一種垂直軸風力發(fā)電機控制系統

1.背景技術

風力發(fā)電機按照旋轉軸的方向可以分為水平軸和垂直軸兩種。垂直軸風力發(fā)電機具有低噪音、維護方便、葉片設計制造簡單、造價低、不需對風裝置、不需太高塔架等優(yōu)點。當垂直軸風輪做大以后面臨垂直軸承彎矩越來越大的問題，彎矩越大對軸的強度要求越高，不僅重量重了而且很容易損壞。因而限制了大功率垂直軸風機的商業(yè)化。目前垂直軸風機一般被廣泛應用于小功率風機領域，且垂直軸風機存在不能自啟動問題。

垂直軸風機控制系統主要包括各種傳感器、運行主控制器、并網控制單元、備用電源系統、通訊電路、監(jiān)控單元。具體控制內容有：信號的數據采集、處理，轉速控制、最大功率點跟蹤控制、并網控制、停機制動控制、就地監(jiān)控、遠程監(jiān)控。傳統的垂直軸風力發(fā)電發(fā)電機組一般由多臺子風機系統構成，基本采用每臺風機配備一整套控制系統的匹配方式，結構復雜。由小功率垂直軸風機構成的小型風場每臺風機獨立并網往往造成電能質量差、并網集中控制難度大等問題。

開發(fā)一種實施方便、系統結構簡單垂直軸風機控制系統，能夠保證風電場每臺風機運行安全、風力發(fā)電高效并網、并能統一協調控制成了亟待解決的問題。

2.研究內容

本文充分考慮垂直軸風力發(fā)電機控制系統需求，提出了一種垂直軸風力發(fā)電機控制系統。系統采用單臺垂直軸風機配一臺獨立機側控制器，控制風機的啟動、運行、實現最大功率跟蹤控制等，實現了單臺風機不同風況下的獨立啟動及發(fā)電控制；多臺垂直軸風機構成的風場共用一臺集中并網逆變器實現并網和電能質量集中控制，解決了風電系統并網協調控制難，電能質量差的弊端；以集中逆變器作為風機控制控制器通信的主站，與系統內每臺風機進行信息交互，人機界面及監(jiān)控室作為系統就地及遠程控制單元與集中逆變器進行數據交互，簡化了系統通信設計，保證了系統數據交互的實時和有效性。

本文的方案：一種垂直軸風力發(fā)電機控制系統，由風機側控制器、集中并網逆變器、不間斷電源系統、人機界面、監(jiān)控室、傳感器及通信電路構成。為系統中每臺風機配一臺獨立的機側控制器，在滿足風機啟動條件時，拖動風機至啟動轉速，此時風力發(fā)電機工作在電動模式；風機啟動后，控制器根據風機運行狀態(tài)實現最大功率跟蹤；系統出現故障時，切斷風機控制，進入制動模式?？紤]到每臺風機發(fā)電功率比較小(kW量級)，且大功率風機變流器容量已經達到MW級，采用集中并網逆變器將風能饋送至電網；機側控制器與集中并網逆變器通過直流母線并聯方式將其風機能量經集中并網逆變器饋送至電網。集中并網逆變器通過現場總線的方式與機側控制器通信，并作為控制器主站監(jiān)控系統內每臺風機運行。人機界面通過現場總線與集中并網逆變器通信并作為主站實現系統就地控制；監(jiān)控室通過以太網通信與集中并網逆變器通信并作為主站實現系統遠程控制。這種通信方式簡化了通信設計，便于現場調試及后臺監(jiān)控。集中式UPS方案易實現也簡化了系統設計。

由于每臺機位風況不同，獨立的機側控制器是有必要的。

集中式逆變器容量大為P，便于模塊擴展，子風機功率為Pi，自風機臺數為N，滿足P≥P1+P2+……+PN即可。

此控制系統的具體控制實施方法，步驟如下：

(1) 系統在接收到就地或者遠程并網命令或者滿足風速滿足風機啟動條件時，集中并網逆變器啟動并網，穩(wěn)定母線電壓。

(2) 并網逆變器控制閉合各機側控制器與其直流母線之間的接觸器，機側控制器通過電動控制模式將風機拖動至啟動轉速。

(3) 機側控制器檢測風機轉速，當風機達到啟動轉速后，工作模式切換至發(fā)電模式，通過最大功率跟蹤實現風能捕獲；當風速達到或者超過額定轉速時，機側控制器控制發(fā)電機工作于恒轉速模式；當風機輸出功率超過最大功率時，進入緊急停機模式，風機制動停機。

(4) 在發(fā)電過程中，系統內任何一臺風機故障，將切掉其與集中逆變器之間的接觸器連接，該風機進入緊急停機模式，風機制動停機。

(5) 系統接收到停機命令或者風速低于啟動風速時，機側控制器控制風機通過能量回饋制動方式正常停機，網側控制器退出并網。

(6) 與現有技術相比較，本文具有以下突出優(yōu)點：

(7) 采用集中并網逆變器替換原有方案中每臺風機配一臺獨立逆變器，系統結構簡單。且集中并網方式解決了風電系統并網協調控制難，電能質量差的弊端。

(8) 集中并網逆變器采用穩(wěn)定母線電壓方式并網，風機側控制器通過直流母線并聯在總母線上。母線上設有接觸器，實現了能量匯集、單臺風機故障切出功能，便于擴展應用。

(9) 集中式UPS替換原有方案中每臺風機配一套獨立的UPS，簡化了系統設計。

(10) 通信分層式設計，集中并網逆變器與風機側控制器構成通信的底層回路，人機界面和監(jiān)控系統分別與并網逆變器構成通信的頂層回路。通信回路設計簡單、信息交互高效。且充分考慮了現場通信總線的選擇需求。

(11) 風機側控制器采用獨立控制垂直軸風機方式，依據不同風機風況進行獨立控制。且集成風機傳感器信號的處理，減少了總控制器的資源開銷。信號走線距離短，便于系統集成。

圖1

如圖1所示為本文的系統構成及連接方式示意圖。垂直軸方力發(fā)電機控制系統包括垂直軸風力發(fā)電機1(由獨立的發(fā)電機11、12、……1N構成)，風機側控制器2(21、22、……2N為機側子控制器)，集中并網逆變器3，不間斷電源系統4，人機界面5，監(jiān)控系統6，直流母線回路7，母線連接接觸器71、72、……7N，不間斷電源系統供電回路8，由并網逆變器為通信主站的現場總線9，就地系統與并網逆變器之間通信線路10，遠程監(jiān)控與并網逆變器之間通信線路11，三相交流電網12。

風機側控制器2屬于控制系統末端設備直接與風力發(fā)電機1發(fā)生聯系。2是純粹執(zhí)行設備，負責1的啟動控制、最大功率跟蹤控制、恒轉速控制、制動控制及狀態(tài)監(jiān)測。風機側子控制器21、22、……2N實現每臺子風機11、12、……1N的獨立控制。

集中并網逆變器3為現場控制中樞，通過穩(wěn)定直流母線電壓的方式進行并網控制、電能質量控制。通過2接收1運行數據，并下發(fā)控制命令。2直流母線回路與3直流母線回路相連，將子系統能量匯入3直流母線，并借助3饋入電網。如果發(fā)現任何子系統出現故障則可以通過母線連接接觸器71、72、……7N將子風機切出。

不間斷電源系統4為系統公用的UPS系統，在電網掉電的情況下仍然能夠保證1安全制動及設備平穩(wěn)停機。集中式UPS設計使得系統設計簡單、可靠。

由并網逆變器為通信主站的現場總線9，可以使用Profibus或者CAN總線，通信速率快，技術成熟，接線方式簡單且便于擴展應用。采用一主多從通信機制，風機側控制器將風機運行數據及狀態(tài)實時上送并網逆變器3，3響應5或者6命令并依據各風機狀態(tài)下發(fā)控制命令。

人機界面5與并網逆變器3之間通信線路10，通信距離較短，可以使用RS485通信協議。5作為主站，3作為從站。進行系統整體運行數據的交互以及就地控制命令的下發(fā)，特別適用于現場調試。

監(jiān)控系統6與并網逆變器3之間通信線路11，通信距離長，可以使用以太網通信協議。進行系統整體運行數據的交互以及遠程控制命令的下發(fā)，特別適用于后臺監(jiān)視。

9、10、11構成了控制系統的通信回路，9構成現場數據交互回路，為底層通信回路，10、11為頂層通信回路。通信分層設計使得通信系統更簡單、高效。2作為機側控制子站，接收1相關傳感器信息，實現對1的實時有效控制；3作為現場控制的中樞，通過與2數據交互，信息交互量大，實時控制子系統運行；5和6為監(jiān)控系統，通過2接收用戶關心的系統運行重要參數，回路簡單，信息交互高效。

三相交流電網在正常發(fā)電時接收風力發(fā)電系統轉換電能，并能在風機啟動階段為系統提供能量。

圖2

如圖2為本文集中并網逆變器控制原理示意圖。集中并網逆變器上電啟動且初始化完成后進入上電設備自檢。自檢完成后進入并網模式，穩(wěn)定母線電壓。在接收到就地或者遠程啟機命令后，判斷風機是否滿足啟機條件(一般要求30s平均風速要大于2.5m/s且小于最大風速)，如果滿足啟機條件則向風機側控制器下發(fā)啟機命令。在接收到就地或者遠程停機命令后，如果風機已經啟機則進入發(fā)電制動模式，直至風機停機完成后斷開直流母線接觸器并投入風機剎車制動。在并網過程中如果發(fā)現子控制器故障則切掉相應母線接觸器并對此風機進行剎車制動。在并網控制或者自檢過程中出現故障，進入故障狀態(tài)，系統制動停機。

圖3

如圖3為本文風機側控制器控制原理示意圖?？刂破魃想妴忧页跏蓟瓿珊筮M入上電設備自檢。自檢完成后進入待機模式，在接收到集中并網逆變器啟機命令后進入電動模式，拖動永磁同步風力發(fā)電機至啟動轉速。風機啟動完成后，風輪在風力作用下自由旋轉，控制器進入最大功率跟蹤模式，將風能以最大功率饋入直流母線。當檢測到風輪轉速超過額定轉速時，進入恒轉速控制模式。當接收到制動命令時，進入制動模式，制動完成后進入待機模式。在以上任何模式下，當檢測到系統故障時立即進入故障模式。在故障模式下，故障解決且故障復位后進入待機模式。

3.實驗驗證

實驗平臺采用河南求同電氣科技有限公司（http://m.sh-linqi.com/）的微電網之風力發(fā)電系統，如圖4所示。風電變流器支持MATLAB自動代碼生成，MBD程序開源。采用此系統，可以方便、高效的驗證垂直軸風力發(fā)電機相關的核心控制策略、設備狀態(tài)轉換控制策略、啟停機策略。風輪模擬器支持各種風況設定及不同風功率條件下的運行演示，極大的拓展了風力發(fā)電機組控制策略的可行性驗證。

圖4

附圖1 風力發(fā)電系統——本地人機界面

附圖2 風力發(fā)電系統——遠程Scada監(jiān)控

附圖 河南求同電氣科技有限公司微電網實驗系統

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