风力发电机控制系统

风力发电机控制系统
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。
控制系统的组成
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。
当然对于不同类型的风力发电机控制单元会不相同。控制系统结构示
意图如下：针对上述结构，目前绝大多数风力发电机组的控制系统都采用集
散型或称分布式控制系统（DCS）工业控制计算机。采用分布式控制
最大优点是许多控制功能模块可以直接布置在控制对象的位置。就地
进行采集、控制、处理。避免了各类传感器、信号线与主控制器之间
的连接。同时 DCS 现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运
行时可随时修改控制参数。并与其他功能模块保持通信，发出各种控
制指令。目前计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了 DCS 之
中。PLC 是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，目前功能上
有较大提高。很多厂家也开始采用 PLC 构成控制系统。现场总线技术
(FCS)在进入九十年代中期以后发展也十分迅猛，以至于有些人已做
出预测：基于现场总线的 FCS 将取代 DCS 成为控制系统的主角。
风力发电机控制系统（二）
控制系统技术
风力发电系统中的控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术，这是因为自然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、风轮的主动对风以及对运行过程中故
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
值班运行和远程监控，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。它不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组运行进行
控制。而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提
高机组的运行效率和发电量。
20 世纪 80 年代中期开始进入风力发电市场的定桨距风力发电机
组，主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问
题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，
这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本的问题。由于功
率输出是由桨叶自身的性能来限制的，桨叶的节距角在安装时已经固
定；而发电机转速由电网频率限制。因此，只要在允许的风速范围内，
定桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对由于风速变化引起
输出能量的变化是不作任何控制的。这就大大简化了控制技术和相应
的伺服传动技术，使得定桨距风力发电机组能够在较短时间内实现商
业化运行。
20 世纪 90 年代开始，风力发电机组的可靠性已经大大提高，变
桨距风力发电机组开始进入风力发电市场。采用全变桨距的风力发电机组，起动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力
机的起动性能和功率输出特性都有显著和改善。由风力发电机组的变
桨距系统组成的闭环控制系统，使控制系统的水平提高到一个新的阶
段。
由于变距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想，
到了 20 世纪 90 年代中期，基于变距技术的各种变速风力发电机组开
始进入风电场。变速风力发电机组的控制系统与定速风力发电机组的
控制系统的根本区别在于，变速风力发电机组是把风速信号作为控制
系统的输入变量来进行转速和功率控制的。变速风力发电机组的主要
特点是：低于额定风速时，它能跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组
具有最高的风能转换效率；高于额定风速时，它增加了传动系统的柔
性，使功率输出更加稳定。特别是解决了高次谐波与功率因数等问题
后，使供电效率、质量有所提高。
随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，控制方式从
基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展。
目前的控制方法是：当风速变化时通过调节发电机电磁力矩或风
力机浆距角使叶尖速比保持最佳值，实现风能的最大捕获。控制方法
基于线性化模型实现最佳叶尖速比的跟踪，利用风速测量值进行反馈
控制，或电功率反馈控制。但在随机扰动大、不确定因素多、非线性
严重的风电系统，传统的控制方法会产生较大误差。因此近些年国内
外都开展了这方面的研究。一些新的控制理论开始应用于风电机组控
制系统。如采用模糊逻辑控制、神经网络智能控制、鲁棒控制等。使风机控制向更加智能方向发展。
风力发电机控制系统（三）
控制系统的类型
对于不同类型的风力发电机，控制单元会有所不同，但主要是因
为发电机的结构或类型不同而使得控制方法不同，加上定桨距和变桨
距，形成多种结构和控制方案。
根据浆叶的不同，分为以下三种：
l 定桨距失速调节型风力发电机组
定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶
的迎风角度不能随之变化。失速是指桨叶本身所具有的失速特性，当
风速高于额定风速时，气流将在桨叶的表面产生涡流，使效率降低，
产生失速，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时
的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行的，
采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高一些发电机的运行效
率。
定桨失速调节型的优点是失速调节由指桨叶本身完成，简单可
靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而
控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。但是在输入变化的情
况下，风力发电机组只有很小的机会能运行在最佳状态下，因此机组
的整体效率较低。通常很少应用在兆瓦级以上的大型风力机上。
2 变桨距调节型风力发电机组
变奖距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小。在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在 0°
位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调
节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率
保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。
3 主动失速调节型风力发电机组
将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，
充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系