浅谈大型风电发电机组控制中的电气设计

【摘要】本文通过结合自身在工程设计中的经验，对当前大型风电发电机组控制中的电气设计中常见的正常运行控制设计、人机切换设计、远程控制设计、制动控制设计和运行监测与故障处理设计等五个模块设计进行了论述。

【关键词】大型风电、发电机组控制、电气设计

一、前言

风能是一种自然资源，无论从风向和风速都不是稳定的，目前，MW级大型风力发电机组多安装和运行在气候恶劣的环境，如高温地区、低温朝湿地区或沙漠地区；恶劣的工作环境也限制了现场工作人员人数。安全且稳定的电气控制系统对大型风力发电机组的正常运行发挥了至关重要的作用。因此，笔者总结归纳和分享了在工作中对多个大型风力发电机组项目的电气控制系统设计的经验，希望能有助于提高国内大型风力发电机组的电气控制系统现有设计技术力量，逐步缩小我国与国外发达国家在电气控制系统设计领域的差距，增强我国风电行业在国际市场中的竞争力。

二、MW级风电机组电气控制系统的基本功能设计

1、人机交互式切换控制设计

人机交互式切换控制设计体现了风电发电运行的自动化，操作人员可以在MCGS组态软件编制的控制界面上设定各项重要运行参数值，工控机接受和识别指令并使PLC控制系统的通讯模块动作命令完成对风电机组的远程控制。同时，各项现场运行状态和参数又反馈回来与设定的运行参数值进行比较和分析，从而提示操作人员当前的工作状态是处于正常或异常。

2、制动控制设计

在制动设计中一般设置主要有主控制保护系统、不受主控制保护系统限制的保护系统和设备自行保护措施三个部分。在制动控制设计中必须要设置至少有两套互不依赖的刹车装置，例如我们会利用冗余原则对不受主控制保护系统限制的保护系统进行设计。其中，保证安全链的优先级最高，因为主控制保护系统也属于安全链的一个环节且不受限于主控制系统，当主控制保护系统或电网发生严重故障时，安全链立即制动保证风电机组停机，安全脱网等。

3、其他

实际的电气控制系统应具备远程通讯控制功能，有限的现场工作人员决定了风电场必须采取集中管理和远程控制。中央控制室远程监控系统能确保收集分析并记录保存各项实时运行参数，减轻工人劳动强度。同时电气控制系统还具备运行监则与故障处理的功能，通过分析收集到的各项运行参数，检测和判断故障的类型从而选择正确的停机方式（正常停机、安全停机、紧急停机）来处理对应的故障，并在电脑界面上提醒工作人员。

三、我国大型风电机组技术发展情况

截至2013年底，国内约30家大型风电机组整机制造企业已向国内外风电市场提供了合格的大型风电机组整机产品。2013年在我国风电场建设中，国产风电机组的市场占有率达到94%，大幅超过外资企业。其中，在国内新增总装机占比中，金风科技的份额最大，占23.31%；联合动力第二，占9.25%；广东明阳第三，占7.99%。通过对我国大型风电机组发展情况的分析，归纳出我国大型风电机组技术主要呈现如下特点。

1、水平轴风电机组是主流

水平轴风电机组的应用已近100年。由于水平轴风电机组的风轮具有风能转换效率高、传动轴较短、控制和制动技术成熟、制造成本较低、并网技术可靠等优点，近年来大型并网水平轴风电机组得到快速发展，使大型双馈式和直驱永磁式等水平轴风电机组成为国内大型风电场建设所需的主流机型，并在国内风电场建设中占到100%的市场份额。

2、垂直轴风电机组有所发展

大型垂直轴风电机组因具有全风向对风、变速装置及发电机可置于风轮下方或地面等优点。近年来相关研究和开发也在不断进行并取得一定进展，单机试验示范正在进行，在美国已有大型垂直轴风电机组在风电场运行，但在我国还无垂直轴风电机组产品在风电场成功应用的先例。

3、风电机组单机容量持续增大

近年来，国内风电市场中风电机组的单机容量持续增大，2012年新安装机组的平均单机容量达1.65MW，2013年为1.73MW。2013年我国风电场安装的最大风电机组为6MW。随着单机容量不断增大和利用效率的提高，国内主流机型已从2005年的750～850kW增加到2014年的1.5～2.5MW。近年来，海上风电场的开发进一步加快了大容量风电机组的发展。我国华锐风电的3MW海上风电机组已在海上风电场批量应用。3.6、4、5、5.5、6和6.5MW的海上风电机组已陆续下线或投入试运行。目前，华锐、金风、联合动力、湖南湘电、重庆海装、东方汽轮机、广东明阳和太原重工等公司都已研制出5～6.5MW的大容量海上风电机组产品。

4、变桨变速功率调节技术得到全面应用

由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全高效等优点，近年在大型风电机组上得到广泛应用。结合变桨距技术的应用及电力电子技术的发展，大多数风电机组制造厂商采用了变速恒频技术，并开发出变桨变速风电机组，在风能转换效率上有了进一步完善和提高。从2012年起，国内定桨距并网风电机组已停止生产，在全国安装的风电机组全部采用了变桨变速恒频技术。2MW以上的风电机组大多采用3个独立的电控调桨机构，通过3组变速电机和减速箱对桨叶分别进行闭环控制。

5、各种全功率变流风电机组得到应用

随着直驱永磁式风电机组的增多及高速齿轮箱配高速永磁风电机组的出现，全功率变流技术得到了广泛发展和应用。应用全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调速范围扩展到0～150%的额定转速，全功率变流技术对低电压穿越简单先进的解决方案可提高机组的风能利用范围。近年由于全功率变流技术的成熟，部分企业选择了由齿轮箱驱动同步发电机或鼠笼发电机搭配全功率变流器的传动链形式。主要分为两类：一类是在1MW以下的机组中采用通过齿轮箱驱动电励磁同步电机搭配全功率变流器的形式，如重庆海装与久和能源的850kW机组，以及航天万源的900kW机组；另外一类是在2.5MW以上的机组中采用通过齿轮箱驱动永磁同步发电机或鼠笼发电机搭配全功率变流器的形式，比如金风的3MW机组、明阳的3MW超紧凑机组和南车的2.5MW机组，国际厂商的机型如Vestas公司的V112、西门子公司的SWT-3.6-120和Gamesa公司的G10X-4.5等风电机组。上述全功率变流风电机组也代表了今后的发展趋势。

6、低风速地区风电设备研发取得进展

针对我国大多数地区处于低风速区的实际情况，国内企业通过技术创新研发出有针对性的风电机组产品及解决方案，最明显特征是风轮叶片更长、塔架更高、捕获风能资源更多。以1.5MW风电机组为例，2012年新增机组中，超60%为风轮直径86m及以上的风电机组，有的1.5MW机组甚至采用了直径为93m以上的风轮，例如国电联合动力推出了直径96m的1.5MW机组。国内提供1.5MW风电机组的30余家企业中，已有10多家具备直径为90m以上风轮机型的供应能力。近期，丹麦Vestas公司向中国市场推出风轮直径为110m的V110-2.0MW风电机组。为适应低风速区的需要，金风公司2MW低速风电机组的风轮直径达到115m，而2.5MW低速风电机组的风轮直径甚至达到121m。这些低速风电机组在我国南部省份的分散式风电场中发挥了较好的作用。

四、结束语

到2020年底，全国规划建设总容量达3000万kW的海上风电场。蓬勃崛起的海上风电场建设是未来风能技术更新发展的驱动力，这一发展趋势已不可逆转，因此大型风电发电机组控制中的电气设计显得尤为重要。

参考文献：

[1]丁勤卫，李春，杨阳，叶舟.极限海况下三种漂浮式风力机平台的动态响应对比[J].水资源与水工程学报.2015（01）