双馈风力发电机组电控与安全保护系统设计研究

. . . 摘 要本论文主要进行双馈型风电机组电控系统与安全保护部分的设计研究。文中首先介绍了双馈型风电机组工作原理与运行过程，提出了双馈型风电机组电控系统总体要求、结构与功能，围绕此要求与总体方案对各部分电控系统进行详细的设计和研究，分别对各电控系统基本功能、结构和控制策略进行分析设计，对系统软硬件部分给出了具体设计方案。然后从系统角度提出了机组相关电磁干扰理论，分析了机组的主要干扰源，并针对具体电控系统进行详细的抗干扰设计，最后提出了风电机组的安全保护等级，并对机组安全链和防雷接地技术进行分析研究。关键词：双馈机组,电控系统,电磁干扰,安全保护ABSTRACTThe paper is mainly for the research and design of electric control system and safety protection of the double-fed wind turbine.First of all, the test introduced to us the working principle and operation process of double-fed wind turbine and the electric control system of the general requirements, structure and functions. Surrounding this request and the overall program for each of the electronic control system it carry out a detailed research and give a analysis and design of the basic functions of electronic control system, structure and control strategy respectively. Then give a specific design with the hardware and software of the system. From the system point of view it put forward a theory of units related to electromagnetic interference, analysis the main sources of interference and specific design to reduce Electro Magnetic interference. Finally, it takes us the security protection levels of wind turbine, research the safety chainsand technology of grounding and Lighting-proof System.Sun Dapeng(Control Science and Control Engineering)Directed by prof. Lu YuegangKEYWORDS:Double-fed wind turbine,Electric Control System,Electromagnetic Interference(EMI),Security Protection目 录中文摘要英文摘要目录II第一章概述11.1 本课题的背景11.2 电控系统的研究现状11.3 本论文研究的意义21.4 所做工作与本论文的目标2第二章风力发电机组电控系统总体要求与设计方案42.1 双馈型风力发电机组工作原理与运行过程42.1.1 双馈型风电机组工作原理42.1.2 异步双馈风力发电机组运行过程52.2 电控系统总体要求62.3 电控系统总体结构与功能72.3.1 双馈型风电机组电控系统整体结构72.3.2 电控系统总体功能82.4 电控系统设计方案9第三章风电机组电控系统的功能与设计113.1 主配电系统113.2 中央监控系统113.2.1 中央监控系统功能113.2.2 中央监控的实现方式123.2.3风力发电机监控网络123.3 塔底主控系统133.3.1 主控系统功能133.3.2 主控系统流程133.4 变流控制系统143.4.1 双馈电机工作原理143.4.2 变流系统组成与功能部件163.4.3 变流系统并网控制过程183.5 机舱控制系统193.5.1 机舱控制系统组成193.5.2 机舱信号量检测与变送单元203.6 变桨控制系统273.6.1 变桨控制系统原理273.6.2 变浆距控制过程273.6.3 变浆距系统电控部分28第四章风电机组电磁干扰理论与电控系统抗干扰研究334.1 电磁兼容和电磁干扰定义334.2 电磁干扰理论334.2.1 传导干扰334.2.2 传输线处理方法354.2.3 辐射干扰的传播374.3 风电机组控制系统抗干扰研究394.3.1 风电机组电源系统抗干扰技术与保护394.3.2控制系统抗干扰与保护444.3.3 通信系统抗干扰技术484.3.4 变流系统抗干扰技术504.3.5 风电机组变流系统直流母线与Crowbar保护52第五章 风电机组安全保护系统研究555.1 风电机组安全保护系统设计555.2 风电机组安全链系统565.2.1 双馈型风电机组安全链组成与功能565.2.2 风力发电机组的紧急停机过程585.2.3 风电机组安全链逻辑结构595.3风力发电机组防雷保护605.3.1 叶片防雷研究605.3.2 机舱防雷605.3.3 电控系统防雷615.3.4 接地保护63第六章 结束语64参考文献66致 68在学期间发表的学术论文和参加科研情况6967 / 70第一章 概 述1.1 本课题的背景目前,世界环境情况正在日益恶化。其中,利用煤炭、天然气、石油等燃料发电所产生的温室效应是一个重要因素,而核能发电则面临核废料的处理问题,不利于环境保护。随着世界性能源危机的加剧和全球环境日趋污染,许多国家都更加重视洁净的新能源和可再生能源的研究、开发和利用。根据1995年联合国所做的一份调查报告,认为清洁能源水能、风能、太阳能、生物质能的开发利用将是最有利于人类的,而其中最便宜的就是发展太阳能和风能,产业前景最好,其开发利用增长率远高于常规能源。风能作为清洁、可再生能源具有许多优点:取之不尽、用之不竭；就地可取、不需运输；分布广泛,分散使用；不污染环境,不破坏生态；周而复始,可以再生。干净可再生能源风能受到了世界各国的青睐。据估计,世界风能资源高达53万亿千瓦时,而到2020年,世界电力需求为每年25万亿千瓦时,全球可再生风能资源是整个世界预期电力需求的2倍。对风能的利用有助于实现能源的安全和多元化,减少温室气体排放,减少化石燃料造成的城市环境污染,替代核能1。就世界围而言,风力发电是新能源领域术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电方式之一。风力发电几乎不消耗矿物质和水资源,与常规燃煤、燃油发电方式相比,具有可减排CO2、SO2、NOx与烟尘等污染物、调整改善电力工业结构、推进技术进步等各种优点,风力发电的经济指标逐渐接近清洁煤发电。因此备受世界各国的关注,目前已在世界上几十个国家得到了广泛的开发和利用。据相关资料报道,到2020年,预计我国将新增发电能力500GW,其中121GW为可再生能源。2010年以前,我国计划新建20 座风力发电场,每座风场的发电能力达到100MW以上,且达到4000MW的风力发电总目标,并要求风力发电装备本土化2。大力发展风力发电对保护生态环境、改善能源结构、促进可持续发展都十分重要。1.2 电控系统的研究现状风力发电机型由定桨矩风力发电机向变速恒频型转变，装机容量逐步提高，现在1.5MW变速恒频风力发电机组应经成为业界的主流，2MW、5MW的大型风电机组技术也趋于成熟，并已经并网发电，产业化初具规模。在变速恒频风力发电机组中，有两种发展趋势，一是双馈型风电机组，现在风电市场上的变速恒频机组一般是这种机型，技术比较成熟；另一种是直驱型风电机组，它与双馈型相比省去了庞大的齿轮箱这一机械传动机构，大大降低了机组的维护成本，但同时给变流系统带来更大负荷的压力，这种机型目前技术正处于发展阶段，也有相应的机型投入市场。由于两种机型各有优劣，在未来的风电市场竞争中处于并驾齐驱，共同发展的阶段。目前,我国国产化机组产量仍然偏小,远未达到规模效益,使得零部件采购价格偏高, 利润空间很小。我国的风力发电装备市场至今仍由国外风力发电机组占据。这一现实要求我国的风力发电设备制造企业,应加快适合中国国情的新型风力发电装备的研制进度。尽快提高大型风力发电装备的设计和制造技术, 加大风力发电装备国产化进程。还应注意稳定产品质量,提高国产机组可靠性, 以取得风电场建设者的认可, 逐步加大市场份额。1.3 本论文研究的意义从国外风力发电发展趋势来看，在未来20年里，风力发电产业将是增长最快的产业，风力发电技术也将进入快速发展的黄金时期。在中国，国产风电设备制造水平和能力急需进一步提高，虽然近期有些国风电企业对外宣称已经完全自主创新研制出一些风力发电机型，但离真正的“中国制造”还有一定的差距，这就需要我们的科研机构和研发人员继续攻克关键性技术难题，并勇于创新，真正走出一条有自主知识产权的风电之路，引领中国21世纪风电发展。从目前风电技术层面看，最新的核心技术依然掌握在几家国外几家公司手中，如GE、VASTAS等。根据我国十一五规划和能源发展战略，急需国研制出具有自主知识产权的风电机组，打破国外技术垄断，用新的绿色能源技术造福后代。值得欣喜的是，现在我国有很多研究机构正在对风力发电技术进行攻关研究，其中，华北电力大学自动化系风电研究所就是其中之一。依托学校强大的科研实力，多年来一直从事风电技术的研究，现在所研制的“双馈型风力发电机组”技术已经处于成熟阶段。本文属于“双馈型风电机组”课题的一部分。本文从风电机组国产化这一根本目标作为出发点，对风力发电机组电控与保护系统进行研究，对风电机组关键性技术进行论述，给出了具体的风电机组与保护系统设计方案。本文可作为将来刚涉入风电领域人员的系统学习和培训资料，也可作为对风力发电有一定基础人员的参考资料，其中对于电控系统和安全保护部分的研究对风电机组后续设计提供了参考和指导。1.4 所做工作与本论文的目标在研究生期间，针对风力发电这一课题，参阅了大量国外文献资料，深入了解国外各大厂商的相关机型资料，对国外风力发电最新成果和技术走向有较深刻的理解。在理论学习的同时，还多次去风电场实地考察参观，并与现场机组运行人员广泛交流，互相学习，积累了大量的现场资料，对风力发电机组并网运行有了感性的认识。根据掌握的资料和相关数据，并参考多家国外先进机型，在期间还完成了双馈型机组电气原理图的绘制。在原理图设计与绘制的过程中，根据对机组的理解和现场参观实习经验，对整个系统设计提出了一些改进设计方案。在现场期间，针对机组容易出现故障的电源模块、信号采集模块和控制模块进行研究，对故障原因进行系统分析，从中汲取了很多宝贵的经验，也总结出在硬件系统设计中需要注意的问题，为以后的设计有很好的参考指导价值。本论文要实现以下目标：（1）对双馈型风电机组总体要求和功能进行研究，并给出相应的的电控系统设计方案。（2）对机组电控子系统基本结构进行研究，给出具体硬件设计方案与流程图，并对电控系统基本功能与机组控制策略进行设计。（3）对风电机组关键性信号检测和变送单元进行设计，并实现与各控制系统的连接交互，在传统的检测方法基础上实现更为有效的检测方法与技术。（4）对风电机组控制系统电磁兼容与抗干扰设计进行研究，根据历史故障数据和现场运行经验，主要研究易受干扰的电源部分、控制系统、变流系统和接地技术，并针对各电控系统进行相应的抗干扰设计。（5）对风电机组安全保护进行研究和设计，并提出了风电机组分级保护模式。对风电机组安全保护中最重要的两个环节安全链和防雷保护进行重点讨论。第二章 风力发电机组电控系统总体要求与设计方案2.1 双馈型风力发电机组工作原理与运行过程2.1.1 双馈型风电机组工作原理双馈型风电机组工作原理如图2.1所示。风的动能带动风轮转动，由低速轴经齿轮箱变速机构加速后，通过高速轴带动双馈感应发电机转子旋转。同时，通过控制变频器控制电网到发电机转子的励磁电流，这样会在定子中感应出三角交流电压送至电网，完成发电功能。图2.1 双馈型风电机组原理图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，一般采用交一交变频器或交一直一交变频器供以低频电流。双馈电机励磁可调量有三个：一是可以调节励磁电流的幅值；二是可以改变励磁电流的频率；三是可以改变励磁电流的相位。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。这样既提高了机组的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。图2.2是双馈电机控制简要框图。图2.2双馈电机控制框图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3。2.1.2 异步双馈风力发电机组运行过程风力发电机组运行过程可分为以下六种工作状态：待机状态、启动状态、欠功率运行状态、额定功率运行状态、正常停机状态和紧急停机状态。待机状态：当所有监控和执行部件正常且风速低于3m/s时，风机处于待机状态。在待机状态下，所有执行机构和信号均处于实时监控状态，风机叶片处于顺桨（即桨距角为90）空转。偏航系统实时跟踪风向变化，风速亦被实时检测，送至主控制器作为启动参考量。启动状态：若风速连续10min超过3m/s，且控制器、执行机构和检测信号均正常，此时主控制器发出启动命令。风机叶片节距角由90转至57左右，风轮转速增加，风机启动。欠功率运行状态：若此时风速低于额定风速，节距角调整至3近，以获取最大动能。此时调整风机输出功率以达到最大风能捕获。额定功率运行状态：若风速高于额定风速，启动变浆距控制器，调整节距角，始终使输出功率保持在额定功率附近。正常停机状态：叶片处于顺桨（节距角为90）锁定，偏航刹车动作，停止偏航，变速箱主轴刹车动作。控制器、执行机构和信号监测部分继续工作，可自动/手动操作或检测。紧急停机状态：在出现故障或紧急情况下，叶片迅速变为顺桨，变速箱主轴紧急刹车，偏航紧急刹车。除必要的控制系统外，执行机构和信号检测部分停止工作。风力发电机的起动和并网过程如下：由风向传感器测出风向并使偏航控制器动作，使风力机对准风向。同时检测风速（只要有风发电机转子就有转动，随着风速的增加励磁电流也逐步增加，即电机端电压逐步升高），当风速超过切入风速时，通过全功率变流器控制和机端变压器的变压作用使系统输出电压等于电网电压、频率也达到并网条件，这时还检测电网电压与风机端电压之间的相位差，当其为零或相等（过零点）时合闸并实现并网（这些条件全部通过变流装置的控制来实现，变流装置通过锁相控制和SPWM调制等使机组输出达到并网条件）。整个运行过程都处于主控系统严密控制之中。其安全保护系统分三层结构：计算机系统，独立于计算机的安全链，器件本身的保护措施,在机组发生超常振动、过速、电网异常、出现极限风速等故障时保护机组,对于电流、功率保护，采用两套相互独立的保护机构，诸如电网电压过高，风速过大等不正常状态出现后。电控系统会在系统恢复正常后自动复位，机组重新启动。具体运行过程为：1）当风速持续10分钟（可设置）超过3m/s，风机将自动启动。叶轮转速大于10转分时并入电网。2）随着风速的增加，发电机的出力随之增加，当风速大于12m/s时，达到额定出力，超出额定风速机组进行恒功率控制。3）当风速高于22米/秒持续10分钟，将实现正常停机（变桨系统控制叶片进行顺桨，转速低于切入转速时，风力发电机组脱网）。4）当风速高于28米/秒并持续10秒钟时，实现正常停机；当风速高于33米/秒并持续1秒钟时，实现正常停机。5）当遇到一般故障时，实现正常停机。6）当遇到特定故障时，实现紧急停机（变流器脱网，叶片以7/s的速度顺桨）。风机的运行状态转换如图2.3所示：图2.3 风机运行状态转换图2.2 电控系统总体要求并网运行的双馈型风力发电机组控制系统需要具有以下功能与要求：1）根据风速信号自动进入启动状态或从电网自动切除；2) 根据功率与风速大小自动进行转速和功率控制；3）根据风向信号自动对风；4）根据电网和输出功率要求自动进行功率因数调整；5）当发电机脱网时，能确保机组安全停机；6）在机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行实时监测和记录，对出现的异常情况能够自行计数准确的判断并采取相应的保护措施，并能够根据记录的数据，生成各种图标，以反映风力发电机组的各项性能指标；7）对在风电场中运行的风力发电机组还具有远程通信的功能；8）具有良好的抗干扰和防雷保护措施，以保证在恶劣的环境里最大限度的保护风电机组的安全可靠运行。2.3 电控系统总体结构与功能2.3.1 双馈型风电机组电控系统整体结构双馈型风电机组电控系统整体结构如图2.4所示4。图2.4 电控系统整体结构风电机组底部为变流器柜和塔筒控制柜。塔筒控制柜为风力发电机主控制系统，负责整个风力发电机组的控制、显示和通信功能，主要包括风力发电机主控部分、显示器、通信系统和低压配电设备。变流器柜主要由IGBT、散热器和变流控制系统组成，有两组IGBT通过电缆分别连接网侧和机侧。塔筒控制柜通过电缆与机舱通讯，机舱里边包括双馈电极，机舱控制柜，变速箱，偏航系统，轮毂与变浆矩控制系统部分。2.3.2 电控系统总体功能风电机组总体功能如图2.5所示4。风轮由3个叶片、叶片轴承与轮毂构成。叶片通过4-点接触回转支撑，安装在叶片轮毂上，以实现叶片的迎角可调。风力机可以根据发电量与产生的噪音调节叶片运行时的角度。风机变桨距控制系统安装在轮毂，在风机运行过程中根据风况变化与要求调节控制系统执行机构，可以使叶片的转动角度在090围变化，进行功率控制。控制系统根据安装在机舱顶部的风向仪提供的风向信息控制偏航系统转向。图2.5 风电机组总体功能图在高风速下，双馈发电机和变桨系统将风力机的输出功率保持在额定功率。在低风速条件下，双馈发电机和变桨系统通过选择风轮转子的转速和叶片角度的最佳结合使风力机的输出功率最大。风力机通过主轴将机械功率由升速齿轮箱传输到发电机。升速齿轮箱由1级行星齿轮和2级圆柱齿轮传动。从齿轮箱通过联轴节联结，将能量耦合到发电机。发电机是一台高效率的4极双馈式发电机,带有绕组转子和滑差线圈，采用绝缘轴承配置。双馈异步发电机，又称交流励磁发电机。其结构与绕线式异步电机类似，但转子上需要4个滑环。馈电方式则和双馈电机或异步电动机超同步串级调速系统相似，即定子绕组接电网，转子绕组接由变频器提供频率、相位、幅值都可调节的电源，实现恒频输出，还可以通过改变励磁电流的幅值和相位实现发电机有功、无功功率的独立调节。另外发电机运行时，既可超同步转速运行，也可亚同步转速运行，变速运行在11001810rmp之间，而定子输出电压和频率可以维持不变，既可调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。2.4 电控系统设计方案双馈型风电机组电控系统由多个部分组成，如图2.6所示。主要包括主控系统、变桨系统、变流系统和监控系统。具体控制容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控等，以实现风电机组控制要求。图2.6 电控系统组成风电机组电控系统各部分关系如图2.7所示。由各控制系统共同配合来完成风电机组对电控系统的各项性能要求。 图2.7 电控系统各部分关系图本章小结本章论述了双馈型风电机组电控系统的总体要求、结构与功能，并简要概述了电控系统的组成与各部分之间的关系，为后续深入研究和设计提出了目标，奠定了基础。第三章 风电机组电控系统的功能与设计3.1 主配电系统风电机组的主配电系统如图3.1所示，由电网通过变压器提供690V/50HZ三相交流电，给整个风电机组进行供电。对于双馈发电机与变频系统，由690V直接供电，其余用电设备则要通过690V/400V变压器后再进行供电。其中，每一路供电设备线路入口端都要加相应的保护装置（保险丝），这样可以保证在任一路出现故障时迅速切除，而不影响其他用电设备。图3.1主配电系统图3.2 中央监控系统由于风力发电机组单机容量的限制，一般的风力发电场需要占用较大场地，有的甚至绵延数公里，因而集中监控系统就变得尤为重要。3.2.1 中央监控系统功能通信管理：系统自动与事先设定的风电机组建立通信连接，并具有通信中断后的自动重连接功能；监视功能：实时监视可控风电机组的运行状态与运行数据；绘制曲线：绘制风速功率曲线、风速分布曲线、风速趋势曲线；远控功能：在中央控制室实现对风电机组的远程开机、停机、左/右偏航、复位等功能；数据管理：机组运行数据自动存储与维护，自动生成报表，支持数据查询，具有数据导出功能；修改参数：远程修改风电机组运行参数。故障报警与处理：风机故障报警（视觉报警和红色警示条报警）、故障数据保存、故障现场数据读取显示。3.2.2 中央监控的实现方式数据通讯接口：TCP/IP网络接口数据通讯方式：中央监控为主站，就地控制器为从站。主轮询方式读取数据方式 通讯介质：风机和风机之间，风机到中央监控之间均采用光纤介质3.2.3风力发电机监控网络图3.2风机监控网络风力发电机监控网络如图3.2所示，中央监控器一般由一台中央监控计算机、一台路由器和中心交换机和若干子网（单个风力发电机）组成。中央监控计算机负责通过以太网监控所有风机的状态与控制，并可以通过路由器连接到internet。中心交换机负责整个监控系统的数据交换和网络传输，其中包括中央监控计算机与各子网通讯，子网域子网之间通讯。所有网络之间均采用TCP/IP协议通讯，通过光纤实现网络连接。每个风力发电机都有一个现场监控系统，可以设定相应的权限，可以对本机组和其他机组进行设置和控制4。3.3 塔底主控系统3.3.1 主控系统功能塔底主控制系统是机组可靠运行的核心，主要完成数据采集与输入、输出信号处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱柜通讯，接收机舱信号，并根据实时情况进行判断发出偏航或液压站的工作信号；与三个独立的变桨柜通信，接收三个变桨柜的信号，并对变桨系统发送实时控制信号控制变桨动作；对变流系统进行实时的检测，根据不同的风况对变流系统输出扭矩要求，使风机的发电功率保持最佳；与中央监控系统通讯、传递信息。控制包括机组自动启动，变流器并网，主要零部件除湿加热，机舱自动跟踪风向，液压系统开停，散热器开停，机舱扭缆和自动解缆，功率因数调整，电容滤波投切以与低于切入风速时自动停机。风电机组各控制系统之间通信一般采用标准的现场总线通信协议，一般采用RS485、Profibus-DP或CAN总线通信，本系统根据需要可以上述采取多种通信协议进行通信，以下系统部之间均采用Profibus-DP通信协议，如图3.3所示。图3.3 Profibus-DP通信3.3.2 主控系统流程主控系统控制流程如图3.4所示。首先系统要进行初始化，先给整个系统上电，对相关信号量、执行机构和保护系统进行复位，然后对这些状态进行检测判断，如果一切正常，则完成初始化阶段工作，进入准备（standstill）状态。在准备状态，需要检测启动、停机信号是否正常，风电机组故障情况和风机启动是否准备好。检测扭缆情况，有扭缆则进行解缆控制。检测变桨距系统状态，若有故障则需要停机。上述情况一切正常后进入待机状态，此时风轮刹车释放，发电机随风轮转动，偏航系统开始对风。检测风速是否在规定的围，若低于此围，则继续停留在待机状态；超出此围，则进入停机状态。同时，在待机状态还要检测其他信号是否正常，若有故障随时进入停机状态。等一切条件符合时，通过变流器给发电机转子励磁，检测定子输出三相电压的幅值和相位，当符合并网条件时，进行并网发电。在并网发电过程中，控制系统需要实时监控各信号量和执行机构状态，一旦有故障和异常发生，立即根据故障情况进入相应的停机状态。图3.4 主控制系统流程3.4 变流控制系统异步型风力发电机组变流控制系统主要是对双馈电机转子励磁的控制。下面先介绍双馈电机的工作原理，然后对变流系统进行研究和设计。3.4.1 双馈电机工作原理双馈型风力发电机采用异步双馈电机，如图3.5所示。双馈电机由于转子方采用交流电压励磁，使其具有灵活的运行方式，在解决电站持续工频过电压、变速恒频发电等问题方面有着传统同步发电机无法比拟的优越性。双馈发电机的定子绕组接工频电网，转子绕组由具有可调节频率、相位、幅值和相序的三相电源激励，一般采用交直交变流器。双馈发电机可以在不同的风速状态下运行，其转速可以随风速的变化相应调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，提高了风能的利用率。同时通过控制馈入转子绕组的电流参数，不仅可以保持定子输出的电压和频率不变，还可以调节电网的功率因数，提高系统的稳定性图3.5 异步双馈电机原理图根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可以得出VSCF（Variable Speed Constant Frequency，变速恒频）风力发电机运行时电机转速与定、转子绕组电流频率关系的数学表达式：公式(3-1)式中：定子电流频率，由于定子与电网相连，所以与电网频率一样；转子机械频率，决定于发电机转子的转速，即= n / 60；n风力发电机转速；电机的极对数；转子电流频率。由上式可知，当发电机的转速n 变化时，若控制相应变化，可使保持恒定不变，即与电网频率保持一致，实现风力发电机的变速恒频的控制。同时，为发电机能够正常并网运行，还应控制发电机的电压与相位与电网的一致。因此变速双馈发电机的控制主要由三部分组成，即电压调节单元、相位调节单元和频率控制单元。双馈发电机由风力机拖动其旋转发电。其三相定子绕组与电网相连；转子绕组为正交的两相绕组，并经由IGBT 组成的交直交双向全控型变频器与电网相连，如图3.6所示。图3.6 能量流动示意图当发电机的转速n小于定子旋转磁场的转速n1时，风力发电机处于亚同步速运行，即nn1时，处于超同步速运行，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能量流向逆向；当n=n1时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行，变频器向转子提供直流励磁。3.4.2 变流系统组成与功能部件双馈型风电机组变流系统包括双馈电机、传感器（电流、电压传感器和温度、湿度传感器）、du/dt滤波器、过压检测和泄放单元、预充电回路、LCL滤波器、隔离变压器等功能部件组成，其结构图如图3.7所示4。图3.7 变流系统结构图电网电压通过变压器和LCL滤波器接至网侧变流器，再 通过机侧变流器至双馈电机转子，控制双馈电子转子励磁，就可以调整电机定子侧电压幅值和相位。3.4.2.1 变流系统原理图3.8 变流器原理图变流器原理如图3.8所示。变频器功率主回路由两个逆变器背靠背，由DC中间回路的滤波电容，直流熔断器相连而成。逆变器由半导体功率模块和缓冲吸收电路组成，输入输出端有LCL滤波器和du/dt滤波器，过电压释放回路，EMC电路等组成。变频器功率主回路负责按主控回路的指令，将电流进行双向转换和滤波，输出一定频率，幅值，相序的三相电流，满足励磁输出和逆变输出的需要6。电压型变频器的中间直流回路上有滤波电容，为适应高耐压，须用多个耐压为DC400V的电容串联而成，为增大容量还需要进行并联，其上的电阻既起均压又是关机时电容的泄放电路。预充电电路也连接在DC电路上，在系统冷启动时进行预充电，在控制电路对系统自检通过后才开通功率主回路，进入正常工作。确保系统安全。逆变器的半导体模块由6个单元组成，每个集射级上有du/dt吸收模块，避免集射级在通断状态转换中受到du/dt的损害。转子侧和网侧两个变流器分别由两个DSP控制单元控制，其中转子侧的主控制单元，网侧的为辅控单元。其系统控制由转子侧控制单元发出。转子侧还连有过电压控制和泄放单元，在转子工作异常而发出过电压时进行控制。在网侧接了LCL（正弦波）滤波器，以减小逆变器输出的谐波。在转子侧接了du/dt滤波器保护转子绕组的绝缘免受变流器du/dt的损害。3.4.2.2 电信号检测在变流系统中，网侧和机侧电压、电流、相位等电信号的检测十分重要，直接关系到变流器的控制策略和控制参数的设置。(1)电压检测：电压检测主要包括发电机定子侧、转子侧和网侧（690V）交流电压与器直流母线电压(1000V)。其中对于交流电压检测采用电压互感器，然后经整流滤波和A/D转换送至电压采集模块。而对于直流母线电压一般采用电阻分压，然后用线性光藕隔离，再经A/D转换送至电压采集模块。图3.9 电压检测（2）电流检测：电流检测主要包括发电机定子侧、转子侧和网侧，可以采用电流互感器进行测量，然后经整流滤波和A/D转换送至电流采集模块，如图3.10所示。图3.10 电流检测由于变频器电流一般为脉动的，对其电流的检测一般用灵敏度高，抗干扰性强的霍尔电流传感器。霍尔电流传感器是应用半导体霍尔器件来检测电流，响应快。通过平衡式电路，达到很高的测量精度和稳定度。霍尔电流传感器体积小，隔离好。检测频率宽，能检测0-100kHz围的电流，即直流，脉冲，交流电流都能测。3.4.3 变流系统并网控制过程图3.11 变流系统并网控制过程变流系统从启动到并网的控制过程如图3.11所示。由主机通过通信接口发布控制命令，变频器开始启动并初始化。检测一切信号正常后，主机发出启动控制命令，预充电接触器吸合，先对电容进行充电控制，防止电容在启动瞬间电流过大。然后闭合机侧断路器，准备对电机转子侧进行励磁控制。此时检测变频器预充电是否正常，风速是否高于启动风速，若条件符合，则启动变桨系统，调节风轮桨矩角和发电机转速在合适的水平，控制转子励磁电流，定子上会产生可控的三相感应电压。通过变频器控制算法，调整励磁电流使定子侧感应电压相位和幅值与电网电压一致，当所有参数一致时，符合并网条件，即可闭合网侧断路器，控制并网发电。发电机并网发电后，要根据不同的风速和扭矩，控制发电机运行在不同的模式。低于额定风速时进行最大风能捕获，高于额定风速时进行恒功率控制。对于兆瓦级风电机组，由于容量较大，在并网瞬间会对电网造成很大的冲击，产生较大的并网电流，因此在并网一般采用软并网的控制方式。软并网的工作原理是在发电机主回路中并联晶闸管装置，控制器在规定的并网时间，向晶闸管发出触发脉冲，控制晶闸管的导通角不断增加，即控制电机的定子电压逐步提高以达到电机软并网的目的。电压随时间的增长变化和晶闸管连接方式如图3.12所示。图3.12 电压变化与晶闸管连接方式3.5 机舱控制系统3.5.1 机舱控制系统组成机舱控制系统主要功能包括采集机舱的各个传感器、限位开关的信号；采集并处理叶轮转速、发电机转速、风速、温度、振动等信号，控制对风偏航和液压站的工作。机舱控制系统接线图如图3.13所示：图3.13 机舱控制系统接线图3.5.2 机舱信号量检测与变送单元机舱作为风电机组的主体结构，负责机组大部分信号量的检测与控制，其检测信号包括：环境温度（模拟量信号）、机舱温度（模拟量信号）、发电机温度（模拟量信号）、发电机转速（数字量和模拟量信号）、风向和风速（模拟量信号）、机舱位置（模拟量信号）、机舱振动（模拟量信号）、叶轮锁定信号（数字量信号）、发电机断路器的反馈信号（数字量信号）、纽缆信号（数字量信号）、振动开关信号（数字量信号）等3.5.2.1 转速信号检测主要包括风轮转速和发电机转速的测量。在风力发电机组的控制系统中，由于风轮和发电机的转速直接影响到机组的运行和并网，因此对转速测量的准确度和精度都有较高的的要求。风力发电机转速测量一般有以下2种方法：（1）霍尔传感器测量转速原理：在磁场作用下，通有电流的金属片上产生一横向电位差，这个电压和磁场与控制电流成正比： 公式（3-2）式中VH为霍尔电压，H为磁场，I为控制电流，K为霍尔系数。 在半导体中霍尔效应比金属中显著，故一般霍尔器件是采用半导体材料制作的。 用霍尔器件，可以进行非接触式电流测量。当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应出电流的大小。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。在测速系统中，待测电机或风轮的转轴上要增设一专用的测速齿轮，把霍尔元件探头安装在距齿轮310mm的位置，当转轴转动时，即可产生随齿轮变化的正弦波，通过信号调理电路（如图3.15）传送至处理器进行计数运算。图3.15 霍尔传感器信号调理电路此中方法测量精度较高，实时性较好，但由于在测量中需要外加磁场，因此在风力发电系统恶劣的环境中易受外界电磁干扰。（2）增量式光电编码器测量转速原理：光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，如图3.16所示。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。图3.16 光电编码器输出波形光电编码器具备良好的使用性能，在角度测量、位移测量时抗干扰能力很强，并具有稳定可靠的输出脉冲信号，且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。增量编码器是以脉冲形式输出的传感器，其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更高。一般只需要三条码道，这里的码道实际上已不具有绝对编码器码道的意义，而是产生计数脉冲。它的码盘的外道和中间道有数目一样均匀分布的透光和不透光的扇形区（光栅），但是两道扇区相互错开半个区。当码盘转动时，它的输出信号是相位差为90的A相和B相脉冲信号以与只有一条透光狭缝的第三码道Z相所产生的脉冲信号（它作为码盘的基准位置，给计数系统提供一个初始的零位信号）。从A，B两个输出信号的相位关系（超前或滞后）可判断旋转的方向。由图可见，当码盘正转时，A道脉冲波形比B道超前/2，而反转时，A道脉冲比B道滞后/2。用A道整形波的下沿触发单稳态产生的正脉冲与B道整形波相与，当码盘正转时只有正向口脉冲输出，反之，只有逆向口脉冲输出。因此，增量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转动方向和相对角位移量。通过光电编码器，即可以测量出发电机和风轮的转速，又可以测量出转动的方向。转速信号经过分频之后，可以达到很高的精度。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。这里介绍一款典型的由德国HUBENER-BERLIN公司生产的HOG 9增量型光电编码器，其电源电压为9-30V，每圈可以输出2048个HTL电平的脉冲，输出驱动能力可达300mA经过简单的调理电路就可以方便的实现与微处理器的连接，并且具有很高的精度和抗干扰能力。其信号调理电路接线图如图3.17所示，A、B两相信号通过光耦实现隔离，然后两路脉冲信号接至一边沿触发D触发器，其中，一路接至D输入，另一路作为时钟信号，若A相超前于B相，则D触发器的输出端为低电平，反之为高电平，这样把输出接至控制器，即可根据电平高低来判断是正转还是反转。图3.17 光电编码器信号调理电路3.5.2.2 温度信号测量与变送对于风力发电机组来说，因为室外的环境非常恶劣，而对环境温度和机组功能部件的温度检测尤为重要。温度检测部件主要包括：齿轮箱油温；高速轴承温度；大发电机温度；小发电机温度；前主轴承温度；后主轴承温度；控制盘温度(主要是晶闸管的温度)；控制器环境温度。由于温度过高引起风力发电机组退出运行，在温度降至允许值时，仍可自动起动风力发电机组运行。温度传感器采用最多的是铂电阻温度传感器Pt100，电阻温度系数为3.9103，0时电阻值为100，电阻变化率为0.3851/。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度围广，是中低温区（-200650）最常用的一种温度检测器，广泛应用于工业测温。对于电阻式温度传感器，传感元件的引出线有以下几种方式：二线制、三线制和四线制。采用二线制接法，导线电阻会给测量带来影响，一般应用在测量精度要求不高、测量仪器与被测传感元件距离较近的场合。但如果金属电阻本身的阻值很小，那末引线的电阻与其变化也就不能忽视，例如对于Pt100铂电阻，若导线电阻为1 ，将会产生2.5 的测量误差。为了消除或减少引线电阻的影响，通常的办法是采用三线联接法加以处理，如图3.18所示。在三线制接线电路中，传感元件的一端与一根导线相接，另一端同时接两根导线。传感元件在与电桥配合时，与传感元件相接的三根导线粗细要一样，长度要相等，阻值要一致（图中r1，r2，r3即为引线电阻）其中一根引线与测量仪表连接，由于测量仪表的阻很大，可认为流过r2的电流接近于零。另两根引线分别与电桥的两个相邻臂相连，这样引线电阻对测量就不会造成影响。图3.18 电阻传感器三线制接法为了高精度的测量，可将电阻测量仪设计成图3.19所示的四线制测量电路。图中左侧为由运放构成恒流源电路，其中TL431为2.5V基准源，根据运放虚短的概念，运放反相端为12-2.5V，Is=2.5V/Rs，即输出电流为恒流源。图3.19 四线制接法右侧电路是热电阻测温的四线制接线方式。r1、r2、r3、r4是引线电阻，PT100为电阻型传感器，给热电阻施加激励电流Is，测得电势V3、V4。由于测量导线接入高输入阻抗电路图中（高性能运放AD620），则有IL3=0，IL4=0，因此V4-V3等于热电阻两端电压。热电阻的电阻值公式（3-3）由此可得，四线制测量方式不受连接导线的电阻的影响。3.5.2.3 风速和风向测量在风力发电机系统中，风速是一个比较重要的参数依据，因而对风速测量的准确度变得尤为重要。根据IEA（1982）的标准，风力计的误差要低于有5；而对于IEA（1990）所修订推荐的标准，在425米/秒的风速下，其测量精确度要达到0.5m/s以上（handbook.p193）。风向标和风速计如图所示4。图3.20 风向标和风速计风速计的原理如图3.21所示。旋转一四极磁铁，在一低阻抗线圈中产生一与风速成比例的交流正弦输出。图3.21 风速计原理图风机对风的测量主要是由风向标来完成。风向标必须放置在与风力计同样的高度（允许10的高度差距），要尽可能的靠近风力计，但又要保证不要对风力计测量风速造成影响，IEC的标准是风向的测量误差不要大于5度。风向标和风速仪安装在风力发电机组的玻璃钢机舱罩上的固定支架上，可随风力发电机同步旋转。风向标一般有两种方式。一种风向标是在一半圆形筒罩布置两个成90的光电管,风向标转动将同时带动两个光电传感器一起转动,风向标正向是一号传感器,为0轴,二号传感器同一号传感器成90夹角,为90轴,根据这两个光电管通断的不同百分比，可以判断机舱与实际风向的偏差。实际给出的时偏差值而不是风的方向，同时由于风的不稳定性，有一较长的延时。一个半圆形筒罩由风向标驱动，当传感器没有被半圆形筒罩挡住时，传感器输出信号是高电位，反之，传感器输出信号为低电位，如图3.22所示3。图3.22 风向标原理图当传感器挡住百分比为0时，风力发电机组将沿逆时针调向至风力发电机组处于上风向；当传感器遮挡百分比为100时，风力发电机组将沿顺时针调向至风力发电机组处于上风向。风向标在空中自由摆动，当风力发电机组处于上风向时，0度传感器处于高电位与低电位的时间比例各位50，结果是传感器遮挡部分百分比为50，此时90度角传感器始终处于高电位状态，遮挡百分比为0。来自0度角传感器的信号通过一个时间常数为100S的低通滤波器滤波，如果经过滤波后的遮挡百分比50V0或50V0，那么风力发电机组就开始根据遮挡百分比情况按顺时针或逆时针方向调向5S。当风力机开始调向后，计算机中的遮挡百分比开始重新计算并设定新的百分比值。其中，V0是一个设定的限定值，用来限制调向次数，以免在遮挡百分比50附近频繁调向。调向时，如果遮挡百分比50V0,风力发电机组将继续调向，如果遮挡百分比50V0，那么风力发电机组顺时针调向。这种风向标设计简单，成本较低，但在实际应用中需要相应的控制算法配合，增加了软件开销和成本。另一种是光电感应传感器，即绝对型光电编码器，其部带有一个n位的格雷码盘，当风向标随风转动时，同时也带动格雷码盘转动，由此得到不同的格雷码盘，通过光电感应元件，变成一组n位数字信号传入控制器。格雷码盘将360分成个区，每个区为,固其测量精度为。这种检测方式可以快速准确的得到偏航位置信息，不需要相应的控制算法即可实现绝对位置的测量，增加了系统的可靠性和稳定性。3.5.2.4 电缆扭转电缆扭转是由于发电机电缆与所有电气、通信电缆均从机舱直接引入塔筒，直到地面控制柜，如果机舱经常向一个方向偏航，会引起电缆严重扭转。因此偏航系统还应具备扭缆保护的功能。偏航齿轮上安有一个独立的记数传感器，以记录相对初始方位所转过的齿数。当风力机向一个方向持续偏航达到设定值时，表示电缆已被扭转到危险的程度，控制器将发出停机指令并显示故障。风力发电机组停机并执行顺或逆时针解缆操作。为了提高可靠性，在电缆引入塔筒处(即塔筒顶部)，还安装了行程开关，行程开关触点与电缆相连，当电缆扭转到一定程度时可直接拉动行程开关，引起安全停机。为了便于了解偏航系统的当前状态，控制器可根据偏航记数传感器的报告，以记录相对初始方位所转过的齿数，显示机舱当前方位与初始方位的偏转角度与正在偏航的方向扭缆装置一般由凸轮控制器（或偏航位置传感器）和扭缆开关组成。凸轮控制器由小齿轮与偏航盘相啮合，在偏航动作的同时也会带动凸轮控制器部的齿轮转动，当转动一定圈后会触动机械开关动作。计算机接收到后就进行判断，是否需要解缆。一般凸轮控制器有三个开关顺偏位置开关、中间位置开关、逆偏位置开关。风力发电机较多采用的是靠偏航位置传感器来进行电缆扭转测量。这个计数传感器可以采用霍尔传感器、涡流传感器或光电传感器，当偏航动作后，由记数传感器记录偏航齿圈上的齿数，由计算机进行数据运算来识别偏航的圈数，转过3圈后，进行无条件解缆。扭缆开关是在电缆转动时将金属线缠绕在电缆上，当金属线都绕在电缆上后会拉动此开关，使风机立即停止偏航，这作为最后一道保护，只有在计算机控制失放后动作。其绕在电缆上的金属线的长度一般设为4倍的电缆线周长。3.6 变桨控制系统变桨控制系统是双馈型风电机组的主要控制部分之一，变桨距技术的算法和实现是整个控制系统的关键。随着机组容量的增加，独立变桨系统可以有效地控制每个桨叶的节距角以获得更好的功率曲线，消除了统一桨叶控制不可避免的桨叶拍打震动的缺点，具有较好的控制性能和较强的适应性，因此在MW级大功率风力发电机组中被广泛采用。在独立变桨控制中，又有两种选择：独立液压变桨和独立电变桨。液压变桨具有较好的安全性能，但由于控制复杂，机械部件成本高且容易损坏，因此越来越多的采用具有良好的可控性和动态响应的电变桨系统9。3.6.1 变桨控制系统原理变桨控制系统原理如图3.23所示，控制器根据当前风速大小，通过相应的控制算法给定当前叶片节距角为，通过节距角控制器把角度信号转变为相应的控制信号，通过伺服控制系统驱动变浆距机构进行节距角调整。同时，节距角的变化通过角位移传感器反馈至给定值进行比较控制，构成一闭环控制系统。图3.23 变桨控制系统原理3.6.2 变浆距控制过程每个桨叶分别采用一个带位移反馈的伺服电机进行单独调节，位移传感器采用光电编码器，安装在电动机输出轴上，采集电机转动角度。伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毅齿圈相连，带动桨叶进行转动，实现对桨叶的节距角的直接控制。在轮毅齿圈的边上又安了一个电涡流传感器，直接检测齿圈转动的角度，即桨叶节距角变化，当齿圈转过一个齿，电涡流传感器输出一脉冲信号。变桨距控制是依据光电编码器的所测的位移值进行控制，电涡流传感器作为冗余控制的参考值，它直接反映的是桨叶节距角的变化，当发电机输出轴、联轴器或光电编码器出现故障时，即光电编码器与涡流传感器所测数字不一致时，则控制器便可知道系统出现故障。变距风轮的叶片在静止时，节距角为90。气流对桨叶不产生转矩，整个桨叶实际是一块阻尼板。当测量风速在10分钟平均达到起动风速时，桨叶向0方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角（57左右），风轮开始起动。并网前变桨距系统的节距给定值由发电机转速信号控制，转速控制器按一定的速度上升斜率给定速度值，调整节距角。调整风力发电机转速在同步转速附近，寻找最佳时机并网。如果风速低于额定风速，系统选择最佳的叶尖速比（Cp值）。这样，风机保持在最佳的功率曲线运行，实现最大风能捕获；当风速超过额定风速时，系统调节叶片的受风角度，使风机产生额定的发电功率。风机的旋转速度和叶片角度随时根据风速的变化调整。控制系统选择这些变量的最合适的操作参数12。根据风速的不同，可以将控制分为4个阶段和两种控制方式，即并网前的速度控制和并网后的功率控制。1）低风速（低于风机切入风速），控制系统将发电机与电网断