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摘要：随着经济的发展，对于清洁能源的应用越来越多。风力发电是其中最接近实用和推广的一种，已引起人们极大关注。风力发电涉及空气动力学、机械、电机和控制诸多技术领域，本文简要介绍它的电气控制部分。
关键词：风力发电机组；电气控制；措施
1.风力涡轮机特性
风力发电机组输出给电网的是电功率，在制定控制策略前，需要知道原动机功率与什么有关。风力涡轮机的输出功率是风速、转速和桨叶倾角的三维非线性函数。
在桨叶倾角β固定为最小值的条件下，输出功率P/PN与涡轮机转速n/nN的关系示于图1。从图中看出，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应的转速越高。如果能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。
图1P/PN=f（n/nN）
2.恒速发电和变速发电
2.1恒速发电
恒速发电采用笼型异步电机，其动力系统和电机的机械特性示于图1。
图1恒速发电系统和笼形电机的机械特性
发电时涡轮机拖动异步发电机转动，转速略超过同步转速后，转差率s和转矩Te变负，电机工作于发电状态。由于只工作在机械特性的线性区，转差率很小（s<5%），风速变化时转速基本恒定，所以称恒速发电。随风速变化，通过调整桨叶倾角β来控制输出功率和转速。
恒速发电的特点：（1）电气系统简单，适合在野外、缺少维护的环境工作。（2）由于转速不变，涡轮机只能在某一风速下工作于最大出力点，风速变化时，将偏离最大点，降低发电效率。（3）转速不变，输出功率和转速的控制全靠倾角控制完成，要求倾角控制响应快，动作次数多，调节机构易疲劳损坏。
2.2变速发电
变速发电采用同步发电机或双馈发电机（绕线异步机），风速变化时，转速也随之变化，通过电力电子变换器，使电机接入恒频（50Hz）、恒压电网发电。通常转速在±33%范围内变化，风速小时调转速，强风来时调桨叶倾角β。
由于采用了电力电子变换器，变速发电的电气系统较复杂，但能取得如下好处：
在不同风速下，涡轮机都工作在最高效率点，提高出力10%。（2）强阵风来时，转速适当升高，部分风能贮存于机械惯量中（风力发电机组机械惯量很大），减小电机电磁转矩脉动和机械承受的应力，减轻机械强度要求，所以又称“弹性”风力发电。（3）由于电磁转矩脉动小，发出电力的波动小，提高发电质量。
3.变速恒频风力发电机组电气控制系统的基本结构和功能
3.1电气控制系统基本框图
图3电气控制系统框图
机组的控制系统的主控制器通过各类安装在现场的模块，对电网、风况及风力发电机组运行参数进行监控，并与其他功能模块保持通信，对各方面的情况做出综合分析后，发出各种控制指令。
图中主控制器是电控系统的核心，通过各类传感器对电网、气象及风电机组运行参数进行监控，并发出各种控制指令，实现机组的自动起动/停机、手自动无扰动切换、发电机在转速范围内无扰动并网（冲击电流小于1.5倍额定电流）、自动偏航控制（不偏离风向±10度）、机舱扭缆和自动解绕控制、自动变桨距控制、变速控制、风电机组自动除湿、加热、冷却控制、液压系统自动运行控制和运行故障监控等。电控系统首先必须确保风力发电机组本身安全可靠地运行，并实现机组的变速恒频控制，此外对故障的判断处理要及时，准确。
主控制器采用西门子S7-300，它具有抗振动性、抗冲击性、高的电磁兼容性及允许使用的最高环境温度达60℃的适应性。系统的所有输出/输入信号分别由不同功能的接口电路（温度信号输入处理、电量传感信号放大处理、频率信号光电隔离保护、开关数字信号接口保护处理、变速控制器信号交换接口）处理后，送入主控制器进行采集和监控处理，完成系统的自动运行控制、速度和功率优化控制、变距控制等。系统要求CPU可接入工业以太网与上位机通信，并可以作为Profibus主站与下层DP从站如变频器、参数监控仪等通信，选用西门子PLCCPU315-2DP。
3.2系统功能
启动前的准备：风机在运行之前要确定风机安全链、偏航系统、刹车系统、齿轮箱系统及并网系统无故障。持续检测10分钟内风速的平均值达到启动风速，电网电压和频率持续10分钟检测正常。当风速在3m/s以下的低风速区时，根据控制策略变桨距系统将使叶片转动到保证转轮具有最大起动力矩的位置；当风速超过3m/s时，风力机松闸，此时发电机叶轮慢慢转动，处于待风状态，控制系统根据风向传感器指示的风向，驱动机舱自动跟风。当风速在5m/s以上时，风力机由待风状态进入低风速启动。
4.电气控制系统的实现方法
4.1硬件接口设计
（1）电压电流信号采集
在电压检测中，为防止中性点飘移引起相电压测量不准确，系统采取检测线电压、计算相电压的方式。此外，无论是对电网还是电机检测，由于不引出中性点，电压、电流均满足：
故只需检测线电压、线电流中的各两个参数即可。
（2）相位差信号检测及超前、滞后电平指示电路
在发电机并网前，需要检测电网电压波形与功率绕组电压波形，要求二者在幅值、频率、相位上基本保持一致，以降低甚至消除并网冲击电流。在此过程中，也需要判断定子电压相位相对于电网电压相位的超前、滞后状态。以上要求可以在PLC控制程序中利用软件方法实现，也可以直接采用硬件电路的方式将判断结果送入PLC中。结合实际情况，为了减轻PLC的运算负担，提高响应时间，我们将采用硬件方式来实现要求。
（3）温度测量对于环境、机舱、控制柜体内的温度属于常规的测量，技术上已经比较成熟。而发电机温升的测量则比较复杂，需要在绕组及前后轴承上各装有一个PTl00温度传感器，发电机在额定状态下的温度为130～140℃，一般在额定功率状态下运行5～6h后达到这一温度。
（4）计数、频率测量
本机组需要计数、测频率的参数较多，发电机转速、位置角等均需要通过计数的方式来间接获得。为了编程方便和减少CPU负担，采用西门子8通道智能型计数器模块FM350-2。
4.2安全可靠性设计
安全生产是我国风电场运行管理的一项基本要求，保证风力发电机组的运行安全是风电场设计的基本原则。控制系统是风力发电机的核心部件，是风力发电机组安全运行的根本保证，目的使风力发电系统各不安全因素减到最小，达到最佳安全状态生产。
基于上述的分析，可以发现，风力发电机组的电气控制，是一项比较复杂的工作。因此，在实际的工作中，应当选择合适的电气控制系统，从而保证风力发电的有效进行。
参考文献：
[1]王承凯.兆瓦级失速型风力发电机组电气控制系统的研究[D].中国科学院研究生院（电工研究所），2003.
[2]陈实.MW级风力发电系统单机电气控制技术研究——无功补偿和偏航控制系统[D].南京航空航天大学，2004.
[3]张庆利.兆瓦级变速恒频风力发电机组电气控制系统的研发[D].哈尔滨理工大学，2007.
关键词：风力发电机组；电气控制；措施
1.风力涡轮机特性
风力发电机组输出给电网的是电功率，在制定控制策略前，需要知道原动机功率与什么有关。风力涡轮机的输出功率是风速、转速和桨叶倾角的三维非线性函数。
在桨叶倾角β固定为最小值的条件下，输出功率P/PN与涡轮机转速n/nN的关系示于图1。从图中看出，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应的转速越高。如果能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。
图1P/PN=f（n/nN）
2.恒速发电和变速发电
2.1恒速发电
恒速发电采用笼型异步电机，其动力系统和电机的机械特性示于图1。
图1恒速发电系统和笼形电机的机械特性
发电时涡轮机拖动异步发电机转动，转速略超过同步转速后，转差率s和转矩Te变负，电机工作于发电状态。由于只工作在机械特性的线性区，转差率很小（s<5%），风速变化时转速基本恒定，所以称恒速发电。随风速变化，通过调整桨叶倾角β来控制输出功率和转速。
恒速发电的特点：（1）电气系统简单，适合在野外、缺少维护的环境工作。（2）由于转速不变，涡轮机只能在某一风速下工作于最大出力点，风速变化时，将偏离最大点，降低发电效率。（3）转速不变，输出功率和转速的控制全靠倾角控制完成，要求倾角控制响应快，动作次数多，调节机构易疲劳损坏。
2.2变速发电
变速发电采用同步发电机或双馈发电机（绕线异步机），风速变化时，转速也随之变化，通过电力电子变换器，使电机接入恒频（50Hz）、恒压电网发电。通常转速在±33%范围内变化，风速小时调转速，强风来时调桨叶倾角β。
由于采用了电力电子变换器，变速发电的电气系统较复杂，但能取得如下好处：
在不同风速下，涡轮机都工作在最高效率点，提高出力10%。（2）强阵风来时，转速适当升高，部分风能贮存于机械惯量中（风力发电机组机械惯量很大），减小电机电磁转矩脉动和机械承受的应力，减轻机械强度要求，所以又称“弹性”风力发电。（3）由于电磁转矩脉动小，发出电力的波动小，提高发电质量。
3.变速恒频风力发电机组电气控制系统的基本结构和功能
3.1电气控制系统基本框图
图3电气控制系统框图
机组的控制系统的主控制器通过各类安装在现场的模块，对电网、风况及风力发电机组运行参数进行监控，并与其他功能模块保持通信，对各方面的情况做出综合分析后，发出各种控制指令。
图中主控制器是电控系统的核心，通过各类传感器对电网、气象及风电机组运行参数进行监控，并发出各种控制指令，实现机组的自动起动/停机、手自动无扰动切换、发电机在转速范围内无扰动并网（冲击电流小于1.5倍额定电流）、自动偏航控制（不偏离风向±10度）、机舱扭缆和自动解绕控制、自动变桨距控制、变速控制、风电机组自动除湿、加热、冷却控制、液压系统自动运行控制和运行故障监控等。电控系统首先必须确保风力发电机组本身安全可靠地运行，并实现机组的变速恒频控制，此外对故障的判断处理要及时，准确。
主控制器采用西门子S7-300，它具有抗振动性、抗冲击性、高的电磁兼容性及允许使用的最高环境温度达60℃的适应性。系统的所有输出/输入信号分别由不同功能的接口电路（温度信号输入处理、电量传感信号放大处理、频率信号光电隔离保护、开关数字信号接口保护处理、变速控制器信号交换接口）处理后，送入主控制器进行采集和监控处理，完成系统的自动运行控制、速度和功率优化控制、变距控制等。系统要求CPU可接入工业以太网与上位机通信，并可以作为Profibus主站与下层DP从站如变频器、参数监控仪等通信，选用西门子PLCCPU315-2DP。
3.2系统功能
启动前的准备：风机在运行之前要确定风机安全链、偏航系统、刹车系统、齿轮箱系统及并网系统无故障。持续检测10分钟内风速的平均值达到启动风速，电网电压和频率持续10分钟检测正常。当风速在3m/s以下的低风速区时，根据控制策略变桨距系统将使叶片转动到保证转轮具有最大起动力矩的位置；当风速超过3m/s时，风力机松闸，此时发电机叶轮慢慢转动，处于待风状态，控制系统根据风向传感器指示的风向，驱动机舱自动跟风。当风速在5m/s以上时，风力机由待风状态进入低风速启动。
4.电气控制系统的实现方法
4.1硬件接口设计
（1）电压电流信号采集
在电压检测中，为防止中性点飘移引起相电压测量不准确，系统采取检测线电压、计算相电压的方式。此外，无论是对电网还是电机检测，由于不引出中性点，电压、电流均满足：
故只需检测线电压、线电流中的各两个参数即可。
（2）相位差信号检测及超前、滞后电平指示电路
在发电机并网前，需要检测电网电压波形与功率绕组电压波形，要求二者在幅值、频率、相位上基本保持一致，以降低甚至消除并网冲击电流。在此过程中，也需要判断定子电压相位相对于电网电压相位的超前、滞后状态。以上要求可以在PLC控制程序中利用软件方法实现，也可以直接采用硬件电路的方式将判断结果送入PLC中。结合实际情况，为了减轻PLC的运算负担，提高响应时间，我们将采用硬件方式来实现要求。
（3）温度测量对于环境、机舱、控制柜体内的温度属于常规的测量，技术上已经比较成熟。而发电机温升的测量则比较复杂，需要在绕组及前后轴承上各装有一个PTl00温度传感器，发电机在额定状态下的温度为130～140℃，一般在额定功率状态下运行5～6h后达到这一温度。
（4）计数、频率测量
本机组需要计数、测频率的参数较多，发电机转速、位置角等均需要通过计数的方式来间接获得。为了编程方便和减少CPU负担，采用西门子8通道智能型计数器模块FM350-2。
4.2安全可靠性设计
安全生产是我国风电场运行管理的一项基本要求，保证风力发电机组的运行安全是风电场设计的基本原则。控制系统是风力发电机的核心部件，是风力发电机组安全运行的根本保证，目的使风力发电系统各不安全因素减到最小，达到最佳安全状态生产。
基于上述的分析，可以发现，风力发电机组的电气控制，是一项比较复杂的工作。因此，在实际的工作中，应当选择合适的电气控制系统，从而保证风力发电的有效进行。
参考文献：
[1]王承凯.兆瓦级失速型风力发电机组电气控制系统的研究[D].中国科学院研究生院（电工研究所），2003.
[2]陈实.MW级风力发电系统单机电气控制技术研究——无功补偿和偏航控制系统[D].南京航空航天大学，2004.
[3]张庆利.兆瓦级变速恒频风力发电机组电气控制系统的研发[D].哈尔滨理工大学，2007.