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风力发电机组控制系统

风力发电机组控制系统功能研究

风力发电机组控制系统简介

风力发电机组由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，其相当于风

电系统的神经。因此控制系统的质量直接关系到风力发电机组的工作状态、发

电量的多少以及设备的安全性。

自热风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的并网和退出电网、

输入功率的限制、风轮的主动对封以及运行过程中故障的检测和保护必须能够

自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是边远地区或是海上，分散布置

的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程控制，这就对风力发电机组

的控制系统的自动化程度和可靠性提出了很高的要求。与一般的工业控制过程

不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。他不仅要监视电网、风况

和机组运行参，对机组进行控制。而且还要根据风速和风向的变化，对机组进

行优化控制，以提高机组的运行效率。

控制系统的组成

风力发电机由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于风电系

统的神经。因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的

多少以及设备的安全。目前风力发电亟待研究解决的的两个问题：发电效率和

发电质量都和风电控制系统密切相关。对此国内外学者进行了大量的研究，取

得了一定进展，随着现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的

研究提供了技术基础。

风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：这就是保证风力发电机组安

全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。

控制系统组成主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出

单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单

元。具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最

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。

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。同时，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，提高了发电质量。与同步机交一直一交系统相比，它还具有变频

装置容量小（一般为发电机额定容量的10％～20％左右）、重量轻的优点。但这

种结构也还存在一些问题，如控制电路复杂一些，不同的控制方法效果有一定

差异。另外该结构比其他结构更容易受到电网故障的影响。

目前国内有多家开发成功双馈电机控制系统，如兰州电机有限责任公司与

清华大学、沈阳工业大学合作研制的兆瓦级变速恒频双馈异步风力发电系统控

制设备，采用全数字化矢量控制方法。中科院电工研究所研制的兆瓦级变速恒

频风电机组电控系统，该系统采用IGBT技术、双PWM双向可逆变流控制。

永磁直驱同步发电机

永磁直驱同步发电机系统结构图如图2-4所示。

图2-4永磁直驱风力发电机组结构图

由变浆距风轮机直接驱动永磁同步发电机，省去了增速用齿轮箱。发电机

输出先经整流器变为直流，再经IGBT（绝缘栅双极晶体管）逆变器将电能送到

电网。对风力发电机工作点的控制是通过控制逆变器送到电网的电流实现对直

流环节电压的控制，从而控制风轮机的转速。

发电机发出电能的频率、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整流逆变系统

系统完成。

永磁直驱同步发电机系统存在的缺点是：对永磁材料的性能稳定性要求高，

电机重量增加。另外，IGBT逆变器的容量较大，一般要选发电机额定功率的

120％以上。

发电机控制系统除了控制发电机“获取最大能量”外，还要使发电机向电网

提供高品质的电能。因此要求发电机控制系统：

①尽可能产生较低的谐波电流；

②能够控制功率因数；

③使发电机输出电压适应电网电压的变化；

④向电网提供稳定的功率。

目前国内外兆瓦级以上技术较先进的、有发展前景的风力发电机组主要是

双馈型风力发电机组和永磁直驱风力发电机组，二者各有优缺点。单从控制系

统本身来讲，永磁直驱风力发电机组控制回路