(2) 发电机的控制

    

　　发电机的输出功率由励磁来控制。当输出功率小于额定功率时，以固定励磁运行;当输出功率超过额定功率时，则通过调整励磁来调整发电机的输出功率在允许的安全范围内运行。励磁的调整是由控制器调整励磁系统晶闸管的导通角来实现的。

   

　　(3) 交-直-交变频系统的控制

    

　　这里的变频器的概念与普通变频器的概念是不一样的。普通变频器是将电压和频率固定的市电(220/380V，50Hz)，变成频率和电压都可变的电源，以适应各种用电器的需要，如果用于变频调速系统，则电压和频率根据负载的要求不断地改变。相反，这里的变频器则是将风力发电机发出的电压和频率都在不断改变的电能，变成频率和电压都稳定(220/380V，50Hz)的电能，以便与电网的电压及频率相匹配，而使风电机组能并网运行。

  

　　所谓的“交-直-交”变频，是变频方式的一种，是将一种频率和电压的交流电整流成直流电，再通过微机控制电力电子器件，将直流电再逆变成某种频率和电压的交流电的变频方式。其基本原理如图1所示。

   

　　风力发电机发出的三相交流电，经二极管三相全桥整流成直流电后，再由六只绝缘栅双极型电力晶体管(IGBT)，在控制和驱动电路的控制下，逆变成三相交流电并入电网。逆变器的控制一般采用SPWM-VVVF方式，即正弦波脉宽调制式变压变频方式。采用交-直-交系统的变频装置的容量较大，一般要选发电机额定功率的120%以上。

  

　　4.2双馈发电机的控制

  

　　目前的风电机组多采用恒速恒频系统，发电机多采用同步电机或异步感应电机。在风电机组向恒频电网送电时，不需要调速，因为电网频率将强迫控制风轮的转速。在这种情况下，风力机在不同风速下维持或近似维持同一转速。效率下降，被迫降低出力，甚至停机，这显然是不可取的。与之不同的是，无论处于亚同步速或超同步速的双馈发电机都可以在不同的风速下运行，其转速可随风速变化做相应的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，机组效率提高。同时，定子输出功率的电压和频率却可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。

   

　　(1) 双馈电机的工作特性

   

　　双馈电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具有固定频率的对称三相电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交-交变频器或交-直-交变频器供以低频电流。

    

　　当双馈电机定子对称三相绕组由频率为f1(f1=P?n1/60)的三相电源供电时，由于电机转子的转速n=(l-s)n1(s为转差率，n1为气隙中基波旋转磁场的同步速率)。为了实现稳定的机电能量转换，定子磁场与转子磁场应保持相对静止，即应满足:

  

　　ωR=ω1-ω2

  

　　其中:ωR是转子旋转角频率;

  

　　ω1是定子电流形成的旋转磁场的角频率;

  

　　ω2是转子电流形成的旋转磁场的角频率。

  

　　由此可得转子供电频率f2=S?f1，此时定转子旋转磁场均以同步速n1旋转，两者保持相对静止。

    

　　与同步电机相比，双馈电机励磁可调量有三个:一是与同步电机一样，可以调节励磁电流的幅值;二是可以改变励磁电流的频率;三是可以改变励磁电流的相位。通过改变励磁频率，可调节转速。这样在负荷突然变化时，迅速改变电机的转速，充分利用转子的动能，释放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机小。另外，通过调节转子励磁电流的幅值和相位，可达到调节有功功率和无功功率的目的。而同步电机的可调量只有一个，即励磁电流的幅值，所以调节同步电机的励磁一般只能对无功功率进行补偿。与之不同的是双馈电机的励磁除了可以调节电流幅值外，亦可以调节其相位，当转子电流的相位改变时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置就产生一个位移，改变了双馈电机电势与电网电压向量的相对位置，也就改变了电机的功率角。所以双馈电机不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。一般来说，当电机吸收电网的无功功率时，往往功率角变大，使电机的稳定性下降。而双馈电机却可通过调节励磁电流的相位，减小机组的功率角，使机组运行的稳定性提高，从而可多吸收无功功率，克服由于晚间负荷下降，电网电压过高的困难。与之相比，异步发电机却因需从电网吸收无功的励磁电流，与电网并列运行后，造成电网的功率因数变坏。所以双馈电机较同步电机和异步电机都有着更加优越的运行性能。

   

　　(2) 风力发电中双馈电机的控制

   

　　在风力发电中，由于风速变幻莫测，使对其的利用存在一定的困难。所以改善风力发电技术，提高风力发电机组的效率，最充分地利用风能资源，有着十分重要的意义。任何一个风力发电机组都包括作为原动机的风力机和将机械能转变为电能的发电机。其中，作为原动机的风力机，其效率在很大程度上决定了整个风力发电机组的效率，而风力机的效率又在很大程度上取决于其负荷是否处于最佳状态。不管一个风力机是如何精细地设计和施工建造，若它处于过载或久载的状态下，都会损失其效率。从风力机的气动曲线可以看出，存在一个最佳周速比λ，对应一个最佳的效率。所以风力发电机的最佳控制是维持最佳周速比λ。另外，由于要考虑电网对有功功率和无功功率的要求，所以风力机最佳工况时的转速应由其气动曲线及电网的功率指令综合得出。也就是说，风力发电机的转速随风速及负荷的变化应及时作出相应的调整，依靠转子动能的变化，吸收或释放功率，减少对电网的扰动。通过变频器控制器对逆变电路中功率器件的控制。可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值、频率及相位角，达到调节其转速、有功功率和无功功率的目的，既提高了机组的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。图2是按这种控制思路得出的风力发电双馈电机控制系统框图。

   

　　整个控制系统可分为三个单元:转速调整单元、有功功率调整单元、电压调整单元(无功功率调整)。它们分别接受风速和转速、有功功率、无功功率指令，并产生一个综合信号，送给励磁控制装置，改变励磁电流的幅值、频率与相位角，以满足系统的要求。由于双馈电机既可调节有功功率，又可调节无功功率，有风时，机组并网发电;无风时，也可作抑制电网频率和电压波动的补偿装置。

   

　　(3) 双馈风力发电机组应用前景广阔

  

　　综上所述，将双馈电机应用于风力发电中，可以解决风力机转速不可调、机组效率低等问题。另外，由于双馈电机对无功功率、有功功率均可调，对电网可起到稳压、稳频的作用，提高发电质量。与同步机交一直一交系统相比，还有变频装置容量小(一般为发电机额定容量的10～20%)、重量轻的优点，更适合于风力发电机组使用，同时也降低了造价。

    

　　将双馈电机应用于风力发电的设想，不仅在理论上成立，在技术上也是可行的。与现有的风力发电技术相比，无论从经济性，还是可靠性来看，都具有无可替代的优势，具有很强的竞争力，有利于风电机组国产化的进程，其发展前景十分广阔。

   

　　5大型风电场的计算机监控系统

  

　　风力发电技术的发展将带动大型风电场的建设。以大型风力发电机组组成的大型风电场，可为电网提供可再生的绿色能源，也可解决边远地区的能源供应紧张形势，大型风电场的运行管理己提上议事日程。目前，我国各大风电场在引进国外风力发电机组的同时，一般也都配有相应的监控系统。但各有自己的设计思路，致使风电场监控技术互不兼容。如果一个风电场中有多种机型的风电机组的话，就会给风电场的运行管理造成很大困难。因此，国家计委在“九五”科技攻关计划中实施对大型风电机组进行攻关的同时，也把风电场的监控系统列入攻关计划，以期开发出适合我国风电场运行管理的监控系统。本文在对目前国内几个风电场监控系统进行调研分析的基础上，提出我们的总体设计思路。

   

　　5.1 通讯方式

   

　　目前风电场所采用的风电机组都是以大型并网型机组为主，各机组有自己的控制系统，用来采集自然参数，机组自身数据及状态，通过计算、分析、判断而控制机组的启动、停机、调向、刹车和开启油泵等一系列控制和保护动作，能使单台风力发电机组实现全部自动控制，无需人为干预。当这些性能优良的风电机组安装在某一风电场时，集中监控管理各风电机组的运行数据、状态、保护装置动作情况、故障类型等，十分重要。为了实现上述功能，下位机(机组控制机)控制系统应能将机组的数据、状态和故障情况等通过专用的通讯装置和接口电路与中央控制室的上位计算机通讯，同时上位机应能向下位机传达控制指令，由下位机的控制系统执行相应的动作，从而实现远程监控功能。根据风电场运行的实际情况，上、下位机通讯有如下特点:

   

　　①一台上位机能监控多台风电机组的运行，属于一对多通讯方式;

   

　　②下位机应能独立运行，并能对上位机通讯;

  

　　③上、下位机之间的安装距离较远，超过500m;

   

　　④下位机之间的安装距离也较远，超过100m;

  

　　⑤上、下位机之间的通讯软件必须协调一致，并应开发出工业控制专用功能。

  

  

    

来源：中国自动化网