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摘 要：风能是一种清洁能源，但风电机组系统结构的合理性和控制系统的稳定性直接影响风能发电的效率。风电机组结构复杂，本文着重从风电机组的结构和控制系统选择为主线，对控制系统多种方案进行比较与选择，进而达到使风电机组控制系统稳定性与高效工作的目的。
关键词：控制 风电机组 结构选择
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0006-01
近年来，随着风力发电技术的成熟，大功率变速恒频风力发电机组得到广泛的应用，而作为风电产业链核心的环节之一的风电机组的控制系统，不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组进行并网、脱网控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，而且还要根据风速、风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量，从而达到可靠运行、获取最大能量、提供良好的电力质量3个层次的目标。相信随着国内技术的发展和大容量电力电子器件应用技术的成熟再加上对风力发电机组控制系统的研究，将会对我国掌握风力发电的核心技术，打破国外的技术垄断具有重要的意义！同时也能降低风电机组的维护成本，提高经济效益和社会效益。
1 风力发电控制方案研究的目的与意义
据资料显示，全球化石燃料的储备量逐年下降，并且使用化石燃料所带来的环境污染、温室效应也被世界很多国家担心。所以寻找替代化石燃料途径的研究应运而生！而风能储量达，风电清洁作为替代能源之一越来越受到各个国家的青睐！风电的优点体现在以下方面。
（1）充分利用风能资源，减少常规能源的消耗，符合很多国家能源改革的方向。
（2）风力发电场对比同规模使用燃煤电厂其向大气排放的污染物为零，实现固体、气体零排放。对保护大气环境有积极作用。
（3）风力发电场比燃煤电厂可节省大量淡水资源，减少水环境污染。特别是对缺少淡水资源的沿海及干旱地区更重要。
（4）建设风力电场对发展沿海经济有重大意义。如建海产冷库、开展海水淡化、进行电量季节调峰等都起到关键作用。
2 国内外风电行业发展概述
近年，世界风力发电如雨后春笋，逐年以二位数速度迅猛增长，截至1998年，全球装机9689 MW。装机容量前10名的国家是：德国2874 MW、美国1890 MW、丹麦1400 MW、印度968 MW、西班牙834 MW、荷兰364 MW、英国331 MW、中国223 MW、意大利180 MW和瑞典174 MW。
我国风力发电起步于20世纪80年代末，集中在沿海和新疆、内蒙风能带。1986年至1994年试点，1994年新疆达坂城2号风场首次突破装机10 MW（当年全国装机25 MW），4年后，全国装机223 MW，增长9倍，占全球风力发电装机的2.3%。
2.1 风电机组结构的确定
2.1.1 风电机组类型的选择
（1）按风力发电机组类型选择。
根据风电场的风能资源状况，地区属于Ⅲ级风场，70 m高度年平均风速7.2 m/s，适宜选择中低风速区型风电机组；根据推算的风场不同高度实测年历时风速资料，按不同风电机组功率曲线，对各类机组的理论发电量和理论利用小时数进行了初步估算，推荐选择叶轮直径较大的风电机组。
（2）按风力发电机组单机容量选择。
目前风电机组单机容量最大已可达到3 MW以上，如东特许权项目要求设备国产化率达到50%，在与各设备供应商咨询了解后，初步确定4种可满足国产化率要求的风电机组，其单机容量分别为850 kW、1000 kW、1250 kW和2000 kW。
（3）按风力发电机组参数对比选择。
查阅相关资料对比可得WTG1与WTG3、WTG4型机组均采用变桨功率调节方式，在高风速区段，叶轮保持较高的效率，对风能资源的利用效率高，WTG4机组采用全变速运行，为目前较新发展的技术。
2.1.2 变流系统拓扑结构的选择
风能机组是把风能变成频率和幅值都变化的交流电，然后经过整流，把交流电变成直流电，再经过三相逆变器把直流变成幅值和频率一丁点额交流电输入到电网中去。所以中间电力电子系统变幻的好坏在很大程度上影响风电系统发电的好坏，当然对控制系统的稳定性也产生很大的影响，因此对变流器系统拓扑结构的确定是必要的。变流系统拓扑结构的分类及其特点。
（1）不可控二极管整流器接三相电压型PWM逆变器，这种类型拓扑结构作用是将风电机组产生的那种幅值、频率都变化的交流电通过整流器整流变成直流电，然后再经过PWM电压源型逆变器作用变成幅值和频率都恒定的交流电。
优点是：开关频率较高，从而减少了对电网的谐波。
缺点是：由于前端是不可控整流所以输出为不稳定的直流电，当风速较低时，逆变器输入电压也会随着较低，当要并网时，就必须提高逆变器调制深度。
（2）电压型PWM逆变器的拓扑结构。
这种结构因为升压斩波电路相对第一种结构可以解决在低风速时逆变器输入电压低、运行差等问题。同时通过斩波电路可以矫正功率因数，从而改变开关器件的占空比，进而达到输出电流与输出的电压同步的目的。这种结构的主要的特点是：控制点额结构简单，控制方法灵活，开关的利用效率提高！
（3）接三相电压型PWM逆变器。
使用这种结构目的主要是采用交叉并联的方法减小流过开关管的电流。其本质两个周期对单个升压斩波电路电流控制一次。采用此方法能够有效地提高放大倍数，调节占空比。其优点是：保护开关管，减小流过开关管的电流，增加输入电流的稳定性，削弱纹波的影响。缺点：设计的技术瓶颈是并联运行时的均流问题。
2.2 风力发电机组控制系统功能的实现
风力发电机组控制系统应完成的功能。
（1）启动控制。
（2）并/脱网控制。
（3）偏航与解缆。
（4）限速及刹车。
对在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信功能。运行过程中，控制系统需要监测的主要参数包括以下几个方面：①电力参数—— 电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率及发电机功率因数等。②风力参数—— 风速、风向。③机组状态参数—— 转速（发电机、风轮）、温度（发电机、控制器、轴承、增速器油温等）、电缆扭转、机械刹车状况、机舱振动、油位（润滑油位、液压系统油位）。④反馈信号—— 回收叶间扰流器、松开机械刹车、松开偏航制动器、发电机脱网及脱网后的转速降落信号。
目前绝大多数风力发电机组的控制系统都选用集散型或分布式（DCS）工业控制计算机。有各种功能的专用模块可供选择，可以方便地实现就地控制，许多控制模块可直接布置在控制对象的工作点，就地采集信号进行处理；同时DCS 现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数。
通常发电机组的运行通常由单片机或可编程逻辑控制器件等进行控制。MCS-80C32、8XCl96MC等各种单片机用于控制风力发电机的运行，实现了自动跟风、 并/脱电网控制，甚至是通信功能等。C60P等各型PLC也作为主控单元被用于风力发电控制系统中，适应了集群控制和单机无人值守的应用要求。
3 结语
本文主要对风力发电机组控制系统为研究对象，即从分电机组的选择、变流系统拓扑结构的选择、风电控制系统控制的实现等方面阐述了风力发电机组中存在的问题及其相应的解决方法，对风电机组控制整个系统的稳定、高效运行都有十分重要的意义！
参考文献
[1] 焦冲，风电控制与物理实验设计系统[D].北京：华北电力大学，2011：14-25.
[2] 金利祥，张德华，陈绍聂，等.基于PLC的风力发电机组控制系统的研究[J].机电工程，2012（2）：188-191.
关键词：控制 风电机组 结构选择
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0006-01
近年来，随着风力发电技术的成熟，大功率变速恒频风力发电机组得到广泛的应用，而作为风电产业链核心的环节之一的风电机组的控制系统，不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组进行并网、脱网控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，而且还要根据风速、风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量，从而达到可靠运行、获取最大能量、提供良好的电力质量3个层次的目标。相信随着国内技术的发展和大容量电力电子器件应用技术的成熟再加上对风力发电机组控制系统的研究，将会对我国掌握风力发电的核心技术，打破国外的技术垄断具有重要的意义！同时也能降低风电机组的维护成本，提高经济效益和社会效益。
1 风力发电控制方案研究的目的与意义
据资料显示，全球化石燃料的储备量逐年下降，并且使用化石燃料所带来的环境污染、温室效应也被世界很多国家担心。所以寻找替代化石燃料途径的研究应运而生！而风能储量达，风电清洁作为替代能源之一越来越受到各个国家的青睐！风电的优点体现在以下方面。
（1）充分利用风能资源，减少常规能源的消耗，符合很多国家能源改革的方向。
（2）风力发电场对比同规模使用燃煤电厂其向大气排放的污染物为零，实现固体、气体零排放。对保护大气环境有积极作用。
（3）风力发电场比燃煤电厂可节省大量淡水资源，减少水环境污染。特别是对缺少淡水资源的沿海及干旱地区更重要。
（4）建设风力电场对发展沿海经济有重大意义。如建海产冷库、开展海水淡化、进行电量季节调峰等都起到关键作用。
2 国内外风电行业发展概述
近年，世界风力发电如雨后春笋，逐年以二位数速度迅猛增长，截至1998年，全球装机9689 MW。装机容量前10名的国家是：德国2874 MW、美国1890 MW、丹麦1400 MW、印度968 MW、西班牙834 MW、荷兰364 MW、英国331 MW、中国223 MW、意大利180 MW和瑞典174 MW。
我国风力发电起步于20世纪80年代末，集中在沿海和新疆、内蒙风能带。1986年至1994年试点，1994年新疆达坂城2号风场首次突破装机10 MW（当年全国装机25 MW），4年后，全国装机223 MW，增长9倍，占全球风力发电装机的2.3%。
2.1 风电机组结构的确定
2.1.1 风电机组类型的选择
（1）按风力发电机组类型选择。
根据风电场的风能资源状况，地区属于Ⅲ级风场，70 m高度年平均风速7.2 m/s，适宜选择中低风速区型风电机组；根据推算的风场不同高度实测年历时风速资料，按不同风电机组功率曲线，对各类机组的理论发电量和理论利用小时数进行了初步估算，推荐选择叶轮直径较大的风电机组。
（2）按风力发电机组单机容量选择。
目前风电机组单机容量最大已可达到3 MW以上，如东特许权项目要求设备国产化率达到50%，在与各设备供应商咨询了解后，初步确定4种可满足国产化率要求的风电机组，其单机容量分别为850 kW、1000 kW、1250 kW和2000 kW。
（3）按风力发电机组参数对比选择。
查阅相关资料对比可得WTG1与WTG3、WTG4型机组均采用变桨功率调节方式，在高风速区段，叶轮保持较高的效率，对风能资源的利用效率高，WTG4机组采用全变速运行，为目前较新发展的技术。
2.1.2 变流系统拓扑结构的选择
风能机组是把风能变成频率和幅值都变化的交流电，然后经过整流，把交流电变成直流电，再经过三相逆变器把直流变成幅值和频率一丁点额交流电输入到电网中去。所以中间电力电子系统变幻的好坏在很大程度上影响风电系统发电的好坏，当然对控制系统的稳定性也产生很大的影响，因此对变流器系统拓扑结构的确定是必要的。变流系统拓扑结构的分类及其特点。
（1）不可控二极管整流器接三相电压型PWM逆变器，这种类型拓扑结构作用是将风电机组产生的那种幅值、频率都变化的交流电通过整流器整流变成直流电，然后再经过PWM电压源型逆变器作用变成幅值和频率都恒定的交流电。
优点是：开关频率较高，从而减少了对电网的谐波。
缺点是：由于前端是不可控整流所以输出为不稳定的直流电，当风速较低时，逆变器输入电压也会随着较低，当要并网时，就必须提高逆变器调制深度。
（2）电压型PWM逆变器的拓扑结构。
这种结构因为升压斩波电路相对第一种结构可以解决在低风速时逆变器输入电压低、运行差等问题。同时通过斩波电路可以矫正功率因数，从而改变开关器件的占空比，进而达到输出电流与输出的电压同步的目的。这种结构的主要的特点是：控制点额结构简单，控制方法灵活，开关的利用效率提高！
（3）接三相电压型PWM逆变器。
使用这种结构目的主要是采用交叉并联的方法减小流过开关管的电流。其本质两个周期对单个升压斩波电路电流控制一次。采用此方法能够有效地提高放大倍数，调节占空比。其优点是：保护开关管，减小流过开关管的电流，增加输入电流的稳定性，削弱纹波的影响。缺点：设计的技术瓶颈是并联运行时的均流问题。
2.2 风力发电机组控制系统功能的实现
风力发电机组控制系统应完成的功能。
（1）启动控制。
（2）并/脱网控制。
（3）偏航与解缆。
（4）限速及刹车。
对在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信功能。运行过程中，控制系统需要监测的主要参数包括以下几个方面：①电力参数—— 电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率及发电机功率因数等。②风力参数—— 风速、风向。③机组状态参数—— 转速（发电机、风轮）、温度（发电机、控制器、轴承、增速器油温等）、电缆扭转、机械刹车状况、机舱振动、油位（润滑油位、液压系统油位）。④反馈信号—— 回收叶间扰流器、松开机械刹车、松开偏航制动器、发电机脱网及脱网后的转速降落信号。
目前绝大多数风力发电机组的控制系统都选用集散型或分布式（DCS）工业控制计算机。有各种功能的专用模块可供选择，可以方便地实现就地控制，许多控制模块可直接布置在控制对象的工作点，就地采集信号进行处理；同时DCS 现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数。
通常发电机组的运行通常由单片机或可编程逻辑控制器件等进行控制。MCS-80C32、8XCl96MC等各种单片机用于控制风力发电机的运行，实现了自动跟风、 并/脱电网控制，甚至是通信功能等。C60P等各型PLC也作为主控单元被用于风力发电控制系统中，适应了集群控制和单机无人值守的应用要求。
3 结语
本文主要对风力发电机组控制系统为研究对象，即从分电机组的选择、变流系统拓扑结构的选择、风电控制系统控制的实现等方面阐述了风力发电机组中存在的问题及其相应的解决方法，对风电机组控制整个系统的稳定、高效运行都有十分重要的意义！
参考文献
[1] 焦冲，风电控制与物理实验设计系统[D].北京：华北电力大学，2011：14-25.
[2] 金利祥，张德华，陈绍聂，等.基于PLC的风力发电机组控制系统的研究[J].机电工程，2012（2）：188-191.