1 前言
隨著煤碳、石油等能源的逐漸枯竭，人類越來越重視可再生能源的利用。而風(fēng)力發(fā)電是可再生能源中最廉價、最有希望的能源，并且是一種不污染環(huán)境的“綠色能源”。目前國外數(shù)百千瓦級的大型風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)商品化，兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也即將商品化。全世界風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘恳殉^1000萬千瓦，單位千瓦造價為1000美元，發(fā)電成本為5美分/千瓦時，已經(jīng)具有與火力發(fā)電相競爭的能力。
我國的風(fēng)能資源豐富，理論儲量為16億kW，實(shí)際可利用2.5億kW，有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?995年初，國家計(jì)委、科委、經(jīng)貿(mào)委聯(lián)合發(fā)表了《中國新能源和可再生能源發(fā)展綱要（1996～2010）》。1996年3月，國家計(jì)委又制定了以國產(chǎn)化帶動產(chǎn)業(yè)化的風(fēng)電發(fā)展計(jì)劃，即有名的“乘風(fēng)計(jì)劃”，為我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)國產(chǎn)化指明了方向，創(chuàng)造了條件。同時，我國也是利用風(fēng)能資源進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力提水較早的國家，到1996年底，我國小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保有量達(dá)15萬臺，年生產(chǎn)能力為3萬臺，均居世界首位。
2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的類型
2.1 恒速恒頻與變速恒頻
在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻即在風(fēng)力發(fā)電過程中，保持風(fēng)車的轉(zhuǎn)速（也即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速）不變，從而得到恒頻的電能。在風(fēng)力發(fā)電過程中讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，而通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。
2.2 兩種類型機(jī)組的性能比較
由于風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比，當(dāng)風(fēng)速在一定范圍變化時，如果允許風(fēng)車做變速運(yùn)動，則能達(dá)到更好利用風(fēng)能的目的。風(fēng)車將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效率可用輸出功率系數(shù)CP來表示，CP在某一確定的風(fēng)輪周速比λ（槳葉尖速度與風(fēng)速之比）下達(dá)到最大值。恒速恒頻機(jī)組的風(fēng)車轉(zhuǎn)速保持不變，而風(fēng)速又經(jīng)常在變化，顯然CP不可能保持在最佳值。變速恒頻機(jī)組的特點(diǎn)是風(fēng)車和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風(fēng)車的轉(zhuǎn)速可變，可以通過適當(dāng)?shù)目刂?，使風(fēng)車的周速比處于或接近最佳值，從而最大限度地利用風(fēng)能發(fā)電。
2.3 恒速恒頻機(jī)組的特點(diǎn)
目前，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用最多的異步發(fā)電機(jī)屬于恒速恒頻發(fā)電機(jī)組。為了適應(yīng)大小風(fēng)速的要求，一般采用兩臺不同容量、不同極數(shù)的異步發(fā)電機(jī)，風(fēng)速低時用小容量發(fā)電機(jī)發(fā)電，風(fēng)速高時則用大容量發(fā)電機(jī)發(fā)電，同時一般通過變槳距系統(tǒng)改變槳葉的攻角以調(diào)整輸出功率。但這也只能使異步發(fā)電機(jī)在兩個風(fēng)速下具有較佳的輸出系數(shù)，無法有效地利用不同風(fēng)速時的風(fēng)能。
2.4 變速恒頻系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
可用于風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻系統(tǒng)有多種:如交一直一交變頻系統(tǒng)，交流勵磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，無刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，同步異步變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等。這種變速恒頻系統(tǒng)有的是通過改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的;有的則是發(fā)電機(jī)與電力電子裝置、微機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的。它們各有其特點(diǎn)，適用場合也不一樣。為了充分利用不同風(fēng)速時的風(fēng)能，應(yīng)該對各種變速恒頻技術(shù)做深入的研究，盡快開發(fā)出實(shí)用的，適合于風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻技術(shù)。
3 恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組的控制
3.1 風(fēng)電機(jī)組的軟啟動并網(wǎng)
在風(fēng)電機(jī)組啟動時，控制系統(tǒng)對風(fēng)速的變化情況進(jìn)行不間斷的檢測，當(dāng)10分鐘平均風(fēng)速大于起動風(fēng)速時，控制風(fēng)電機(jī)組作好切入電網(wǎng)的一切準(zhǔn)備工作:松開機(jī)械剎車，收回葉尖阻尼板，風(fēng)輪處于迎風(fēng)方向?？刂葡到y(tǒng)不間斷地檢測各傳感器信號是否正常，如液壓系統(tǒng)壓力是否正常，風(fēng)向是否偏離，電網(wǎng)參數(shù)是否正常等。如10分鐘平均風(fēng)速仍大于起動風(fēng)速，則檢測風(fēng)輪是否已開始轉(zhuǎn)動，并開啟晶閘管限流軟起動裝置快速起動風(fēng)輪機(jī)，并對起動電流進(jìn)行控制，使其不超過最大限定值。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在起動時，由于其轉(zhuǎn)速很小，切入電網(wǎng)時其轉(zhuǎn)差率很大，因而會產(chǎn)生相當(dāng)于發(fā)電機(jī)額定電流的5～7倍的沖擊電流，這個電流不僅對電網(wǎng)造成很大的沖擊，也會影響風(fēng)電機(jī)組的壽命。因此在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)過程中采取限流軟起動技術(shù)，以控制起動電流。當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時電流驟然下降，控制器發(fā)出指令，將晶閘管旁路。晶閘管旁路后，限流軟起動控制器自動復(fù)位，等待下一次起動信號。這個起動過程約40S左右，若超過這個時間，被認(rèn)為是起動失敗，發(fā)電機(jī)將被切出電網(wǎng)，控制器根據(jù)檢測信號，確定機(jī)組是否重新起動。
異步風(fēng)電機(jī)組也可在起動時轉(zhuǎn)速低于同步速時不并網(wǎng)，等接近或達(dá)到同步速時再切入電網(wǎng)，則可避免沖擊電流，也可省掉晶閘管限流軟啟動器。
3.2 大小發(fā)電機(jī)的切換控制
在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，因風(fēng)速的變化而引起發(fā)電機(jī)的輸出功率發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出功率的變化對大小發(fā)電機(jī)進(jìn)行自動切換，從而提高風(fēng)電機(jī)組的效率。具體控制方法為:
（1） 小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換
在小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電期間，控制系統(tǒng)對其輸出功率進(jìn)行檢測，若1秒鐘內(nèi)瞬時功率超過小發(fā)電機(jī)額定功率的20%，或2分鐘內(nèi)的平均功率大于某一定值時，則實(shí)現(xiàn)小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換。切換過程為:首先切除補(bǔ)償電容，然后小發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)，等風(fēng)輪自由轉(zhuǎn)動到一定速度后，再實(shí)現(xiàn)大發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng);若在切換過程中風(fēng)速突然變小，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速反而降低的情況下，應(yīng)再將小發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)，重新實(shí)現(xiàn)小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。
?。?） 大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)的切換
檢測大發(fā)電機(jī)的輸出功率，若2分鐘內(nèi)平均功率小于某一設(shè)定值（此值應(yīng)小于小發(fā)電機(jī)的額定功率）時，或50S瞬時功率小于另一更小的設(shè)定值時，立即切換到小發(fā)電機(jī)運(yùn)行。切換過程為:切除大發(fā)電機(jī)的補(bǔ)償電容器，脫網(wǎng)，然后小發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)，計(jì)時20S，測量小發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，若20S后未達(dá)到小發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，則停機(jī)，控制系統(tǒng)復(fù)位，重新起動。若20S內(nèi)轉(zhuǎn)速已達(dá)到小發(fā)電機(jī)旁路轉(zhuǎn)速則旁路晶閘管軟起動裝置，再根據(jù)系統(tǒng)無功功率情況投入補(bǔ)償電容器。
3.3 變槳距控制方式及其改進(jìn)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)以后，控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速的變化，通過槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變槳葉攻角以調(diào)整輸出電功率，更有效地利用風(fēng)能。在額定風(fēng)速以下時，此時葉片攻角在零度附近，可認(rèn)為等同于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)
電機(jī)的輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速以上時，變槳距機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片的攻角，保證發(fā)電機(jī)的輸出功率在允許的范圍內(nèi)。
但是，由于自然界的風(fēng)力變幻莫測。風(fēng)速總是處在不斷地變化之中，而風(fēng)能與風(fēng)速之間成三次方的關(guān)系，風(fēng)速的較小變化都將造成風(fēng)能的較大變化，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率處于不斷變化的狀態(tài)。對于變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速后，變槳距機(jī)構(gòu)為了限制發(fā)電機(jī)輸出功率，將調(diào)節(jié)槳距，以調(diào)節(jié)輸出功率。如果風(fēng)速變化幅度大，頻率高，將導(dǎo)致變槳距機(jī)構(gòu)頻繁大幅度動作，使變槳距機(jī)構(gòu)容易損壞;同時，變槳距機(jī)構(gòu)控制的葉片槳距為大慣量系統(tǒng)，存在較大的滯后時間，槳距調(diào)節(jié)的滯后也將造成發(fā)電機(jī)輸出功率的較大波動，對電網(wǎng)造成一定的不良影響。
為了減小變槳距調(diào)節(jié)方式對電網(wǎng)的不良影響，可采用一種新的功率輔助調(diào)節(jié)方式-RCC（Rotor Current Control轉(zhuǎn)子電流控制）方式來配合變槳距機(jī)構(gòu)，共同完成發(fā)電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)。RCC控制必須使用在線繞式異步發(fā)電機(jī)上，通過電力電子裝置，控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，使普通異步發(fā)電機(jī)成為可變滑差發(fā)電機(jī)。RCC控制是一種快速電氣控制方式，用于克服風(fēng)速的快速變化。采用了RCC控制的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，變槳距機(jī)構(gòu)主要用于風(fēng)速緩慢上升或下降的情況，通過調(diào)整葉片攻角，調(diào)節(jié)輸出功率；RCC控制單元則應(yīng)用于風(fēng)速變化較快的情況，當(dāng)風(fēng)速突然發(fā)生變化時，RCC單元調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的滑差，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)變化，同時保持轉(zhuǎn)子電流不變，發(fā)電機(jī)的輸出功率也就保持不變。
3.4 無功補(bǔ)償控制
由于異步發(fā)電機(jī)要從電網(wǎng)吸收無功功率，使風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)降低。并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般要求其功率因數(shù)達(dá)到0.99以上，所以必須用電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償。由于風(fēng)速變化的隨機(jī)性，在達(dá)到額定功率前，發(fā)電機(jī)的輸出功率大小是隨機(jī)變化的，因此對補(bǔ)償電容的投入與切除需要進(jìn)行控制。在控制系統(tǒng)中設(shè)有四組容量不同的補(bǔ)償電容，計(jì)算機(jī)根據(jù)輸出無功功率的變化，控制補(bǔ)償電容器分段投入或切除。保證在半功率點(diǎn)的功率因數(shù)達(dá)到0.99以上。
3.5 偏航與自動解纜控制
偏航控制系統(tǒng)有三個主要功能:
?。?） 正常運(yùn)行時自動對風(fēng)。當(dāng)機(jī)艙偏離風(fēng)向一定角度時，控制系統(tǒng)發(fā)出向左或向右調(diào)向的指令，機(jī)艙開始對風(fēng)，直到達(dá)到允許的誤差范圍內(nèi)，自動對風(fēng)停止。
?。?） 繞纜時自動解纜。當(dāng)機(jī)艙向同一方向累計(jì)偏轉(zhuǎn)2.3圈后，若此時風(fēng)速小于風(fēng)電機(jī)組啟動風(fēng)速且無功率輸出，則停機(jī)，控制系統(tǒng)使機(jī)艙反方向旋轉(zhuǎn)2.3圈解繞;若此時機(jī)組有功率輸出，則暫不自動解繞;若機(jī)艙繼續(xù)向同一方向偏轉(zhuǎn)累計(jì)達(dá)3圈時，則控制停機(jī)，解繞;若因故障自動解繞未成功，在扭纜達(dá)4圈時，扭纜機(jī)械開關(guān)將動作，此時報告扭纜故障，自動停機(jī)，等待人工解纜操作。
（3） 失速保護(hù)時偏離風(fēng)向。當(dāng)有特大強(qiáng)風(fēng)發(fā)生時，停機(jī)，釋放葉尖阻尼板，槳距調(diào)到最大，偏航90o背風(fēng)，以保護(hù)風(fēng)輪免受損壞。
3.6 停車控制
停機(jī)過程分為正常停機(jī)和緊急停機(jī)。
?。?） 正常停機(jī)
當(dāng)控制器發(fā)出正常停機(jī)指令后，風(fēng)電機(jī)組將按下列程序停機(jī):
① 切除補(bǔ)償電容器;
?、凇♂尫湃~尖阻尼板;
③ 發(fā)電機(jī)脫網(wǎng);
?、堋y量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到設(shè)定值后，投入機(jī)械剎車;
⑤ 若出現(xiàn)剎車故障則收槳，機(jī)艙偏航900背風(fēng)。
?。?） 緊急故障停機(jī)
當(dāng)出現(xiàn)緊急停機(jī)故障時，執(zhí)行如下停機(jī)操作:首先切除補(bǔ)償電容器，葉尖阻尼板動作，延時0.3秒后卡鉗閘動作。檢測瞬時功率為負(fù)或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步速時，發(fā)電機(jī)解列（脫網(wǎng)），若制動時間超過20S，轉(zhuǎn)速仍未降到某設(shè)定值，則收槳， 機(jī)艙偏航900背風(fēng)。
停機(jī)如果是由于外部原因，例如風(fēng)速過小或過大，或因電網(wǎng)故障，風(fēng)電機(jī)組停機(jī)后將自動處于待機(jī)狀態(tài);如果是由于機(jī)組內(nèi)部故障，控制器需要得到已修復(fù)指令，才能進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。
4 變速恒頻發(fā)電機(jī)組的控制
4.1 同步發(fā)電機(jī)交一直一交系統(tǒng)的控制
這種類型的風(fēng)電機(jī)組采用同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能的頻率、電壓、電功率都是隨著風(fēng)速的變化而變化的，這樣有利于最大限度地利用風(fēng)能資源，而恒頻恒壓并網(wǎng)的任務(wù)則由交一直一交系統(tǒng)完成。
（1） 風(fēng)輪機(jī)的控制
風(fēng)輪機(jī)的起動、控制、保護(hù)功能基本上與恒速恒頻機(jī)組相似，所不同的是這類機(jī)組一般采用定槳距風(fēng)輪，因此省去了變槳距控制機(jī)構(gòu)。
?。?） 發(fā)電機(jī)的控制
發(fā)電機(jī)的輸出功率由勵磁來控制。當(dāng)輸出功率小于額定功率時，以固定勵磁運(yùn)行;當(dāng)輸出功率超過額定功率時，則通過調(diào)整勵磁來調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出功率在允許的安全范圍內(nèi)運(yùn)行。勵磁的調(diào)整是由控制器調(diào)整勵磁系統(tǒng)晶閘管的導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)的。
（3） 交-直-交變頻系統(tǒng)的控制
這里的變頻器的概念與普通變頻器的概念是不一樣的。普通變頻器是將電壓和頻率固定的市電（220/380V，50Hz），
變成頻率和電壓都可變的電源，以適應(yīng)各種用電器的需要，如果用于變頻調(diào)速系統(tǒng)，則電壓和頻率根據(jù)負(fù)載的要求不斷地改變。相反，這里的變頻器則是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓和頻率都在不斷改變的電能，變成頻率和電壓都穩(wěn)定（220/380V，50Hz）的電能，以便與電網(wǎng)的電壓及頻率相匹配，而使風(fēng)電機(jī)組能并網(wǎng)運(yùn)行。
所謂的“交-直-交”變頻，是變頻方式的一種，是將一種頻率和電壓的交流電整流成直流電，再通過微機(jī)控制電力電子器件，將直流電再逆變成某種頻率和電壓的交流電的變頻方式。其基本原理如圖1所示。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電，經(jīng)二極管三相全橋整流成直流電后，再由六只絕緣柵雙極型電力晶體管（IGBT），在控制和驅(qū)動電路的控制下，逆變成三相交流電并入電網(wǎng)。逆變器的控制一般采用SPWM-VVVF方式，即正弦波脈寬調(diào)制式變壓變頻方式。采用交-直-交系統(tǒng)的變頻裝置的容量較大，一般要選發(fā)電機(jī)額定功率的120%以上。
4.2 雙饋發(fā)電機(jī)的控制
目前的風(fēng)電機(jī)組多采用恒速恒頻系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)多采用同步電機(jī)或異步感應(yīng)電機(jī)。在風(fēng)電機(jī)組向恒頻電網(wǎng)送電時，不需要調(diào)速，因?yàn)殡娋W(wǎng)頻率將強(qiáng)迫控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速。在這種情況下，風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下維持或近似維持同一轉(zhuǎn)速。效率下降，被迫降低出力，甚至停機(jī)，這顯然是不可取的。與之不同的是，無論處于亞同步速或超同步速的雙饋發(fā)電機(jī)都可以在不同的風(fēng)速下運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)速變化做相應(yīng)的調(diào)整，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行始終處于最佳狀態(tài)，機(jī)組效率提高。同時，定子輸出功率的電壓和頻率卻可以維持不變，既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
?。?） 雙饋電機(jī)的工作特性
雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應(yīng)電機(jī)，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三相電源激勵，所不同的是轉(zhuǎn)子繞組具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵，一般采用交-交變頻器或交-直-交變頻器供以低頻電流。
當(dāng)雙饋電機(jī)定子對稱三相繞組由頻率為f1（f1=P?n1/60）的三相電源供電時，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n＝（l-s）n1（s為轉(zhuǎn)差率，n1為氣隙中基波旋轉(zhuǎn)磁場的同步速率）。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場應(yīng)保持相對靜止，即應(yīng)滿足:
ωR＝ω1-ω2
其中:ωR是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率;
ω1是定子電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場的角頻率;
ω2是轉(zhuǎn)子電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場的角頻率。
由此可得轉(zhuǎn)子供電頻率f2＝S?f1，此時定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場均以同步速n1旋轉(zhuǎn)，兩者保持相對靜止。
與同步電機(jī)相比，雙饋電機(jī)勵磁可調(diào)量有三個:一是與同步電機(jī)一樣，可以調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值;二是可以改變勵磁電流的頻率；三是可以改變勵磁電流的相位。通過改變勵磁頻率，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。這樣在負(fù)荷突然變化時，迅速改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子的動能，釋放和吸收負(fù)荷，對電網(wǎng)的擾動遠(yuǎn)比常規(guī)電機(jī)小。另外，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值和相位，可達(dá)到調(diào)節(jié)有功功率和無功功率的目的。而同步電機(jī)的可調(diào)量只有一個，即勵磁電流的幅值，所以調(diào)節(jié)同步電機(jī)的勵磁一般只能對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。與之不同的是雙饋電機(jī)的勵磁除了可以調(diào)節(jié)電流幅值外，亦可以調(diào)節(jié)其相位，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流的相位改變時，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場在氣隙空間的位置就產(chǎn)生一個位移，改變了雙饋電機(jī)電勢與電網(wǎng)電壓向量的相對位置，也就改變了電機(jī)的功率角。所以雙饋電機(jī)不僅可調(diào)節(jié)無功功率，也可調(diào)節(jié)有功功率。一般來說，當(dāng)電機(jī)吸收電網(wǎng)的無功功率時，往往功率角變大，使電機(jī)的穩(wěn)定性下降。而雙饋電機(jī)卻可通過調(diào)節(jié)勵磁電流的相位，減小機(jī)組的功率角，使機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性提高，從而可多吸收無功功率，克服由于晚間負(fù)荷下降，電網(wǎng)電壓過高的困難。與之相比，異步發(fā)電機(jī)卻因需從電網(wǎng)吸收無功的勵磁電流，與電網(wǎng)并列運(yùn)行后，造成電網(wǎng)的功率因數(shù)變壞。所以雙饋電機(jī)較同步電機(jī)和異步電機(jī)都有著更加優(yōu)越的運(yùn)行性能。
?。?） 風(fēng)力發(fā)電中雙饋電機(jī)的控制
在風(fēng)力發(fā)電中，由于風(fēng)速變幻莫測，使對其的利用存在一定的困難。所以改善風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率，最充分地利用風(fēng)能資源，有著十分重要的意義。任何一個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都包括作為原動機(jī)的風(fēng)力機(jī)和將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電機(jī)。其中，作為原動機(jī)的風(fēng)力機(jī)，其效率在很大程度上決定了整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率，而風(fēng)力機(jī)的效率又在很大程度上取決于其負(fù)荷是否處于最佳狀態(tài)。不管一個風(fēng)力機(jī)是如何精細(xì)地設(shè)計(jì)和施工建造，若它處于過載或久載的狀態(tài)下，都會損失其效率。從風(fēng)力機(jī)的氣動曲線可以看出，存在一個最佳周速比λ，對應(yīng)一個最佳的效率。所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳控制是維持最佳周速比λ。另外，由于要考慮電網(wǎng)對有功功率和無功功率的要求，所以風(fēng)力機(jī)最佳工況時的轉(zhuǎn)速應(yīng)由其氣動曲線及電網(wǎng)的功率指令綜合得出。也就是說，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速及負(fù)荷的變化應(yīng)及時作出相應(yīng)的調(diào)整，依靠轉(zhuǎn)子動能的變化，吸收或釋放功率，減少對電網(wǎng)的擾動。通過變頻器控制器對逆變電路中功率器件的控制?？梢愿淖冸p饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，達(dá)到調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速、有功功率和無功功率的目的，既提高了機(jī)組的效率，又對電網(wǎng)起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的作用。圖2是按這種控制思路得出的風(fēng)力發(fā)電雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)框圖。
整個控制系統(tǒng)可分為三個單元:轉(zhuǎn)速調(diào)整單元、有功功率調(diào)整單元、電壓調(diào)整單元（無功功率調(diào)整）。它們分別接受風(fēng)速和轉(zhuǎn)速、有功功率、無功功率指令，并產(chǎn)生一個綜合信號，送給勵磁控制裝置，改變勵磁電流的幅值、頻率與相位角，以滿足系統(tǒng)的要求。由于雙饋電機(jī)既可調(diào)節(jié)有功功率，又可調(diào)節(jié)無功功率，有風(fēng)時，機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電;無風(fēng)時，也可作抑制電網(wǎng)頻率和電壓波動的補(bǔ)償裝置。
?。?） 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用前景廣闊
綜上所述，將雙饋電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中，可以解決風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)、機(jī)組效率低等問題。另外，由于雙饋電機(jī)對無功功率、有功功率均可調(diào)，對電網(wǎng)可起到穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的作用，提高發(fā)電質(zhì)量。與同步機(jī)交一直一交系統(tǒng)相比，還有變頻裝置容量小（一般為發(fā)電機(jī)額定容量的10～20%）、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，更適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使用，同時也降低了造價。
將雙饋電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的設(shè)想，不僅在理論上成立，在技術(shù)上也是可行的。與現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相比，無論從經(jīng)濟(jì)性，還是可靠性來看，都具有無可替代的優(yōu)勢，具有很強(qiáng)的競爭力，有利于風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)化的進(jìn)程，其發(fā)展前景十分廣闊。
5 大型風(fēng)電場的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展將帶動大型風(fēng)電場的建設(shè)。以大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成的大型風(fēng)電場，可為電網(wǎng)提供可再生的綠色能源，也可解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的能源供應(yīng)緊張形勢，大型風(fēng)電場的運(yùn)行管理己提上議事日程。目前，我國各大風(fēng)電場在引進(jìn)國外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的同時，一般也都配有相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)。但各有自己的設(shè)計(jì)思路，致使風(fēng)電場監(jiān)控技術(shù)互不兼容。如果一個風(fēng)電場中有多種機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組的話，就會給風(fēng)電場的運(yùn)行管理造成很大困難。因此，國家計(jì)委在“九五”科技攻關(guān)計(jì)劃中實(shí)施對大型風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行攻關(guān)的同時，也把風(fēng)電場的監(jiān)控系統(tǒng)列入攻關(guān)計(jì)劃，以期開發(fā)出適合我國風(fēng)電場運(yùn)行管理的監(jiān)控系統(tǒng)。本文在對目前國內(nèi)幾個風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，提出我們的總體設(shè)計(jì)思路。
5.1 通訊方式
目前風(fēng)電場所采用的風(fēng)電機(jī)組都是以大型并網(wǎng)型機(jī)組為主，各機(jī)組有自己的控制系統(tǒng)，用來采集自然參數(shù)，機(jī)組自身數(shù)據(jù)及狀態(tài)，通過計(jì)算、分析、判斷而控制機(jī)組的啟動、停機(jī)、調(diào)向、剎車和開啟油泵等一系列控制和保護(hù)動作，能使單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)全部自動控制，無需人為干預(yù)。當(dāng)這些性能優(yōu)良的風(fēng)電機(jī)組安裝在某一風(fēng)電場時，集中監(jiān)控管理各風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)、保護(hù)裝置動作情況、故障類型等，十分重要。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，下位機(jī)（機(jī)組控制機(jī)）控制系統(tǒng)應(yīng)能將機(jī)組的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和故障情況等通過專用的通訊裝置和接口電路與中央控制室的上位計(jì)算機(jī)通訊，同時上位機(jī)應(yīng)能向下位機(jī)傳達(dá)控制指令，由下位機(jī)的控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的動作，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。根據(jù)風(fēng)電場運(yùn)行的實(shí)際情況，上、下位機(jī)通訊有如下特點(diǎn):
?、佟∫慌_上位機(jī)能監(jiān)控多臺風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行，屬于一對多通訊方式;
?、凇∠挛粰C(jī)應(yīng)能獨(dú)立運(yùn)行，并能對上位機(jī)通訊;
?、邸∩?、下位機(jī)之間的安裝距離較遠(yuǎn)，超過500m;
?、堋∠挛粰C(jī)之間的安裝距離也較遠(yuǎn)，超過100m;
?、荨∩?、下位機(jī)之間的通訊軟件必須協(xié)調(diào)一致，并應(yīng)開發(fā)出工業(yè)控制專用功能。
為了適應(yīng)遠(yuǎn)距離通訊的需要，目前國內(nèi)風(fēng)電場所引進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)主要采用如下兩種通訊方式:
?、佟‘惒酱型ㄓ崳肦S-422或RS-485通訊接口。它的傳輸距離可達(dá)數(shù)千公里，傳輸速度也可達(dá)數(shù)百萬位。由于所用傳輸線較少，所以成本較低，很適合風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)采用。同時因?yàn)榇朔N通訊方式的通訊協(xié)議比較簡單，也很常用，所以成為較遠(yuǎn)距離通訊的首選方式。
② 調(diào)制解調(diào)器（MODEM）方式。這是將數(shù)字信號調(diào)制成一種模擬信號，通過介質(zhì)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方，在遠(yuǎn)方再用解調(diào)器將信號恢復(fù)，取出信息進(jìn)行處理，是一種實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)姆绞?。此種傳輸方式的傳輸距離不受限制，可以將某地的信息與世界各地交換，且抗干擾能力較強(qiáng)，可靠性高，雖相對說來成本較高，但在風(fēng)電機(jī)組通訊中也有較多的應(yīng)用。
5.2 上、下位機(jī)通訊接口的設(shè)計(jì)
（1） 上位機(jī)通訊接口的設(shè)計(jì)
在工業(yè)現(xiàn)場控制應(yīng)用中，通常采用工控PC機(jī)作為上位計(jì)算機(jī)，通過RS-232串行口與下位機(jī)通訊，構(gòu)成集散式監(jiān)控系統(tǒng)。但是，采用RS-232串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，其缺點(diǎn)是帶負(fù)載能力差，僅用于近距離（15m以內(nèi)）通訊，無法滿足分散的、遠(yuǎn)距離的風(fēng)電場監(jiān)控的通訊要求。無論是采用異步串行通訊方式還是調(diào)制解調(diào)方式，均要在PC機(jī)RS-232串行口的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)與擴(kuò)展。
RS-232的電氣接口是單端的，雙極性電源供電系統(tǒng)，這種電路無法區(qū)分由驅(qū)動電
路產(chǎn)生的有用信號和外部引入的干擾信號，使傳輸速率和傳輸距離都受到限制；RS-422則采用平衡驅(qū)動和差分接收的方法，從根本上消除信號地線。當(dāng)干擾信號作為共模信號出現(xiàn)時，接收器只接收差分輸入電壓，因而這種電路保證了較長的傳輸距離和較高的傳輸速率。兩者之間可用異步通訊用RS-232/422轉(zhuǎn)換接口板轉(zhuǎn)換。
?。?） 下位機(jī)通訊接口的設(shè)計(jì)
監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)是指各風(fēng)電機(jī)組的中心控制器。對于每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，即使沒有上位機(jī)的參與，也能安全正確地工作。所以相對于整個監(jiān)控系統(tǒng)來說，下位機(jī)控制系統(tǒng)是一個子系統(tǒng)，具有在各種異常工況下單獨(dú)處理風(fēng)電機(jī)組故障，保證風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的能力。從整個風(fēng)電場的運(yùn)行管理來說，每臺風(fēng)電機(jī)組的下位控制器都應(yīng)具有與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能，使上位機(jī)能隨時了解下位機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并對其進(jìn)行常規(guī)的管理性控制，為風(fēng)電場的管理提供方便。因此，下位機(jī)控制器必須使各自的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠地工作，同時具有與上位機(jī)通訊聯(lián)系的專用通訊接口。
可編程控制器（PLC）具有功能齊全，可靠性高和編程方便的特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域受到廣泛的歡迎。尤其是近年來，為了適應(yīng)現(xiàn)場控制要求及集散控制的要求，國外的PLC廠家紛紛推出與各自PLC相配套的通訊模塊，這些模塊提供了RS232/422適配器或RS-232接口與PC機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，并有專門的編程軟件，使軟件開發(fā)更加方便。因而，采用可編程控制器（PLC）作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的下位控制器，完全可以滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制和風(fēng)電場監(jiān)控的要求。
5.3 抗干擾措施
風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的主要干擾源是:
?、佟」I(yè)干擾:高壓交流電場、靜電場、電弧、可控硅等;
?、凇∽匀唤绺蓴_:雷電沖擊、各種靜電放電、磁爆等;
③ 高頻干擾:微波通訊、無線電信號、雷達(dá)等。
這些干擾通過直接輻射或由某些電氣回路傳導(dǎo)進(jìn)入的方式進(jìn)入控制系統(tǒng)，干擾控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。從干擾的種類來看，可分為交變脈沖干擾和單脈沖干擾兩種，它們均以電或磁的形式干擾系統(tǒng)，從而抗干擾措施應(yīng)從以下幾方面著手:
?、佟≡跈C(jī)箱、控制柜的結(jié)構(gòu)上:對于上位機(jī)來說，要求機(jī)箱能有效地防止來自空間輻射的電磁干擾，而且盡可能將所有的電路、電子器件均安裝于機(jī)箱內(nèi)。還應(yīng)防止由電源進(jìn)入的干擾，所以應(yīng)加入電源濾波環(huán)節(jié)，同時要求機(jī)箱有良好的接地和機(jī)房內(nèi)有良好的接地裝置。
② 通訊線路上:信號傳輸線路要求有較好的信號傳輸功能，衰減較小，而且不受外界電磁場的干擾，所以應(yīng)該使用屏蔽電纜。
?、邸⊥ㄓ嵎绞郊半娐飞?不同的通訊方式對干擾的抵御能力不同。一般說來，風(fēng)電場中上、下位機(jī)之間的距離不會超過幾千米，這種情況下經(jīng)常采用串行異步通訊方式，其接口形式采用RS-422A接口電路，采用平衡驅(qū)動、差分接收的方法，從根本上消除信號地線。這種驅(qū)動器相當(dāng)于兩個單端驅(qū)動電路，輸入相同信號，輸出一個正向信號和一個反向信號，對共模干擾有較好的抑制作用。RS-422A串行通訊接口電路適合于點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)、多點(diǎn)對多點(diǎn)的總線型或星型網(wǎng)絡(luò)，它的發(fā)送和接收是分開的，所以組成雙工網(wǎng)絡(luò)非常方便，很適合于風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)。
調(diào)制解調(diào)方式一般適用于遠(yuǎn)距離傳輸，用于多站互聯(lián)，現(xiàn)在也有用于風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的例子。此種通訊方式的特點(diǎn)是采用平衡差分方式，是半雙工的，具有RS-422A的優(yōu)點(diǎn)。用一對雙絞線即可實(shí)現(xiàn)通訊，可節(jié)省電纜投資。但對于近距離通訊來說，RS-422A電路的串行通訊方式顯得更加經(jīng)濟(jì)一些。
5.4 監(jiān)控軟件的編制
監(jiān)控應(yīng)用軟件是根據(jù)具體對象來實(shí)施工業(yè)監(jiān)控而開發(fā)出的軟件，用在監(jiān)控系統(tǒng)中執(zhí)行監(jiān)視、控制生產(chǎn)過程和及時調(diào)整的應(yīng)用程序。對于風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)，首先要顯示風(fēng)電場整體及機(jī)組安裝的具體位置，而后要了解各臺機(jī)組之間的連接關(guān)系及每臺風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況。因此，風(fēng)電場的監(jiān)控軟件應(yīng)具有如下功能:
?、佟∮押玫目刂平缑妗Ｔ诰幹票O(jiān)控軟件時，應(yīng)充分考慮到風(fēng)電場運(yùn)行管理的要求，應(yīng)當(dāng)使用漢語菜單，使操作簡單，盡可能為風(fēng)電場的管理提供方便。
?、凇∧軌蝻@示各臺機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如每臺機(jī)組的瞬時發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量、發(fā)電小時數(shù)、風(fēng)輪及電機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速、風(fēng)向等，將下位機(jī)的這些數(shù)據(jù)調(diào)入上位機(jī)，在顯示器上顯示出來，必要時還應(yīng)當(dāng)用曲線或圖表的形式直觀地顯示出來。
?、邸★@示各風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，如開機(jī)、停車、調(diào)向、手/自動控制以及大/小發(fā)電機(jī)工作等情況。通過各風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)了解整個風(fēng)電場的運(yùn)行情況，這對整個風(fēng)電場的管理是十分重要的。
?、堋∧軌蚣皶r顯示各機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生的故障。在顯示故障時，應(yīng)能顯示出故障的類型及發(fā)生時間，以便運(yùn)行人員及時處理及消除故障，保證風(fēng)電機(jī)組的安全和持續(xù)運(yùn)行。
⑤ 能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)集中控制。值班員在集中控制室內(nèi)，只需對標(biāo)明某種功能的相應(yīng)鍵進(jìn)行操作，就能對下位機(jī)進(jìn)行改變設(shè)置、狀態(tài)和對其實(shí)
施控制。如開機(jī)、停機(jī)和左右調(diào)向等。但這類操作必須有一定的權(quán)限，以保證整個風(fēng)電場的運(yùn)行安全。
⑥ 系統(tǒng)管理。監(jiān)控軟件應(yīng)當(dāng)具有運(yùn)行數(shù)據(jù)的定時打印和人工即時打印以及故障自動記錄的功能，以便隨時查看風(fēng)電場運(yùn)行狀況的歷史記錄情況。
監(jiān)控軟件的開發(fā)應(yīng)盡可能在現(xiàn)有工業(yè)控制軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，這樣可以縮短開發(fā)周期。（下轉(zhuǎn)23頁）同時，在軟件的編制過程申，應(yīng)當(dāng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，有利于軟件的編制和總體調(diào)試。
6 結(jié)束語
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已日趨成熟，在可再生的綠色能源的開發(fā)領(lǐng)域中占有突出的地位，具有重要的開發(fā)利用價值。尤其是在偏遠(yuǎn)的山區(qū)、牧區(qū)和海島等地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電可為當(dāng)?shù)鼐用竦纳詈蜕a(chǎn)提供潔凈的能源，緩解能源供應(yīng)緊張的局面。
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（轉(zhuǎn)載）
