风力发电机控制系统发展现状及展望

摘要:我国的风电产业在最近几年迅猛发展，主要部件配套基本已经实现了国产化，但其控制系统的自主配套能力仍然较弱，这是当前风电设备制造业

中的最大障碍，本文对造成这一现象的原因进行了分析，并对风机控制系统发展状况提出了一些可行性构想。

关键词:风机；控制系统；发展现状

中图分类号：TS737+.1 文献标识码：A

引言

近年来，我国风电装机快速发展，风电装机容量已连续四年排名世界第一。快速增长的需求也使得我国风电设备制造业发生了相应的快速增长。到目前为止，进行风机整机生产的企业已超过70家，此外还有一些公司也正在筹备进入风机整机制造的工作。经过这些年内资和合资企业生产规模的不断扩大和技术的提高，其市场占有率也逐步上升。风机整机制造企业及零部件企业的发展壮大，对我国风电制造业技术水平和生产规模的提高是一个巨大的促进。但这么多风机企业的生产规模、技术水平、服务能力相差很大，规模化、竞争能力强的还只是少数，目前风电设备制造业存在的一个突出问题就是大多数企业对于未来面临的巨大风险都估计不足。从未来的发展形势来看，为解决能源短缺和环境污染问题，大多数工业发达国家都将大规模发展风力发电，我国也是如此，预计到2020年，风力发电企业的比例将达到10%左右，风电装机容量将达到1.4亿千瓦，这表明，风电行业大发展的全盛时期即将到来。

风机控制系统的发展现状及其原因

2.1、我国风机控制系统的发展现状

风机的控制系统是风机的重要组成部分，它承担着风机自动调节、监控的重要任务，能够实现最大风能捕获，并保证良好的电网兼容性，其主要组成部分包括主控系统、监控系统、变桨控制系统以及变频系统。

其中监控系统对全风场风机状况进行监控与启、停操作，它有大型监控软件和完善的通讯网络构成。

主控系统作为风机控制系统的主体部分，它主要负责自动解列、自动调向、自动启动、故障自动停机、自动记录与监控等重要控制，并有很好的保护功能。它对外有三个主要接口系统，即变桨控制系统、监控系统和变频系统，风机实时数据及统计数据的交换就是通过监控系统接口完成的，同时它还负责变桨控制系统接口对叶片的控制，从而使叶片获得最大风能捕获以及恒定的运行速度，还能通过变频系统接口控制有功功率以及无功功率的自动调节，在与主控系统配合的情况下，控制叶片节距角，进而提高风力发电机组的灵活性。目前，变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式，电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统。变频系统（变频器）：与主控制系统接口，和发电机、电网连接，直接承担着保证供电品质、提高功率因素，满足电网兼容性标准等重要作用。

以目前市场普遍采用的华锐SL1500型风机为例，它的电控系统是基于双馈发电机、变速恒频技术和桨距调节技术的目前世界上主流风机控制系统，技术成熟可靠。系统采用双馈异步发电机。定子侧经接触器直接并入电网，转子侧经IGBT变频器及断路器与电网连接。采用电动偏航系统，一台偏航变频器同步拖动4台偏航电机，提供偏航动力。采用IGBT变频器；采用高开关频率的IGBT模块以及优化的触发脉冲产生算法来实现可调的功率因数范围及更小的谐波畸变。滤波电容采用长寿命的薄片式电容。

变速恒频发电机组具有以下优点：双馈异步发电机只处理转差能量就可以控制电机的力矩和无功功率，降低了变频器的造价。变频器的容量仅为总机组容量的1/3左右。在最大输出功率时，1170kW的有功功率来自定子，350kW的有功功率来自转子。因此，双馈异步发电机产生的谐波要比所有功率都经逆变器流入电网的同步电机或异步电机变速系统小得多；转差频率调节,调速范围为发电机同步转速的33.3％。降低控制系统成本、减少系统损耗，提高效率；功率因数可调，发电机组具有无功功率控制能力，功率因数可恒为1。根据需要，功率因数可在额定电压下最大达到容性0.95，感性0.90；低风速时能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时储存或释放风能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳；先进的双PWM变频器，实现四象限运行；变速恒频技术大幅延长了核心部件的使用寿命，同时显著提高发电量。

图1变速恒频发电机组的结构示意

2.2、我国风机控制系统发展现状产生的原因

从我国目前的情况来看，风机控制系统的上述各个组成部分的自主配套规模还不尽如人意，之所以如此，原因主要有以下几点。

2.2.1机控制系统本身的特殊性和复杂性

就风机控制系统本身的要求来看，确有它的特殊性和复杂性。从硬件来讲，风机控制系统随风机一起安装在接近自然的环境中，工作有较大振动、大范围的温度变化、强电磁干扰这样的复杂条件下，因此其硬件要求比一般系统要高得多。从软件来讲，风机要实现完全的自动控制，必须有一套与之相适应的完善的控制软件。主控系统、变桨系统和变频器需要协同工作才能实现在较低风速下的最大风能捕获、在中等风速下的定转速以及在较大风速下的恒频、恒功运行，这需要在这几大部件中有一套先进、复杂的控制算法。国内企业要完全自主掌握确实需要一定时间。

2.2.2我国风机控制发展起步较晚

我国在这一技术领域的起步较晚，尤其是对兆瓦级以上大功率机组变速恒频控制技术的研究，更是最近几年的事情，这比风机技术先进国家要落后二十年时间。前已述及，我国风电制造产业是从2005年开始才得到快速发展的，国内主要风机制造厂家为了快速抢占市场，都致力于扩大生产规模，无力对控制系统这样的技术含量较高的产品进行自主开发，因此多直接从国外公司采购产品或引进技术。

2.2.3风机控制系统算法复杂

风机控制系统是与风机特性高度结合的系统，包括主控、变桨和变频器在内的控制软件不仅算法复杂，而且其各项参数的设定与风机本身联系紧密，风机控制系统的任务不仅仅是实现对风机的高度自动化监控以及向电网供电，而且还必须通过合适的控制实现风能捕获的最大化和载荷的最小化，一般的自动化企业即使能研制出样机，也很难得到验证，推广就更加困难。而中小规模的风机制造商又无力进行这样的开发。

风机控制系统的发展展望

作为风电机组中最关键的核心零部件，控制系统仍是目前国内风电设备制造业中的薄弱环节，但是以华锐代表的一些国内企业，已经在包括变频器在内的控制系统的自主研发方面有了较大发展。如华锐SL1500风力发电机组，它是第三代并网型风机，属于世界主流技术；其采用的双馈异步发电机和更灵活的馈电方案，还有一拖四的电动偏航，降低了成本提高了效率，维护量也减小了，其采用冗余的独立电动变桨系统和高精度伺服机构，使系统安全更有保障，此外，双PWM变频器，集高精度矢量控制、完美无谐波、效率因数校正、最大风能跟踪诸多功能于一身，SCADA系统，具有灵活高效的中央控制及远程监控功能，中央控制器高性能、分时多任务处理功能强大，加上无冲击的并网、解列技术和长寿命的膜电容，大幅度提高了系统的可靠性。

随着国内风电建设的快速发展，各风机制造企业正不断加大研发力度，针对国内复杂的地理气候条件，研发适合各种复杂气候条件下稳定运行的风机控制技术，相关行业科研人员的技术实力也得到长足进步。相信不久的将来，国产风机控制系统的核心技术将处于世界领先地位。

参考文献:

［1］吴学光，张学成，印永华等．异步风力发电系统动态稳定性分析的数学模型及其应用［J］．电网技术，1998，22(6):68-72．

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