【文章內(nèi)容簡介】 閥或電液伺服閥，使控制系統(tǒng)的水平提高到了一個新的階段。 由于變漿矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速以下運行時的效果仍不理想，到了 20世紀(jì) 90 年代中期，基于變矩技術(shù)的各種變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始進(jìn)入風(fēng)電場。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)信號作為控制系統(tǒng)的輸入變量來運行和功率控制的 。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點是：低于額定風(fēng)速時，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，它增加了傳動系統(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素等問題后，達(dá)到了高效率、高質(zhì)量地向電網(wǎng)提供電力的目的。 可以說，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)從機(jī)組的定漿矩恒速運行發(fā)展到基于變漿矩技術(shù)的變速運行，已經(jīng)基本實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能夠向電網(wǎng)提供電能到理想地向電網(wǎng)提供電能的最總目標(biāo)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的基本功能 并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 的控制系統(tǒng)必須具備以下功能： 1）根據(jù)風(fēng)速信號自動進(jìn)入啟動狀態(tài)或從電網(wǎng)切出。 2）根據(jù)功率及風(fēng)速大小自動進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率控制。 3）根據(jù)風(fēng)向信號自動對風(fēng)。 4）根據(jù)功率因數(shù)自動投入（或切出）相應(yīng)的補償電容。 5）當(dāng)發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)時，能確保機(jī)組安全停機(jī)。 6）在機(jī)組運行過程中，能對電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組的運行狀況進(jìn)行監(jiān)測和記錄，對出現(xiàn)的異常情況能夠自行判斷并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，并能夠根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，生成各種圖表，以反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各項性能指標(biāo)。 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所示。 針 對下述結(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)都選用集散型或分布式 (DCS)工業(yè)控制機(jī)，本設(shè)計 節(jié)所述三種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制器都是采用了分布式的控制系統(tǒng)。采用這種分布式的控制系統(tǒng)最大的優(yōu)點是有各種功能的專用模塊可供選擇，可以方便的實現(xiàn)就地控制，許多控制模塊可直接布置在控制對象的工作點，就地采集信號進(jìn)行處理。避免了各類傳感器和航內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與地面主控制器之間大量的通訊線路及控制線路。同時 DCS 現(xiàn)場適應(yīng)性能強，便于控制程序現(xiàn)場調(diào)試及在機(jī)組運行時可隨時修改控制參數(shù)。主控制器通過各類按裝在現(xiàn)場的模塊，對電網(wǎng)、風(fēng)況 及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并與其他功能模塊保 持通訊，對各方面的情況作出綜合分析后，發(fā)出各種控制指令。 圖 31 運行過程中的主要參數(shù)監(jiān)測 （一）電力參數(shù)監(jiān)測 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要持續(xù)監(jiān)測的電力參數(shù)包括電網(wǎng)三相電壓、發(fā)電機(jī)輸出的 三相電流、電網(wǎng)頻率、發(fā)電機(jī)功率因數(shù)等。這些參數(shù)無論風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是處于并網(wǎng)狀態(tài)還是脫網(wǎng)狀態(tài)都被監(jiān)測，用于判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 啟動條件、工作狀態(tài)及故障情況，還用于統(tǒng)計風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功功率、無功功率和總發(fā)電量。此外，還根據(jù)電力參數(shù)，主要是發(fā)電機(jī)有功功率和功率因數(shù)來確定補償電容的投入與切出。 電壓測量主要檢測一下故障： （ 1） 電壓沖擊 相電壓超過 450V （ 2） 過電壓 相電壓超過 433V 50s （ 3） 低電壓 相電壓低于 329V 50s （ 4） 電網(wǎng)電壓跌落 相電壓低于 260V （ 5） 相序故障。 對電壓故障要求反 應(yīng)較快，在主電路中設(shè)有過電壓保護(hù)，其動作設(shè)定值可參考沖擊電壓整定保護(hù)值。發(fā)生電壓故障時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須退出電網(wǎng)，一般采取正常停機(jī)，而后根據(jù)情況進(jìn)行處理。 電壓測量值井平均值法處理后可用于計算機(jī)組的功率和發(fā)電量的計算。 關(guān)于電流的故障有： 用戶界面 輸入用戶指令，變更參數(shù) 顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，數(shù)據(jù)和故障情況 主控制器 運行監(jiān)控，系統(tǒng)停 /起 其他功能模塊停 /起 電網(wǎng)、風(fēng)況監(jiān)測 軟切入裝置 發(fā)電機(jī)起動與切換控制 起動電流控制 三相不平衡保護(hù) 無功補償控制 根據(jù)無功功率信號分組切入或切出補償電容 變矩系統(tǒng) 功 率控制 轉(zhuǎn)速控制 液壓系統(tǒng) 剎車機(jī)構(gòu)壓力保持 變矩系統(tǒng)壓力保持 制動系統(tǒng) 機(jī)械剎車機(jī)構(gòu) 氣動剎車機(jī)構(gòu) 調(diào)向系統(tǒng) 根據(jù)風(fēng)向變化調(diào)向 自動解除電纜纏繞 （ 1） 電流跌落 內(nèi)一相電流跌落 80%。 （ 2） 三相不對稱 三相中有一相電流與其他兩相相差過大，相電流相差25%，或者在平均電流低于 50A時，相電流相差 50%。 （ 3） 晶閘管故障 軟啟動期間，某相電流大于額定電流或者 觸發(fā)脈沖發(fā)出后電流連續(xù) 為 0。 對電流故障同樣要求反應(yīng)迅速。通?？刂葡到y(tǒng)帶有兩個電流保護(hù)，即電流短路保護(hù)和過電流保護(hù)。電流短路保護(hù)采用斷路器，動作電流按照發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路電流整定，動作時間 0～ 。過電流保護(hù)由軟件控制，動作電流按照額定電流的 2倍整定，動作時間 1～ 3s。 電流測量值經(jīng)平均值算法處理后與電壓、功率因數(shù)合成為有有功功率、無功功率及其他電力參數(shù)。 電流是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時需要持續(xù)監(jiān)視的參量，如果切入電流不小于允許極限，則晶閘管導(dǎo)通角不再增大，當(dāng)電流開始下降后，導(dǎo)通角逐漸打開直至完全開 啟。并網(wǎng)期間，通過電流測量可檢測發(fā)電機(jī)或晶閘管的短路及三相電流不平衡信號。如果三相電流不平衡超出允許范圍，控制系統(tǒng)將發(fā)出故障停機(jī)指令，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出電網(wǎng)。 電網(wǎng)頻率被持續(xù)測量。測量值經(jīng)平均算法處理與電網(wǎng)上、下限頻率進(jìn)行比較，超出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出電網(wǎng)。 電網(wǎng)頻率直接影響發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)的瞬時出力。 功率因數(shù)通過分別測量電壓相角和電流相角獲得，進(jìn)過移相補償算法和平均值算法處理后，用于統(tǒng)計發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率。 由于無功功率導(dǎo)致電網(wǎng)的電流增加，線損增大，且占用系統(tǒng)容量。因而送 入電網(wǎng)的功率，感性無功分量越少越好，一般要求功率因數(shù)保持在 以上。為此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使用了電容器補償無功功率?？紤]到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率常在大范圍內(nèi)變化，補償電容器一般按不同容量非為若干組，根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出功率的大小來投入與切出。這種方式投入補償電容時，可能造成過補償，此時會向電網(wǎng)輸入容性無功。 電容補償并未改變發(fā)電機(jī)運行狀況。補償后，發(fā)電機(jī)組接觸器上電流應(yīng)大于主接觸器電流。 功率可通過測得的電壓、電流、功率因數(shù)計算得出，用于統(tǒng)計風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率與風(fēng)速有固定函數(shù)關(guān)系，如 測得功率與風(fēng)速不符，可以作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障判斷的依據(jù)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率過高過低時，可以作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出電網(wǎng)的依據(jù)。 （二）風(fēng)力參數(shù)的監(jiān)測 風(fēng)速通過機(jī)艙外邊的數(shù)字式風(fēng)速儀測得。計算機(jī)美妙采集一次來自于風(fēng)速儀的風(fēng)速數(shù)據(jù)；每 10min 計算一次平均值，用于判別起動風(fēng)速（風(fēng)速 v3m/s 時，啟動小發(fā)電機(jī)， v8m/s 啟動大發(fā)電機(jī)）和停機(jī)風(fēng)速（ v25m/s)。安裝在機(jī)艙頂上的風(fēng)速儀處于風(fēng)輪的下風(fēng)向，本身并不精確，一般不用來產(chǎn)生功率曲線。 風(fēng)向標(biāo)安裝在機(jī)艙頂部兩側(cè)，主要測量風(fēng)向與機(jī)艙中心線的 偏差角。一般采用兩個風(fēng)向標(biāo)，以便互相校驗，排除可能產(chǎn)生的誤信號?？刂破鞲鶕?jù)風(fēng)向信號，啟動偏航系統(tǒng)。當(dāng)兩個風(fēng)向標(biāo)不一致時，偏航會自動中斷。當(dāng)風(fēng)速低于 3m/s 時，偏航系統(tǒng)不會啟動。 （三） 機(jī)組狀態(tài)參數(shù)檢測 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的測量點有兩個：即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速測量信號用于控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)和脫網(wǎng)，還可用起動超速保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值 1n 或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定值 2n 時，超速保護(hù)動作，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組停機(jī)。 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以互相校驗。如果不符，則提示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障。 有 8 個點的溫度被測量，用于反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的工作狀況。這 8個點包括： ① 增速器油溫； ② 高速軸承溫度； ③ 大發(fā)電機(jī)溫度； ④ 小發(fā)電機(jī)溫度； ⑤前主軸溫度； ⑥ 后主軸溫度； ⑦ 控制盤溫度； ⑧ 控制環(huán)境溫度。 由于溫度過高引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出運行，在溫度降至允許值時，仍可自動起動風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運行。 為了檢測機(jī)組的異常振動，在機(jī)艙上應(yīng)安裝振動傳感器。傳感器由一個與微動開關(guān)相連的鋼球及其支撐組 成。異常振動時，鋼球從支撐它的圓環(huán)上落下，拉動微動開關(guān)，引起安全停機(jī)。重新啟動時，必須重新安裝好鋼球。 機(jī)艙后部還設(shè)有漿葉振動探測器，過振動時將引起正常停機(jī)。 由于發(fā)電機(jī)電纜及其所有電氣、通信電纜均從機(jī)艙直接引入塔筒，直到地面控制柜。如果機(jī)艙經(jīng)常向一個方向偏航，會引起電纜嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)。因此偏航系統(tǒng)還應(yīng)具備扭纜保護(hù)的功能。偏航齒輪上安有一個獨立的記數(shù)傳感器，以記錄相對初始方位所轉(zhuǎn)過的齒輪。當(dāng)風(fēng)力機(jī)向一個方向持續(xù)偏航達(dá)到設(shè)定值時，表示電纜已被扭轉(zhuǎn)到危險的程度，控制器將發(fā)出停機(jī)指令并顯示故障。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組停 機(jī)并執(zhí)行順或逆時針解纜操作。為了提高可靠性，在電纜引入塔筒處，還安裝了行程開關(guān)，引起安全停機(jī)。 為了便于了解偏航系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，控制器可根據(jù)偏航記數(shù)傳感器的報告，以記錄相對初始方位所轉(zhuǎn)過的齒輪數(shù)顯示機(jī)艙當(dāng)前方位與初始方位的偏轉(zhuǎn)角度及正在偏航的方向。 在機(jī)械剎車系統(tǒng)中裝有剎車片磨損指示器，如果剎車片磨損到一定程度，控制器顯示故障信號，這時必須更換剎車片后才能啟動風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 在連續(xù)兩次動作之間，有一個預(yù)置的時間間隔，使剎車裝置有足夠的冷卻時間，以免重復(fù)使用剎車車盤過熱。根據(jù)不同型號的風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組，也可用溫度傳感器來取代設(shè)置延時程序。這時剎車盤的溫度必須低于預(yù)置的溫度才能啟動風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 （四） 各種反饋信號的檢測 控制器在以下指令發(fā)出后的設(shè)定時間內(nèi)應(yīng)收到動作已執(zhí)行的反饋信號： ①回收葉尖擾流器； ② 松開機(jī)械剎車； ③ 松開偏航制動器； ④ 發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)及脫網(wǎng)后 的轉(zhuǎn)速降落 信號。否則將出現(xiàn)相應(yīng)的故障信號，執(zhí)行安全停機(jī)。 （五） 增速器油溫的控制 增速器箱體內(nèi)一側(cè)裝有 PT100 溫度傳感器。運行前，保證齒輪油高于 0℃，否則加熱至 10℃在運行。正常運行時，潤滑油泵始終工作，對齒輪和軸承進(jìn)行強制噴射潤滑。當(dāng)油溫高于 60℃時，油冷卻系統(tǒng)啟動，油被送入增速器外的熱交換器進(jìn)行自然風(fēng)冷或強制水冷。油溫低于 45℃時，冷卻油回路切斷，停止冷卻。 目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速器均帶有強制潤滑冷卻系統(tǒng)和加熱器。但油溫加熱器與箱外冷卻系統(tǒng)并非缺一不可。例如對于我國南方，如廣東省的沿海地區(qū)，氣溫很少低于 0℃，可不用考慮加熱器。對一些氣溫不高的地區(qū)，也可設(shè)置箱外冷卻系統(tǒng)。 （六） 發(fā)電機(jī)溫升控制 通常在發(fā)電機(jī)的三相繞組及前后軸承里面各裝有一個 PT100 溫度傳感器，發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下的溫度為 130～ 140℃，一般在額定功率下運行 5～ 6h 后達(dá)到這一溫度。當(dāng)溫度高于 150～ 160℃時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將會因溫度過高而停機(jī)。當(dāng)溫度降落到 100℃以下時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又會重新起動并入電網(wǎng)（如果自啟動條件仍然滿足）。發(fā)電機(jī)溫度的控制點可根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r現(xiàn)場調(diào)整。 對在安裝在溫度和溫差較大地點的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)內(nèi)部可 安裝電加熱器。以防止大溫差引起發(fā)電機(jī)繞組表面的冷凝。 一般用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)均采取強制風(fēng)冷。但新推出的 NM750/48風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)置了水冷系統(tǒng)。冷卻水管道布置在定子繞組周圍，通過水泵與外部散熱器進(jìn)行循環(huán)熱交換。冷卻系統(tǒng)不僅直接帶走了風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部的熱量，同時通過熱交換器帶走齒輪潤滑油的熱量，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙可以設(shè)計成密封型。采用強制水冷，大大提高了風(fēng)力發(fā)電的冷卻效果，提高了發(fā)電機(jī)的工作效率。并且由于密封良好，避免了艙內(nèi)風(fēng)沙雨水的浸入，給機(jī)組創(chuàng)造了有利的工作環(huán)境。 （七） 功率過高或 過低的處理 如果發(fā)電機(jī)功率持續(xù)（一般設(shè)置 30～ 60s）出現(xiàn)逆功率，其值小于預(yù)置值 sP ，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將退出電網(wǎng)，處于封袋機(jī)狀態(tài)。脫網(wǎng)動作過程如下：斷開發(fā)電機(jī)接觸器，斷開旁路接觸器，不釋放葉尖擾流器，不投入機(jī)械剎車。 重新切入可考慮將切入預(yù)置點自動提高 %，但轉(zhuǎn)速下降到預(yù)置點一下后升起再并網(wǎng)時，預(yù)置值自動恢復(fù)到初始狀態(tài)值。 重新并網(wǎng)動作過程如下：合發(fā)電機(jī)接觸器，軟啟動后晶閘管完全導(dǎo)通。當(dāng)輸出功率超過 sP 3s 時，投入旁路接觸器，轉(zhuǎn)速切入點變?yōu)樵ㄖ怠９β实陀?sP 時由晶閘管通路向電網(wǎng)供電，這時輸出電流不大，晶閘管可連續(xù)工作。 這一過程是在風(fēng)速較低時進(jìn)行的。發(fā)電機(jī)出力為負(fù)功率時，吸收電網(wǎng)有功，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組幾乎不做功。如果不提高切入設(shè)置點，起動后仍然可能是電動機(jī)運行狀態(tài)。 一般說來，功率過高現(xiàn)象由兩種情況引起：一是由于電網(wǎng)頻率波動引起的。電網(wǎng)頻率降低時， 同步轉(zhuǎn)速下降，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速短時間不會降低，轉(zhuǎn)差較大；各 項損耗及風(fēng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械能瞬時不突變，因而功率瞬時會變的很大。二是由于氣候變化，空氣密度的增加引起的。功率過高如持續(xù)一定時間，控制系統(tǒng)應(yīng)作出反應(yīng)。可設(shè)置為：當(dāng)發(fā)電機(jī)出力持續(xù) 10min 大于額定功率的 15%后，正常停