淺談風力發(fā)電設備電控系統(tǒng)

　　風能是世界上使用最為廣泛和發(fā)展最快的可再生能源之一。截至2010年底，中國全年風力發(fā)電新增裝機達1600萬千瓦，累計裝機容量達到4182.7萬千瓦，首次超過美國，躍居世界第一，成為全球風電裝備最大的消費者和生產(chǎn)者。風電已經(jīng)成為中國經(jīng)濟發(fā)展的亮點，并具備主導世界市場的潛能，將成為第二大主力電源。

大紅大紫的風電行業(yè)吸引了大批國內(nèi)機電制造商進入，造成整機產(chǎn)能明顯過剩。目前中國已經(jīng)形成年產(chǎn)2500萬兆瓦的風機制造能力，而全國超過80家風電整機制造商中，僅華銳、金風和東方電氣等六大廠商2010年產(chǎn)能總量即已超過1700萬兆瓦，已超過去年國內(nèi)需求。

風力發(fā)電機組電控系統(tǒng)

　　風力發(fā)電機組的電控系統(tǒng)主要分為五個部分：電源系統(tǒng)、變速恒頻控制系統(tǒng)、偏航控制系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)和主控系統(tǒng)。

風力發(fā)電機組電源

        發(fā)電機和變流器為交流690V電源，通過箱式變壓器升壓接入風場電網(wǎng)。

變速恒頻控制系統(tǒng)

1、發(fā)電機

        風機把旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)換為電能。在風機中有雙饋異步發(fā)電機和永磁發(fā)電機兩種形式。

        雙饋異步發(fā)電機是指將定、轉(zhuǎn)子三相繞組分別接入獨立的三相對稱電源，定子繞組直接和電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組和頻率、幅值、相位都可以按照要求進行調(diào)節(jié)的變流器（變頻器）相連。變流器通過直流環(huán)節(jié)和逆變器與電網(wǎng)連接，控制電機在亞同步和超同步轉(zhuǎn)速下都保持發(fā)電狀態(tài)并隨著風速的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，進行能量交換。

        永磁發(fā)電機技術只是在最近才成為風電行業(yè)的新寵。過去，全球頂尖的風機制造商只使用雙饋異步發(fā)電機技術，如今他們已經(jīng)紛紛開始啟用永磁發(fā)電機。此外，行業(yè)專家的多項獨立研究已經(jīng)證明永磁發(fā)電機是未來首選的技術。

2、變流器

        變流器是風力發(fā)電機組的重要組成部分，通過變流器的作用將不斷變化的風能轉(zhuǎn)換為頻率、電壓恒定的交流電饋入電網(wǎng)，保證風力發(fā)電機組穩(wěn)定可靠的并網(wǎng)運行。

        變流器根據(jù)發(fā)電機形式分為雙饋變流器和全功率變流器。雙饋變流器應用于雙饋異步發(fā)電機，全功率變流器則用于永磁發(fā)電機。

風電變流器在風電設備市場的快速發(fā)展帶動下，增長迅猛。2009年達到34.5億元左右，2010年超過40億元。目前給國內(nèi)主要的風電整機廠商供貨的變流器企業(yè)主要是國際企業(yè)，國內(nèi)的風電變流器還在風場小規(guī)模應用階段。華銳的變流器主要是從美國超導購進，近年也在自行研發(fā)生產(chǎn)配套變流器；金風有the switch、ABB和Converteam多家供貨，目前由金風科創(chuàng)自行研發(fā)配套；東方電氣應用ABB和Converteam變流器，成都阜特也為其配套，東方電氣自動化及東方日立也研發(fā)生產(chǎn)變流器配套；而其他的企業(yè)多應用ABB和Converteam的風電變流器。艾默生由于進入風電行業(yè)相對較晚，預計年應用規(guī)模在1億左右。

        目前國內(nèi)做風電變流器的企業(yè)有合肥陽光、科諾偉業(yè)、南車株洲、北車永濟電機、清能華福、龍源電氣、東方日立、成都阜特、禾望電氣、眾業(yè)達、上海海得、哈爾濱九洲、山東新風光、天津瑞能等眾多企業(yè)。其中東方日立在東汽的風電機組上已有大量應用，天津瑞能、合肥陽光也有了一些應用，清能華福預計在2010年有較大批量的應用，南車株洲有了少量的應用，其它企業(yè)則在測試階段。

偏航控制系統(tǒng)

        偏航控制系統(tǒng)是通過風向標控制使風機對準風向。機艙通過電氣驅(qū)動相對于塔架旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動器固定在主機架上，通過一個正齒輪在與塔架連接的大齒圈上動作。控制方式采用一臺變頻器拖動四臺變頻電機的方式，開環(huán)控制。機艙位置檢測裝置是一個增量型的編碼器，通過該編碼器可以檢測到機艙的當前位置。通過與風向檢測裝置的風向信號進行比較，實現(xiàn)偏航系統(tǒng)的準確對風。

變漿系統(tǒng)

        風力發(fā)電機并網(wǎng)以后，控制系統(tǒng)根據(jù)風速的變化，通過槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)，改變槳葉攻角以調(diào)整輸出電功率，更有效地利用風能。在額定風速以下時，此時葉片攻角在零度附近，可認為等同于定槳距風力發(fā)電機，發(fā)電機的輸出功率隨風速的變化而變化。當風速達到額定風速以上時，變槳距機構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片的攻角，保證發(fā)電機的輸出功率在允許的范圍內(nèi)。

        變槳系統(tǒng)是風力發(fā)電機組的重要組成部分，主要功能是通過對葉片節(jié)距角的控制，實現(xiàn)最大風能捕獲以及恒速運行。變槳系統(tǒng)還是風力發(fā)電機組的主剎車系統(tǒng)，電動變槳系統(tǒng)可以使每個槳葉獨立地調(diào)整角度。通常一個完整的交流或直流變槳系統(tǒng)主要包括3個電動機（包括剎車，編碼器，溫度傳感器，冷卻風扇等），3個帶驅(qū)動器的軸控制柜以及3個備電源柜，以及相關的電纜和插頭。所有這些部件都裝在輪轂內(nèi)。

        目前，我國變漿系統(tǒng)產(chǎn)品主要依賴進口，代表性的有SSB、LUST、Mita、Bosch Rexroth等；國內(nèi)主要有桂林星辰、連云港杰瑞、成都阜特有批量應用，和利時、天津瑞能相關產(chǎn)品也在進行測試中。

SSB變漿驅(qū)動器

和利時變漿驅(qū)動器

和利時LK820變槳驅(qū)動器一體化的設計，除了能驅(qū)動伺服電機進行槳葉調(diào)節(jié)外，還集成了PLC控制功能，可以完成變槳軸柜內(nèi)的溫度控制、傳感器信號讀取、安全鏈進行操作等。

主控系統(tǒng)

    主控系統(tǒng)是風機的大腦，控制風機的所有部件協(xié)調(diào)工作。主控系統(tǒng)分為塔基控制柜和機艙控制柜，相互之間通過現(xiàn)場總線進行通訊。

    主控系統(tǒng)是現(xiàn)代風力發(fā)電機的神經(jīng)中樞。風電主控系統(tǒng)可根據(jù)風速、風向?qū)ο到y(tǒng)加以控制，在穩(wěn)定的電壓和頻率下運行，自動地并網(wǎng)和脫網(wǎng)，并監(jiān)視齒輪箱、發(fā)電機的運行溫度，液壓系統(tǒng)的油壓，對出現(xiàn)的任何異常進行報警，必要時自動停機。保證風電機組安全可靠運行，實現(xiàn)自然風的最大利用率和最高的能量轉(zhuǎn)化率，向電網(wǎng)提供良好的電能。

     一般采用PAC、PLC作為此控制系統(tǒng)的主控制器，通過檢測電網(wǎng)參數(shù)、風況、現(xiàn)場溫度參數(shù)，對風電機組進行并、脫網(wǎng)控制，同時根據(jù)風況進行偏航、變槳等動作，以進行優(yōu)化控制，從而提高風電機組的運行效率與發(fā)電質(zhì)量。控制器主要有Bachmann、Beckhoff 、ABB、Mita等公司產(chǎn)品，主控系統(tǒng)多由風機廠設計成套，小規(guī)模風機廠則有國內(nèi)專業(yè)公司集成，如：科諾偉業(yè)、成都阜特、天津瑞能、東方電氣自動化、上海海得等。

機艙柜

     實現(xiàn)對各種參數(shù)的監(jiān)控：風速，風向，塔筒震動頻率，主軸轉(zhuǎn)速，齒輪箱溫度，發(fā)電機溫度，潤滑油溫度，機艙內(nèi)溫度；

      實現(xiàn)各種控制功能的實施指令。具體來說，包括如下功能：控制機艙內(nèi)的加熱器進行加熱，對齒輪箱進行潤化，提供照明；

      在塔底柜和變槳系統(tǒng)中間建立一個通訊；

      為變槳系統(tǒng)提供電