MW 级双馈风力发电系统

吴洁 上海电气输配电技术中心 (200042）

吴洁（1986年～），女，工学硕士。现主要从事风电并网运行分析与控制、双馈风力发电系统的研究。

0 引言

风能是一种清洁环保的可再生能源，也是解决能源问题的重要途径之一。近年来，风能保持着世界增长最快能源的地位。随着风电技术的发展，为了进一步降低风电成本，风力发电机组逐步朝着单台大容量方向发展。MW级双馈式风电机组已成为国内陆上风电的主力机型。双馈风力发电机组定子和电网直接相连接，转子和功率变换器相连接，通过变换器的功率仅仅是转差功率，这是各种传动系统中效率比较高的，而变速调节主要用来响应快速变化的风速，可以实现发电机平滑的功率输出和功率因数在一定范围内调节。该结构适合于调速范围不宽的风力发电系统，尤其是大、中容量的风力发电系统。

双馈风力发电机组结构复杂，主要包括以下几个部分：塔架、叶片、风轮机、齿轮箱、传动轴、双馈异步发电机、变流器、电网接入系统以及控制系统与远程监控系统等。在整个双馈风力发电机组当中，机组控制是其中的一个非常关键的技术，也是双馈风力发电的技术核心之一。目前国内MW级风电机组采用的变流器大多还是引进组装，成本居高。我们对风力发电技术进行了长期的跟踪和研究，在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，开发出的具有自主知识产权的MW级变速恒频双馈风力发电机组用变流器和主控制器已达到国际先进水平。

SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。风电场SCADA系统用于中控站对整个风场机组的监控以及数据的记录分析，包括风机运行记录、风玫瑰图数据、风电机组发电功率曲线、风机运行故障代码及风机运行的各项操作等，是用户查询系统风机当前及历史数据的重要工具。输配电自主研发了带功率预测功能的SCADA系统，该系统具备强大的用户个性化定制功能，并具备风电场短期和中长期发电量预测功能。

为了提高风电机组电网接入可靠性，风电场接入标准明确规定了风电机组应具有低电压穿越功能，该功能是针对电网受到暂态扰动（如雷击线路、电弧故障、局部短路故障等）出现电压跌落时，机组能在一定的时间内保持并网状态，为电网恢复留出一定的时间，避免因机组大面积脱网而造成电网的二次扰动。输配电自主研发的变流器采用能量泄放组件Crowbar加Chopper的拓扑结构来实现低电压穿越期间的能量释放，同时变流器控制系统针对低电压期间的电网无功需求，控制机组输出无功，支撑电网电压，该方案是目前风力发电机组低电压穿越的主流技术方案，其穿越功能高效可靠，同时又能有效控制低电压穿越模块的硬件成本。

这里从主控制器、变流器、SCADA系统、低电压穿越四个方面介绍典型的MW级双馈风力发电机组系统。

1 主控制器

风力发电机组的主控制系统是综合性控制系统，是风机的大脑，控制风机的所有设备的启停。它不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组进行并网与离网控制，以确保运行过程的安全性与可靠性，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。

主控制系统分塔顶柜和塔底柜，塔底柜（图1左）运行所有的控制程序，包括数据运算和统计功能，发送风机各个设备的启停指令；实现对电网的监控，包括电网电压、电流、频率、功率因数、三相均衡等监控；对过压与欠压、过流与欠流、过频与低频、功率因数偏离正常值、电压缺相等故障发出报警及停机指令，通过柜门上的人机界面来实现用户对风机的各种控制；实现与机舱柜、变流器、中控室之间的通讯，并支持多种通讯方式。塔顶柜（图1右）实现对风速、风向，塔筒振动频率、主轴转速、发电机温度、齿轮箱温度、润滑油温度、机舱内温度等各种参数的监控；控制机舱内加热设备和冷却设备的启停，实现与变桨系统、塔底柜的通讯。

主控制系统采用了可编程计算机控制器PCC，与常规PLC相比较，PCC最大的特点在于分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同真正外部的控制周期区别开来，满足了真正实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意调整。故PCC完全能够适应风电行业的控制需要。

为了构建更加安全的生产环境，主控制系统还使用了独立的安全控制器，该安全控制系统使用工业以太网Ethernet Power link为安全现场总线，保护对象包含输入输出接口、电源、伺服系统、软件设计等各个方面，是一套全集成的安全系统。该系统主要依赖安全链在危急情况下及时断开实现对系统的保护作用，安全链采用反逻辑设计，将可能对风机造成致命伤害的重要机构部件的控制端串联成一个回路。当回路中任意一个触点发生故障，安全链断开，引起紧急停机、执行机构失电、风机瞬间脱网、从而最大限度地保证风机的安全。

图1 主控柜

用系统建模仿真分析和设计是国际上通行技术开发应用的惯例和手段。输配电集团以Matlab为平台建立控制系统的仿真模型和以Blanded为平台建立风机系统各子系统的详细模型及传递函数，用于研究风机在各种工况下的动、静态特性，这是研制风机主控制器先进控制策略的第一步。根据风机叶片、塔架、传动链及发电机固有特性，得到以减小机械载荷和疲劳为条件的风机最佳功率曲线，将风机功率曲线分区域采取变结构PID控制，以获得发电机输出最大功率。同时，设计了使系统响应最快，发电机输出功率变化率最小的策略，使风速突变对电网的影响最小。该系统带有风机运行的实时监控、状态检测与越线报警及历史事件记录库。具备与上级监控系统连接远程控制功能、与各闭环控制子系统之间的通讯及控制、与保护系统之间的联络、良好的人机交互等功能。当有故障发生时，安全保护系统能使风机维持在安全状态，并可进行故障自诊断及远程复位。

2 变流器

变流器是风力发电系统的核心部件之一，其主要功能是完成对发电机的输出功率控制以及并网控制。变流器一般由电力电子变流电路与相应的DSP控制系统组成。电力电子变流电路是完成交/直流变换与电压电流幅频控制的执行机构，主要由电力电子开关、电力二极管、电力电容器、电抗器等器件构成。DSP控制系统是变流器的大脑，主要功能是实现对电力电子变流电路中相关器件以及其他外围设备的控制，并与风力发电主控制器进行实时数据交互。

风电变流系统拓扑结构如图2所示，连接双馈发电机网侧的变流器用于维持直流电容电压稳定；连接转子侧的变流器用于双馈电机的转子励磁，实现双馈电机变速恒频控制及能量双向流动，满足电机不同转速运行状态的要求。转子侧装有由三相整流桥、IGBT、放电电阻及吸收电路构成的能量泄放组件（Crowbar）装置，用于电网电压跌落时的低电压穿越用，保证定子侧短时低电压状态下机组不脱网，持续运行，提高机组运行的可靠性；直流电容侧装有预充电回路，用于机组启动时的直流电容预充电。同时直流电容侧还装有由IGBT和放电电阻串联构成的能量泄放组件（Chopper）装置，用于能量突变导致直流侧电压过高时泄放能量，以保护直流侧电容；在网侧变流器前，安装谐振式滤波器。在转子侧变流器后，装有du/dt滤波器，用于滤除开关频率附近的电压谐波。另外，在定子侧装有接触器与断路器，其中接触器用于机组并网及脱网，断路器则实现过流、短路等保护动作。控制单元，采用数字信号处理器(DSP)与现场可编程门阵列(FPGA)构成嵌入式控制系统，能够高速高效地实现各种控制算法。

图2 变频器的硬件电路

在软件设计方面，变速恒频双馈风力发电系统的运行目标主要有两个，首先是实现最大风能追踪，其核心是对双馈异步发电机转速或者是有功功率的控制；其次是对双馈异步发电机定子输出无功功率的控制。双馈异步发电机的有功和无功功率与转子电流密切相关，所以这两个目标又是通过转子侧PWM变流器对双馈异步发电机转子电流的有效控制来实现的。由此可见,双馈异步发电机是控制的对象，转子侧PWM变流器是控制指令的执行者。为了对控制对象实现有效控制，转子侧PWM变流器的控制应以双馈异步发电机的数学模型为基础来进行设计。与普通的三相交流电机一样，三相静止坐标系下双馈异步发电机的数学模型是一个高阶、多变量、非线性、强耦合的系统，很难进行控制系统的分析与设计。为了实现对双馈异步发电机有功、无功功率的有效控制，二者必须解耦，因而可把交流调速中的矢量控制技术应用于双馈异步发电机的有功、无功解耦控制中，即通过旋转坐标系变换，将转子电流分解成d轴分量和q轴分量，使转子电流的有功分量与无功分量实现解耦，控制转子电流的有功分量和无功分量就可以实现双馈异步发电机的有功功率和无功功率的解耦控制，从而实现变速恒频双馈风力发电系统的两个目标。

变流器采用SVPWM四象限空间矢量调制技术(Space Vector Pulse Width Modulation)，与常规的正弦脉宽调制(SPWM)相比具有直流母线电压利用率高，电流波形畸变小和易于实现数字化等优点，在电力电子与电气传动领域获得越来越广泛的应用。采用SVPWM技术而不做过调制处理时，变流器输出交流线电压基波的最大值为直流母线电压，因而比采用一般的SPWM的变流器的输出交流电压高了15%。

在风速变化情况下，变流器可实现功率的平滑控制，同时可根据实时情况进行有功无功调节，有效抑制电网电压波动，设计了低电压穿越与三相不平衡控制模块，强化了对国内各种恶劣电网条件的适应能力。变流器具有多种通讯接口，如以太网、CAN、GPRS及RS232等，接口协议完善，可进行远程监控；此外变流器具有完备的故障冗余和保护功能，保证系统正常稳定可靠高效运行。针对特殊工作环境，如低温、高原、海上等研制了具备相应耐受能力的系列产品，以满足用户不同的需求。变流器用户界面操作简单、快捷。可进行常规参量的在线监测、参数设置、故障报警和信息查阅等操作。

3 带功率预测的风场SCADA系统

数据采集与监视控制（SCADA）系统，具有数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。它在电力系统、给水系统、石油、化工等领域中得到了广泛的应用。输配电设计的SCADA系统针对目前国内大规模风电场的需要，采用了双环路冗余配置的SCADA通讯网络、通用的通讯协议、模块化的软件设计思路和功能强大的实时/历史数据库，具有很强的通用性和扩展性，能满足现有和将来用户的不同需求。系统主要由主站（上位机）、交换机、网络通道和若干风机控制器（下位机）组成，其硬件构架的设计如图3。

图3 SCADA系统硬件架构

就SCADA 软件而言，市场上大多采取封闭式的软件，即软件对下位和控制器绑定，对软件内部采用专属结构开发，对上层接口开放程度差。基于该行业的现状，输配电研发了基于开放式平台、具有分布式多层架构、适应于国内风电的SCADA系统。SCADA系统软件构架设计如图4所示。该系统具备以下5项功能。图5为SCADA系统人机交互主界面。

图4 SCADA系统软件构架的设计

（1）运行实时监测：系统可以实时显示每一台风力发电机组的运行状态，这些数据包括：功率、风速、风向、桨距角、功率因数等实时数据。风电场实时数据采集系统利用TCP/IP协议通过千兆局域网络采集这些信息，数据更新周期小于500ms。在风机遇到故障的情况下，能够主动向运营商或者制造商发出报警信息。

（2）历史数据统计：系统能够显示发电量、可利用率、功率曲线、风玫瑰图、故障统计等历史数据信息，同时还需要具备针对上述数据的统计、存储、报表、打印等其他辅助功能。

（3）电网调度传输：系统将风机运行的数据传输到电网调度中心。

（4）风场运行控制：系统在下位机内置入数据发送服务程序，根据配置搜集微控制器内的变量值，打包通过TCP/IP协议发送至监控中心的后台处理服务器，同时接收风场监控中心的控制指令,对风机等设备进行开机、关机、复位及有功、无功控制操作。

（5）其他功能：用户根据自己的实际要求拓展SCADA系统的功能。

图5 风机监控系统主界面

为了满足电网对风电场的调度需求和合理安排风机的日常维护工作，具有风力发电场功率预测系统WPPS(Wind Power Prediction System)的SCADA系统则实现了对陆上和海上风电场短期和中长期发电量的有效预测，其短期预测精度达到90%以上。

在风场功率预测系统研发过程中，首先开发了实时数据监测系统，接收风场SCADA系统提供的风电机组实时运行数据，并设计出了具备可扩展性的数据库存储构架；其次开发了能够获取风场地区的气象部门发布的风速、风向预报的软件模块，为开展中长期功率预测研究提供技术支持。进一步利用数据挖掘技术对获取的风场风速、风向等历史数据做出处理，以得到预测用的模型训练样本数据；最后，利用自回归移动平均模型和神经网络模型建立风电场的发电功率预测模型，实现对不同时间尺度(提供未来1~6h内风电场输出功率预报值和未来24h的风电输出功率小时变化曲线，其中1h预测步长为10min，6h和24h的预测步长为1h)的风电场发电功率进行预测，并建立风电机组功率产出和预测结果的统计、评价系统。

4 低电压穿越

风电机组的低电压穿越功能是为了解决电网的暂态稳定性问题而提出的。所谓“低电压穿越”是指风电机组在电网电压发生跌落期间在一定时间内保持不脱网持续运行的能力，若有可能还应当发出无功支撑电网电压。目前，已经明确规定了风机应具备此项功能，并对跌落幅度与时间进行了定标(见图6)。由于目前国内很多风场的机组并不具备该功能，大规模的设备改造工作已经展开。

图6 风机低电压穿越要求

在电压跌落期间风机保持不脱网，风电系统会经受较大的机械与电气上的暂态冲击，因此如何通过控制算法与硬件配合将这种冲击的影响减至最小将是成功实现低电压穿越的关键因素。在软件仿真的基础上，为了更清楚地了解电网电压跌落期间风机系统各部件的暂态运行情况，2MW全功率低电压穿越测试平台不仅可以模拟风机在整个转速范围内的运行工况，还可以实现电网中压侧幅值时间可控的电压跌落，从而验证系统能否通过电控系统协调控制实现低电压穿越功能。在此基础上，该变流器和主控制系统于2011年通过了电科院的低电压穿越认证。

5 结 语

我国是风能资源较丰富的国家，但实际风电装机容量仅占全国电力装机总容量的3.06%，而风力发电的电控设备主要靠进口，风力发电无论是市场占有率还是在能源结构中的比重，乃至发电设备制造水平，都落后于丹麦、德国等国家。MW级双馈式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化项目可创造数百亿元的产值，并能为减轻能源开发利用对于环境的污染和生态的破坏做出积极的贡献，对打破跨国公司风电机组主控产品对我国风电产业的垄断也具有十分重要的意义,同时也为上海电气发展大型海上风电主控系统奠定了基础。

MW级变速恒频双馈风力发电机组用变流器和主控制器产品自2008年起已在长兴岛、东台、罗平山、启东等多个风电场投入运行，成为国内具有自主知识产权的风电变流器和主控制器供应商之一。