并网型风力发电机控制系统的主控制器设计

夏载军

（江苏省江阴中等专业学校，江苏 江阴 214400）

0 引 言

目前，风力发电成为电力系统中增长速度最快的发电方式。随着风机的单机容量逐渐增大，风力发电技术不断进步，发电成本不断下降，经济性逐步提高。风电系统的主要问题是风能的随机性、间歇性以及电能质量的苛刻要求，若没有自动控制，风力发电系统很难达到电力市场和技术指标所要求的参数性能[1]。

风力发电技术的发展主要体现在并网型风力发电机组控制技术的提高和并网型风力发电机组的大型化[2]。风力发电技术大体上可分为恒速恒频（Constant Speed Constant Frequency，CSCF）和变速恒频（Variable Speed Constant Frequency，VSCF）两大类[3]。恒速恒频系统采用同步发电机或感应发电机，风速变换时系统通过一定的调节保持风力发电机转速恒定，从而使得发电频率保持恒定，该系统具有运行维护方便、简单及投资少等优点[4]。变速恒频发电在发电机的控制中引入了微机信息处理技术、矢量变换控制技术以及电力电子技术，以获得一种高质量的全新电能获取方式[5]。

本文将介绍并网型风力发电机组控制系统的主控制器，包括功能描述、系统构建、控制参数以及励磁系统控制器等。

1 并网型风力发电机组控制系统的主控制器功能描述

本文以CX1020作为主控制器，扩展了其相关功能模块，保证主控处理单元在较高可靠性的基础上控制风电机组的正常运作。整套电控系统的控制采用了分散控制模式，主控系统的主要功能有安全参数实时监测和与各功能模块之间进行数据交换和处理[6]。风力发电机组控制和安全系统的主控制柜硬件及软件由深圳市风发科技发展有限公司开发，主控制器采用德国BECKHOFF的嵌入式工业PC CX1020。CX1020配备有1 GHz的Intel® Celeron® M CPU，这是一种低功耗型CPU，其热设计功率仅为7 W，用CF卡作为启动和存储介质，因此控制器内无需使用旋转介质，增加了整个系统的平均无故障工作时间。图1为功能模块配置图。

图1 功能模块配置图

2 并网型风力发电机组控制系统的主控制器系统构建

主控制器采用了德国BECKHOFF的嵌入式工业PC CX1020，并扩展了相关功能模块，其构成如表1所示。

表1 控制器构成表

主控系统通过总线和各功能模块进行数据交换，其电气连接如图2所示。

图2 主控制器电气连接图

3 并网型风力发电机组控制系统的主控制器控制参数监测

3.1 环境条件监测

环境条件监测的对象主要有风速、风向、温度以及湿度等。输入到控制和安全系统的参数主要有风速和温度，其他气象参数只作为风机设备运行的参考或运行的限制参数[7]。

3.1.1 风 速

风速信号参与风机的自动运行控制和安全控制。正常运行时，需根据风速确定最佳运行范围，大风时监测风速是否超过运行限制，若超过切出风速和极限运行风速，则安全系统触发停机操作。测风仪选用北京飞超风速控制仪器有限责任公司生产的FC-2B风速仪。

3.1.2 机房温度

环境温度的测量来自机房内部的温度传感器。监测温度主要是为了让设备在正常的环境温度下运行。温度传感器选用北京赛亿凌科技有限公司生产的STTT-V型热电偶温度传感器。该型号传感器由外带绝缘的热电偶丝材焊接而成，是测温产品里结构最为简单的一种，响应速度极快，适用于医疗、暖通、制冷以及环境实验等领域的快速温度测量，测量温度范围-200～200 ℃。将该热电偶接入扩展模块EL3314，对机房温度进行实时监测。所有设备需在规定的温度下工作，主要电气设备的工作温度范围为0～30 ℃，储藏温度一般为-30～60 ℃，需在机房安装温度调节器，确保室温处于正常的温度范围。

3.2 设备状态参数监测

各个设备除内部的监测功能外还需加装传感器进行状态参数监测，如转速、主轴轴承温升、振动、变速箱的油温以及发电机轴承的温升等。

3.2.1 转 速

转速是机组控制非常重要的参数，与风速信号相结合得到叶尖速比信号。控制叶尖速比信号在最佳区域可实现机组高效功率输出，大风时控制转速信号不超过安全限制，防止惯性载荷过大，确保机组的安全。

转速传感器位于高速轴上，实际测得的是发电机的转速，因变速箱的变速比为1:5，风轮的转速须在此信号值上乘以1/5。在控制系统中使用此信号需区分两者，转速传感器选用无锡市瑞普科技有限公司的ZSP-5810-600-24VDC-C型增量式光电编码器，对发电机转速进行测量，安装在传动系统高速端（位于电机小桁架处）将测量信号送入主控处理器。

3.2.2 主轴及变速箱轴承温度

机组在运行过程摩擦生热，轴承温度会升高。如果温度过高，轴承的材料力学特性会出现变化，可能会出现结构破坏或失效，因此需要对温度进行监控，温度超限时进行减速或停机控制。温度传感器选用北京赛亿凌科技有限公司生产的STTT-T型热电偶温度传感器。热电偶接入扩展模块EL3314，实时监测主轴两端轴承、变速箱两端轴承及变速箱油温。温度信号输入到控制和安全系统，当发现任何一点温升大于80 ℃时或实时温度超过120 ℃，停止机组的运行，判定轴承的失效性。

3.2.3 主轴振动

主轴振动监测采用加速度传感器，由于主轴质量很大，因此忽略传感器自重产生的影响，测量主轴的振动情况，预防振动过大导致机组结构失效。振动传感器选定朗斯测试技术有限公司LC0701-02，主要技术指标如表2所示。

表2 振动传感器技术指标

当主轴正常运转时，测量的加速度值被标定，如果测得的加速度值大于2倍的标定值则停止运行，检查主轴状况并判定其失效性。

3.2.4 发电机轴承温度

电机运行状态监测主要监测轴承温升。电机外部4个温升监测分别监测4处轴承的温升，电机内部6个温升监测点分别监测6处电枢的发热状况。温度传感器选用美国Omega公司的K型热电偶测温线，型号为TT-K-24，测温范围为-267～260 ℃，适用于任意K型进口或者国产的温度记录仪表。热电偶接入CX1020扩展的热电偶测量模块EL3314，实时监测电机主轴的轴承。将温度信号输入到控制和安全系统，当发现任何一点温升大于80 ℃或实时温度超过120 ℃时，停止机组的运行，对轴承的失效性进行判定。当电枢发热温度超过80 ℃时，停止机组的运行，分析电枢的发热状况。

3.3 电网参数监测

电网参数的监测通过逆变器进行，逆变器根据电网的电压和频率信号将发电机发出的电顺利送到网上，若出现电网失效或异常等情况，机组亦不能并网，触发停机操作。此外，出现下列3种情况时安全系统也会触发停机操作。一是电网脱落，二是电网电压超过控制系统逆变范围，即330 V＜U＜450 V，三是电网频率超过控制系统逆变范围，即49.8 Hz＜f＜ 50.2 Hz。

4 并网型风力发电机组控制系统的主控制器励磁系统控制器

励磁系统控制器是整个风电机组中一个较为重要的子系统[8]。发电机组采用他励开关磁阻发电机，其转子上无线圈，电枢和励磁线圈都在定子上，具有特殊的结构。在励磁线圈中通以励磁电流，通过磁场的能量交换，电枢将机械能转化为电能并输出。在实际应用中通过调节励磁电流的大小，可以增大磁场对转子的阻力矩，降低转子的转速，这个特性被用在发电机组的电磁制动中，以实现对机组风轮的功率调节和安全控制[9-11]。

5 结 论

随着并网风力发电机组的需求持续增长，生产量不断上升，机组性能优化及单机容量的提高，使得生产成本将会越来越低，风力发电将具备与常规能源竞争的能力。许多研究工作都致力于风力发电系统的控制，目的在于优化能量转换效率，实现风力发电机与电网的连接，减轻机械结构的疲劳载荷。如何提高能量转换效率是整个风力发电系统优化控制的关键，风力发电领域的相关人员需高度重视并深入研究探讨，从而促进风力发电的健康持续发展。