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风力发电机组控制系统

风力发电机组控制系统功能研究

风力发电机组控制系统简介

风力发电机组由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，其相当于风
电系统的神经。因此控制系统的质量直接关系到风力发电机组的工作状态、发
电量的多少以及设备的安全性。
自热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、风轮的主动对封以及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控制，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。与一般的工业控制过程
不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。他不仅要监视电网、风况
和机组运行参，对机组进行控制。而且还要根据风速和风向的变化，对机组进
行优化控制，以提高机组的运行效率。

控制系统的组成

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。
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图2-1所示：

用户
界面

软切主控无功补
入控制制器偿控制
启动与切控制投切

变液制动调向
距系统压系统系统系统

图2-1控制系统结构示意图

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案。

双馈发电机

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。

图2-2双馈风力发电机组结构示意图

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。
双馈电机控制系统通过变频器控制器对逆变电路小功率器件的控制，可以
改变双馈发电机转子励磁电流的幅值。频率及相位角，达到调节其转速、有功
功率和无功功率的目的。既提高了机组的效率，又对电网起到稳频、稳压的作
用。下图是双馈电机控制简要框图。

图2-3双馈风力发电机组控制系统示意
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。
双馈电机应用于风力发电中，可以解决风力机转速不可调。机组效率低等
问题。同时，由于双馈电机对无功功率。有功功率均可调，对电网可起到稳压。
稳频的作用，提高了发电质量。与同步机交一直一交系统相比，它还具有变频
装置容量小（一般为发电机额定容量的10％～20％左右）、重量轻的优点。但这
种结构也还存在一些问题，如控制电路复杂一些，不同的控制方法效果有一定
差异。另外该结构比其他结构更容易受到电网故障的影响。
目前国内有多家开发成功双馈电机控制系统，如兰州电机有限责任公司与
清华大学、沈阳工业大学合作研制的兆瓦级变速恒频双馈异步风力发电系统控
制设备，采用全数字化矢量控制方法。中科院电工研究所研制的兆瓦级变速恒

频风电机组电控系统，该系统采用IGBT技术、双PWM双向可逆变流控制。

永磁直驱同步发电机

永磁直驱同步发电机系统结构图如图2-4所示。

图2-4永磁直驱风力发电机组结构图

由变浆距风轮