双馈风电机组主控系统设计与实现

文 | 丁桂林，叶伟，万宇宾，符伟杰，吉天平



双馈风电机组主控系统设计与实现

文 | 丁桂林，叶伟，万宇宾，符伟杰，吉天平

地球蕴藏的风力资源十分丰富，具有广阔的开发前景。2015年，全国风电产业继续保持强劲增长势头，全年风电新增装机容量3297万千瓦，新增装机容量再创历史新高，累计并网装机容量达到1.29亿千瓦，占全部发电装机容量的8.6%，其中双馈风电机组为主流机型。为了能够尽可能多地捕获风能，同时将机械载荷控制在合理的范围，必须设计性能优良的主控系统。

双馈风电机组控制原理

双馈风电机组基本控制原理为：低风速下，通过改变发电机转矩给定调节风轮转速，实现风能捕获最大化；中等风速下，达到额定转速时，通过动态调节转矩给定，使转速保持在额定值；高风速下，转矩给定达到额定值，通过桨距控制调节风轮转速，此时转矩给定轻微波动并与转速波动成反比，以维持额定功率输出。当发电机转速介于最小稳态运行转速和最大稳态运行转速之间，桨距角给定被设置为最小桨距角，并根据转速反馈计算发电机转矩给定，使机组维持最优叶尖速比和最大功率系数。

算法控制器设计

在额定风速以下，采用转矩速度PI控制器，根据转速误差调节发电机转矩给定。转矩速度PI控制器通过线性控制设计获得，PI控制器可表示为如下形式：

其中：Kq为比例增益，Tq为积分时间常数，积分增益为Kq/ Tq。为了避免将可能激发共振的频率引入转矩给定信号，采用两个二阶带阻滤波器对转速反馈信号进行滤波，带阻滤波器采用如下形式：

同时采用一个二阶低通滤波器对转速反馈信号滤波，以降低控制器对高频噪声及扰动的敏感性，二阶低通滤波器采用如下形式：

在转矩给定中加入一个额外的传动链加阻分量，可使传动链扭转振动得到有效抑制，从而显著降低齿轮箱载荷。传动链加阻分量可利用发电机转速反馈，经由一个带通滤波器和两个带阻滤波器得到。

在额定风速以上，发电机转矩给定达到额定值后，采用桨距速度PI控制器，根据发电机转速反馈调节桨距给定，使发电机转速保持在额定转速。此外采用一个低通滤波器对转速反馈信号滤波，以降低控制器对高频噪声及扰动的敏感性。桨距PI控制器可表示为如下形式：

其中：Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，在每个采样周期内，比例增益和积分时间常数根据当前桨距角β插补得到。

包含上述主要控制器的发电控制结构框图如图1所示。

CPU选型及主控系统实现

目前，双馈风电机组主控系统CPU计算功能主要由PLC（可逻辑编程控制器）实现。本文选用巴赫曼公司的MPC270系列PLC为核心处理器，巴赫曼控制器是来自奥地利的工业自动化控制设备，被称为风电机组专用控制器。它基于Vxworks的实时操作系统，支持多任务，具有强大的内存管理、界面编程等功能。巴赫曼公司提供的SolutionCenter软件，是支持巴赫曼控制器的编译环境。通过此软件可以使用C/C++编程并且生成可执行文件下载到控制器；也可以查看控制器的配置信息，以及控制器内运行的程序信息等；还可通过自带的Java编译环境，编写与控制器关联的界面程序。

双馈变速恒频风电机组主要功能包括：风电机组运行状态切换控制、功率变流器转矩给定控制、变桨控制、偏航和解缆控制、发电机状态监控、齿轮箱状态监控、液压系统状态监控、主轴和偏航系统自动润滑监控、水冷系统状态监控、风电机组传动链振动状态监控、风电机组环境控制、风电机组重要传感器信号的采集和控制、箱变状态监控、消防和防盗系统监控、人机接口、与远程监控系统接口、风电机组安全链保护等。

整机控制系统采用CAN总线技术，建立PLC与外围设备，如变流器、电网监视器、变桨系统、偏航系统、振动监视单元等的连接，超声波风速仪可选用串口或4mA-20mA模拟量通信。可以通过人机交互界面来读取风电机组的运行状态等信息及设置运行参数，塔基与机舱均预留以太网接口，以备技术人员调试。塔基与机舱之间采用FASTBUS（巴赫曼公司开发的快速通信技术）快速光纤通信技术实现数据交换，采用MODBUS技术实现风电场监控室与风电机组之间的通信，风电机组之间组成环网并连接到中央控制室，以方便业主实时监控风电场各机组的运行状态和运行数据。以上组成了一个功能完善、技术先进的分布式网络控制系统，如图2所示，图中CPU即为巴赫曼公司的MPC270系列PLC，I/O可以根据需求选用。

双馈风电机组稳态特性及风电场运行

本文设计的主控系统在中车株洲电力机车研究所有限公司自主研发的某型2MW双馈风电机组上得到了应用。可以利用GH公司的Bladed软件设计风电机组的稳态特性，机组的稳态功率、转速与风速曲线如图3所示。机组的最大稳态功率为2WM，切入风速为3m/s,切出风速为23m/s，机组的最小稳态运行转速设计为700rpm，最大稳态运行转速为1200rpm。

某型2MW双馈风电机组在风电场已经投入运行，主控系统运行状态良好。在变化风速下，无论是发电机的转速、桨距角和功率都能及时响应风速的变化，分别如图4、图5、图6、图7所示（采样频率为1s,横轴均为时间轴）。

如图4，风速处于6m/s - 20m/s之间，变化较大。

发电机转速如图5所示，且已经达到最大稳态转速，在1200rpm左右波动。

桨距角如图6所示，在桨距速度PI控制器的作用下，控制系统根据发电机转速反馈调节桨距给定，桨距角正常动作。

功率如图7所示，机组已经达到最大稳态功率（2MW），且波动较小。由此可见本文设计的主控系统具有动态调节性能优良、响应速度快等特点。

结语

本文提出了一种双馈风电机组主控系统设计，具体描述了控制系统的设计过程，给出了发电控制结构和实现过程。本文提出的设计应用于某型2MW风电机组，从现场运行情况来看，动态性能优良，能有效提高发电量，降低风电机组关键部件的疲劳载荷，达到了预期的目标。

（作者单位：中车株洲电力机车研究所有限公司）