变速恒频风力发电机控制系统的设计与试验

利用风能发电。风能发电，变速恒频风力发电机控制系统的设计与试验。
关键词：风能发电，试验方法

　　本文研究的是水平轴、上风向、三叶片独立变桨矩、变速恒频双馈风力发电机组。论文检测，风能发电。结构如图一所示。论文检测，风能发电。双馈异步发电机的定子绕组直接接入电网，转子绕组通过交直交变频器与电网联接。发电机控制系统根据转速的变化调节励磁电流的频率，实现恒频输出；通过改变励磁电流的幅值和相位实现发电机有功、无功功率的独立调节。
　　风力发电机组变速恒频运行可以实现最大风能捕获，快速响应风速的变化，减少机械应力和转矩的脉动，延长机组的寿命，是当今世界的主流机型。
　　一、风力发电机组控制系统概述
　　控制技术和伺服传动技术是风力发电机组安全高效运行的关键技术。论文检测，风能发电。论文检测，风能发电。风电系统是典型的复杂多变量非线性系统，受干扰因素很多，除了风速的大小和方向随机变化以外，还受电网的参数波动和大气条件及空气密度等因素的影响。
　　二、电控系统组成
　　本系统由塔筒柜、机舱柜、电动变桨柜、变速恒频柜组成，其中前3项作为主控系统，由DCS分布式控制系统设计理念而来，将主控制器功能分解细化后分别规定其功能，有利于系统控制的高效、实时、稳定、可靠。电控系统框图如下图2.1所示：
　　

　　图2-1电控系统框
　　三、控制系统功能划分
　　3.1塔筒柜功能
　　a 690V主回路布线、空开控制、并网开关控制
　　b 400V 50kVA 3相电源
　　c 与变速恒频柜通讯及网关功能
　　d 显示、操作面板功能
　　e 与机舱柜通讯
　　3.2机舱柜功能
　　a 检测全部相关模拟量、开关量
　　b 与电动变桨距柜通讯、变桨距计算
　　c 显示、操作面板功能
　　d 与塔筒柜通讯
　　3.3变速恒频柜功能
　　a. 变速恒频柜作为独立的部分主要负责发电机转子的励磁，工作原理为4象限电压式交直交变流器，在亚同步时向转子送电，超同步时从转子吸取电能，并且将电能回馈电网。
　　其通过电机轴头的2048线编码器准确测取电机转速，同时根据转速将励磁准确加到电机转子绕组上。
　　b. 与塔筒柜通讯，传递全部电机信息
　　双馈式风力发电机组全功率试验平台是进行各种型式试验的功率试验平台，该试验平台要求达到风力发电机组的1.5MW额定功率输出。在该试验平台上可以对风力发电机组的齿轮箱、发电机等部件进行全面的试验，检验各部件是否能够达到标准要求，避免质量缺陷；针对风力发电机组样机进行设计技术和控制算法验证，促进技术的消化吸收，避免设计缺陷；作为开发平台进行新机型开发或新部件研发替代的性能测试试验；作为系统调试的平台，可以进行批量生产时抽样试验。
　　试验备选方案
　　方案1
　　方案1是最简单也最常见的满发试验方案，通过控制室上位机向变频器发出指令，控制发电机转速为额定转速不变；同时，通过上位机或变流器调试软件Drive-window提高发电机输出转矩，直至满功率发电，优点：可靠性高；缺点：离现场实际状况差异较大。
　　方案2
　　选取功率曲线上具有代表意义的数据，通过控制室上位机同时向拖动变频器和风机变流器发出指令，按照指定的功率曲线发电，优点：现场实际状况较为贴近，缺点：可靠性难以保证。
　　方案二的两个可选分支方案
　　Ø 试验过程全自动完成：给出试验开始信号，启动、升速、并网、按照功率曲线发电、满发、降负荷和解列全部自动完成，优点：自动化程度高；缺点：可控性低，可能造成不稳定。
　　Ø 试验过程半自动完成：给出试验开始信号，启动、升速、并网均可自动完成，由控制室向变频器和变流器发出指令，按照指定功率曲线发电，直至满发，最后降负荷，解列。论文检测，风能发电。优点：可控性高；缺点：试验过程要人为干预。
　　方案3
　　通过空气压缩机向风速仪喷出指定速度的空气，模拟风场中的实际风速，控制室上位机通过读取风机中的风速信号控制拖动变频器按照一定转速运行，同时风机控制器也通过读取风速信号向变流器发出指令，按照指定的功率曲线发电，优点：最为贴近现场实际状况；缺点：可控性最低，稳定性低。论文检测，风能发电。
　　试验步骤
　　Ø 开启大试验台齿轮箱油泵，开启变频器和变流器的供电主开关，开启变流器main switch和auxiliary switch，将变频器置于ready状态，等待主席台给出启动信号
　　Ø 得到信号后控制室上位机自动开启变频器，并拖动发电机升速至975rpm附近，变流器自动并网，其中机舱的齿轮箱、发电机的冷却系统均自动工作
　　Ø 选取方案1－3中的一种方案进行试验，直至满功率发电，随后降负荷解列；试验过程中在大屏幕上随时显示发电功率
　　Ø 试验结束
　　结束语：利用风能发电，在我国乃至世界范围内是一项正在兴起的新型产业。风能是一项新能源，风力发电是可再生、无污染、能量大、前景广阔。