風(fēng)力發(fā)電機組的控制與安全系統(tǒng)方案

1、風(fēng)力發(fā)電機組的控制與安全系統(tǒng)技術(shù)要求風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性已成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風(fēng)電場長期安全可靠運行的重大問題。在實際應(yīng)用過程中，尤其是一般風(fēng)力發(fā)電機組控制與檢測系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上的要不困難的。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風(fēng)力發(fā)電機組的聲譽。有的風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)功能很強，但由于工作不可靠，經(jīng)常出故障，而出現(xiàn)故障后對一般用戶來說維修又十分困難。于是，這樣一套控制系統(tǒng)可能發(fā)揮不了它應(yīng)有的作用，造成不應(yīng)有的損失。因此，對于一個風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計和使用者來說，系統(tǒng)的安全可靠性必須認(rèn)真加以考慮，必須引起足夠的重視。我們的目的是

2、希望通過控制與安全系統(tǒng)設(shè)計，采取必要的手段，使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時間不出故障或少出故障。并且，在出故障之后能夠以最快的速度修復(fù)系統(tǒng)使之恢復(fù)正常工作。第一節(jié) 控制與安全系統(tǒng)的技術(shù)要求一、風(fēng)力發(fā)電機組的運行的控制要求（一）控制思想我國風(fēng)電場運行的機組多數(shù)以定槳距失速型機組為主，所謂失速型風(fēng)力發(fā)電機組就是當(dāng)風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機組額定風(fēng)速以上時，為確保風(fēng)力發(fā)電機組功率輸出不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組過載，通過空氣動力學(xué)的失速特性，使葉片發(fā)生失速，從而控制風(fēng)力發(fā)電機組的功率輸出。所以，定槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)控制思想和控制原則以安全運行控制技術(shù)要求為主，功率控制由葉片的失速特性來完成。風(fēng)力發(fā)電機組的

3、正常運行與安全性取決于先進的控制策略和優(yōu)越的保護功能。控制系統(tǒng)應(yīng)以主動或被動的方式控制機組的運行，使系統(tǒng)運行在安全允許的規(guī)定圍，且各項參數(shù)保持在正常工作圍。控制系統(tǒng)可以控制的功能和參數(shù)包括功率極限、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、電氣負(fù)載的連接、起動與停機過程、電網(wǎng)或負(fù)載丟失時的停機、紐纜限制、機艙時風(fēng)、運行時電量和溫度參數(shù)的限制。如風(fēng)力發(fā)電機組的工作風(fēng)速是采用BIN法計算10min平均值確定小風(fēng)脫網(wǎng)風(fēng)速和大風(fēng)切出風(fēng)速，每個參數(shù)極限控制均采用回差法，上行點和下行點不同，視實際運行情況而定。對于變槳距風(fēng)力發(fā)電機組與定槳距恒速型風(fēng)力發(fā)電機組控制方法略有不同，即功率調(diào)節(jié)方式不同，它采用變槳距方式改變風(fēng)輪能量的捕獲，從而使

4、風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率發(fā)生變化，最終達(dá)到限制功率輸出的目的。保護環(huán)節(jié)以失效保護為原則進行設(shè)計，當(dāng)控制失敗，部或外部故障影響，導(dǎo)致出現(xiàn)危險情況引起機組不能正常運行時，系統(tǒng)安全保護裝置動作，保護風(fēng)力發(fā)電機組處于安全狀態(tài)。在下列情況系統(tǒng)自動執(zhí)行保護功能：超速、發(fā)電機過載和故障、過振動、電網(wǎng)或負(fù)載丟失、脫網(wǎng)時的停機失敗等。保護環(huán)節(jié)為多級安全鏈互鎖，在控制過程中具有邏輯“與”的功能，而在達(dá)到控制目標(biāo)方面可實現(xiàn)邏輯“或”的結(jié)果。此外，系統(tǒng)還設(shè)計了防雷裝置，對主電路和控制電路分別進行防雷保護。控制線路中每一電源和信號輸入端均設(shè)有防高壓元件，主控柜設(shè)有良好的接地并提供簡單而有效的疏雷通道。（二）自動運行的控制

5、要求1.開機并網(wǎng)控制當(dāng)風(fēng)速10min平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域，機械閘松開，葉尖復(fù)位，風(fēng)力作用于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上，風(fēng)力發(fā)電機組慢慢起動，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速大于20%的額定轉(zhuǎn)速持續(xù)5%，轉(zhuǎn)速仍達(dá)不到60%額定轉(zhuǎn)速，發(fā)電機進入電網(wǎng)軟拖動狀態(tài)，軟拖方式視機組型號而定。正常情況下，風(fēng)力發(fā)電機組轉(zhuǎn)速連續(xù)增高，不必軟拖增速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到軟切轉(zhuǎn)速時，風(fēng)力發(fā)電機組進入軟切入狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速升到發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速時，旁路主接觸器動作，機組并入電網(wǎng)運行。對于有大、小發(fā)電機的失速型風(fēng)力發(fā)電機組，按風(fēng)速圍和功率的大小，確定大、小電機的投入。軟切入控制方式確定參照本章第二節(jié)第四條，但大電機和小電機的發(fā)電工作轉(zhuǎn)速不一致，通常為1000r/min

6、和1500r/min，在小電機脫網(wǎng)，大電機并網(wǎng)的切換過程中，要求嚴(yán)格控制，通常必須在幾秒完成控制。2. 小風(fēng)和逆功率脫網(wǎng)小風(fēng)和逆功率停機是將風(fēng)力發(fā)電機組停在待風(fēng)狀態(tài)，當(dāng)10min平均風(fēng)速小于小風(fēng)脫網(wǎng)風(fēng)速或發(fā)電機輸出功率負(fù)到一定值后，風(fēng)力發(fā)電機組不允許長期在電網(wǎng)運行，必須脫網(wǎng)，處于自由狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機組靠自身的摩擦阻力緩慢停機，進入待風(fēng)狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速再次上升，風(fēng)力發(fā)電機組又可自動旋轉(zhuǎn)起來，達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，風(fēng)力發(fā)電機組又投入并網(wǎng)運行。3.普通故障脫網(wǎng)停機機組運行時發(fā)生參數(shù)越限、狀態(tài)異常等普通故障后，風(fēng)力發(fā)電機組進入普通停機程序，機組投入氣動剎車，軟脫網(wǎng)，待低速軸轉(zhuǎn)速低于一定值后，再抱機械閘，如果是由于

7、部因素產(chǎn)生的可恢復(fù)故障，計算機可自行處理，無需維護人員到現(xiàn)場，即可恢復(fù)正常開機。4.緊急故障脫網(wǎng)停機當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生緊急故障如風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)生飛車、超速、振動與負(fù)載丟失等故障時，風(fēng)力發(fā)電機組進入緊急停機程序，機組投入氣動剎車的同時執(zhí)行90°偏航控制，機艙旋轉(zhuǎn)偏離主風(fēng)向，轉(zhuǎn)速達(dá)到一定限制后脫網(wǎng)，低速軸轉(zhuǎn)速小于一定轉(zhuǎn)速后，抱機械閘。5. 安全鏈動作停機安全鏈動作停機指電控制系統(tǒng)軟保護控制失敗時，為安全起見所采取的硬性停機葉尖氣動剎車、機械剎車和脫網(wǎng)同時動作，風(fēng)力發(fā)電機組在幾秒停下來。6.大風(fēng)脫網(wǎng)控制當(dāng)風(fēng)速10min 平均值大于25m/s 時，風(fēng)力發(fā)電機組可能出現(xiàn)超速和過載，為了機組的安全，這時

8、風(fēng)力發(fā)電機組必須進行大風(fēng)脫網(wǎng)停機。風(fēng)力發(fā)電機組先投入氣動剎車，同時偏航90°，等功率下降后脫網(wǎng)，20s 后或者低速軸轉(zhuǎn)速小于一定值時，抱機械閘，風(fēng)力發(fā)電機組完全停止。當(dāng)風(fēng)速回到工作風(fēng)速區(qū)后，風(fēng)力發(fā)電機組開始恢復(fù)自動對風(fēng)，待轉(zhuǎn)速上升后，風(fēng)力發(fā)電機組又重新開始自動并網(wǎng)運行。7.對風(fēng)控制風(fēng)力發(fā)電機組在工作風(fēng)速區(qū)時，應(yīng)根據(jù)機艙的控制靈敏度，確定每次偏航的調(diào)整角度。用兩種方法判定機艙與風(fēng)向的偏離角度，根據(jù)偏離的程度和風(fēng)向傳感器的靈敏度，時刻調(diào)整機艙偏左和偏右的角度。8. 偏轉(zhuǎn)900 對風(fēng)控制風(fēng)力發(fā)電機組在大風(fēng)速或超轉(zhuǎn)速工作時，為了風(fēng)力發(fā)電機組的安全停機，必須降低風(fēng)力發(fā)電機組的功率，釋放風(fēng)輪的能

9、量。當(dāng)10min平均風(fēng)速大于25m/s或風(fēng)力發(fā)電機組轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)速超速上限時，風(fēng)力發(fā)電機組作偏轉(zhuǎn)90°控制，同時投入氣動剎車，脫網(wǎng)，轉(zhuǎn)速降下來后，抱機械閘停機。在大風(fēng)期間實行90°跟風(fēng)控制，以保證機組大風(fēng)期間的安全。9. 功率調(diào)節(jié)當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組在額定風(fēng)速以上并網(wǎng)運行時，對于失速型風(fēng)力發(fā)電機組由于葉片的失速特性，發(fā)電機的功率不會超過額定功率的15%。一旦發(fā)生過載，必須脫網(wǎng)停機。對于變槳距風(fēng)力發(fā)電機組，必須進行變距調(diào)節(jié)，減小風(fēng)輪的捕風(fēng)能力，以便達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的，通常槳距角的調(diào)節(jié)圍在-2°-86°。10. 軟切入控制風(fēng)力發(fā)電機組在進入電網(wǎng)運行時，必須進行軟切人

10、控制，當(dāng)機組脫離電網(wǎng)運行時，也必須軟脫網(wǎng)控制。利用軟并網(wǎng)裝置可完成軟切入/出的控制。通常軟并網(wǎng)裝置主要由大功率晶閘管和有關(guān)控制驅(qū)動電路組成?？刂颇康木褪峭ㄟ^不斷監(jiān)測機組的三相電流和發(fā)電機的運行狀態(tài)，限制軟切入裝置通過控制主回路晶閘管的導(dǎo)通角，以控制發(fā)電機的端電壓，達(dá)到限制起動電流的目的。在電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，旁路接觸器動作，將主回路晶閘管斷開，軟切入過程結(jié)束，軟并網(wǎng)成功。通常限制軟切入電流為額定電流的1.5 倍。（三）控制保護要求1. 主電路保護在變壓器低壓側(cè)三相四線進線處設(shè)置低壓配電低壓斷路器，以實現(xiàn)機組電氣元件的維護操作安全和短路過載保護，該低壓配電低壓斷路器還配有分動脫扣和輔動觸點。

11、發(fā)電機三相電纜線入口處，也設(shè)有配電自動空氣斷路器，用來實現(xiàn)發(fā)電機的過電流、過載與短路保護。2. 過電壓、過電流保護主電路計算機電源進線端、控制變壓器進線端和有關(guān)伺服電動機進線端，均設(shè)置過電壓、過電流保護措施。如整流電源、液壓控制電源、穩(wěn)壓電源、控制電源一次側(cè)、調(diào)向系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機械閘系統(tǒng)、補償控制電容都有相應(yīng)的過電流、過電壓保護控制裝置。3.防雷設(shè)施與熔絲主避雷器與熔絲，合理可靠的接地線為系統(tǒng)主避雷保護，同時控制系統(tǒng)有專門設(shè)計的防雷保護裝置。在計算機電源與直流電源變壓器一次側(cè)，所有信號的輸入端均設(shè)有相應(yīng)的瞬時超電壓和過電流保護裝置。4. 熱繼電保護運行的所有輸出運轉(zhuǎn)機構(gòu)如發(fā)電機、電動機、各傳

12、動機構(gòu)的過熱、過載保護控制裝置。5.接地保護由于設(shè)備因絕緣破壞或其他原因可能引起出現(xiàn)危險電壓的金屬部分，均應(yīng)實現(xiàn)保護接地。所有風(fēng)力發(fā)電機組的零部件、傳動裝置、執(zhí)行電動機、發(fā)電機、變壓器、傳感器、照明器具與其他電器的金屬底座和外殼；電氣設(shè)備的傳動機構(gòu)；塔架機艙配電裝置的金屬框架與金屬門；配電、控制和保護用的盤（臺、箱）的框架；交、直流電力電纜的接線盒和終端盒金屬外殼與電纜的金屬保護層和竄線的鋼管；電流互感器和電壓互感器的二次線圈；避雷器、保護間隙和電容器的底座、非金屬護套信號線的12 根屏蔽芯線；上述都要求保護接地。二、控制安全系統(tǒng)安全運行的技術(shù)要求控制與安全與系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組安全運行的大腦指

13、揮中心，控制系統(tǒng)的安全運行就是保證了機組安全運行，通常風(fēng)力發(fā)電機組運行所涉與的容相當(dāng)廣泛就運行工況而言，包括起動、停機、功率調(diào)解、變速控制和事故處理等方面的容。風(fēng)力發(fā)電機組在起停過程中，機組各部件將受到劇烈的機械應(yīng)力的變化，而對安全運行起決定因素是風(fēng)速變化引起的轉(zhuǎn)速的變化。所以轉(zhuǎn)速的控制是機組安全運行的關(guān)鍵。風(fēng)力發(fā)電機組的運行是一項復(fù)雜的操作，涉與的問題很多，如風(fēng)速的變化、轉(zhuǎn)速的變化、溫度的變化、振動等都是直接威脅風(fēng)力發(fā)電機組的安全運行。（一）控制系統(tǒng)安全運行的必備條件1）風(fēng)力發(fā)電機組開關(guān)出線側(cè)相序必須與并網(wǎng)電網(wǎng)相序一致，電壓標(biāo)稱值相等，三相電壓平衡。2）風(fēng)力發(fā)電機組安全鏈系統(tǒng)硬件運行正常。3

14、）調(diào)向系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)處于正常運行的狀態(tài)。4）制動和控制系統(tǒng)液壓裝置的油壓、油溫和油位在規(guī)定圍。5）齒輪箱油位和油溫在正常圍。6）各項保護裝置均在正常位置，且保護值均與批準(zhǔn)設(shè)定的值相符。7）各控制電源處于接通位置。8）監(jiān)控系統(tǒng)顯示正常運行狀態(tài)。9）在寒冷和潮濕地區(qū)，停止運行一個月以上的風(fēng)力發(fā)電機組再投入運行前應(yīng)檢查絕緣，合格后才允許起動。10）經(jīng)維修的風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)在投入起動前，應(yīng)辦理工作票終結(jié)手續(xù)。（二）風(fēng)力發(fā)電機組工作參數(shù)的安全運行圍1.風(fēng)速自然界風(fēng)的變化是隨機的沒有規(guī)律的，當(dāng)風(fēng)速在3-25m/s的規(guī)定工作圍時，只對風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電有影響，當(dāng)風(fēng)速變化率較大且風(fēng)速超過

15、25m/s以上時，則對機組的安全性產(chǎn)生威脅。2. 轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速通常低于40r/min，發(fā)電機的最高轉(zhuǎn)速不超過額定轉(zhuǎn)速的20%，不同型號的機組數(shù)字不同。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組超速時，對機組的安全性產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。3. 功率在額定風(fēng)速以下時，不作功率調(diào)節(jié)控制，只有在額定風(fēng)速以上應(yīng)作限制最大功率的控制，通常運行安全最大功率不允許超過設(shè)計值20%。4. 溫度運行中風(fēng)力發(fā)電機組的各部件運轉(zhuǎn)將會引起溫升，通?？刂破鳝h(huán)境溫度應(yīng)為0-30，齒輪箱油溫小于120，發(fā)電機溫度小于150，傳動等環(huán)節(jié)溫度小于70。5.電壓發(fā)電電壓允許的圍在設(shè)計值的10%，當(dāng)瞬間值超過額定值的30% 時，視為系統(tǒng)故障。6.頻率機組

16、的發(fā)電頻率應(yīng)限制在50Hz±1Hz，否則視為系統(tǒng)故障。7. 壓力機組的許多執(zhí)行機構(gòu)由液壓執(zhí)行機構(gòu)完成，所以各液壓站系統(tǒng)的壓力必須監(jiān)控，由壓力開關(guān)設(shè)計額定值確定，通常低于100HPa（三）系統(tǒng)的接地保護安全要求1）配電設(shè)備接地。變壓器、開關(guān)設(shè)備和互感器外殼、配電柜、控制保護盤，金屬構(gòu)架、防雷設(shè)施與電纜頭等設(shè)備必須接地。2）塔筒與地基接地裝置，接地體應(yīng)水平敷設(shè)。塔和地基的角鋼基礎(chǔ)與支架要用截面25mm×4mm的扁鋼相連作接地干線，塔筒做一組，地基做一組，兩者焊接相連形成接地網(wǎng)。3）接地網(wǎng)形式以閉合型為好。當(dāng)接地電阻不滿足要求時，引入外部接地體。4）接地體的外緣應(yīng)閉合，外緣各角要

17、作成圓弧形，其半徑不宜小于均壓帶間距的一半，埋設(shè)深度應(yīng)不小于0.6m，并敷設(shè)水平均壓帶。5）變壓器中線點的工作接地和保護地線，要分別與人工接地網(wǎng)連接。6）避雷線宜設(shè)單獨的接地裝置。7）整個接地網(wǎng)的接地電阻應(yīng)小于4。8）電纜線路的接地。當(dāng)電纜絕緣損壞時，在電纜的外皮、鎧甲與接線頭盒均可能帶電，要求必須接地。9）如果電纜在地下敷設(shè)，兩端都應(yīng)接地。低壓電纜除在潮濕的環(huán)境須接地外，其他正常環(huán)境不必接地。高壓電纜任何情況都應(yīng)接地。三、控制與安全系統(tǒng)安裝和維護的技術(shù)要求（一）一般安全守則1）維修前機組必須完全停止下來，各維修工作按安全操作規(guī)程進行。2）工作前檢查所有維修用設(shè)備儀器，嚴(yán)禁使用不符合安全要求的

18、設(shè)備和工具。3）各電器設(shè)備和線路的絕緣必須良好，非電工不準(zhǔn)拆裝電器設(shè)備和線路。4）嚴(yán)格按設(shè)計要求進行控制系統(tǒng)硬件和線路安裝，全面進行安全檢查。5）電壓、電流、斷流容量、操作次數(shù)、溫度等運行參數(shù)應(yīng)符合要求。6）設(shè)備安裝好后，試運轉(zhuǎn)合閘前，必須對設(shè)備與接線仔細(xì)檢查，確認(rèn)無問題時方可合閘。7）操作刀閘開關(guān)和電氣分合開關(guān)時，必須帶絕緣手套，并要設(shè)專門人員監(jiān)護。電動機、執(zhí)行機構(gòu)進行實驗或試運行時，也應(yīng)有專人負(fù)責(zé)監(jiān)視，不得隨意離開。如發(fā)現(xiàn)異常聲音或氣味時，應(yīng)立即停止機器切斷電源進行檢查修理。8）安裝電機時，必須檢查絕緣電阻是否合格，轉(zhuǎn)動是否靈活，零部件是否齊全，同時必須安裝接地線。9）拖拉電纜應(yīng)在停電情況

19、下進行，若因工作需要不能停電時，應(yīng)先檢查電纜有無破裂之處，確認(rèn)完好后，帶好絕緣手套才能拖拉。10）帶熔斷器的開關(guān)，其熔絲應(yīng)與負(fù)載電流匹配，更換熔絲必須向拉開刀開關(guān)。11）電器元件應(yīng)垂直安裝，一般傾斜不超過5°，應(yīng)使螺栓固定在支持物上，不得采用焊接，安裝位置應(yīng)便于操作，手柄與周圍建筑物間應(yīng)保持一定距離，不易被碰壞。12）低壓電器的金屬外殼或金屬支架必須接地（ 或接零），電器的裸露部分應(yīng)加防護罩，雙頭刀開關(guān)的分合閘位置上應(yīng)有防止自動合閘的位置。（二）運行前的檢查和試驗要求1）控制器是否清潔，無垢，所安裝的電器其型號、規(guī)格是否與圖紙相符，電器元件安裝是否牢靠。2）用手操作的刀開關(guān)、組合開關(guān)

20、、斷路器等，不應(yīng)有卡住或用力過大的現(xiàn)象。3）刀開關(guān)、斷路器、熔斷器等各部分應(yīng)接觸良好。4）電器的輔助觸點的通斷是否可靠，斷路器等主要電器的通斷是否符合要求。5）二次回路的接線是否符合圖紙要求，線段要有編號，接線應(yīng)牢固、整齊。6）儀表與互感器的變比與接線極性是否正確。7）母線連接是否良好，其支持絕緣子、夾持件等附件是否牢固可靠。8）保護電器的整定值是否符合要求，熔斷器的熔體規(guī)格是否正確，輔助電路各元件的節(jié)點是否符合要求。9）保護接地系統(tǒng)是否符合技術(shù)要求，并應(yīng)有明顯標(biāo)記。表計和繼電器等二次元件的動作是否準(zhǔn)確無誤。10）用歐姆表測量絕緣電阻值是否符合要求，并按要求作耐壓試驗。（三）控制與安全系統(tǒng)運行

21、的檢查1）保持柜電器元件的干燥、清潔。2）經(jīng)常注意柜各電器元件的動作順序以是否正確、可靠。3）運行中特別注意柜中的開斷元件與母線等是否有溫升過高或過熱、冒煙、異常的聲音與不應(yīng)有的的放電等不正?，F(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)與時停電檢查，并排除故障，并避免事故的擴大。4）對斷開、閉合次數(shù)較多的斷路器，應(yīng)定期檢查主觸點表面的燒損情況，并進行維修。斷路器每經(jīng)過一次斷路電流，應(yīng)與時對其主觸點等部位進行檢查修理。5）對主接觸器，特別是動作頻繁的系統(tǒng)，應(yīng)與時檢查主觸點表面，當(dāng)發(fā)現(xiàn)觸點嚴(yán)重?zé)龘p時，應(yīng)與時更換不能繼續(xù)使用。6）定期檢查接觸器、斷路器等電器的輔助觸點與電器的觸點，確保接觸良好。定期檢查電流繼電器、時間繼電

22、器、速度繼電器、壓力繼電器等整定值是否符合要求，并作定期整定，平時不應(yīng)開蓋檢修。7）定期檢查各部位接線是否牢靠與所有緊固件有無松動現(xiàn)象。8）定期檢查裝置的保護接地系統(tǒng)是否安全可靠。9）經(jīng)常檢查按鈕、操作鍵是否操作靈活，其接觸點是否良好。第二節(jié) 風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理一、風(fēng)力發(fā)電機組的控制目標(biāo)風(fēng)力發(fā)電機組是實現(xiàn)由風(fēng)能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉(zhuǎn)換過程的裝置，風(fēng)輪系統(tǒng)實現(xiàn)了從風(fēng)能到機械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機和控制系統(tǒng)則實現(xiàn)了從機械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，在考慮風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)時，應(yīng)結(jié)合它們的運行方式重點實現(xiàn)以下控制目標(biāo)：1. 控制系統(tǒng)保持風(fēng)力發(fā)電機組安全可靠運行，同時高質(zhì)

23、量地將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率、電壓恒定的交流電送人電網(wǎng)。2. 控制系統(tǒng)采用計算機控制技術(shù)實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機組的運行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示與故障處理，完成機組的最佳運行狀態(tài)管理和控制。3. 利用計算機智能控制實現(xiàn)機組的功率優(yōu)化控制，定槳距恒速機組主要進行軟切入、軟切出與功率因數(shù)補償控制，對變槳距風(fēng)力發(fā)電機組主要進行最佳尖速比和額定風(fēng)速以上的恒功率控制。4.大于開機風(fēng)速并且轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的條件下，風(fēng)力發(fā)電機組能軟切入自動并網(wǎng)，保證電流沖擊小于額定電流。當(dāng)風(fēng)速在4-7m/s之間，切入小發(fā)電機組（ 小于300kW）并網(wǎng)運行，當(dāng)風(fēng)速在7-30m /s之間，切人大發(fā)電機組（大于500kW）并網(wǎng)運行。主要完成

24、下列自動控制功能：1）大風(fēng)情況下，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到停機風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機械閘停機，而且在脫網(wǎng)同時，風(fēng)力發(fā)電機組偏航90°。停機后待風(fēng)速降低到大風(fēng)開機風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機組又可自動并人電網(wǎng)運行。2）為了避免小風(fēng)時發(fā)生頻繁開、停機現(xiàn)象，在并網(wǎng)后10min 不能按風(fēng)速自動停機。同樣，在小風(fēng)自動脫網(wǎng)停機后，5min 不能軟切并網(wǎng)。3）當(dāng)風(fēng)速小于停機風(fēng)速時，為了避免風(fēng)力發(fā)電機組長期逆功率運行，造成電網(wǎng)損耗，應(yīng)自動脫網(wǎng)，使風(fēng)力發(fā)電機組處于自由轉(zhuǎn)動的待風(fēng)狀態(tài)。4）當(dāng)風(fēng)速大于開機風(fēng)速，要求風(fēng)力發(fā)電機組的偏航機構(gòu)始終能自動跟風(fēng)。跟風(fēng)精度圍±15°。5）風(fēng)力發(fā)電機組的

25、液壓機械閘在并網(wǎng)運行、開機和待風(fēng)狀態(tài)下，應(yīng)該松開機械閘，其余狀態(tài)下（大風(fēng)停機、斷電和故障等）均應(yīng)抱閘。6）風(fēng)力發(fā)電機組的葉尖閘除非在脫網(wǎng)瞬間、超速和斷電時釋放，起平穩(wěn)剎車作用。其余時間（運行期間、正常和故障停機期間）均處于歸位狀態(tài)。7）在大風(fēng)停機和超速停機的情況下，風(fēng)力發(fā)電機組除了應(yīng)該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖閘停機外，還應(yīng)該自動投入偏航控制，使風(fēng)力發(fā)電機組的機艙軸心線與風(fēng)向成一定的角度，增加風(fēng)力發(fā)電機組脫網(wǎng)的安全度，待機艙轉(zhuǎn)約90°后，機艙保持與風(fēng)向偏90°跟風(fēng)控制，跟風(fēng)圍±15°。8）在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下，風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)停止運行，此時控制系統(tǒng)不能

26、供電。如果正在運行時風(fēng)力發(fā)電機組遇到這種情況，應(yīng)能自動脫網(wǎng)和抱閘停機，此時偏航機構(gòu)不會動作，風(fēng)力發(fā)電機組的機械結(jié)構(gòu)部分應(yīng)能承受考驗。9）風(fēng)力發(fā)電機組塔架的懸掛電纜只允許扭轉(zhuǎn)±2.5 圈，系統(tǒng)已設(shè)計了正/ 反向扭纜計數(shù)器，超過時自動停機解纜，達(dá)到要求后再自動開機，恢復(fù)運行發(fā)電。10）風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)具有手動控制功能（包括遠(yuǎn)程遙控手操），手動控制時“自動”功能應(yīng)該解除，相反地投入自動控制時，有些“手動”功能自動屏蔽。11）控制系統(tǒng)應(yīng)該保證風(fēng)力發(fā)電機組的所有監(jiān)控參數(shù)在正常允許的圍，一旦超過極限并出現(xiàn)危險情況，應(yīng)能自動處理并安全停機。二、控制系統(tǒng)主要參數(shù)1. 主要技術(shù)參數(shù)1）主發(fā)電機輸出功率（

27、額定）    Pe（kW）2）發(fā)電機最大輸出功率          1.2Pe（kW）3）工作風(fēng)速圍                4-25m/ s4）額定風(fēng)速                    Ve（m/ s）5）切攻風(fēng)速（1min 平均值）      4m/ s6）切出風(fēng)速（1min 平均值）  &#

28、160;   25m/ s7）風(fēng)輪轉(zhuǎn)速                    N（r/min）8）發(fā)電機并網(wǎng)轉(zhuǎn)速              1000/1500+20r/min9）發(fā)電機輸出電壓              V±10%10）發(fā)電機發(fā)電頻率           

29、60; 50Hz±0.5 Hz11）并網(wǎng)最大沖擊電流（有效值）  1.51e12）電容補償后功率因數(shù)          0.6-0.922.控制指標(biāo)與效果1）方式                        專用微控制器2）過載開關(guān)                    690V，660A3）自動對風(fēng)偏差圍

30、            ±15°4）風(fēng)力發(fā)電機組自動起、停時間  60s5）系統(tǒng)測試精度                0.5%6）電纜纏繞2.5 圈自動解纜7）解纜時間55min8）手動操作響應(yīng)時間            5s3.保護功能1）超電壓保護圍                連

31、續(xù)30s1.3Ue （V）2）欠電流保護圍                連續(xù) 30s1.3Ie（ A）3）風(fēng)輪轉(zhuǎn)速極限                  40r/min4）發(fā)電機轉(zhuǎn)速極限                1800r/min5）發(fā)電機過功率保護值            連續(xù)6

32、0s1.2Pe（kW）6）發(fā)電機過電流保護值            連續(xù)301.51e（A）7）大風(fēng)保護風(fēng)速                  連續(xù)600s25m/s8）系統(tǒng)接地電阻                  49）防雷感應(yīng)電壓                 

33、 3500V三、恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)組成框圖，如圖9-1所示。這是定槳距雙速發(fā)電機型機組控制系統(tǒng)的組成，對于變槳距風(fēng)力發(fā)電機組只是發(fā)電機軟切人控制略有區(qū)別。控制系統(tǒng)由微機控制器（ 包括監(jiān)控顯示運行控制器、并網(wǎng)控制器、發(fā)電機功率控制器）、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、控制輸出驅(qū)動電路模板（輸出伺服電動機、液壓伺服機構(gòu)、機電切換裝置）等系統(tǒng)組成。主要有空氣斷路器、控制切換接觸器、過電流、過電壓與避雷保護器件、電流、電壓與溫度的變換電路、發(fā)電機并網(wǎng)控制裝置、偏航控制系統(tǒng)、相位補償系統(tǒng)、停機制動控制裝置。傳感信號主要由信號接口電路完成，它們向計算機控制器提供電氣隔離標(biāo)準(zhǔn)信號。這些信號有模擬

34、量20 點、開關(guān)量60多點、頻率量10 多點，信號的電壓和電流圍一般為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號。1. 控制系統(tǒng)輸入信號系統(tǒng)監(jiān)測的參數(shù)有三相電壓、三相電流、電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)、輸出功率、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機繞組溫度、齒輪箱油溫、環(huán)境溫度、控制板溫度、機械制動閘片磨損與溫度、電纜扭絞、機艙振動、風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)等。為了得到系統(tǒng)運行的情況，系統(tǒng)還需監(jiān)測各接觸器的開關(guān)、液壓閥壓力狀況、偏航運作和按鍵輸入等情況。而控制系統(tǒng)輸出控制的是并網(wǎng)晶閘管觸發(fā)、相補償、旁路接觸器的開合、空氣斷路器的開合、空氣制動、機械制動和偏航。這些控制輸出都需要狀態(tài)反饋，所以系統(tǒng)的輸入量包括20多點模擬量、10 點頻率量、60多點開關(guān)

35、量。他們主要為系統(tǒng)的模擬輸入量：發(fā)電機和電網(wǎng)的三相電壓、三相電流和發(fā)電機繞組溫度、齒輪箱油溫、環(huán)境溫度、傳動機構(gòu)等旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的熱升溫度；頻率輸入量有風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、風(fēng)速儀、風(fēng)向儀，偏航正反向計數(shù)、扭纜正反向計數(shù)等；開關(guān)輸入量主要有按鍵信號16 個、制動閘片磨損、制動閘片熱、風(fēng)向標(biāo)0°、風(fēng)向標(biāo)90°、偏航順時針傳感、偏航逆時針傳感、機艙振動、偏航電動機過載、旁路接觸器狀態(tài)、風(fēng)輪液壓壓力信號（風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過高時出現(xiàn)）、機械制動液壓壓力高、機械制動液壓壓力低、外部錯誤信號等等。2. 控制系統(tǒng)輸出信號而系統(tǒng)的控制輸出主要是控制各電磁閥、接觸器線圈、空氣斷路器的開合輸出。電磁閥和接觸

36、器側(cè)的開合則與發(fā)電動機的并網(wǎng)、偏航電動機（ 順時針和，逆時針）的動作、相位補償?shù)娜酵肚?、空氣制動與機械制動系統(tǒng)的動作等。還有系統(tǒng)的軟并網(wǎng)和軟脫網(wǎng)控制。此外，對變槳距風(fēng)力發(fā)電機組還要求根據(jù)風(fēng)速變化調(diào)節(jié)變槳距控制輸出。四、控制系統(tǒng)工作原理主開關(guān)合上后，風(fēng)力發(fā)電機組控制器準(zhǔn)備自動運作。首先系統(tǒng)初始化，檢查控制程序、微控制器硬件和外設(shè)、傳感器來的脈沖與比較所選的操作參數(shù)，備份系統(tǒng)工作表，接著就正式起動。起動的第一秒鐘，先檢查電網(wǎng)、設(shè)置各個計數(shù)器、輸出機構(gòu)初始工作狀態(tài)與晶閘管的開通角。所有這些完成后，風(fēng)力發(fā)電機組開始自動運行。用于風(fēng)輪的葉尖本來是90°，現(xiàn)在恢復(fù)為0°，風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動

37、。計算機開始時刻監(jiān)測各個參數(shù)、輸入，判斷是否可以并網(wǎng)，判斷參數(shù)有否超過極限、執(zhí)行偏航、相位補償、機械制動或空氣制動。其中相位補償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在0.95-0.99之間。其詳細(xì)的控制系統(tǒng)工作原理流程框圖（見圖9-2）。五、并網(wǎng)控制基本原理恒速恒頻發(fā)電機并網(wǎng)控制系統(tǒng)一般來說比較簡單，根據(jù)發(fā)電機不同種，即采用不同方法，對于同步發(fā)電機和籠型感應(yīng)發(fā)電機方法各不一樣。前者運行于由電機極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，后者則以稍高于同步速的轉(zhuǎn)速運行。（一）同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行控制由于發(fā)電機有固定的旋轉(zhuǎn)方向，只要使發(fā)電機的輸出端與電網(wǎng)各項互相對應(yīng)即可滿足條件。起動和并網(wǎng)過程如下：由風(fēng)向傳感器測出風(fēng)向，并使

38、偏航控制器動作，使風(fēng)力發(fā)電機組對準(zhǔn)風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)速超過切人風(fēng)速時，槳距控制器調(diào)節(jié)葉片槳距角使風(fēng)力發(fā)電機組起動。但發(fā)電機被風(fēng)力發(fā)電機組帶到接近同步速時，勵磁調(diào)節(jié)器動作，向發(fā)電機供給勵磁，并調(diào)節(jié)勵磁電流使發(fā)電機的端電壓接近于電網(wǎng)電壓。在發(fā)電機被加速，幾乎達(dá)到同步速度時，發(fā)電機的電動勢或端電壓的幅值將大致與電網(wǎng)電壓一樣。它們頻率之間的很小差別將使發(fā)電機的端電壓和電網(wǎng)電壓之間的相位差在0°和360°的圍緩慢的變化，檢測出斷路器兩側(cè)的電位差，當(dāng)其為零或非常小時就可使斷路器合閘并網(wǎng)。合閘后由于有自整步作用，只要轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速就可以使發(fā)電機牽人同步，即使發(fā)電機與電網(wǎng)保持頻率完全一樣。以

39、上過程可以通過微機自動檢測和操作。這種同步機并網(wǎng)方式，可使并網(wǎng)時的瞬態(tài)電流減至最小，因而風(fēng)力發(fā)電機組和電網(wǎng)受到的沖擊也最小。但是要求風(fēng)力發(fā)電機組調(diào)速器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使發(fā)電機頻率與電網(wǎng)頻率的偏差達(dá)到容許值時方可并網(wǎng)，所以對調(diào)速器的要求較高，如果并網(wǎng)時刻控制不當(dāng)，則有可能產(chǎn)生較大的沖擊電流，甚至并網(wǎng)失敗。另外，為了實現(xiàn)上述同步并網(wǎng)所需要的控制系統(tǒng)，一般不是很便宜的，對于小型風(fēng)力發(fā)電機組將會占其整個成本的一個相當(dāng)大的部分，由于這個原因，同步發(fā)電機一般用于較大型的風(fēng)力發(fā)電機組。（二）感應(yīng)發(fā)電機的并網(wǎng)運行控制1. 電機并網(wǎng)感應(yīng)發(fā)電機可以直接并入電網(wǎng)，也可以通過晶閘管調(diào)壓裝置與電網(wǎng)連接。感應(yīng)發(fā)電機的并網(wǎng)條件如下

40、：1）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向應(yīng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向一致，即感應(yīng)發(fā)電機的相序應(yīng)和電網(wǎng)相序一樣；2）發(fā)電機轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能接近同步轉(zhuǎn)速時并網(wǎng)。并網(wǎng)的第一個條件必須滿足，否則電機并網(wǎng)后將處于電磁制動狀態(tài)，在接線時應(yīng)調(diào)整好相序；第二個條件不是非常嚴(yán)格，但愈是接近同步轉(zhuǎn)速并網(wǎng)，沖擊電流衰減的時間愈少。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動條件時風(fēng)力發(fā)電機組起動，感應(yīng)發(fā)電機被帶到同步轉(zhuǎn)速附近（ 一般為98%-100%同步轉(zhuǎn)速）時合閘并網(wǎng)。由于發(fā)電機并網(wǎng)時本身無電壓，故并網(wǎng)時必將伴隨一個過渡過程，流過5-6 倍額定電流的沖擊電流，一般零點幾秒后即可轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。感應(yīng)發(fā)電機并網(wǎng)時的轉(zhuǎn)速雖然對過渡過程的時間有一定影響，但一般來說問題不大，所以對風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)

41、合閘時的轉(zhuǎn)速要求不是非常嚴(yán)格，并網(wǎng)比較簡單。風(fēng)力發(fā)電機組與大電網(wǎng)并聯(lián)時，合閘瞬間的沖擊電流對發(fā)電機與大電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行不會有太大的影響。當(dāng)對小容量的電網(wǎng)系統(tǒng)，并聯(lián)瞬間會引起電網(wǎng)電壓大幅度下跌，從而影響接在同一電網(wǎng)上的其他電器設(shè)備的正常運行，甚至?xí)绊懙叫‰娋W(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全。為了抑制并網(wǎng)時的沖擊電流，可以在感應(yīng)發(fā)電機與三相電網(wǎng)之間串接電抗器，使系統(tǒng)電壓不致下跌過大，待并網(wǎng)過渡過程結(jié)束后，再將其短接。對于較大型的風(fēng)力發(fā)電機組，目前比較先進的并網(wǎng)方法是采用雙向晶閘管控制的軟投入法，如圖9-3 所示。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組將發(fā)電機帶到同步速附近時，發(fā)電機輸出端的短路器閉合，使發(fā)電機經(jīng)一組雙向晶閘管與電網(wǎng)連

42、接，雙向晶閘管觸發(fā)角由180°-0°逐漸打開，雙向晶閘管的導(dǎo)通角由0°-180°通過電流反饋對雙向晶閘管導(dǎo)通角的控制，將并網(wǎng)時的沖擊電流限制在1.5 倍額定電流以，從而得到一個比較平滑的并網(wǎng)過程，瞬態(tài)過程結(jié)束后，微處理機發(fā)出信號，利用一組開關(guān)將雙向晶閘管短接，從而結(jié)束了風(fēng)力發(fā)電機的并網(wǎng)過程。進入正常的發(fā)電運行。2. 并網(wǎng)運行時的功率輸出感應(yīng)發(fā)電機并網(wǎng)運行時，它向電網(wǎng)送出的電流的大小與功率因數(shù)，取決于轉(zhuǎn)差率/ 與電機的參數(shù)，前者與感應(yīng)發(fā)電機的負(fù)載的大小有關(guān)，后者對設(shè)計好的電機是給定的數(shù)值，因此這些量都不能加以控制或調(diào)節(jié)。并網(wǎng)后電機運行在其轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線的穩(wěn)定

43、區(qū)（見圖9-4）。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組傳給發(fā)電機的機械功率與轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)速而增加時，發(fā)電機的輸出功率與其轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大，原先的轉(zhuǎn)矩平衡點A1沿其運行特性曲線移至轉(zhuǎn)速較前稍高的一個新的平衡點A2，繼續(xù)平穩(wěn)運行。但當(dāng)發(fā)電機的輸出功率超過其最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的功率時，其反轉(zhuǎn)矩減小，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高，在電網(wǎng)上引起飛車，這是十分危險的。為此必須具有合理可靠的失速葉片或限速機構(gòu)，保證風(fēng)速超過額定風(fēng)速或陣風(fēng)時，從風(fēng)力發(fā)電機組輸入的機械功率被限制在一個最大值圍，保證發(fā)電機的輸出電功率不超過其最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的功率值。需要指出的是，感應(yīng)發(fā)電機的最大轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)電壓的平方成正比，電網(wǎng)電壓下降會導(dǎo)致發(fā)電機的最大轉(zhuǎn)矩成平方關(guān)系下降

44、，因此如電網(wǎng)電壓嚴(yán)重下降也會引起轉(zhuǎn)子飛車；相反如電網(wǎng)電壓上升過高，會導(dǎo)致發(fā)電機勵磁電流增加，功率因數(shù)下降，并有可能造成電機過載運行。所以對于小容量電網(wǎng)應(yīng)該配備可靠的過電壓和欠電壓保護裝置，另一方面要求選用過載能力強（最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩1.8倍以上）的發(fā)電機。3.無功功率與其補償感應(yīng)發(fā)電機需要落后的無功功率主要是為了勵磁的需要，另外也為了供應(yīng)定子和轉(zhuǎn)子漏磁所消耗的無功功率。單就前一項來說一般中、大型感應(yīng)電機，勵磁電流約為額定電流的20%-25%，因而勵磁所需的無功功率就達(dá)到發(fā)電機容量的20%-25%，再加上第二項，這樣感應(yīng)發(fā)電機總共所需的無功功率約為發(fā)電機容量的20%-25%。接在電網(wǎng)上的負(fù)載，

45、一般來說，其功率因數(shù)都是落后的，亦即需要落后的無功功率，而接在電網(wǎng)上的感應(yīng)發(fā)電機也需從電網(wǎng)吸取落后的無功功率，這無疑加重了電網(wǎng)上其他同步發(fā)電機提供無功功率的負(fù)擔(dān)，造成不利的影響。所以對配置感應(yīng)電機的風(fēng)力發(fā)電機，通常要采用電容器進行適當(dāng)?shù)臒o功補償。（三）變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組的一個重要優(yōu)點是可以使風(fēng)力發(fā)電機組在很大風(fēng)速圍按最佳效率運行。從風(fēng)力發(fā)電機組的運行原理分析，要求風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速變化，并保持一個恒定的最佳葉尖速比，從而使風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)Cp保持最大值不變，風(fēng)力發(fā)電機組輸出最大的功率。因此，對變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組的要求，除了能夠穩(wěn)定可靠地

46、并網(wǎng)運行之外，最重要的一點就是要實現(xiàn)最大功率輸出控制。（四）同步發(fā)電機交/直/ 交系統(tǒng)的并網(wǎng)運行這種系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)運行的特點如下：1）由于采用頻率變換裝置進行輸出控制，所以并網(wǎng)時沒有電流沖擊，對系統(tǒng)幾乎沒有影響。2）為采用交值佼轉(zhuǎn)換方式，同步發(fā)電機的工作頻率與電網(wǎng)頻率是彼此獨立的，風(fēng)輪與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可以變化，不必?fù)?dān)心發(fā)生同步發(fā)電機直接并網(wǎng)運行時可能出現(xiàn)的失步問題。3）由于頻率變換裝置采用靜態(tài)自勵式逆變器，雖然可以調(diào)節(jié)無功功率，但有高頻電流流向電網(wǎng)。4）在風(fēng)電系統(tǒng)中采用阻抗匹配和功率跟蹤反饋來調(diào)節(jié)輸出負(fù)荷可使風(fēng)力發(fā)電機組按最佳效率運行，向電網(wǎng)輸送更多的電能。（五）雙饋發(fā)電機系統(tǒng)的并網(wǎng)運行雙饋發(fā)電

47、機定子三相繞組直接與電網(wǎng)相聯(lián)，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)交交循環(huán)變流器聯(lián)入電網(wǎng)。這種系統(tǒng)并網(wǎng)運行的特點：1. 風(fēng)力機起動后帶動發(fā)電機至接近同步轉(zhuǎn)速時，由循環(huán)變流器控制進行電壓匹配、同步和相位控制，以便迅速地并入電網(wǎng)，并網(wǎng)時基本上無電流沖擊。對于無初始起動轉(zhuǎn)矩的風(fēng)力發(fā)電機組（如達(dá)里厄型風(fēng)力發(fā)電機組），風(fēng)力發(fā)電機組在靜止?fàn)顟B(tài)下的起動可由雙饋電機運行于電動機工況來實現(xiàn)。2. 風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)速與負(fù)載的變化與時做出相應(yīng)的調(diào)整，使風(fēng)力發(fā)電機組以最佳葉尖速比運行，產(chǎn)生最大的電能輸出。3.雙饋發(fā)電機勵磁可調(diào)量有三個，即勵磁電流的頻率、幅值和相位。調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率，保證發(fā)電機在變速運行的情況下發(fā)出恒定頻率的電力；通過

48、改變勵磁電流的幅值和相位，可達(dá)到調(diào)節(jié)輸出有功功率和無功功率的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流相位改變時，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場在電機氣隙空間的位置有一個位移，從而改變了雙饋電機定子電動勢與電網(wǎng)電壓向量的相對位置，也即改變了電機的功率角，所以調(diào)節(jié)勵磁不僅可以調(diào)節(jié)無功功率，也可以調(diào)節(jié)有功功率。六、風(fēng)力發(fā)電機組的變距控制原理（一）變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的控制方式風(fēng)力發(fā)電機組的變距系統(tǒng)主要包含著兩種控制方式，即并網(wǎng)前的速度控制與并網(wǎng)后的功率控制。由于異步電機的功率與速度是嚴(yán)格對應(yīng)的，功率控制最終也是通過速度控制來實現(xiàn)的。變槳距風(fēng)輪的葉片在靜止時，節(jié)距角為90°，如圖9-5 所示，這時氣流對葉片不產(chǎn)生力矩，整個

49、葉片實際上是一塊阻尼板。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動風(fēng)速時，葉片向0°方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對葉片產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪開始起動。風(fēng)輪從起動到額定轉(zhuǎn)速，其葉片的節(jié)距角隨轉(zhuǎn)速的升高是一個連續(xù)變化的過程。根據(jù)給定的速度參考值，調(diào)整節(jié)距角，進行所謂的速度控制。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，電機并人電網(wǎng)。這時電機轉(zhuǎn)速受到電網(wǎng)頻率的牽制，變化不大，主要取決于電機的轉(zhuǎn)差，電機的轉(zhuǎn)速控制實際上已轉(zhuǎn)為功率控制。為了優(yōu)化功率曲線，在進行功率控制的同時，通過轉(zhuǎn)子電流控制器對電機轉(zhuǎn)差進行調(diào)整，從而調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)速較低時，電機轉(zhuǎn)差調(diào)整到很?。?%），轉(zhuǎn)速在同步速附近；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，電機轉(zhuǎn)差調(diào)整到很大（10%），使葉尖速比得

50、到優(yōu)化，使功率曲線達(dá)到理想的狀態(tài)。（二）變距控制如圖9-6所示，變距控制系統(tǒng)實際上是一個隨動系統(tǒng)。變距控制器是一個非線性比例控制器，它可以補償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，變成電壓信號控制比例閥（或電液伺服閥），驅(qū)動油缸活塞，推動變距機構(gòu)，使葉片節(jié)距角變化?；钊奈灰品答佇盘栍晌灰苽鞲衅鳒y量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。七、風(fēng)力發(fā)電機組現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的信號特征1. 電量信號1）電壓、電流：測量信號圍寬，要求有較好的線性度；測量信號諧波豐富，頻譜特性復(fù)雜；電壓、電流信號為矢量信號，暫態(tài)反應(yīng)速度應(yīng)低于0.02s，精度高于0.5 級。2）功率因數(shù)：影響風(fēng)

51、力發(fā)電機組發(fā)電量計量和補償電容投入容量，要求較高精度。3）電網(wǎng)頻率：一般在工頻附近，精度要求±0.1Hz，反應(yīng)速度快。一次電壓、電流由PT、CT 變換為可采樣的交流信號，經(jīng)濾波整形限幅后進行A/ D轉(zhuǎn)換。以上數(shù)據(jù)信號采集點集中，數(shù)據(jù)流量大，采樣速度高。風(fēng)力發(fā)電機組的電壓電流的采樣數(shù)據(jù)有兩個用途：a. 在發(fā)電機或主回路元件故障與電網(wǎng)發(fā)生危與風(fēng)力發(fā)電機運行的異常狀態(tài)時作為微機保護的判據(jù)。b.作為風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)電量統(tǒng)計、性能評估、狀態(tài)顯示的重要參數(shù)。以與超功率和低功率時作為風(fēng)力發(fā)電機組退出運行判據(jù)。同時，也作為就地電容補償投切重要判據(jù)。風(fēng)力發(fā)電機組繼電保護屬于低壓電流、電壓保護。根據(jù)風(fēng)力發(fā)

52、電機組的與電網(wǎng)連接和運行特點，電力故障的形式比較簡單，輸入信號的暫態(tài)分量不豐富，僅要求純基頻分量的輸入信號，即可作為風(fēng)力發(fā)電機組電力故障判據(jù)。同時，算法選擇還需兼顧數(shù)據(jù)統(tǒng)計的需要，因而選擇傅氏全波算法作為風(fēng)力發(fā)電機組微機繼電保護的算法。傅氏算法數(shù)據(jù)窗長度為20ms，計算量和采樣頻率對于單片機系統(tǒng)來說是一個需要妥善處理的問題，對于IPC 系統(tǒng)則需要妥善處理數(shù)據(jù)流量分配的問題，可直接應(yīng)用于低壓網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流后備保護，配備差分濾波器以削弱電流中衰減的直流分量作為電流速斷保護，加速出口故障的切除時間。2. 溫度信號數(shù)據(jù)信號采集點相對集中，距離主控位置50m。器件熱容量較大，反應(yīng)到溫度變化較慢，可采用

53、鉑電阻測量。溫度參數(shù)可作為器件疲勞程度和風(fēng)力發(fā)電機組運行效能的判據(jù)，而不宜作為突發(fā)故障的保護判據(jù)。溫度統(tǒng)計對于故障分析和歷史數(shù)據(jù)趨勢分析有一定作用。由PT100鉑電阻對溫度進行采樣，采樣信號經(jīng)電路處理后形成0-5V 電壓。根據(jù)采樣點空間布置和距離數(shù)據(jù)處理中心位置，在機艙上設(shè)計一個采集模塊就地將溫度值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，模塊采用RS-485 通信方式把數(shù)據(jù)送給計算機。溫度采集模塊采用ICL7135芯片，其分辨率為十進制輸出4.5位，可接受從±150mV- ±10V之間不同圍的電壓信號，并在與外界接口處加裝DC 3000V 的光耦合器隔離，保護采集模塊易受高壓或地線電流的沖擊而損壞

54、。測量控制盤溫度的傳感器位于電控柜，經(jīng)電路處理后形成0-5V 電壓直接送至A/ D轉(zhuǎn)換板，由計算機分析判斷晶閘管的溫度狀況。3. 風(fēng)向風(fēng)力發(fā)電機組對風(fēng)向的測量由風(fēng)向標(biāo)實現(xiàn)。風(fēng)向瞬時波動頻繁，幅度不大。風(fēng)力發(fā)電機組為主動對風(fēng)設(shè)計，當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化時，由偏航機構(gòu)根據(jù)風(fēng)向標(biāo)信號帶動機頭隨風(fēng)轉(zhuǎn)動，對風(fēng)向的測量不要求具體位置。風(fēng)力發(fā)電機組對風(fēng)向的測量由風(fēng)向標(biāo)來完成。隨著數(shù)字電路的發(fā)展，風(fēng)向標(biāo)的種類也有許多。其中一種部帶有一個8位的格雷碼盤，當(dāng)風(fēng)向標(biāo)隨風(fēng)轉(zhuǎn)動時，同時也帶動格雷碼盤轉(zhuǎn)動，由此得到不同的格雷碼數(shù)，通過光電感應(yīng)元件，形成一組8位的數(shù)字輸入信號。格雷碼盤將360°劃分成256個區(qū)，每個區(qū)分

55、為1.41°，所以其測量精度為() *(%。這種風(fēng)向標(biāo)可以確定風(fēng)向具體位置。另一種風(fēng)向標(biāo)如圖9-7所示。風(fēng)向標(biāo)形成的信號為兩個開關(guān)量，正向是一號傳感器，為0°軸，二號傳感器同一號傳感器成90°夾角，為90°軸，這樣形成一個帶四個象限的虛擬坐標(biāo)。當(dāng)風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動后，就會同風(fēng)力發(fā)電機組現(xiàn)在的方向形成夾角，而風(fēng)力發(fā)電機組現(xiàn)在的方向必定會落在風(fēng)向標(biāo)所形成的坐標(biāo)象限，從而來確定風(fēng)力發(fā)電機組的偏航方向和停止偏航的標(biāo)記。其中0/ 1表示傳感器送來的信號在0和1之間不停的擺動；表示傳感器送來的信號可以為0也可以為1。本系統(tǒng)選用了這種風(fēng)向標(biāo)對風(fēng)向進行測量。4. 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速圍

56、10-30r / min。根據(jù)現(xiàn)場空間布置，可采用霍爾元件將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為窄脈沖。脈沖頻率圍為7-20Hz。通常工作在10Hz以上。葉片轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)速相差一個固定變化，可以相互校驗被測信號的可靠性。風(fēng)力發(fā)電機組轉(zhuǎn)速的測量點有兩個：發(fā)電機主軸轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速信號由霍爾傳感器進行采樣，經(jīng)整形濾波后輸入信號為頻率信號，經(jīng)光耦合器隔離后送至頻率數(shù)字化模塊。一般測頻的方法有兩種：一種通過計量單位時間的脈沖個數(shù)獲得；一種測量相鄰脈沖的時間間隔，通過求倒數(shù)獲得頻率。對于頻率較高的信號采用前一種方法可以獲得較高精度，對于頻率較低的信號采用后一種方法可以節(jié)省系統(tǒng)資源，獲得較高精度。模塊類型與測量風(fēng)速的一樣。

57、模塊采用RS-485 通信方式把數(shù)據(jù)送至工控機，由計算機把頻率信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。頻率與轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系為線性的。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速可以進行相互校驗，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速乘以56.6 等于發(fā)電機轉(zhuǎn)速，如果不符，表示兩個轉(zhuǎn)速信號的采集部分有故障，風(fēng)力發(fā)電機組退出運行。轉(zhuǎn)速測量用于判斷風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)和脫網(wǎng)，還可用于判別超速條件，當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超過30r/min 或電機轉(zhuǎn)速超過1575r/min時，應(yīng)停機。5.風(fēng)速風(fēng)速通過安裝在機艙外的光電數(shù)字式風(fēng)速儀測得。風(fēng)速儀送出的信號為頻率值，經(jīng)光耦合器隔離后送至頻率數(shù)字化模塊。模塊可處理最大輸入頻率值為6.8kHz。模塊采用458 通信方式把數(shù)據(jù)送給工控機，計算機把傳送

58、來的頻率信號經(jīng)平均后轉(zhuǎn)換成風(fēng)速，由于頻率風(fēng)速的轉(zhuǎn)換關(guān)系非線性，在轉(zhuǎn)換過程中采用了分段線性的方法進行處理。風(fēng)速值可根據(jù)功率進行校驗，當(dāng)風(fēng)速在3m/s以下，功率高于150kW持續(xù)1min 時，或風(fēng)速在8m/s以上，功率低于100kW持續(xù)1min 時，表示風(fēng)速計有故障。第三節(jié) 安全系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理一、安全系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機組運行中的地位安全生產(chǎn)是我國風(fēng)電場管理的一項基本原則。而風(fēng)電場則主要是由風(fēng)力發(fā)電機組組成，所以風(fēng)力發(fā)電機組的運行安全是風(fēng)電場以至電力行業(yè)的大事，造成電力生產(chǎn)的不安全，將直接影響國民經(jīng)濟的發(fā)展和社會的正常生活秩序。特別是在社會和電氣化設(shè)施不斷向高消費型發(fā)展的時代，停電或用電質(zhì)量低下，造成

59、生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至?xí)斐缮鐣话??？刂葡到y(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組核心部件，是風(fēng)力發(fā)電機組安全運行根本保證，所以為了提高風(fēng)力發(fā)電機組的運行安全性，必須從控制系統(tǒng)的安全性和可靠性設(shè)計開始，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、運行控制等不同環(huán)節(jié)的特點，在設(shè)備從安裝到運行的全部過程中，切實把好安全質(zhì)量關(guān)，不斷尋找提高風(fēng)力發(fā)電機組安全可靠性的途徑和方法。風(fēng)力發(fā)電機組的安全生產(chǎn)是一項安全系統(tǒng)工程，而控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組的重要組成部分，它的安全系統(tǒng)構(gòu)成整個安全系統(tǒng)的一部分，需要以系統(tǒng)論，信息論，控制論為基礎(chǔ)，研究人、設(shè)備的生產(chǎn)管理，研究事故、預(yù)防事故的一門科學(xué)。從系統(tǒng)的觀點，縱向從設(shè)計、制造、安裝、試驗、運

60、行、檢修進行全面分析，橫向從元器件購買、工藝、規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)、組織和管理等全面分析最后進行全面綜合評價。目的使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各不安全因素減到最小，達(dá)到最佳安全狀態(tài)生產(chǎn)。二、機組控制裝置的安全系統(tǒng)組成和設(shè)計（一）安全系統(tǒng)組成（見圖9-8）（二）安全系統(tǒng)設(shè)計1.設(shè)計過程在風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)中，其安全性包括系統(tǒng)的硬件安全性和軟件安全性。硬件的安全性在很大程度上取決于構(gòu)成它的基本器件。因此，努力提高和改善元器件的可靠性是安全性的保證。但是，只是從提高元器件的可靠性來滿足系統(tǒng)對安全性越來越高的要求將是很困難的，即使可以做到，也要付出高昂的代價。不少先例已經(jīng)表明，即便有了高可靠性的元器件，如果設(shè)計不當(dāng)、工藝不好、設(shè)計不合理，同樣不能獲得安全性高的硬件系統(tǒng)。因此，努力搞好系統(tǒng)的安全設(shè)計是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。系統(tǒng)的安全性工作要貫穿在系統(tǒng)設(shè)計、制造、使用的全過程中。尤其是在進行系統(tǒng)設(shè)計時，要全面安排和考慮有關(guān)安全性的問題。系統(tǒng)設(shè)計是保證日后生產(chǎn)、使用中所達(dá)到的可靠性的主要步驟。2.系