【文章內容簡介】 雙饋電機勵磁可調量有三個：一是可以調節(jié)勵磁電流的幅值 ；二是可以改變勵磁電流的頻率；三是可以改變勵磁電流的相位．通過改變勵磁頻率，可調節(jié)轉速．這樣在負荷突然變化時，迅速改變電機的轉速，充分利用轉子的動能，釋放和吸收負荷，對電網的擾動遠比常規(guī)電機小。另外，通過調節(jié)轉子勵磁電流的幅值和相位，來調節(jié)有功功率和無功功率。 雙饋電機控制系統(tǒng)通過變頻器控制器對逆變電路小功率器件的控制，可以改變雙饋發(fā)電機轉子勵磁電流的幅值。頻率及相位角，達到調節(jié)其轉速、有功功率和無功功率的目的。既提高了機組的效率，又對電網起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的作用。下圖是雙饋電機控制簡要框圖。 整個控制系統(tǒng)可分為：轉速調整單元、有功功率調整單元和電壓調整單元（無功功率調整）。它們分別接受風速和轉速。有功功率、無功功率指令，并產生一個綜合信號，送給勵磁控制裝置，改變勵磁電流的幅值。頻率與相位角，以滿足系統(tǒng)的要求。由于雙饋電機既可調節(jié)有功功率；又可調節(jié)無功功率，有風時，機組并網發(fā)電；無風時，也可作抑制電網頻率和電壓波動 的補償裝置。 雙饋電機應用于風力發(fā)電中，可以解決風力機轉速不可調。機組效率低等問題。同時，由于雙饋電機對無功功率。有功功率均可調，對電網可起到穩(wěn)壓。穩(wěn)頻的作用，提高了發(fā)電質量。與同步機交一直一交系統(tǒng)相比，它還具有變頻裝置容量小（一般為發(fā)電機額定容量的 10％～20％左右）、重量輕的優(yōu)點。但這種結構也還存在一些問題，如控制電路復雜一些，不同的控制方法效果有一定差異。另外該結構比其他結構更容易受到電網故障的影響。 目前國內有多家開發(fā)成功雙饋電機控制系統(tǒng)，如蘭州電機有限責任公司與清華大學、沈陽工業(yè)大學合作研制的兆 瓦級變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)控制設備，采用全數字化矢量控制方法。中科院電工研究所研制的兆瓦級變速恒頻風電機組電控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用 IGBT 技術、雙 PWM 雙向可逆變流控制。 風力發(fā)電機控制系統(tǒng)（六） 4 永磁直驅同步發(fā)電機 永磁直驅同步發(fā)電機系統(tǒng)結構如圖： 由變漿距風輪機直接驅動永磁同步發(fā)電機，省去了 增速用齒輪箱。發(fā)電機輸出先經整流器變?yōu)橹绷?，再?IGBT（絕緣柵雙極晶體管）逆變器將電能送到電網。對風力發(fā)電機工作點的控制是通過控制逆變器送到電網的電流實現(xiàn)對直流環(huán)節(jié)電壓的控制，從而控制風輪機的轉速。 發(fā)電機發(fā)出電能的頻率、電壓、電功率都是隨著風速的變化而變化的，這樣有利于最大限度地利用風能資源，而恒頻恒壓并網的任務則由整流逆變系統(tǒng)系統(tǒng)完成。 除了永磁直驅同步發(fā)電機可以直接并網外，還可以構成風力發(fā)電機（群），比如 ABB 公司的“Windformer” 采用的是高壓永磁直驅同步發(fā)電機（群），結構如下： 單機容量為 3～ 5MW，輸出額定電壓高達 20kV，頻率為 5～ 10Hz，每一臺發(fā)電機機端只配置有整流器，把交流變換為直流，通過直流母線實現(xiàn)與風電場其他機組 (群 )的并聯(lián)運行，既提高了可靠性，又改進了效率。風電場由一臺大容量公用逆變器把直流母線的直流電轉換成50Hz 的交流電，電壓為 12kV，可直接并入當地電網使用，也可 經變壓器升壓至更高電壓后并入更高壓電網傳輸到遠處。 永磁直驅同步發(fā)電機系統(tǒng)存在的缺點是：對永磁材料的性能穩(wěn)定性要求高，電機重量增加。另外， IGBT 逆變器的容量較大，一般要選發(fā)電機額定功率的 120％以上。 但使用 IGBT 逆變器也帶來一些好處： ① 使用脈寬調制（ PWM）獲得正弦形轉子電流，電機內不會產生低次諧波轉矩，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 很容易驅動。 ④ IGBT 有很好的電流共享特性，這對于要達到風力發(fā)電機所需的功率水平，進行并聯(lián)使用是非常必要。 ⑤ 開關時間短，導通 時間不到 1毫秒，關斷時間小于6 毫秒，使得管子功耗小。 ⑥ 目前單管容量已經較大，如 Eupec 公司的 FZ600R65KF1 等器件，可以在 6kV 電壓下控制 電流， FZ3600R12KE3 等低電壓器件，可以在 電壓下開關 電流。 發(fā)電機控制系統(tǒng)除了控制發(fā)電機 “獲取最大能量 ”外，還要使發(fā)電機向電網提供高品質的電能。因此要求發(fā)電機控制系統(tǒng)： ① 盡可能產生較低的諧波電流， ② 能夠控制功率因數， ③使發(fā)電機輸出電壓適應電網電壓的變化， ④ 向電網提供穩(wěn)定的功率 目前國內外兆瓦級以上技術較先進的、有發(fā)展前景的風力發(fā)電機組主要是雙饋型風力發(fā)電機組和永磁直驅風力發(fā)電機組，二者各有優(yōu)缺點。單從控制系統(tǒng)本身來講，永磁直驅風力發(fā)電機組控制回路少，控制簡單，但要求逆變器容量大。而雙饋型風力發(fā)電機組控制回路多，控制復雜些，但控制靈活，尤其是對有功、無功的控制，而且逆變器容量小得多。 雙饋型風力發(fā)電機組與永磁直驅風力發(fā)電機組的綜合比較： 風力發(fā)電機控制系統(tǒng)（七） 風電機的運行控制 無功補償控制 由于異步發(fā)電機要從電網吸收無功功率，使風電機組的功率因數降低，而并網運行的風力發(fā)電機組一般要求其功率因數達到 0． 99 以上，所以必須用電容器組進行無功補償．由于風速變化的隨機性，在達到額定功率前，發(fā)電機的輸出功率大小是隨機變化的，因此對補償電容的投入與切除需要進行自動控制，由計算機根據輸出無功功率的變化，控制補償電容器分段投入或切除，保證功率因數達到要求 。對于雙饋發(fā)電機，是直接由控制系統(tǒng)控制和調節(jié)無功功率的。 偏航與自動解纜控制 ① 自動對風 正常運行時偏航控制系統(tǒng)自動對風，即當機艙偏離風向一定角度時，控制系統(tǒng)發(fā)出向左或向右調向的指令，機艙開始對風，當達到允許的誤差范圍內時，自動對風停止。 ② 自動解纜 當機艙向同一方向累計偏轉 圈后，若此時風速小于風電機組啟動風速且無功率輸出，則停機，控制系統(tǒng)使機艙反方向旋轉 圈解繞；若此時機組有功率輸出，則暫不自動解繞；若機艙繼續(xù)向同一方向偏轉累計達 3圈時，則控制停機，解繞；若因故障自動解 繞未成功，在扭纜達 4 圈時，扭纜機械開關將動作，此時報告扭纜故障，自動停機；等待人工解纜操作。 ③ 風輪保護 當有特大強風發(fā)生時，停機并釋放葉尖阻尼板，槳距調到最大，偏航 90 度背風，以保護風輪免受損壞。 停機控制 當控制器發(fā)出正常停機指令后，風電機組將按下列程序停機： ① 切除補償電容器； ② 釋放葉尖阻尼板； ③ 發(fā)電機脫網； ④ 測量發(fā)電機轉速下降到設定值后，投入機械剎車； ⑤ 若出現(xiàn)利車故障則收槳，機艙偏航如 90 度背風。 當出現(xiàn)緊急停機故障時，執(zhí)行如不停機操作：首先切除補償電容器，葉尖阻尼板動作 ，延時 0． 3秒后卡鉗閘動作。檢測瞬時功率為負或發(fā)電機轉達小于同步速時；發(fā)電機解列（脫網），若制動時間超過 20 秒，轉速仍未降到某設定值，則收槳，機艙偏航 90 度背風。 風力發(fā)電機控制系統(tǒng)（八） 安全保護 控制系統(tǒng)是風力發(fā)電機組核心部件，是風力發(fā)電機組安全運行根本保證，所以為了提高風力發(fā)電機組運行安全性，必須認真考慮控制系統(tǒng)的安全性和可靠性問題。 控制系統(tǒng)的安全保護組成： 雷電安全保護 多數風機都安裝在山谷的風口處、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)的風力發(fā)電機組受雷擊的可能性更大，其控制系統(tǒng)大多為計算機和電子器件，最容易因雷電感應造成過電壓損壞，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。 當雷電擊中電網中的設備后，大電流將經接地點泄入地網，使接地點電位大大升高，若控制設備接地點靠近雷擊大電流的入地點，則電位將隨之升高，會在回路中形成共模干擾，引起過電壓，嚴重時會造成相關 設備絕緣擊穿。 根據國外風場的統(tǒng)計數據表明，風電場因雷擊而損壞的主要風電機部件是控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。雷擊事故中的 40％～ 50％涉及到風電機控制系統(tǒng)的損壞， 15％～ 25％涉及到通訊系統(tǒng)，15％～ 20％涉及到風機葉片， 5％涉及到發(fā)電機。 我國一些風場統(tǒng)計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。這說明以電纜傳輸的 4～ 20 mA電流環(huán)通信方式和 RS485串行通信方式由于通訊線長，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。 防雷是一個系統(tǒng)工程，不能僅僅從控制系 統(tǒng)來考慮，需要在風電場整體設計上考慮，采取多層防護措施。 運行安全保護 大風安全保護：一般風速達到 25 米 /秒（ 10 分鐘）即為停機風速，機組必須按照安全程序停機，停機后，風力發(fā)電機組必須 90 度對風控制。 參數越限保護：各種采集、監(jiān)控的量根據情況設定有上、下限值，當數據達到限定值時，控制系統(tǒng)根據設定好的程序進行自動處理。 過壓過流保護：當裝置元件遭到瞬間高壓沖擊和電流過流時所進行的保護。通常采用隔離、限壓、高壓瞬態(tài)吸收元件、過流保護器等 震動保護：機組應設有三級震動頻率保護，震動球開關、震動頻 率上限 震動頻率極限2，當開關動作時，控制系統(tǒng)將分級進行處理。 開機關機保護：設計機組開機正常順序控制，確保機組安全。在小風、大風、故障時控制機組按順序停機。 電網掉電保護 風力發(fā)電機組離開電網的支持是無法工作的，一旦有突發(fā)故障而停電時，控制器的計算機由于失電會立即終止運行，并失去對風機的控制，控制葉尖氣動剎車和機械剎車的電磁閥就會立即打開，液壓系統(tǒng)會失去壓力，制動系統(tǒng)動作，執(zhí)行緊急停機。緊急停機意味著在極短的時間內，風機的制動系統(tǒng)將風機葉輪轉數由運行時的額定轉速變?yōu)榱?。大型的機組在極短的時間 內完成制動過程，將會對機組的制動系統(tǒng)、齒輪箱、主軸和葉片以及塔架產生強烈