陈坤
【摘 要】在对风力发电机组的结构及控制与安全系统简单介绍的基础上,以W2000海上风力发电机组为对象,对其电控系统结构、特点及各项主要功能进行了介绍. 【期刊名称】《风机技术》
【年(卷),期】2011(000)004
【总页数】4页(P48-51)
【关键词】海上风力发电机组;电控系统;控制;安全保护
【作 者】陈坤
【作者单位】中交三航兴安基建筑工程有限公司
【正文语种】中 文
【中图分类】TM614
0 引言
风力发电技术的不断发展和成熟，使海上风能资源的开发具有更好的条件。我国有很长的海岸线，具有十分丰富的海上风能资源，开发适合我国海域特性的风电机组具有极其重要的意义。W2000（海上）风力发电机组可以很好地适应我国海上风电发展的需要，为我国海上风能资源的开发利用提供了条件。
风力发电机组控制系统的安全可靠性，不仅关系到风力发电机组能否正常发挥作用，甚至影响到风电场长期安全可靠运行。 1 风力发电机组的结构
风力发电机组是实现由风能到机械能、机械能到电能两个能量转换过程的装置，它由风轮系统、传动系统、偏航系统、液压系统、制动机构、发电机、控制与安全系统、塔架和基础等组成。风轮在气流作用下转动，并通过轮毂将扭矩输入到传动系统，经传动系统转化为机械能，由发电机转化为电能[1]。
整个风力发电机组大致可分为以下几个部分：风轮系统、传动系统、偏航系统、液压系统与制动机构发电机。
各个部分分述如下：
①风轮系统，其主要作用是采集风能。
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②传动系统，其主要作用是将风能转换成机械能。
③偏航系统，其主要作用是使风轮扫掠面始终和风向保持垂直。
④液压系统与制动机构，其主要作用是提供驱动动力；制动系统可以使风轮减速或停转。
⑤发电机，其主要作用是将风轮的机械能转换成为电能。
⑥控制与安全系统，是风力发电机组的核心。
⑦塔架与基础。
2 风力发电机组控制与安全系统
大型风力发电机组通过控制系统的安全设计，采取必要的手段，使系统在规定的时间内不出故障或少出故障，并在故障出现后以最快的速度修复系统，使之恢复正常工作[2]。
控制功能主要包括功率极限、风轮限速、电气负载的连接、启动机停机过程、电网或负载丢失时的停机、纽缆限制、机舱对风、运行时电量及温度参数限制等[3]。控制环节以主动或被动的方式控制机组的运行，使系统在规定范围内运行，且各项参数均保持在正常工作范围内。
保护环节以“失效-保护”原则进行设计，即当控制失败、内部或外部故障导致机组不能正常运行时，系统安全保护装置动作，保护风力发电机组处于安全状态。当出现超速、发电机过载故障、过振动、电网或负载丢失以及脱网时的停机失败等现象时，系统自动执行保护功能。保护环节为多级安全链互锁，在控制过程中具有逻辑“与”的功能，而在达到控制目标方面可实现逻辑“或”的结果。此外，系统还设有防雷装置，对主电路和控制电路分别进行防雷保护[4]。
风力发电机组工作状态可划分4种：运行、暂停、停机和紧急停机。每种工作状态是一个活动层次，运行状态层级最高，急停状态层次最低。见图1，提高工作状态层次只能一层一层
地上升，而要降低工作状态层次可以是一层或多层。这种工作状态之间转变方法是风力发电机组的基本控制策略，它主要的出发点是确保机组的安全运行。如果风力发电机组的工作状态要往更高层次转化，必须一层一层往上升，过程中可确定系统的每个故障是否被检测。检测到故障后，系统可以立即进入停机或急停状态。
图1 工作状态转换图
发电控制分为风速在额定风速以下或以上两种情况。当风速在额定风速以下时，机组跟踪最大功率，避免变距频繁动作，通过转矩进行最佳叶尖速比控制，达到最大功率输出；当在额定风速以上时，机组控制维持恒功率，并通过变距控制转速，以保证机组的稳定运行[6-7]。
3 W2000风力发电机电控系统的结构
W2000风力发电机电控系统由低压电气柜、塔底控制柜、交流柜、机舱控制柜、变桨控制柜、电气滑环、传感器和连接电缆等组成，按系统可以分为主控系统、变流系统、变桨系统和电网级控制系统四大部分，实现正常运行控制、阵风控制、最佳运行控制（最佳叶尖速比控制）、功率控制、安全保护控制及变桨距控制等功能。电控系统结构图见图2。
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图2 电控系统结构图
W2000风力发电机组的电控系统硬件上包含塔底中心控制系统、机舱控制系统以及变桨控制系统三部分。各个控制装置安装在相应的控制柜内，整体系统结构见图3。
图3 W2000（海上）电控系统的硬件结构
3.1 交流柜
由于发电机发出的交流电的频率与电网不同，不能直接并入电网，需要通过变流系统使之符合并网条件。交流柜中的变流系统，采用AC-DC-AC方式，将发电机发出的低频交流电经整流变为脉动直流电（AC/DC），经斩波升压输出为稳定的直流电压，再经过DC/AC逆变器变为与电网同频同相的交流电。
变流系统的主要部件是变频器、PLC控制模块及光纤通讯模块。变频器是变速恒频风电机组电控系统的核心部件，其容量一般为发电机额定容量的30%左右。机组的变频器在性能上满足以下几点要求：满足双馈电机转子的最大励磁容量与功率要求；保证能量能够进行双向流动；输出电流的幅值和频率与相位连续可调；输出频率范围满足双馈电机的调速范
刻字笔围要求。
W2000海上风电机组中变频器的工作原理是：变频器向双馈电机转子绕组提供三相低频电流，在发电机转子回路中会形成一个低速旋转磁场，磁场的旋转速度与转子的机械转速相叠加，使其等于定子的同步转速，从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。可实现如下功能：当风速变化时，变频器提供的励磁电流大小随之变化，使发电机转速在同步转速的30%范围内可调，以获得最佳运行效率；在转速变化的同时，相应改变励磁电流的频率和旋转磁场的速度，以补偿电机转速的变化，保持定子输出电压频率恒定不变[5]。
W2000海上风电机组中的变频器安装于塔筒基部，为AC-DC-AC型变频器。该变频器在四象限内运行，属于基于矢量控制的脉冲宽度调制。
3.2 塔底控制柜
塔底控制柜的主要功能包含电源分配、电网参数测量、风电机主控制、风场通讯和塔底数据采集等。来自箱变的690V主电源经辅助变压器降压为400V接入塔底控制柜，并在其内
进行电源分配，为风电机组各部分供电。塔底控制柜内设有UPS电源和一组蓄电池（24VDC/12AH），为PLC模块、PLC总线、人机界面和SCADA等供电，以达到电网失电保护的目的。
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塔底PLC控制主站是风机运行控制的大脑，其内置的程序决定了控制系统的响应。控制主站由电源模块、CPU模块、数字量输入输出模块、光纤通讯模块及RS485串口通讯模块等组成。各功能模块通过PLC安装导轨上的数据总线连接并实现相互间通讯。
CPU模块由两个带输入输出口（I/O）的微处理器单元构成，单元间依靠以太网接口通讯。控制主站通过采用RS485传输技术的PROFIBUS总线控制发电机的变频器；通过通讯光纤与机舱控制从站相连；通过通讯光纤与中央监控系统通讯。
SCADA（远程监视控制系统）用于风机的运行、维护与就地启停控制，而且可以在该系统中修改风机的运行参数。SCADA装在监视PC中，该PC可以通过调制解调器及电话线远程登陆到控制系统。由于风机的控制程序仅由塔底主控制器执行，所以当现场PC发生故障时，不影响风机的正常运行。
对苯乙烯磺酸钠3.3 机舱控制柜
机舱由底盘、机舱罩、传感器、发电机和机舱控制柜组成。机舱罩后部的上方装有风速及风向传感器，舱壁上有隔音和通风等装置，机舱内还设有振动传感器和结冰传感器，底部与塔底相连。
机舱控制柜的主要功能包含偏航控制、偏航系统限位控制、电能计算、控制柜内各机构控制、风速风向信号的检测和液压刹车控制等。400V电力电缆由塔底引出，为偏航软启动器、偏航电机、冷却泵及变桨系统等供电。机舱控制柜内也设有UPS电源和一组蓄电池（24VDC/12AH），用其为PLC模块、总线耦合器、各传感器、过速模块和人机界面等供电，以达到电网失电保护的目的。
机舱控制柜内的PLC控制从站通过以太网接口RJ45与塔底PLC控制主站相连，并将控制主站的指令通过滑环传送到轮毂内的变桨控制器。该控制从站用于处理机舱内的各种传感器信号及接受各种执行机构的反馈信号，并控制执行机构动作，如液压马达、机舱内的加热、冷却系统及偏航马达等。PLC控制从站包括：从通讯模块、RS485串行通讯模块、计数模块、数字量输入输出模块及模拟量输入模块。
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