从整个风电场的运行管理来说，每台风电机组的下位控制器都应具有与上位机进行数据交换的功能，使上位机能随时了解下位机的运行状态并对其进行常规的管理性控制，为风电场的管理提供方便。因此，下位机控制器必须使各自的风力发电机组可靠地工作，同时具有与上位机通讯联系的专用通讯接口。

可编程控制器(PLC)具有功能齐全，可靠性高和编程方便的特点，在工业控制领域受到广泛的欢迎。尤其是近年来，为了适应现场控制要求及集散控制的要求，国外的PLC厂家纷纷推出与各自PLC相配套的通讯模块，这些模块提供了RS232/422适配器或RS-232接口与PC机之间实现数据通讯，并有专门的编程软件，使软件开发更加方便。因而，采用可编程控制器(PLC)作为风力发电机组的下位控制器，完全可以满足风力发电机组控制和风电场监控的要求。

3 风电监控界面设计

监控应用软件是根据具体对象来实施工业监控而开发出的软件，用在监控系统中执行

监视、控制生产过程和及时调整的应用程序。对于风电场监控系统，首先要显示风电场整体及机组安装的具体位置，而后要了解各台机组之间的连接关系及每台风电机组的运行情况。因此，风电场的监控软件应具有如下功能:

① 友好的控制界面。在编制监控软件时，应充分考虑到风电场运行管理的要求，应当使用汉语菜单，使操作简单，尽可能为风电场的管理提供方便。

② 能够显示各台机组的运行数据，如每台机组的瞬时发电功率、累计发电量、发电小时数、风轮及电机的转速和风速、风向等，将下位机的这些数据调入上位机，在显示器上显示出来，必要时还应当用曲线或图表的形式直观地显示出来。

③ 显示各风电机组的运行状态，如开机、停车、调向、手/自动控制以及大/小发电机工作等情况。通过各风电机组的状态了解整个风电场的运行情况，这对整个风电场的管理是十分重要的。

④ 能够及时显示各机组运行过程中发生的故障。在显示故障时，应能显示出故障的类型及发生时间，以便运行人员及时处理及消除故障，保证风电机组的安全和持续运行。

⑤ 能够对风电机组实现集中控制。值班员在集中控制室内，只需对标明某种功能的相应键进行操作，就能对下位机进行改变设置、状态和对其实施控制。如开机、停机和左右调向等。但这类操作必须有一定的权限，以保证整个风电场的运行安全。

⑥ 系统管理。监控软件应当具有运行数据的定时打印和人工即时打印以及故障自动记录的功能，以便随时查看风电场运行状况的历史记录情况。

风力发电机组的运行维护技术

随着科技的进步，风电事业的不断发展。风能公司下属的达坂城风力发电场的规模也日益扩大，单机容量从30kW逐渐升至600kW，风机也由原来的引进进口设备，发展到了如今自己生产、设计的国产化风机。伴随着风机种类和数量的增加，新机组的不断投运，旧机组的不断老化，风机的日常运行维护也是越来越重要。现在就风机的运行维护作一下探讨。

一．运行

风力发电机组的控制系统是采用工业微处理器进行控制，一般都由多个CPU并列运行，其自身的抗干扰能力强，并且通过通信线路与计算机相连，可进行远程控制，这大大降低了运行的工作量。所以风机的运行工作就是进行远程故障排除和运行数据统计分析及故障原因分析。

1．远程故障排除

风机的大部分故障都可以进行远程复位控制和自动复位控制。风机的运行和电网质量好坏是息息相关的，为了进行双向保护，风机设置了多重保护故障，如电网电压高、低，电网频率高、低等，这些故障是可自动复位的。由于风能的不可控制性，所以过风速的极限值也可自动复位。还有温度的限定值也可自动复位，如发电机温度高，齿轮箱温度高、低，环境温度低等。风机的过负荷故障也是可自动复位的。

除了自动复位的故障以外，其它可远程复位控制故障引起的原因有以下几种：

（1）风机控制器误报故障；

（2）各检测传感器误动作；

（3）控制器认为风机运行不可靠。

2．运行数据统计分析

对风电场设备在运行中发生的情况进行详细的统计分析是风电场管理的一项重要内容。通过运行数据的统计分析，可对运行维护工作进行考核量化，也可对风电场的设计，风资源的评估，设备选型提供有效的理论依据。

每个月的发电量统计报表，是运行工作的重要内容之一，其真实可靠性直接和经济效益挂钩。其主要内容有：风机的月发电量，场用电量，风机的设备正常工作时间，故障时间，标准利用小时，电网停电，故障时间等。

风机的功率曲线数据统计与分析，可对风机在提高出力和提高风能利用率上提供实践依据。例如，在对国产化风机的功率曲线分析后，我们对后三台风机的安装角进行了调节，降低了高风速区的出力，提高了低风速区的利用率，减少了过发故障和发电机温度过高故障，提高了设备的可利用率。通过对风况数据的统计和分析，我们掌握了各型风机随季节变化的出力规律，并以此可制定合理的定期维护工作时间表，以减少风资源的浪费。

3．故障原因分析

我们通过对风机各种故障深入的分析，可以减少排除故障的时间或防止多发性故障的发生次数，减少停机时间，提高设备完好率和可利用率。如对150kW风机偏航电机过负

荷这一故障的分析，我们得知有以下多种原因导致该故障的发生，首先机械上有电机输出轴及键块磨损导致过负荷，偏航滑靴间隙的变化引起过负荷，偏航大齿盘断齿发生偏航电机过负荷，在电气上引起过负荷的原因有软偏模块损坏，软偏触发板损坏，偏航接触器损坏，偏航电磁刹车工作不正常等。又如，在对Jacobs系列风机控制电压消失故障分析中，我们采用排除实验法，将安全链当中有可能引起该故障的测量信号元件用信号继电器和短接线进行电路改造，最终将故障原因定位在过速压力开关的整定上，将该故障的发生次数减少，提高了设备使用率，减少了闸垫的更换次数，降低了运行成本。

二．维护

风力发电机是集电气、机械、空气动力学等各学科于一体的综合产品，各部分紧密联系，息息相关。风力机维护的好坏直接影响到发电量的多少和经济效益的高低；风力机本身性能的好坏，也要通过维护检修来保持，维护工作及时有效可以发现故障隐患，减少故障的发生，提高风机效率。

风机维护可分为定期检修和日常排故维护两种方式。

1．风机的定期检修维护

定期的维护保养可以让设备保持最佳期的状态，并延长风机的使用寿命。定期检修维护工作的主要内容有：风机联接件之间的螺栓力矩检查（包括电气连接），各传动部件之间的润滑和各项功能测试。

风机在正常运行中时，各联接部件的螺栓长期运行在各种振动的合力当中，极易使其松动，为了不使其在松动后导致局部螺栓受力不均被剪切，我们必须定期对其进行螺栓力

矩的检查。在环境温度低于-5℃时，应使其力矩下降到额定力矩的80进行紧固，并在温度高于-5℃后进行复查。我们一般对螺栓的紧固检查都安排在无风或风小的夏季，以避开风机的高出力季节。

风机的润滑系统主要有稀油润滑（或称矿物油润滑）和干油润滑（或称润滑脂润滑）两种方式。风机的齿轮箱和偏航减速齿轮箱采用的是稀油润滑方式，其维护方法是补加和采样化验，若化验结果表明该润滑油已无法再使用，则进行更换。干油润滑部件有发电机轴承，偏航轴承，偏航齿等。这些部件由于运行温度较高，极易变质，导致轴承磨损，定期维护时，必须每次都对其进行补加。另外，发电机轴承的补加剂量一定要按要求数量加入，不可过多，防止太多后挤入电机绕组，使电机烧坏。

定期维护的功能测试主要有过速测试，紧急停机测试，液压系统各元件定值测试，振动开关测试，扭缆开关测试。还可以对控制器的极限定值进行一些常规测试。

定期维护除以上三大项以外，还要检查液压油位，各传感器有无损坏，传感器的电源是否可靠工作，闸片及闸盘的磨损情况等方面。

2．日常排故维护

风机在运行当中，也会出现一些故障必须到现场去处理，这样我们就可顺便进行一下常规维护。首先要仔细观察风机内的安全平台和梯子是否牢固，有无连接螺栓松动，控制柜内有无糊味，电缆线有无位移，夹板是否松动，扭缆传感器拉环是否磨损破裂，偏航齿的润滑是否干枯变质，偏航齿轮箱、液压油及齿轮箱油位是否正常，液压站的表计压力是否正常，转动部件与旋转部件之间有无磨损，看各接头有无渗漏，齿轮油及液压油的滤清器的指示是否在正常位置等。第二是听，听一下控制柜里是否有放电的声音，有声音

就可能是有接线端子松动，或接触不良，须仔细检查，听偏航时的声音是否正常，有无干磨的声响，听发电机轴承有无异响，听齿轮箱有无异响，听闸盘与闸垫之间有无异响，听叶片的切风声音是否正常。第三，清理干净自己的工作现场，并将液压站各元件及管接头擦净，以便于今后观察有无泄漏。

虽然上述的常规维护项目并不是很完全，但我们只要每次都能做到认真、仔细，一定能防止出现故障隐患，提高设备的完好率和可利用率。

要想运行维护好风力发电机组，在平时还要对风机相关理论知识进行深入地研究和学习，认真做好各种维护记录并存档，对库存的备件进行定时清点，对各类风机的多发性故障进行深入细致分析，并力求对其做出有效预防。只有防患于未然，才是我们运行维护的最高境界。