風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究

風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究一．風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)由多個(gè)部分組成，而控制系統(tǒng)貫穿到每個(gè)部分，相當(dāng)于風(fēng)電系統(tǒng)的神經(jīng)。因此控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)、發(fā)電量的多少以及設(shè)備的安全。目前風(fēng)力發(fā)電亟待研究解決的的兩個(gè)問題：發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量都和風(fēng)電控制系統(tǒng)密切相關(guān)。對(duì)此國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，取得了一定進(jìn)展，隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，為風(fēng)電控制系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)

1.1控制系統(tǒng)的組成

風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)分為三個(gè)層次：這就是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行，獲取最大能量，提供良好的電力質(zhì)量。

控制系統(tǒng)組成主要包括各種傳感器、變距系統(tǒng)、運(yùn)行主控制器、功率輸出單元、無功補(bǔ)償單元、并網(wǎng)控制單元、安全保護(hù)單元、通訊接口電路、監(jiān)控單元。

具體控制內(nèi)容有：信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、處理，變槳控制、轉(zhuǎn)速控制、自動(dòng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制、功率因數(shù)控制、偏航控制、自動(dòng)解纜、并網(wǎng)和解列控制、停機(jī)制動(dòng)控制、安全保護(hù)系統(tǒng)、就地監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)然對(duì)于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制單元會(huì)不相同。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下：

針對(duì)上述結(jié)構(gòu)，目前絕大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)都采用集散型或稱分布式控制系統(tǒng)（DCS）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。采用分布式控制最大優(yōu)點(diǎn)是許多控制功能模塊可以直接布置在控制對(duì)象的位置。就地進(jìn)行采集、控制、處理。避免了各類傳感器、信號(hào)線與主控制器之間的連接。同時(shí)DCS現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，便于控制程序現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及在機(jī)組運(yùn)行時(shí)可隨時(shí)修改控制參數(shù)。并與其他功能模塊保持通信，發(fā)出各種控制指令。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，更多新的技術(shù)被應(yīng)用到了DCS之中。PLC是一種針對(duì)順序邏輯控制發(fā)展起來的電子設(shè)備，目前功能上有較大提高。很多廠家也開始采用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(FCS)在進(jìn)入九十年代中期以后發(fā)展也十分迅猛，以至于有些人已做出預(yù)測(cè)：基于現(xiàn)場(chǎng)總線的FCS將取代DCS成為控制系統(tǒng)的主角。1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的控制技術(shù)和伺服傳動(dòng)技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)，這是因?yàn)樽匀伙L(fēng)速的大小和方向是隨機(jī)變化的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)和退出電網(wǎng)、輸入功率的限制、風(fēng)輪的主動(dòng)對(duì)風(fēng)以及對(duì)運(yùn)行過程中故障的檢測(cè)和保護(hù)必須能夠自動(dòng)控制。同時(shí)，風(fēng)力資源豐富的地區(qū)通常都是邊遠(yuǎn)地區(qū)或是海上，分散布置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常要求能夠無人值班運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控，這就對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和可靠性提出了很高的要求。

與一般工業(yè)控制過程不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，對(duì)機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行控制。而且還要根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)向的變化，對(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和發(fā)電量。

20世紀(jì)80年代中期開始進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，主要解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)問題和運(yùn)行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動(dòng)力剎車技術(shù)、偏航與自動(dòng)解纜技術(shù)，這些都是并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要解決的最基本的問題。由于功率輸出是由槳葉自身的性能來限制的，槳葉的節(jié)距角在安裝時(shí)已經(jīng)固定；而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)頻率限制。因此，只要在允許的風(fēng)速范圍內(nèi)，定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中對(duì)由于風(fēng)速變化引起輸出能量的變化是不作任何控制的。這就大大簡(jiǎn)化了控制技術(shù)和相應(yīng)的伺服傳動(dòng)技術(shù)，使得定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。

20世紀(jì)90年代開始，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性已經(jīng)大大提高，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)。采用全變槳距的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，起動(dòng)時(shí)可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并網(wǎng)后可對(duì)功率進(jìn)行控制，使風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性能和功率輸出特性都有顯著和改善。由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距系統(tǒng)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)的水平提高到一個(gè)新的階段。

由于變距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí)的效果仍不理想，到了20世紀(jì)90年代中期，基于變距技術(shù)的各種變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)與定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的根本區(qū)別在于，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是把風(fēng)速信號(hào)作為控制系統(tǒng)的輸入變量來進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率控制的。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是：低于額定風(fēng)速時(shí)，它能跟蹤最佳功率曲線，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；高于額定風(fēng)速時(shí)，它增加了傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加穩(wěn)定。特別是解決了高次諧波與功率因數(shù)等問題后，使供電效率、質(zhì)量有所提高。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電領(lǐng)域，控制方式從基本單一的定槳距失速控制向變槳距和變速恒頻控制方向發(fā)展。

目前的控制方法是：當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁力矩或風(fēng)力機(jī)漿距角使葉尖速比保持最佳值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲?？刂品椒ɑ诰€性化模型實(shí)現(xiàn)最佳葉尖速比的跟蹤，利用風(fēng)速測(cè)量值進(jìn)行反饋控制，或電功率反饋控制。但在隨機(jī)擾動(dòng)大、不確定因素多、非線性嚴(yán)重的風(fēng)電系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方法會(huì)產(chǎn)生較大誤差。因此近些年國內(nèi)外都開展了這方面的研究。一些新的控制理論開始應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)。如采用模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制、魯棒控制等。使風(fēng)機(jī)控制向更加智能方向發(fā)展。二．風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組及類型

對(duì)于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，控制單元會(huì)有所不同，但主要是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)或類型不同而使得控制方法不同，加上定槳距和變槳距，形成多種結(jié)構(gòu)和控制方案。

2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的類型(漿葉的不同)

2.1.1定槳距失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定槳距是指槳葉與輪轂的連接是固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。失速是指槳葉本身所具有的失速特性，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，氣流將在槳葉的表面產(chǎn)生渦流，使效率降低，產(chǎn)生失速，來限制發(fā)電機(jī)的功率輸出。為了提高風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)的效率，通常采用雙速發(fā)電機(jī)（即大/小發(fā)電機(jī)）。在低風(fēng)速段運(yùn)行的，采用小電機(jī)使槳葉具有較高的氣動(dòng)效率，提高一些發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。

定槳失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點(diǎn)是失速調(diào)節(jié)由指槳葉本身完成，簡(jiǎn)單可靠，當(dāng)風(fēng)速變化引起的輸出功率的變化只通過槳葉的被動(dòng)失速調(diào)節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，使控制系統(tǒng)大為減化。但是在輸入變化的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組只有很小的機(jī)會(huì)能運(yùn)行在最佳狀態(tài)下，因此機(jī)組的整體效率較低。通常很少應(yīng)用在兆瓦級(jí)以上的大型風(fēng)力機(jī)上。

2.1.2變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

變獎(jiǎng)距是指安裝在輪轂上的葉片通過控制可以改變其槳距角的大小。在運(yùn)行過程中，當(dāng)輸出功率小于額定功率時(shí)，槳距角保持在0°位置不變，不作任何調(diào)節(jié)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率。此時(shí)控制系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制。

2.1.3主動(dòng)失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相結(jié)合，充分吸取了被動(dòng)失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，槳葉采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)。在低風(fēng)速肘，將槳葉節(jié)距調(diào)節(jié)到可獲取最大功率位置，槳距角調(diào)整優(yōu)化機(jī)組功率的輸出；當(dāng)風(fēng)力機(jī)發(fā)出的功率超過額定功率后，槳葉節(jié)距主動(dòng)向失速方向調(diào)節(jié)，將功率調(diào)整在額定值上。由于功率曲線在失速范圍的變化率比失速前要低得多，控制相對(duì)容易，輸出功率也更加平穩(wěn)。

根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分有恒速恒頻和變速恒頻兩種，恒速恒頻機(jī)組的整體效率較低,而變速恒頻這種調(diào)節(jié)方式是目前公認(rèn)的最優(yōu)化調(diào)節(jié)方式，也是未來風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的主要方向。變速恒頻的優(yōu)點(diǎn)是大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，來適應(yīng)因風(fēng)速變化而引起的風(fēng)力機(jī)功率的變化，可以最大限度的吸收風(fēng)能，因而效率較高?？刂粕弦埠莒`活，可以較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率、無功功率，但控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。

2.1發(fā)電機(jī)類型（根據(jù)變速恒頻）

2.1.1異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)

通過晶閘管控制的軟并網(wǎng)裝置接入電網(wǎng)，并網(wǎng)沖擊電流較大。另外需要電容無功補(bǔ)償裝置?？刂齐娐泛?jiǎn)單。各大風(fēng)力發(fā)電制造商如：Vestas，NEG，Micon，Nordex都有此類產(chǎn)品。

2.1.2繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)

對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)可以采用功率輔助調(diào)節(jié)方式，即轉(zhuǎn)子電流控制（RCC）方式來配合變漿距機(jī)構(gòu)，共同完成發(fā)電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)。在繞線轉(zhuǎn)子輸入由電力電子裝置控制的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流，可以加大異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率（可到10％），使得發(fā)電機(jī)在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)向電網(wǎng)送電。以提高異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用

2.1.3雙饋發(fā)電機(jī)

雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應(yīng)電機(jī)，定子繞組也由具有固定頻率的對(duì)稱三根電源激勵(lì)，所不同的是轉(zhuǎn)子繞組具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵(lì)，一般采用交一交變頻器或交一直一交變頻器供以低頻電流。

雙饋電機(jī)勵(lì)磁可調(diào)量有三個(gè)：一是可以調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值；二是可以改變勵(lì)磁電流的頻率；三是可以改變勵(lì)磁電流的相位．通過改變勵(lì)磁頻率，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速．這樣在負(fù)荷突然變化時(shí)，迅速改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，釋放和吸收負(fù)荷，對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)遠(yuǎn)比常規(guī)電機(jī)小。另外，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的幅值和相位，來調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。

雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)通過變頻器控制器對(duì)逆變電路小功率器件的控制，可以改變雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的幅值。頻率及相位角，達(dá)到調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速、有功功率和無功功率的目的。既提高了機(jī)組的效率，又對(duì)電網(wǎng)起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的作用。下圖是雙饋電機(jī)控制簡(jiǎn)要框圖。

整個(gè)控制系統(tǒng)可分為：轉(zhuǎn)速調(diào)整單元、有功功率調(diào)整單元和電壓調(diào)整單元（無功功率調(diào)整）。它們分別接受風(fēng)速和轉(zhuǎn)速。有功功率、無功功率指令，并產(chǎn)生一個(gè)綜合信號(hào)，送給勵(lì)磁控制裝置，改變勵(lì)磁電流的幅值。頻率與相位角，以滿足系統(tǒng)的要求。由于雙饋電機(jī)既可調(diào)節(jié)有功功率；又可調(diào)節(jié)無功功率，有風(fēng)時(shí)，機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電；無風(fēng)時(shí)，也可作抑制電網(wǎng)頻率和電壓波動(dòng)的補(bǔ)償裝置。

雙饋電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中，可以解決風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)。機(jī)組效率低等問題。同時(shí)，由于雙饋電機(jī)對(duì)無功功率。有功功率均可調(diào)，對(duì)電網(wǎng)可起到穩(wěn)壓。穩(wěn)頻的作用，提高了發(fā)電質(zhì)量。與同步機(jī)交一直一交系統(tǒng)相比，它還具有變頻裝置容量?。ㄒ话銥榘l(fā)電機(jī)額定容量的10％～20％左右）、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。但這種結(jié)構(gòu)也還存在一些問題，如控制電路復(fù)雜一些，不同的控制方法效果有一定差異。另外該結(jié)構(gòu)比其他結(jié)構(gòu)更容易受到電網(wǎng)故障的影響。

目前國內(nèi)有多家開發(fā)成功雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)，如蘭州電機(jī)有限責(zé)任公司與清華大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)合作研制的兆瓦級(jí)變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制設(shè)備，采用全數(shù)字化矢量控制方法。中科院電工研究所研制的兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用IGBT技術(shù)、雙PWM雙向可逆變流控制。風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)（六）

2.1.4永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)

永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖：

由變漿距風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)，省去了增速用齒輪箱。發(fā)電機(jī)輸出先經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?，再?jīng)IGBT（絕緣柵雙極晶體管）逆變器將電能送到電網(wǎng)。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作點(diǎn)的控制是通過控制逆變器送到電網(wǎng)的電流實(shí)現(xiàn)對(duì)直流環(huán)節(jié)電壓的控制，從而控制風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。

發(fā)電機(jī)發(fā)出電能的頻率、電壓、電功率都是隨著風(fēng)速的變化而變化的，這樣有利于最大限度地利用風(fēng)能資源，而恒頻恒壓并網(wǎng)的任務(wù)則由整流逆變系統(tǒng)系統(tǒng)完成。

除了永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)可以直接并網(wǎng)外，還可以構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)（群），比如ABB公司的“Windformer”采用的是高壓永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)（群），結(jié)構(gòu)如下：

單機(jī)容量為3～5MW，輸出額定電壓高達(dá)20kV，頻率為5～10Hz，每一臺(tái)發(fā)電機(jī)機(jī)端只配置有整流器，把交流變換為直流，通過直流母線實(shí)現(xiàn)與風(fēng)電場(chǎng)其他機(jī)組(群)的并聯(lián)運(yùn)行，既提高了可靠性，又改進(jìn)了效率。風(fēng)電場(chǎng)由一臺(tái)大容量公用逆變器把直流母線的直流電轉(zhuǎn)換成50Hz的交流電，電壓為12kV，可直接并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)使用，也可經(jīng)變壓器升壓至更高電壓后并入更高壓電網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)處。

永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)是：對(duì)永磁材料的性能穩(wěn)定性要求高，電機(jī)重量增加。另外，IGBT逆變器的容量較大，一般要選發(fā)電機(jī)額定功率的120％以上。

但使用IGBT逆變器也帶來一些好處：①使用脈寬調(diào)制（PWM）獲得正弦形轉(zhuǎn)子電流，電機(jī)內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生低次諧波轉(zhuǎn)矩，改善了諧波性能。②有功功率和無功功率的控制更為方便。③大功率IGBT很容易驅(qū)動(dòng)。④IGBT有很好的電流共享特性，這對(duì)于要達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)所需的功率水平，進(jìn)行并聯(lián)使用是非常必要。⑤開關(guān)時(shí)間短，導(dǎo)通時(shí)間不到1毫秒，關(guān)斷時(shí)間小于6毫秒，使得管子功耗小。⑥目前單管容量已經(jīng)較大，如Eupec公司的FZ600R65KF1等器件，可以在6kV電壓下控制1.2kA電流，F(xiàn)Z3600R12KE3等低電壓器件，可以在1.2kV電壓下開關(guān)3.6kA電流。

發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)除了控制發(fā)電機(jī)“獲取最大能量”外，還要使發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能。因此要求發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)：①盡可能產(chǎn)生較低的諧波電流，②能夠控制功率因數(shù)，③使發(fā)電機(jī)輸出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化，④向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率

目前國內(nèi)外兆瓦級(jí)以上技術(shù)較先進(jìn)的、有發(fā)展前景的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要是雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)。單從控制系統(tǒng)本身來講，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制回路少，控制簡(jiǎn)單，但要求逆變器容量大。而雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制回路多，控制復(fù)雜些，但控制靈活，尤其是對(duì)有功、無功的控制，而且逆變器容量小得多。

雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的綜合比較：

三.風(fēng)電機(jī)的運(yùn)行控制

3.1無功補(bǔ)償控制

由于異步發(fā)電機(jī)要從電網(wǎng)吸收無功功率，使風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)降低，而并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般要求其功率因數(shù)達(dá)到0．99以上，所以必須用電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償．由于風(fēng)速變化的隨機(jī)性，在達(dá)到額定功率前，發(fā)電機(jī)的輸出功率大小是隨機(jī)變化的，因此對(duì)補(bǔ)償電容的投入與切除需要進(jìn)行自動(dòng)控制，由計(jì)算機(jī)根據(jù)輸出無功功率的變化，控制補(bǔ)償電容器分段投入或切除，保證功率因數(shù)達(dá)到要求。對(duì)于雙饋發(fā)電機(jī)，是直接由控制系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)無功功率的。

3.2偏航與自動(dòng)解纜控制

①自動(dòng)對(duì)風(fēng)正常運(yùn)行時(shí)偏航控制系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)風(fēng)，即當(dāng)機(jī)艙偏離風(fēng)向一定角度時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出向左或向右調(diào)向的指令，機(jī)艙開始對(duì)風(fēng)，當(dāng)達(dá)到允許的誤差范圍內(nèi)時(shí)，自動(dòng)對(duì)風(fēng)停止。

②自動(dòng)解纜當(dāng)機(jī)艙向同一方向累計(jì)偏轉(zhuǎn)2.3圈后，若此時(shí)風(fēng)速小于風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)風(fēng)速且無功率輸出，則停機(jī)，控制系統(tǒng)使機(jī)艙反方向旋轉(zhuǎn)2.3圈解繞；若此時(shí)機(jī)組有功率輸出，則暫不自動(dòng)解繞；若機(jī)艙繼續(xù)向同一方向偏轉(zhuǎn)累計(jì)達(dá)3圈時(shí)，則控制停機(jī)，解繞；若因故障自動(dòng)解繞未成功，在扭纜達(dá)4圈時(shí)，扭纜機(jī)械開關(guān)將動(dòng)作，此時(shí)報(bào)告扭纜故障，自動(dòng)停機(jī)；等待人工解纜操作。

③風(fēng)輪保護(hù)當(dāng)有特大強(qiáng)風(fēng)發(fā)生時(shí)，停機(jī)并釋放葉尖阻尼板，槳距調(diào)到最大，偏航90度背風(fēng)，以保護(hù)風(fēng)輪免受損壞。

3.3停機(jī)控制

當(dāng)控制器發(fā)出正常停機(jī)指令后，風(fēng)電機(jī)組將按下列程序停機(jī)：①切除補(bǔ)償電容器；②釋放葉尖阻尼板；③發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)；④測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到設(shè)定值后，投入機(jī)械剎車；⑤若出現(xiàn)利車故障則收槳，機(jī)艙偏航如90度背風(fēng)。

當(dāng)出現(xiàn)緊急停機(jī)故障時(shí)，執(zhí)行如不停機(jī)操作：首先切除補(bǔ)償電容器，葉尖阻尼板動(dòng)作，延時(shí)0．3秒后卡鉗閘動(dòng)作。檢測(cè)瞬時(shí)功率為負(fù)或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)達(dá)小于同步速時(shí)；發(fā)電機(jī)解列（脫網(wǎng)），若制動(dòng)時(shí)間超過20秒，轉(zhuǎn)速仍未降到某設(shè)定值，則收槳，機(jī)艙偏航90度背風(fēng)。

四.安全保護(hù)系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心部件，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行根本保證，所以為了提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全性，必須認(rèn)真考慮控制系統(tǒng)的安全性和可靠性問題。

4.1雷電安全保護(hù)

多數(shù)風(fēng)機(jī)都安裝在山谷的風(fēng)口處、山頂上、空曠的草地、海邊海島等，易受雷擊，安裝在多雷雨區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受雷擊的可能性更大，其控制系統(tǒng)大多為計(jì)算機(jī)和電子器件，最容易因雷電感應(yīng)造成過電壓損壞，因此需要考慮防雷問題。一般使用避雷器或防雷組件吸收雷電波。

當(dāng)雷電擊中電網(wǎng)中的設(shè)備后，大電流將經(jīng)接地點(diǎn)泄入地網(wǎng)，使接地點(diǎn)電位大大升高，若控制設(shè)備接地點(diǎn)靠近雷擊大電流的入地點(diǎn)，則電位將隨之升高，會(huì)在回路中形成共模干擾，引起過電壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成相關(guān)設(shè)備絕緣擊穿。

根據(jù)國外風(fēng)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，風(fēng)電場(chǎng)因雷擊而損壞的主要風(fēng)電機(jī)部件是控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。雷擊事故中的40％～50％涉及到風(fēng)電機(jī)控制系統(tǒng)的損壞，15％～25％涉及到通訊系統(tǒng)，15％～20％涉及到風(fēng)機(jī)葉片，5％涉及到發(fā)電機(jī)。

我國一些風(fēng)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)雷擊損壞的部件主要也是控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的通訊部件。這說明以電纜傳輸?shù)?～20mA電流環(huán)通信方式和RS485串行通信方式由于通訊線長(zhǎng)，分布廣，部件多，最易受到雷擊，而控制部件大部分是弱電器件，耐過壓能力低，易造成部件損壞。

防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程，不能僅僅從控制系統(tǒng)來考慮，需要在風(fēng)電場(chǎng)整體設(shè)計(jì)上考慮，采取多層防護(hù)措施。

4.2運(yùn)行安全保護(hù)

1）大風(fēng)安全保護(hù)：一般風(fēng)速達(dá)到25米/秒（10分鐘）即為停機(jī)風(fēng)速，機(jī)組必須按照安全程序停機(jī)，停機(jī)后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須90度對(duì)風(fēng)控制。

2）參數(shù)越限保護(hù)：各種采集、監(jiān)控的量根據(jù)情況設(shè)定有上、下限值，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到限定值時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的程序進(jìn)行自動(dòng)處理。

3)過壓過流保護(hù)：當(dāng)裝置元件遭到瞬間高壓沖擊和電流過流時(shí)所進(jìn)行的保護(hù)。通常采用隔離、限壓、高壓瞬態(tài)吸收元件、過流保護(hù)器等

4)震動(dòng)保護(hù)：機(jī)組應(yīng)設(shè)有三級(jí)震動(dòng)頻率保護(hù)，震動(dòng)球開關(guān)、震動(dòng)頻率上限1、震動(dòng)頻率極限2，當(dāng)開關(guān)動(dòng)作時(shí)，控制系統(tǒng)將分級(jí)進(jìn)行處理。

5)開機(jī)關(guān)機(jī)保護(hù)：設(shè)計(jì)機(jī)組開機(jī)正常順序控制，確保機(jī)組安全。在小風(fēng)、大風(fēng)、故障時(shí)控制機(jī)組按順序停機(jī)。

4.3電網(wǎng)掉電保護(hù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組離開電網(wǎng)的支持是無法工作的，一旦有突發(fā)故障而停電時(shí)，控制器的計(jì)算機(jī)由于失電會(huì)立即終止運(yùn)行，并失去對(duì)風(fēng)機(jī)的控制，控制葉尖氣動(dòng)剎車和機(jī)械剎車的電磁閥就會(huì)立即打開，液壓系統(tǒng)會(huì)失去壓力，制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作，執(zhí)行緊急停機(jī)。緊急停機(jī)意味著在極短的時(shí)間內(nèi)，風(fēng)機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)數(shù)由運(yùn)行時(shí)的額定轉(zhuǎn)速變?yōu)榱恪４笮偷臋C(jī)組在極短的時(shí)間內(nèi)完成制動(dòng)過程，將會(huì)對(duì)機(jī)組的制動(dòng)系統(tǒng)、齒輪箱、主軸和葉片以及塔架產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。緊急停機(jī)的設(shè)置是為了在出現(xiàn)緊急情況時(shí)保護(hù)風(fēng)電機(jī)組安全的。然而，電網(wǎng)故障無須緊急停機(jī)；突然停電往往出現(xiàn)在天氣惡劣、風(fēng)力較強(qiáng)時(shí)，緊急停機(jī)將會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的壽命造成一定影響。另外風(fēng)機(jī)主控制計(jì)算機(jī)突然失電就無法將風(fēng)機(jī)停機(jī)前的各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)及時(shí)存儲(chǔ)下來，這樣就不利于迅速對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)生的故障作出判斷和處理。針對(duì)上述情況，可以在控制系統(tǒng)電源中加設(shè)在線UPS后備電源，這樣當(dāng)電網(wǎng)突然停電時(shí)，UPS自動(dòng)投入，為風(fēng)電機(jī)控制系統(tǒng)提供電力，使風(fēng)電控制系統(tǒng)按正常程序完成停機(jī)過程。

4.4緊急停機(jī)安全鏈保護(hù)

系統(tǒng)的安全鏈?zhǔn)仟?dú)立于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件保護(hù)措施，即使控制系統(tǒng)發(fā)生異常，也不會(huì)影響安全鏈的正常動(dòng)作。安全鏈?zhǔn)菍⒖赡軐?duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)造成致命傷害的超常故障串聯(lián)成一個(gè)回路，當(dāng)安全鏈動(dòng)作后將引起緊急停機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)失電，機(jī)組瞬間脫網(wǎng)，控制系統(tǒng)在3秒左右，將機(jī)組平穩(wěn)停止，從而最大限度地保證機(jī)組的安全。發(fā)生下列故障時(shí)將觸發(fā)安全鏈：葉輪過速、機(jī)組部件損壞、機(jī)組振動(dòng)、扭纜、電源失電、緊急停機(jī)按鈕動(dòng)作。

4.5微機(jī)控制器抗干擾保護(hù)

風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)的主要干擾源有：工業(yè)干擾：如高壓交流電場(chǎng)、靜電場(chǎng)、電弧、可控硅等，自然界干擾：雷電沖擊、各種靜電放電、磁爆等；高頻干擾：微波通訊。無線電信號(hào)、雷達(dá)等。這些干擾通過直接輻射或由某些電氣回路傳導(dǎo)進(jìn)入的方式進(jìn)入到控制系統(tǒng)，干擾控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。從干擾的種類來看，可分為交變脈沖干擾和單脈沖干擾兩種，它們均以電或磁的形式干擾控制系統(tǒng)。

參考國家（國際）關(guān)于電磁兼容（EMC）的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)電場(chǎng)控制設(shè)備也應(yīng)滿足相關(guān)要求。如：GB／T13926.1（IEC8011）工業(yè)過程測(cè)量和控制裝置的電磁兼容性總論

GB／T13926.2（IEC8011）工業(yè)過程測(cè)量和控制裝置的電磁兼容性靜電放電要求

GB／T13926.3（IEC8011）工業(yè)過程測(cè)量和控制裝置的電磁兼容性輻射電磁場(chǎng)要求

GB／T13926.4（IEC8011）工業(yè)過程測(cè)量和控制裝置的電磁兼容性電快速瞬變脈沖群要求。

并應(yīng)通過相關(guān)行業(yè)根根標(biāo)準(zhǔn)GB/T17626（IEC61000）進(jìn)行的檢測(cè)。以保證設(shè)備的可靠性。

4.6接地保護(hù)

接地保護(hù)是非常重要的環(huán)節(jié)。良好的接地將確保控制系統(tǒng)免受不必要的損害。在整個(gè)控制系統(tǒng)中通常采用以下幾種接地方式，來達(dá)到安全保護(hù)的目的。

工作接地、保護(hù)接地、防雷接地、防靜電接地、屏蔽接地。接地的主要作用一方面是為保證電器設(shè)備安全運(yùn)行，另一方面是防止設(shè)備絕緣被破壞時(shí)可能帶電，以致危及人身安全。同時(shí)能使保護(hù)裝置迅速切斷故障回路，防止故障擴(kuò)大。

要使風(fēng)電機(jī)組可靠運(yùn)行，需要在風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的保護(hù)功能設(shè)計(jì)上加以重視。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)候，往往更注重系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高可利用率，然而進(jìn)行這些設(shè)計(jì)的前提條件卻是風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的安全保護(hù)，只有在確保機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，我們才可以討論機(jī)組的最優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高可利用率等。因此，控制系統(tǒng)具備完善的保護(hù)功能，是風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的首要保證。

五.風(fēng)電場(chǎng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)分中央監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、監(jiān)控軟件等組成。

中央監(jiān)控系統(tǒng)的功能是：對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)報(bào)表、曲線生成等。

中央監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：

5.1風(fēng)機(jī)控制器

目前風(fēng)電場(chǎng)所采用的風(fēng)電機(jī)組都是以大型并網(wǎng)型機(jī)組為主，各機(jī)組有自己的控制系統(tǒng)，用來采集機(jī)組數(shù)據(jù)及狀態(tài)，通過計(jì)算、分析、判斷而控制機(jī)組的啟動(dòng)、停機(jī)、調(diào)向、剎車和開啟油泵等一系列控制和保護(hù)動(dòng)作，能使單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)全部自動(dòng)控制，無需人為干預(yù)。

目前國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)是指著風(fēng)電機(jī)組的控制器。對(duì)于每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，即使沒有上位機(jī)的參與，也能安全正確地工作。所以相對(duì)于整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)來說，下位機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)子系統(tǒng)，具有在各種異常工況下單獨(dú)處理風(fēng)電機(jī)組故障，保證風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的能力。從整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行管理來說，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的下位控制器都應(yīng)具有與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能，使上位機(jī)能隨時(shí)了解下位機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行常規(guī)的管理性控制，為風(fēng)電場(chǎng)的管理提供方便。因此，下位機(jī)控制器必須使各自的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠地工作，同時(shí)具有與上位機(jī)通訊聯(lián)系的專用通訊接口。

國外進(jìn)口的風(fēng)機(jī)控制器主機(jī)一般采用專門設(shè)計(jì)的工業(yè)計(jì)算機(jī)或單板機(jī)。也有采用可編程控制器（PLC）。國內(nèi)生產(chǎn)的一般較多采用可編程控制器（如西門子S7-300），這樣硬件的可靠性和穩(wěn)定性好，尤其是對(duì)于海上風(fēng)電維護(hù)不便，更需要高可靠的控制器。PLC模塊化的結(jié)構(gòu)方便組成各種所需單元。控制器之間的聯(lián)接也很方便，易于構(gòu)成主從式分散控制系統(tǒng)。

5.2計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理各風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)、保護(hù)裝置動(dòng)作情況、故障類型等。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，下位機(jī)（風(fēng)機(jī)控制器）控制系統(tǒng)應(yīng)能將機(jī)組的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和故障情況等通過專用的通訊裝置和接口電路與中央控制器的上位計(jì)算機(jī)通訊，同時(shí)上位機(jī)應(yīng)能向下位機(jī)傳達(dá)控制指令，由下位機(jī)的控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

中央監(jiān)控系統(tǒng)一般運(yùn)行在位于中央控制室的一臺(tái)通用PC機(jī)或工控機(jī)上，通過與分散在風(fēng)電場(chǎng)上的每臺(tái)風(fēng)力機(jī)就地控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)全場(chǎng)風(fēng)力機(jī)的集群監(jiān)控。風(fēng)電場(chǎng)中央監(jiān)控機(jī)與風(fēng)力機(jī)就地控制系統(tǒng)之間的通信屬于較遠(yuǎn)距離的一對(duì)多通信。國內(nèi)現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)中央監(jiān)控系統(tǒng)一般采用RS485串行通信方式和4～20mA電流環(huán)通信方式。比較先進(jìn)的通訊方式還有PROFIBUS通信方式、工業(yè)以太網(wǎng)通信方式等。

上述各種通訊方式能夠完成風(fēng)電場(chǎng)中央監(jiān)控系統(tǒng)中的通信問題，但具有各自的特點(diǎn)，主要通信方式簡(jiǎn)要對(duì)比如下：

5.3監(jiān)控系統(tǒng)軟件

目前，我國各大風(fēng)電場(chǎng)在引進(jìn)國外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的同時(shí)，一般也都配有相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，

但各有自己的設(shè)計(jì)思路和通訊規(guī)約，致使風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控技術(shù)互不兼容。同時(shí)，控制界面全部是英文的也不利于運(yùn)行人員操作。如果一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中有多個(gè)廠家的多種機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組的話，就會(huì)給風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行管理造成一定困難。如內(nèi)蒙輝騰錫勒風(fēng)電廠就有約5種的監(jiān)控軟件。因此，國家在科技攻關(guān)計(jì)劃中除了對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行攻關(guān)外，也把風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)列入攻關(guān)計(jì)劃，以期開發(fā)出適合我國風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理的監(jiān)控系統(tǒng)。目前也有一些國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)成功并投入運(yùn)行。如：新疆風(fēng)能有限責(zé)任公司的“通用風(fēng)電場(chǎng)中央及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)”。

風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)控軟件應(yīng)具有如下功能：①友好的控制界面。在編制監(jiān)控軟件時(shí)，應(yīng)充分考慮到風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理的要求，應(yīng)當(dāng)使用中文萊單，使操作簡(jiǎn)單，盡可能為風(fēng)電場(chǎng)的管理提供方便。②能夠顯示各臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，比如每臺(tái)機(jī)組的瞬時(shí)發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量、發(fā)電小時(shí)數(shù)、風(fēng)輪及電機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速、風(fēng)向等，將下位機(jī)的這些數(shù)據(jù)調(diào)入到上位機(jī)，在顯示器上顯示出來，必要時(shí)還應(yīng)當(dāng)用曲線或圖表的形式直觀地顯示出來。③顯示各風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。如開機(jī)、停車、調(diào)向、手／自動(dòng)控制以及大利、發(fā)電機(jī)工作情況。通過各風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)了解整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行情況，這對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的管理是十分重要的。④能夠及時(shí)顯示各機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生的故障。在顯示故障時(shí)，應(yīng)能顯示出故障的類型及發(fā)生時(shí)間，以便運(yùn)行人員及時(shí)處理和消除故障，保證風(fēng)電機(jī)組的安全和持續(xù)運(yùn)行。⑤能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)集中控制。值班員在集中控制室內(nèi)，就能對(duì)下位機(jī)進(jìn)行狀態(tài)設(shè)置和控制，如開機(jī)、停機(jī)、左右調(diào)向等。但這類操作必須有一定的權(quán)限，以保證整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行安全。⑥歷史記錄。監(jiān)控軟件應(yīng)當(dāng)具有運(yùn)行數(shù)據(jù)的定時(shí)打印和人工即時(shí)打印以及故障自動(dòng)記錄的功能，以便隨時(shí)查看風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀況的歷史記錄情況。

監(jiān)控軟件的開發(fā)應(yīng)盡可能在現(xiàn)有工業(yè)控制軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，這樣一方面可以縮短開發(fā)周期，另一方面現(xiàn)有的工業(yè)控制軟件技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，因此穩(wěn)定性好。隨著軟件的升級(jí)而方便地升級(jí)。而直接從底層開發(fā)的監(jiān)控軟件如果沒有強(qiáng)大的軟件隊(duì)伍，和經(jīng)驗(yàn)豐富的軟件人員很難與之相比。

5.4遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

功能：實(shí)時(shí)查看就地風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況、數(shù)據(jù)記錄。

實(shí)際上只要通訊網(wǎng)連通，理論上遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能和中央監(jiān)控系統(tǒng)一樣。但是為了安全起見目前國內(nèi)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)只完成監(jiān)視功能，隨著技術(shù)的發(fā)展，無人值班風(fēng)電場(chǎng)的推出，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)將發(fā)揮更大作用。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)又是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)國家經(jīng)貿(mào)委關(guān)于“電網(wǎng)和電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)規(guī)定”，電力監(jiān)控系統(tǒng)和電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)均不得和互聯(lián)網(wǎng)相連。因此遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通常只能使用專線或電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)?？紤]到實(shí)際情況和需要，現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)的風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般采用電話線進(jìn)行通訊。

六.風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)的聯(lián)接

近年來大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的數(shù)量大幅度增加。由于風(fēng)場(chǎng)大都位于海面上，或遙遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村、山區(qū)，如何將風(fēng)場(chǎng)連接至電網(wǎng)是投資風(fēng)力發(fā)電時(shí)一個(gè)重要的考慮因素。如果是海上風(fēng)場(chǎng)，這個(gè)因素更為重要。除了建設(shè)需要考慮的問題外，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響也是需要考慮的重要因素。隨著風(fēng)電場(chǎng)的容量越來越大，對(duì)電力系統(tǒng)的影響也越來越明顯，研究風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)的影響己成為重要課題。

風(fēng)電的隨機(jī)性使風(fēng)電廠輸入系統(tǒng)的有功功率處于不易控制的變化之中，相應(yīng)地風(fēng)電場(chǎng)吸收的無功功率也處于變化之中。在系統(tǒng)重負(fù)荷或者臨近功率極限運(yùn)行時(shí)，風(fēng)速的突然變化將成為系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的擾動(dòng)。

風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端，而且需要消耗感性無功，系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題更加突出。

在風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，通常根據(jù)電力系統(tǒng)確定一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的最大容量，但是不同廠家、型號(hào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線不同，無功電壓特性也不同。目前國內(nèi)采用的雙饋機(jī)組可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)無功，對(duì)系統(tǒng)來說起到了一定的穩(wěn)壓作用。

風(fēng)電也給發(fā)電和運(yùn)行計(jì)劃的制定帶來很多困難，需要重新評(píng)估系統(tǒng)的發(fā)電可靠性，分析風(fēng)電的容量可信度，研究新的無功調(diào)度及電壓控制策略以保證風(fēng)電場(chǎng)和整個(gè)系統(tǒng)的電壓水平及無功平衡，以及對(duì)孤立系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響等。

6.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)

風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域要解決的一個(gè)很重要的問題是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)問題。目前在國內(nèi)和國外大量采用的是交流異步發(fā)電機(jī)，其并網(wǎng)方法也根據(jù)電機(jī)的容量不同和控制方式不同而變化。異步發(fā)電機(jī)并入網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，是靠滑差率來調(diào)整負(fù)荷的，其輸出的功率與轉(zhuǎn)速近乎成線性關(guān)系，因此對(duì)機(jī)組的調(diào)速要求不像同步發(fā)電機(jī)那么嚴(yán)格和精確，只要檢測(cè)到轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)就可并網(wǎng)，但異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)瞬間會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊電流（約為異步發(fā)電機(jī)額定電流的4~7倍），并使電網(wǎng)電壓瞬時(shí)下降。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，這種沖擊電流對(duì)發(fā)電機(jī)自身部件的安全及對(duì)電網(wǎng)的影響也愈加嚴(yán)重。過大的沖擊電流，有可能使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接的主回路中的自動(dòng)開關(guān)斷開；而電網(wǎng)電壓的較大幅度下降，則可能會(huì)使電壓保護(hù)回路動(dòng)作，從而導(dǎo)致異步發(fā)電機(jī)根本不能并網(wǎng)。當(dāng)前在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方法有以下幾種。

1.直接并網(wǎng)

這種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同，當(dāng)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速(達(dá)到99％～100%同步轉(zhuǎn)速)時(shí)即可并入電網(wǎng)；自動(dòng)并網(wǎng)的信號(hào)由測(cè)速裝置給出，而后者通過自動(dòng)空氣開關(guān)合閘完成并網(wǎng)過程。這種并網(wǎng)方式比同步發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)同步并網(wǎng)簡(jiǎn)單，并網(wǎng)容易。但直接并網(wǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊電流（4～5倍發(fā)電機(jī)額定電流），電網(wǎng)電壓瞬時(shí)嚴(yán)重下降，因此這種并網(wǎng)方法只適用于異步發(fā)電機(jī)容量在百千瓦級(jí)以下或電網(wǎng)容量較大的情況下。中國最早引進(jìn)的55KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及自行研制的50KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都是采用這種方法并網(wǎng)的。

2.準(zhǔn)同期并網(wǎng)

與同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式相同，在轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，先用電容勵(lì)磁，建立額定電壓，然后對(duì)已勵(lì)磁建立的發(fā)電機(jī)電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)和校正，使其與系統(tǒng)同步。當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率、相位與系統(tǒng)一致時(shí)，將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行。采用這種方式，若按傳統(tǒng)的步驟經(jīng)整步到同步并網(wǎng)，則仍須要高精度的調(diào)速器和整步、同期設(shè)備，不僅要增加機(jī)組的造價(jià)，而且從整步達(dá)到準(zhǔn)同步并網(wǎng)所花費(fèi)的時(shí)間很長(zhǎng)，這是我們所不希望的。該并網(wǎng)方式合閘瞬間盡管沖擊電流很小，但必須控制在最大允許的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)運(yùn)行，以免造成網(wǎng)上飛車。由于它對(duì)系統(tǒng)電壓影響極小，所以適合于電網(wǎng)容量比風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大不了幾倍的地方使用。

3.降壓并網(wǎng)

這種并網(wǎng)方法是在異步電機(jī)與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器，或者接入自耦變壓器，以達(dá)到降低并網(wǎng)合閘瞬間沖擊電流幅值及電網(wǎng)電壓下降的幅度。因?yàn)殡娮?、電抗器等元件要消耗功率，在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)以后，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，必須將其迅速切除，這種并網(wǎng)方法適用于百千瓦級(jí)以上，容量較大的機(jī)組，顯見這種并網(wǎng)方法的經(jīng)濟(jì)性較差，中國引進(jìn)的200KW異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，就是采用這種并網(wǎng)方式，并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)每相繞組與電網(wǎng)之間皆串接有大功率電阻。

4.軟并網(wǎng)

這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)之間通過每相串入一只雙向晶閘管連接起來，三相均有晶閘管控制。接入雙向晶閘管的目的是將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬間的沖擊電流控制在允許的限度內(nèi)。其并網(wǎng)過程：當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接收到由控制系統(tǒng)內(nèi)微處理機(jī)發(fā)出的啟動(dòng)命令后，先檢查發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序是否一致，若相序正確，則發(fā)出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始啟動(dòng)的命令。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)（約為99%~100%同步轉(zhuǎn)速），雙向晶閘管的控制角同時(shí)逐步打開，異步發(fā)電機(jī)即通過晶閘管平穩(wěn)地并入電網(wǎng)；隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，電機(jī)的滑差率逐漸趨于零，當(dāng)滑差率為零時(shí)，并網(wǎng)自動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，雙向晶閘管被短接，異步發(fā)電機(jī)的輸出電流將不再經(jīng)雙向晶閘管，而是通過已閉合的自動(dòng)開關(guān)直接流入電網(wǎng)。在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，應(yīng)立即在發(fā)電機(jī)端并入補(bǔ)償電容，將發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)（COSφ）提高到0.95以上。

這種軟并網(wǎng)方法的特點(diǎn)是通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬間的沖擊電流值限制在規(guī)定的范圍內(nèi)（一般為1.5倍額定電流以下，從而得到一個(gè)平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程。通過晶閘管軟并網(wǎng)方法將風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)是目前國內(nèi)外中型及大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中普遍采用的，中國引進(jìn)和自行開發(fā)研制生產(chǎn)的250KW、300KW、600KW的并網(wǎng)型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，都是采用這種并網(wǎng)技術(shù)。

七.并網(wǎng)后需要關(guān)注的主要問題

7.1電能質(zhì)量

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電能質(zhì)量的要求有五個(gè)方面：電網(wǎng)高次諧波、電壓閃變與電壓波動(dòng)、三相電壓及電流不平衡、電壓偏差、頻率偏差。風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響的主要有高次諧波和電壓閃變與電壓波動(dòng)。

電壓閃變

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用軟并網(wǎng)方式，但是在啟動(dòng)時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)從額定出力狀態(tài)自動(dòng)退出運(yùn)行。如果整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)幾乎同時(shí)動(dòng)作，這種沖擊對(duì)配電網(wǎng)的影響十分明顯。容易造成電壓閃變與電壓波動(dòng)。

諧波污染

風(fēng)電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種。一種是風(fēng)機(jī)本身配備的電力電子裝置可能帶來諧波問題。對(duì)于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)機(jī)，軟啟動(dòng)階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連，因此會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，不過過程很短。對(duì)于變速風(fēng)機(jī)是通過整流和逆變裝置接入系統(tǒng)，如果電力電于裝置的切換頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi)，則會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的諧波問題，不過隨著電力電子器件的不斷改進(jìn)，這個(gè)問題也在逐步得到解決。另一種是風(fēng)機(jī)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振，在實(shí)際運(yùn)行中，曾經(jīng)觀測(cè)到在風(fēng)電場(chǎng)出口變壓器的低壓側(cè)產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。當(dāng)然與閃變問題相比，風(fēng)電并網(wǎng)帶來的諧波問題不是很嚴(yán)重。

7.2電網(wǎng)穩(wěn)定性

在風(fēng)電的領(lǐng)域，經(jīng)常遇到的一個(gè)的難題是：薄弱的電網(wǎng)短路容量、電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的頻繁掉線。尤其是越來越多的大型風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后，對(duì)電網(wǎng)的影響更大。在過去的20年間，風(fēng)電場(chǎng)的主要特點(diǎn)是采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)，裝