4變速恒頻發電機組的控制
4.1同步發電機交一直一交系統的控制
這種類型的風電機組采用同步發電機，發電機發出的電能的頻率、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交一直一交系統完成。
（1） 風輪機的控制
風輪機的起動、控制、保護功能基本上與恒速恒頻機組相似，所不同的是這類機組一般采用定槳距風輪，因此省去了變槳距控制機構。
（2） 發電機的控制
發電機的輸出功率由勵磁來控制。當輸出功率小于額定功率時，以固定勵磁運行;當輸出功率超過額定功率時，則通過調整勵磁來調整發電機的輸出功率在允許的安全范圍內運行。勵磁的調整是由控制器調整勵磁系統晶閘管的導通角來實現的。
（3） 交-直-交變頻系統的控制
這里的變頻器的概念與普通變頻器的概念是不一樣的。普通變頻器是將電壓和頻率固定的市電（220/380V，50Hz），
變成頻率和電壓都可變的電源，以適應各種用電器的需要，如果用于變頻調速系統，則電壓和頻率根據負載的要求不斷地改變。相反，這里的變頻器則是將風力發電機發出的電壓和頻率都在不斷改變的電能，變成頻率和電壓都穩定（220/380V，50Hz）的電能，以便與電網的電壓及頻率相匹配，而使風電機組能并網運行。
所謂的“交-直-交”變頻，是變頻方式的一種，是將一種頻率和電壓的交流電整流成直流電，再通過微機控制電力電子器件，將直流電再逆變成某種頻率和電壓的交流電的變頻方式。其基本原理如圖1所示。
風力發電機發出的三相交流電，經二極管三相全橋整流成直流電后，再由六只絕緣柵雙極型電力晶體管（IGBT），在控制和驅動電路的控制下，逆變成三相交流電并入電網。逆變器的控制一般采用SPWM-VVVF方式，即正弦波脈寬調制式變壓變頻方式。采用交-直-交系統的變頻裝置的容量較大，一般要選發電機額定功率的120%以上。
4.2雙饋發電機的控制
目前的風電機組多采用恒速恒頻系統，發電機多采用同步電機或異步感應電機。在風電機組向恒頻電網送電時，不需要調速，因為電網頻率將強迫控制風輪的轉速。在這種情況下，風力機在不同風速下維持或近似維持同一轉速。效率下降，被迫降低出力，甚至停機，這顯然是不可取的。與之不同的是，無論處于亞同步速或超同步速的雙饋發電機都可以在不同的風速下運行，其轉速可隨風速變化做相應的調整，使風力機的運行始終處于最佳狀態，機組效率提高。同時，定子輸出功率的電壓和頻率卻可以維持不變，既可以調節電網的功率因數，又可以提高系統的穩定性。
（1） 雙饋電機的工作特性
雙饋電機的結構類似于繞線式感應電機，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三相電源激勵，所不同的是轉子繞組具有可調節頻率的三相電源激勵，一般采用交-交變頻器或交-直-交變頻器供以低頻電流。
當雙饋電機定子對稱三相繞組由頻率為f1（f1=P？n1/60）的三相電源供電時，由于電機轉子的轉速n＝（l-s）n1（s為轉差率，n1為氣隙中基波旋轉磁場的同步速率）。為了實現穩定的機電能量轉換，定子磁場與轉子磁場應保持相對靜止，即應滿足：
ωR＝ω1-ω2
其中：ωR是轉子旋轉角頻率;
ω1是定子電流形成的旋轉磁場的角頻率;
ω2是轉子電流形成的旋轉磁場的角頻率。
由此可得轉子供電頻率f2＝S？f1，此時定轉子旋轉磁場均以同步速n1旋轉，兩者保持相對靜止。
與同步電機相比，雙饋電機勵磁可調量有三個：一是與同步電機一樣，可以調節勵磁電流的幅值;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電機小。另外，通過調節轉子勵磁電流的幅值和相位，可達到調節有功功率和無功功率的目的。而同步電機的可調量只有一個，即勵磁電流的幅值，所以調節同步電機的勵磁一般只能對無功功率進行補償。與之不同的是雙饋電機的勵磁除了可以調節電流幅值外，亦可以調節其相位，當轉子電流的相位改變時，由轉子電流產生的轉子磁場在氣隙空間的位置就產生一個位移，改變了雙饋電機電勢與電網電壓向量的相對位置，也就改變了電機的功率角。所以雙饋電機不僅可調節無功功率，也可調節有功功率。一般來說，當電機吸收電網的無功功率時，往往功率角變大，使電機的穩定性下降。而雙饋電機卻可通過調節勵磁電流的相位，減小機組的功率角，使機組運行的穩定性提高，從而可多吸收無功功率，克服由于晚間負荷下降，電網電壓過高的困難。與之相比，異步發電機卻因需從電網吸收無功的勵磁電流，與電網并列運行后，造成電網的功率因數變壞。所以雙饋電機較同步電機和異步電機都有著更加優越的運行性能。
（2） 風力發電中雙饋電機的控制
在風力發電中，由于風速變幻莫測，使對其的利用存在一定的困難。所以改善風力發電技術，提高風力發電機組的效率，最充分地利用風能資源，有著十分重要的意義。任何一個風力發電機組都包括作為原動機的風力機和將機械能轉變為電能的發電機。其中，作為原動機的風力機，其效率在很大程度上決定了整個風力發電機組的效率，而風力機的效率又在很大程度上取決于其負荷是否處于最佳狀態。不管一個風力機是如何精細地設計和施工建造，若它處于過載或久載的狀態下，都會損失其效率。從風力機的氣動曲線可以看出，存在一個最佳周速比λ，對應一個最佳的效率。所以風力發電機的最佳控制是維持最佳周速比λ。另外，由于要考慮電網對有功功率和無功功率的要求，所以風力機最佳工況時的轉速應由其氣動曲線及電網的功率指令綜合得出。也就是說，風力發電機的轉速隨風速及負荷的變化應及時作出相應的調整，依靠轉子動能的變化，吸收或釋放功率，減少對電網的擾動。通過變頻器控制器對逆變電路中功率器件的控制。可以改變雙饋發電機轉子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，達到調節其轉速、有功功率和無功功率的目的，既提高了機組的效率，又對電網起到穩頻、穩壓的作用。圖2是按這種控制思路得出的風力發電雙饋電機控制系統框圖。
整個控制系統可分為三個單元：轉速調整單元、有功功率調整單元、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，以滿足系統的要求。由于雙饋電機既可調節有功功率，又可調節無功功率，有風時，機組并網發電;無風時，也可作抑制電網頻率和電壓波動的補償裝置。#p#分頁標題#e#
（3） 雙饋風力發電機組應用前景廣闊
綜上所述，將雙饋電機應用于風力發電中，可以解決風力機轉速不可調、機組效率低等問題。另外，由于雙饋電機對無功功率、有功功率均可調，對電網可起到穩壓、穩頻的作用，提高發電質量。與同步機交一直一交系統相比，還有變頻裝置容量小（一般為發電機額定容量的10～20%）、重量輕的優點，更適合于風力發電機組使用，同時也降低了造價。
將雙饋電機應用于風力發電的設想，不僅在理論上成立，在技術上也是可行的。與現有的風力發電技術相比，無論從經濟性，還是可靠性來看，都具有無可替代的優勢，具有很強的競爭力，有利于風電機組國產化的進程，其發展前景十分廣闊。
5大型風電場的計算機監控系統
風力發電技術的發展將帶動大型風電場的建設。以大型風力發電機組組成的大型風電場，可為電網提供可再生的綠色能源，也可解決邊遠地區的能源供應緊張形勢，大型風電場的運行管理己提上議事日程。目前，我國各大風電場在引進國外風力發電機組的同時，一般也都配有相應的監控系統。但各有自己的設計思路，致使風電場監控技術互不兼容。如果一個風電場中有多種機型的風電機組的話，就會給風電場的運行管理造成很大困難。因此，國家計委在“九五”科技攻關計劃中實施對大型風電機組進行攻關的同時，也把風電場的監控系統列入攻關計劃，以期開發出適合我國風電場運行管理的監控系統。本文在對目前國內幾個風電場監控系統進行調研分析的基礎上，提出我們的總體設計思路。
5.1 通訊方式
目前風電場所采用的風電機組都是以大型并網型機組為主，各機組有自己的控制系統，用來采集自然參數，機組自身數據及狀態，通過計算、分析、判斷而控制機組的啟動、停機、調向、剎車和開啟油泵等一系列控制和保護動作，能使單臺風力發電機組實現全部自動控制，無需人為干預。當這些性能優良的風電機組安裝在某一風電場時，集中監控管理各風電機組的運行數據、狀態、保護裝置動作情況、故障類型等，十分重要。為了實現上述功能，下位機（機組控制機）控制系統應能將機組的數據、狀態和故障情況等通過專用的通訊裝置和接口電路與中央控制室的上位計算機通訊，同時上位機應能向下位機傳達控制指令，由下位機的控制系統執行相應的動作，從而實現遠程監控功能。根據風電場運行的實際情況，上、下位機通訊有如下特點：
①一臺上位機能監控多臺風電機組的運行，屬于一對多通訊方式;
②下位機應能獨立運行，并能對上位機通訊;
③上、下位機之間的安裝距離較遠，超過500m;
④下位機之間的安裝距離也較遠，超過100m;
⑤上、下位機之間的通訊軟件必須協調一致，并應開發出工業控制專用功能。
為了適應遠距離通訊的需要，目前國內風電場所引進的監控系統主要采用如下兩種通訊方式：
①異步串行通訊，用RS-422或RS-485通訊接口。它的傳輸距離可達數千公里，傳輸速度也可達數百萬位。由于所用傳輸線較少，所以成本較低，很適合風電場監控系統采用。同時因為此種通訊方式的通訊協議比較簡單，也很常用，所以成為較遠距離通訊的首選方式。
②調制解調器（MODEM）方式。這是將數字信號調制成一種模擬信號，通過介質傳輸到遠方，在遠方再用解調器將信號恢復，取出信息進行處理，是一種實現遠距離信號傳輸的方式。此種傳輸方式的傳輸距離不受限制，可以將某地的信息與世界各地交換，且抗干擾能力較強，可靠性高，雖相對說來成本較高，但在風電機組通訊中也有較多的應用。
5.2 上、下位機通訊接口的設計
（1） 上位機通訊接口的設計
在工業現場控制應用中，通常采用工控PC機作為上位計算機，通過RS-232串行口與下位機通訊，構成集散式監控系統。但是，采用RS-232串行口進行數據通訊，其缺點是帶負載能力差，僅用于近距離（15m以內）通訊，無法滿足分散的、遠距離的風電場監控的通訊要求。無論是采用異步串行通訊方式還是調制解調方式，均要在PC機RS-232串行口的基礎上進行適當的改進與擴展。
RS-232的電氣接口是單端的，雙極性電源供電系統，這種電路無法區分由驅動電路產生的有用信號和外部引入的干擾信號，使傳輸速率和傳輸距離都受到限制；RS-422則采用平衡驅動和差分接收的方法，從根本上消除信號地線。當干擾信號作為共模信號出現時，接收器只接收差分輸入電壓，因而這種電路保證了較長的傳輸距離和較高的傳輸速率。兩者之間可用異步通訊用RS-232/422轉換接口板轉換。
（2） 下位機通訊接口的設計
監控系統的下位機是指各風電機組的中心控制器。對于每臺風力發電機組來說，即使沒有上位機的參與，也能安全正確地工作。所以相對于整個監控系統來說，下位機控制系統是一個子系統，具有在各種異常工況下單獨處理風電機組故障，保證風電機組安全穩定運行的能力。從整個風電場的運行管理來說，每臺風電機組的下位控制器都應具有與上位機進行數據交換的功能，使上位機能隨時了解下位機的運行狀態并對其進行常規的管理性控制，為風電場的管理提供方便。因此，下位機控制器必須使各自的風力發電機組可靠地工作，同時具有與上位機通訊聯系的專用通訊接口。
可編程控制器（PLC）具有功能齊全，可靠性高和編程方便的特點，在工業控制領域受到廣泛的歡迎。尤其是近年來，為了適應現場控制要求及集散控制的要求，國外的PLC廠家紛紛推出與各自PLC相配套的通訊模塊，這些模塊提供了RS232/422適配器或RS-232接口與PC機之間實現數據通訊，并有專門的編程軟件，使軟件開發更加方便。因而，采用可編程控制器（PLC）作為風力發電機組的下位控制器，完全可以滿足風力發電機組控制和風電場監控的要求。
5.3 抗干擾措施
風電場監控系統的主要干擾源是：
①工業干擾：高壓交流電場、靜電場、電弧、可控硅等;
②自然界干擾：雷電沖擊、各種靜電放電、磁爆等;
③高頻干擾：微波通訊、無線電信號、雷達等。
這些干擾通過直接輻射或由某些電氣回路傳導進入的方式進入控制系統，干擾控制系統工作的穩定性。從干擾的種類來看，可分為交變脈沖干擾和單脈沖干擾兩種，它們均以電或磁的形式干擾系統，從而抗干擾措施應從以下幾方面著手：
①在機箱、控制柜的結構上：對于上位機來說，要求機箱能有效地防止來自空間輻射的電磁干擾，而且盡可能將所有的電路、電子器件均安裝于機箱內。還應防止由電源進入的干擾，所以應加入電源濾波環節，同時要求機箱有良好的接地和機房內有良好的接地裝置。#p#分頁標題#e#
②通訊線路上：信號傳輸線路要求有較好的信號傳輸功能，衰減較小，而且不受外界電磁場的干擾，所以應該使用屏蔽電纜。
③通訊方式及電路上：不同的通訊方式對干擾的抵御能力不同。一般說來，風電場中上、下位機之間的距離不會超過幾千米，這種情況下經常采用串行異步通訊方式，其接口形式采用RS-422A接口電路，采用平衡驅動、差分接收的方法，從根本上消除信號地線。這種驅動器相當于兩個單端驅動電路，輸入相同信號，輸出一個正向信號和一個反向信號，對共模干擾有較好的抑制作用。RS-422A串行通訊接口電路適合于點對點、一點對多點、多點對多點的總線型或星型網絡，它的發送和接收是分開的，所以組成雙工網絡非常方便，很適合于風電場監控系統。
調制解調方式一般適用于遠距離傳輸，用于多站互聯，現在也有用于風電場監控系統的例子。此種通訊方式的特點是采用平衡差分方式，是半雙工的，具有RS-422A的優點。用一對雙絞線即可實現通訊，可節省電纜投資。但對于近距離通訊來說，RS-422A電路的串行通訊方式顯得更加經濟一些。
5.4 監控軟件的編制
監控應用軟件是根據具體對象來實施工業監控而開發出的軟件，用在監控系統中執行監視、控制生產過程和及時調整的應用程序。對于風電場監控系統，首先要顯示風電場整體及機組安裝的具體位置，而后要了解各臺機組之間的連接關系及每臺風電機組的運行情況。因此，風電場的監控軟件應具有如下功能：
①友好的控制界面。在編制監控軟件時，應充分考慮到風電場運行管理的要求，應當使用漢語菜單，使操作簡單，盡可能為風電場的管理提供方便。
②能夠顯示各臺機組的運行數據，如每臺機組的瞬時發電功率、累計發電量、發電小時數、風輪及電機的轉速和風速、風向等，將下位機的這些數據調入上位機，在顯示器上顯示出來，必要時還應當用曲線或圖表的形式直觀地顯示出來。
③顯示各風電機組的運行狀態，如開機、停車、調向、手/自動控制以及大/小發電機工作等情況。通過各風電機組的狀態了解整個風電場的運行情況，這對整個風電場的管理是十分重要的。
④能夠及時顯示各機組運行過程中發生的故障。在顯示故障時，應能顯示出故障的類型及發生時間，以便運行人員及時處理及消除故障，保證風電機組的安全和持續運行。
⑤能夠對風電機組實現集中控制。值班員在集中控制室內，只需對標明某種功能的相應鍵進行操作，就能對下位機進行改變設置、狀態和對其實
施控制。如開機、停機和左右調向等。但這類操作必須有一定的權限，以保證整個風電場的運行安全。
⑥系統管理。監控軟件應當具有運行數據的定時打印和人工即時打印以及故障自動記錄的功能，以便隨時查看風電場運行狀況的歷史記錄情況。
監控軟件的開發應盡可能在現有工業控制軟件的基礎上進行二次開發，這樣可以縮短開發周期。同時，在軟件的編制過程申，應當采用模塊化程序設計思想，有利于軟件的編制和總體調試。
6結束語
風力發電技術已日趨成熟，在可再生的綠色能源的開發領域中占有突出的地位，具有重要的開發利用價值。尤其是在偏遠的山區、牧區和海島等地區，風力發電可為當地居民的生活和生產提供潔凈的能源，緩解能源供應緊張的局面。
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