风力发电机组控制技术，科普一下

风力资源丰富的地区通常都位于边远地区或海岛甚至是海上，这些地方自然环境较恶劣，需要做到无人值守和远程监控，这对机组控制系统的可靠性和安全性要求较高。作为风力资源丰富的国家之一，我国在风力发电机组的国产化方面也取得了较快进展。但是我国风力发电事业还处于起步阶段，机组控制技术与国外先进技术有较大差距，风力发电机组控制系统是机组正常运行的核心，其控制技术是风力发电机组的关键技术之一，与风力发电机组的其他部分关系密切，其控制的精确性、功能的完善性将直接影响机组的安全与效率。因此，控制系统是风力发电机组可靠运行以及最佳运行的重要保证。

与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网、风况和机组的运行参数，对机组进行并网与脱网控制，以确保运行的安全性与可靠性，还要根据风速与风向的变化，对机组进行转速和转向的实时控制，以提高机组的运行效率和发电量。

（1）定桨距失速调节型风力发电机组。定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速是指桨叶本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流将在桨叶的表面产生涡流，使效率降低，产生失速，来限制发电机的功率输出。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）。在低风速段运行时，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高一些发电机的运行效率。

定桨距失速调节型的优点是失速调节由桨叶本身完成，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，使控制系统大为简化。但是在输入变化的情况下，风力发电机组只有很小的机会能运行在最佳状态下，因此机组的整体效率较低。通常很少应用在兆瓦级以上的大型风力机上。

（2）变桨距调节型风力发电机组。变桨距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小。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。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。

（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。在低风速时，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上。由于功率曲线在失速范围的变化率比失速前要低得多，控制相对容易，输出功率也更加平稳。

根据风机转速风力发电机组分为恒速恒频和变速恒频两种，恒速恒频机组的整体效率较低，而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。变速恒频的优点是可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。控制上也很灵活，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。变速恒频又根据发电机的不同分为以下几种：

（1）异步感应发电机。异步感应发电机工作原理图如图1-1所示，通过晶闸管控制的软并网装置接入电网，并网冲击电流较大。另外需要电容无功补偿装置。控制电路简单。各大风力发电制造商如Vestas，NEG，Micon，Nordex等都有此类产品。

图1-1 异步感应发电机工作原理图

（2）绕线转子异步发电机。绕线转子异步发电机工作原理图如图1-2所示，绕线转子异步发电机可以采用功率辅助调节方式，即转子电流控制（Rotor Current control，RCC）方式来配合变桨距机构，共同完成发电机输出功率的调节。在绕线转子输入由电力电子装置控制的发电机转子电流，可以加大异步发电机转差率（可到10%），使得发电机在较大的转速范围内向电网送电。以提高异步发电机的风能利用率。

图1-2 绕线转子异步发电机工作原理图

（3）双馈发电机。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根电源激励，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，如图1-3所示。

图1-3 双馈感应发电机工作原理图

双馈电机励磁可调量有：①励磁电流的幅值；②励磁电流的频率；③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，来调节有功功率和无功功率。

图1-4 双馈电机控制简要框图

双馈电机控制系统通过变频器控制器对逆变电路小功率器件的控制，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。这样既提高了机组的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。双馈电机控制简要框图如图1-4所示。

整个控制系统可分为转速调整单元、有功功率调整单元和电压调整单元（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。