MW 級雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)

吳潔 上海電氣輸配電技術(shù)中心 (200042）

吳潔（1986年～），女，工學碩士?，F(xiàn)主要從事風電并網(wǎng)運行分析與控制、雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的研究。

0 引言

風能是一種清潔環(huán)保的可再生能源，也是解決能源問題的重要途徑之一。近年來，風能保持著世界增長最快能源的地位。隨著風電技術(shù)的發(fā)展，為了進一步降低風電成本，風力發(fā)電機組逐步朝著單臺大容量方向發(fā)展。MW級雙饋式風電機組已成為國內(nèi)陸上風電的主力機型。雙饋風力發(fā)電機組定子和電網(wǎng)直接相連接，轉(zhuǎn)子和功率變換器相連接，通過變換器的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率，這是各種傳動系統(tǒng)中效率比較高的，而變速調(diào)節(jié)主要用來響應快速變化的風速，可以實現(xiàn)發(fā)電機平滑的功率輸出和功率因數(shù)在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。該結(jié)構(gòu)適合于調(diào)速范圍不寬的風力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是大、中容量的風力發(fā)電系統(tǒng)。

雙饋風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)復雜，主要包括以下幾個部分：塔架、葉片、風輪機、齒輪箱、傳動軸、雙饋異步發(fā)電機、變流器、電網(wǎng)接入系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)與遠程監(jiān)控系統(tǒng)等。在整個雙饋風力發(fā)電機組當中，機組控制是其中的一個非常關(guān)鍵的技術(shù)，也是雙饋風力發(fā)電的技術(shù)核心之一。目前國內(nèi)MW級風電機組采用的變流器大多還是引進組裝，成本居高。我們對風力發(fā)電技術(shù)進行了長期的跟蹤和研究，在引進、消化、吸收國外先進技術(shù)的基礎上，開發(fā)出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的MW級變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組用變流器和主控制器已達到國際先進水平。

SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，是以計算機為基礎的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。風電場SCADA系統(tǒng)用于中控站對整個風場機組的監(jiān)控以及數(shù)據(jù)的記錄分析，包括風機運行記錄、風玫瑰圖數(shù)據(jù)、風電機組發(fā)電功率曲線、風機運行故障代碼及風機運行的各項操作等，是用戶查詢系統(tǒng)風機當前及歷史數(shù)據(jù)的重要工具。輸配電自主研發(fā)了帶功率預測功能的SCADA系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備強大的用戶個性化定制功能，并具備風電場短期和中長期發(fā)電量預測功能。

為了提高風電機組電網(wǎng)接入可靠性，風電場接入標準明確規(guī)定了風電機組應具有低電壓穿越功能，該功能是針對電網(wǎng)受到暫態(tài)擾動（如雷擊線路、電弧故障、局部短路故障等）出現(xiàn)電壓跌落時，機組能在一定的時間內(nèi)保持并網(wǎng)狀態(tài)，為電網(wǎng)恢復留出一定的時間，避免因機組大面積脫網(wǎng)而造成電網(wǎng)的二次擾動。輸配電自主研發(fā)的變流器采用能量泄放組件Crowbar加Chopper的拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)低電壓穿越期間的能量釋放，同時變流器控制系統(tǒng)針對低電壓期間的電網(wǎng)無功需求，控制機組輸出無功，支撐電網(wǎng)電壓，該方案是目前風力發(fā)電機組低電壓穿越的主流技術(shù)方案，其穿越功能高效可靠，同時又能有效控制低電壓穿越模塊的硬件成本。

這里從主控制器、變流器、SCADA系統(tǒng)、低電壓穿越四個方面介紹典型的MW級雙饋風力發(fā)電機組系統(tǒng)。

1 主控制器

風力發(fā)電機組的主控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)，是風機的大腦，控制風機的所有設備的啟停。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風況和機組運行參數(shù)，對機組進行并網(wǎng)與離網(wǎng)控制，以確保運行過程的安全性與可靠性，而且還要根據(jù)風速與風向的變化，對機組進行優(yōu)化控制，以提高機組的運行效率和發(fā)電量。

主控制系統(tǒng)分塔頂柜和塔底柜，塔底柜（圖1左）運行所有的控制程序，包括數(shù)據(jù)運算和統(tǒng)計功能，發(fā)送風機各個設備的啟停指令；實現(xiàn)對電網(wǎng)的監(jiān)控，包括電網(wǎng)電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、三相均衡等監(jiān)控；對過壓與欠壓、過流與欠流、過頻與低頻、功率因數(shù)偏離正常值、電壓缺相等故障發(fā)出報警及停機指令，通過柜門上的人機界面來實現(xiàn)用戶對風機的各種控制；實現(xiàn)與機艙柜、變流器、中控室之間的通訊，并支持多種通訊方式。塔頂柜（圖1右）實現(xiàn)對風速、風向，塔筒振動頻率、主軸轉(zhuǎn)速、發(fā)電機溫度、齒輪箱溫度、潤滑油溫度、機艙內(nèi)溫度等各種參數(shù)的監(jiān)控；控制機艙內(nèi)加熱設備和冷卻設備的啟停，實現(xiàn)與變槳系統(tǒng)、塔底柜的通訊。

主控制系統(tǒng)采用了可編程計算機控制器PCC，與常規(guī)PLC相比較，PCC最大的特點在于分時多任務操作系統(tǒng)和多樣化的應用軟件的設計，這樣應用程序的運行周期則與程序長短無關(guān)，而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定。由此，它將應用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區(qū)別開來，滿足了真正實時控制的要求。當然，這種控制周期可以在CPU運算能力允許的前提下，按照用戶的實際要求，任意調(diào)整。故PCC完全能夠適應風電行業(yè)的控制需要。

為了構(gòu)建更加安全的生產(chǎn)環(huán)境，主控制系統(tǒng)還使用了獨立的安全控制器，該安全控制系統(tǒng)使用工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet Power link為安全現(xiàn)場總線，保護對象包含輸入輸出接口、電源、伺服系統(tǒng)、軟件設計等各個方面，是一套全集成的安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要依賴安全鏈在危急情況下及時斷開實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護作用，安全鏈采用反邏輯設計，將可能對風機造成致命傷害的重要機構(gòu)部件的控制端串聯(lián)成一個回路。當回路中任意一個觸點發(fā)生故障，安全鏈斷開，引起緊急停機、執(zhí)行機構(gòu)失電、風機瞬間脫網(wǎng)、從而最大限度地保證風機的安全。

圖1 主控柜

用系統(tǒng)建模仿真分析和設計是國際上通行技術(shù)開發(fā)應用的慣例和手段。輸配電集團以Matlab為平臺建立控制系統(tǒng)的仿真模型和以Blanded為平臺建立風機系統(tǒng)各子系統(tǒng)的詳細模型及傳遞函數(shù)，用于研究風機在各種工況下的動、靜態(tài)特性，這是研制風機主控制器先進控制策略的第一步。根據(jù)風機葉片、塔架、傳動鏈及發(fā)電機固有特性，得到以減小機械載荷和疲勞為條件的風機最佳功率曲線，將風機功率曲線分區(qū)域采取變結(jié)構(gòu)PID控制，以獲得發(fā)電機輸出最大功率。同時，設計了使系統(tǒng)響應最快，發(fā)電機輸出功率變化率最小的策略，使風速突變對電網(wǎng)的影響最小。該系統(tǒng)帶有風機運行的實時監(jiān)控、狀態(tài)檢測與越線報警及歷史事件記錄庫。具備與上級監(jiān)控系統(tǒng)連接遠程控制功能、與各閉環(huán)控制子系統(tǒng)之間的通訊及控制、與保護系統(tǒng)之間的聯(lián)絡、良好的人機交互等功能。當有故障發(fā)生時，安全保護系統(tǒng)能使風機維持在安全狀態(tài)，并可進行故障自診斷及遠程復位。

2 變流器

變流器是風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，其主要功能是完成對發(fā)電機的輸出功率控制以及并網(wǎng)控制。變流器一般由電力電子變流電路與相應的DSP控制系統(tǒng)組成。電力電子變流電路是完成交/直流變換與電壓電流幅頻控制的執(zhí)行機構(gòu)，主要由電力電子開關(guān)、電力二極管、電力電容器、電抗器等器件構(gòu)成。DSP控制系統(tǒng)是變流器的大腦，主要功能是實現(xiàn)對電力電子變流電路中相關(guān)器件以及其他外圍設備的控制，并與風力發(fā)電主控制器進行實時數(shù)據(jù)交互。

風電變流系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，連接雙饋發(fā)電機網(wǎng)側(cè)的變流器用于維持直流電容電壓穩(wěn)定；連接轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器用于雙饋電機的轉(zhuǎn)子勵磁，實現(xiàn)雙饋電機變速恒頻控制及能量雙向流動，滿足電機不同轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)的要求。轉(zhuǎn)子側(cè)裝有由三相整流橋、IGBT、放電電阻及吸收電路構(gòu)成的能量泄放組件（Crowbar）裝置，用于電網(wǎng)電壓跌落時的低電壓穿越用，保證定子側(cè)短時低電壓狀態(tài)下機組不脫網(wǎng)，持續(xù)運行，提高機組運行的可靠性；直流電容側(cè)裝有預充電回路，用于機組啟動時的直流電容預充電。同時直流電容側(cè)還裝有由IGBT和放電電阻串聯(lián)構(gòu)成的能量泄放組件（Chopper）裝置，用于能量突變導致直流側(cè)電壓過高時泄放能量，以保護直流側(cè)電容；在網(wǎng)側(cè)變流器前，安裝諧振式濾波器。在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器后，裝有du/dt濾波器，用于濾除開關(guān)頻率附近的電壓諧波。另外，在定子側(cè)裝有接觸器與斷路器，其中接觸器用于機組并網(wǎng)及脫網(wǎng)，斷路器則實現(xiàn)過流、短路等保護動作?？刂茊卧?，采用數(shù)字信號處理器(DSP)與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)構(gòu)成嵌入式控制系統(tǒng)，能夠高速高效地實現(xiàn)各種控制算法。

圖2 變頻器的硬件電路

在軟件設計方面，變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的運行目標主要有兩個，首先是實現(xiàn)最大風能追蹤，其核心是對雙饋異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速或者是有功功率的控制；其次是對雙饋異步發(fā)電機定子輸出無功功率的控制。雙饋異步發(fā)電機的有功和無功功率與轉(zhuǎn)子電流密切相關(guān)，所以這兩個目標又是通過轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器對雙饋異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的有效控制來實現(xiàn)的。由此可見,雙饋異步發(fā)電機是控制的對象，轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器是控制指令的執(zhí)行者。為了對控制對象實現(xiàn)有效控制，轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器的控制應以雙饋異步發(fā)電機的數(shù)學模型為基礎來進行設計。與普通的三相交流電機一樣，三相靜止坐標系下雙饋異步發(fā)電機的數(shù)學模型是一個高階、多變量、非線性、強耦合的系統(tǒng)，很難進行控制系統(tǒng)的分析與設計。為了實現(xiàn)對雙饋異步發(fā)電機有功、無功功率的有效控制，二者必須解耦，因而可把交流調(diào)速中的矢量控制技術(shù)應用于雙饋異步發(fā)電機的有功、無功解耦控制中，即通過旋轉(zhuǎn)坐標系變換，將轉(zhuǎn)子電流分解成d軸分量和q軸分量，使轉(zhuǎn)子電流的有功分量與無功分量實現(xiàn)解耦，控制轉(zhuǎn)子電流的有功分量和無功分量就可以實現(xiàn)雙饋異步發(fā)電機的有功功率和無功功率的解耦控制，從而實現(xiàn)變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的兩個目標。

變流器采用SVPWM四象限空間矢量調(diào)制技術(shù)(Space Vector Pulse Width Modulation)，與常規(guī)的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)相比具有直流母線電壓利用率高，電流波形畸變小和易于實現(xiàn)數(shù)字化等優(yōu)點，在電力電子與電氣傳動領域獲得越來越廣泛的應用。采用SVPWM技術(shù)而不做過調(diào)制處理時，變流器輸出交流線電壓基波的最大值為直流母線電壓，因而比采用一般的SPWM的變流器的輸出交流電壓高了15%。

在風速變化情況下，變流器可實現(xiàn)功率的平滑控制，同時可根據(jù)實時情況進行有功無功調(diào)節(jié)，有效抑制電網(wǎng)電壓波動，設計了低電壓穿越與三相不平衡控制模塊，強化了對國內(nèi)各種惡劣電網(wǎng)條件的適應能力。變流器具有多種通訊接口，如以太網(wǎng)、CAN、GPRS及RS232等，接口協(xié)議完善，可進行遠程監(jiān)控；此外變流器具有完備的故障冗余和保護功能，保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定可靠高效運行。針對特殊工作環(huán)境，如低溫、高原、海上等研制了具備相應耐受能力的系列產(chǎn)品，以滿足用戶不同的需求。變流器用戶界面操作簡單、快捷?？蛇M行常規(guī)參量的在線監(jiān)測、參數(shù)設置、故障報警和信息查閱等操作。

3 帶功率預測的風場SCADA系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。它在電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領域中得到了廣泛的應用。輸配電設計的SCADA系統(tǒng)針對目前國內(nèi)大規(guī)模風電場的需要，采用了雙環(huán)路冗余配置的SCADA通訊網(wǎng)絡、通用的通訊協(xié)議、模塊化的軟件設計思路和功能強大的實時/歷史數(shù)據(jù)庫，具有很強的通用性和擴展性，能滿足現(xiàn)有和將來用戶的不同需求。系統(tǒng)主要由主站（上位機）、交換機、網(wǎng)絡通道和若干風機控制器（下位機）組成，其硬件構(gòu)架的設計如圖3。

圖3 SCADA系統(tǒng)硬件架構(gòu)

就SCADA 軟件而言，市場上大多采取封閉式的軟件，即軟件對下位和控制器綁定，對軟件內(nèi)部采用專屬結(jié)構(gòu)開發(fā)，對上層接口開放程度差?；谠撔袠I(yè)的現(xiàn)狀，輸配電研發(fā)了基于開放式平臺、具有分布式多層架構(gòu)、適應于國內(nèi)風電的SCADA系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)軟件構(gòu)架設計如圖4所示。該系統(tǒng)具備以下5項功能。圖5為SCADA系統(tǒng)人機交互主界面。

圖4 SCADA系統(tǒng)軟件構(gòu)架的設計

（1）運行實時監(jiān)測：系統(tǒng)可以實時顯示每一臺風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)包括：功率、風速、風向、槳距角、功率因數(shù)等實時數(shù)據(jù)。風電場實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用TCP/IP協(xié)議通過千兆局域網(wǎng)絡采集這些信息，數(shù)據(jù)更新周期小于500ms。在風機遇到故障的情況下，能夠主動向運營商或者制造商發(fā)出報警信息。

（2）歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計：系統(tǒng)能夠顯示發(fā)電量、可利用率、功率曲線、風玫瑰圖、故障統(tǒng)計等歷史數(shù)據(jù)信息，同時還需要具備針對上述數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、存儲、報表、打印等其他輔助功能。

（3）電網(wǎng)調(diào)度傳輸：系統(tǒng)將風機運行的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)調(diào)度中心。

（4）風場運行控制：系統(tǒng)在下位機內(nèi)置入數(shù)據(jù)發(fā)送服務程序，根據(jù)配置搜集微控制器內(nèi)的變量值，打包通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送至監(jiān)控中心的后臺處理服務器，同時接收風場監(jiān)控中心的控制指令,對風機等設備進行開機、關(guān)機、復位及有功、無功控制操作。

（5）其他功能：用戶根據(jù)自己的實際要求拓展SCADA系統(tǒng)的功能。

圖5 風機監(jiān)控系統(tǒng)主界面

為了滿足電網(wǎng)對風電場的調(diào)度需求和合理安排風機的日常維護工作，具有風力發(fā)電場功率預測系統(tǒng)WPPS(Wind Power Prediction System)的SCADA系統(tǒng)則實現(xiàn)了對陸上和海上風電場短期和中長期發(fā)電量的有效預測，其短期預測精度達到90%以上。

在風場功率預測系統(tǒng)研發(fā)過程中，首先開發(fā)了實時數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，接收風場SCADA系統(tǒng)提供的風電機組實時運行數(shù)據(jù)，并設計出了具備可擴展性的數(shù)據(jù)庫存儲構(gòu)架；其次開發(fā)了能夠獲取風場地區(qū)的氣象部門發(fā)布的風速、風向預報的軟件模塊，為開展中長期功率預測研究提供技術(shù)支持。進一步利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對獲取的風場風速、風向等歷史數(shù)據(jù)做出處理，以得到預測用的模型訓練樣本數(shù)據(jù)；最后，利用自回歸移動平均模型和神經(jīng)網(wǎng)絡模型建立風電場的發(fā)電功率預測模型，實現(xiàn)對不同時間尺度(提供未來1~6h內(nèi)風電場輸出功率預報值和未來24h的風電輸出功率小時變化曲線，其中1h預測步長為10min，6h和24h的預測步長為1h)的風電場發(fā)電功率進行預測，并建立風電機組功率產(chǎn)出和預測結(jié)果的統(tǒng)計、評價系統(tǒng)。

4 低電壓穿越

風電機組的低電壓穿越功能是為了解決電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性問題而提出的。所謂“低電壓穿越”是指風電機組在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落期間在一定時間內(nèi)保持不脫網(wǎng)持續(xù)運行的能力，若有可能還應當發(fā)出無功支撐電網(wǎng)電壓。目前，已經(jīng)明確規(guī)定了風機應具備此項功能，并對跌落幅度與時間進行了定標(見圖6)。由于目前國內(nèi)很多風場的機組并不具備該功能，大規(guī)模的設備改造工作已經(jīng)展開。

圖6 風機低電壓穿越要求

在電壓跌落期間風機保持不脫網(wǎng)，風電系統(tǒng)會經(jīng)受較大的機械與電氣上的暫態(tài)沖擊，因此如何通過控制算法與硬件配合將這種沖擊的影響減至最小將是成功實現(xiàn)低電壓穿越的關(guān)鍵因素。在軟件仿真的基礎上，為了更清楚地了解電網(wǎng)電壓跌落期間風機系統(tǒng)各部件的暫態(tài)運行情況，2MW全功率低電壓穿越測試平臺不僅可以模擬風機在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的運行工況，還可以實現(xiàn)電網(wǎng)中壓側(cè)幅值時間可控的電壓跌落，從而驗證系統(tǒng)能否通過電控系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)低電壓穿越功能。在此基礎上，該變流器和主控制系統(tǒng)于2011年通過了電科院的低電壓穿越認證。

5 結(jié) 語

我國是風能資源較豐富的國家，但實際風電裝機容量僅占全國電力裝機總?cè)萘康?.06%，而風力發(fā)電的電控設備主要靠進口，風力發(fā)電無論是市場占有率還是在能源結(jié)構(gòu)中的比重，乃至發(fā)電設備制造水平，都落后于丹麥、德國等國家。MW級雙饋式風電機組控制系統(tǒng)及變流器的研制及產(chǎn)業(yè)化項目可創(chuàng)造數(shù)百億元的產(chǎn)值，并能為減輕能源開發(fā)利用對于環(huán)境的污染和生態(tài)的破壞做出積極的貢獻，對打破跨國公司風電機組主控產(chǎn)品對我國風電產(chǎn)業(yè)的壟斷也具有十分重要的意義,同時也為上海電氣發(fā)展大型海上風電主控系統(tǒng)奠定了基礎。

MW級變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組用變流器和主控制器產(chǎn)品自2008年起已在長興島、東臺、羅平山、啟東等多個風電場投入運行，成為國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的風電變流器和主控制器供應商之一。