独立变桨控制对大功率风力发电机振动影响

肖博汉

摘 要：随着风力机功率的越来越大，结构越来越大，国产化风力发电机振动问题逐渐显现出来。以国产兆瓦级风力发电机组为依托，研究大型风力发电机组独立变桨距控制技术，并以此为基础研究独立变桨控制对大功率风力发电机振动影响。

关键词：独立变桨控制；振动；大功率风力发电机

本文根据在风机制造车间及风场对风机调试及排故的心得、经验加以全面、系统的归纳和总结。详细的阐述了风力发电机组静态调试、动态调试的基本方法及注意要点，并着重介绍了风机排故的一般步骤、注意要点及其原则和方法。经实践证明，文中的许多调试及排故观点和方法对风机的调试及其故障的处理具有一定的指导意义，并对于其它电气设备的调试及故障处理也有一定的借鉴意义。

一、风电控制系统简述

风电控制系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心，实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能；每台风力发电机组配有就地HMI人机接口以实现就地操作、调试和维护机组；高速环型冗余光纤以太网是系统的数据高速公路，将机组的实时数据送至上位机界面；上位机操作员站是风电厂的运行监视核心，并具备完善的机组状态监视、参数报警，实时/历史数据的记录显示等功能，操作员在控制室内实现对风场所有机组的运行监视及操作。

风力发电机组控制单元（WPCU）是每台风机的控制核心，分散布置在机组的塔筒和机舱内。由于风电机组现场运行环境恶劣，对控制系统的可靠性要求非常高，而风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计，应具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等能力。

（一）变桨距系统

大型MW级以上风电机组通常采用液压变桨系统或电动变桨系统。变桨系统由前端控制器对3个风机叶片的桨距驱动装置进行控制，其是主控制器的执行单元，采用 CANOPEN与主控制器进行通讯，以调节3个叶片的桨距工作在最佳状态。变桨系统有后备电源系统和安全链保护，保证在危急工况下紧急停机。

（二）变流器系统

大型风力发电机组目前普遍采用大功率的变流器以实现发电能源的变换，变流器系统通过现场总线与主控制器进行通讯，实现机组的转速、有功功率和无功功率的调节。

（三）现场触摸屏站

现场触摸屏站是机组监控的就地操作站，实现风力机组的就地参数设置、设备调试、维护等功能，是机组控制系统的现场上位机操作员站。

（四）后备危急安全链系统

后备危急安全链系统独立于计算机系统的硬件保护措施，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。安全链是将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串联成一个回路，当安全链动作后将引起紧急停机，机组脱网，从而最大限度地保证机组的安全。

所有风电机组通过光纤以太网连接至主控室的上位机操作员站，实现整个风场的远程监控。

二、风电控制系统基本功能

1、数据采集（DAS）功能：包括采集电网、气象、机组参数，实现控制、报警、记录、曲线功能等；

2、机组控制功能：包括自动启动机组、并网控制、转速控制、功率控制、无功补偿控制、自动对风控制、解缆控制、自动脱网、安全停机控制等；

3、远程监控系统功能：包括机组参数、相关设备状态的监控，历史和实时曲线功能，机组运行状况的累计监测等。

三、风电控制系统辅助设备逻辑

（一）发电机系统

监控发电机运行参数，通过3台冷却风扇和4台电加热器，控制发电机线圈温度、轴承温度、滑环室温度在适当的范围内，相关逻辑如下：当发电机温度升高至某设定值后，起动冷却风扇，当温度降低到某设定值时，停止风扇运行；当发电机温度过高或过低并超限后，发出报警信号，并执行安全停机程序。

当温度越低至某设定值后，起动电加热器，温度升高至某设定值后时，停止加热器运行；同时电加热器也用于控制发电机的温度端差在合理的范围内。

（二）液压系统

机组的液压系统用于偏航系统刹车、机械刹车盘驱动。机组正常时，需维持额定压力区间运行。 液压泵控制液压系统压力，当压力下降至设定值后，启动油泵运行，当压力升高至某设定值后，停泵。

（三）电动变桨距系统

变桨距系统包括每个叶片上的电机、驱动器、以及主控制PLC等部件，该PLC通过CAN总线和机组的主控系统通讯，是风电控制系统中桨距调节控制单元，变桨距系统有后备DO顺桨控制接口。桨距系统的主要功能如下： 紧急刹车顺桨 系统控制，在紧急情况下，实现风机顺桨控制。

四、结语

为提高风力机发电系统的风能利用效率、改善输出电能质量，针对变速变桨风力发电机组的控制问题，以混杂系统理论为核心，建立了应用于变速变桨风力机组的混杂自动机控制结构。同时，结合模糊控制理论，给出控制器的算法。通过对该控制结构和控制算法的仿真表明，与常规的控制方法相比，采用混杂自动机控制结构和控制算法控制变速变桨风力机组，既提高了风能的利用效率，又很好地改善了风力机输出电能质量，实际控制效果良好。

参考文献：

[1]何玉林，苏东旭，黄帅，任海军，陈真.变速变桨风力发电机组的桨距控制及载荷优化[J].电力系统保护与控制，2011（16）.

[2]高俊云，连晋华.风电机组塔筒振动的分析與测量[J].风能，2011

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