（大唐云南发电有限公司新能源分公司 650200）
摘要：在我国风电事业蓬勃发展的背景下，风电力发电机组的远程、智能控制成为一项重要技术。它能够实现在无人值守的情况下，自动获取风力发电机组的运行参数，并且结合数据分析结果，做出智能决策，下达相应的调控指令，保证机组的安全和稳定运行。并网后，还可以结合风向、风速等变量，动态调节机组运行状态，实现最优发电。本文首先介绍了变速恒频风力发电机组控制系统的基本组成和功能设计，最后就这一控制系统在低风速区和高风速区下如何实现最优发电进行了简要分析。
关键词：变速恒频；风力发电机组；变桨控制；偏航控制
引言
风力发电机组的运行状态，将会对发电质量和发电效率产生直接的影响，进而决定了风电公司的经济效益。由于风电场主要修建在比较偏远和空旷的地带，在设计风力发电机组控制系统时，既要实现自动化、智能化控制，保证机组系统的稳定和可靠，又要提高发电效益，为风电公司带来更加可观的利润。在风电行业竞争日趋激烈的背景下，探究变速恒频风力发电机组控制系统的设计与应用具有重要的价值。
一、变速恒频风力发电机组的控制系统的组成
风电机组的控制系统除了具有保证系统整体协调外，还能够利用前端监测元件、传感元件，实时的掌握各个部分的运行参数，然后通过后台计算机分析，自动发布相应的指令，保证风力发电机组的稳定运行，以及实现最优发电。从组成架构上来看，主要包含了主控制器模块、风场监控模块、远程监控模块、传感器单元等，具体如图1所示。
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图1 风力发电机组控制系统的组成结构
二、风力发电机组控制功能的设计
1、机组运行状态流程控制
风机每次启动前，控制系统先进行一次初始化。然后发电机转速从0开始提升，在达到系统设定的切入速度时稳定下来。以切入速度为临界点，在该速度以下，发电机处于静止状态，此时机组的动力来源全部是风电机。当风力增加、风速提升并超过切入速度后，风力发电机组开始并网发电。此时控制系统根据监测到的外部数据，如风向、风速等，调节发电机的转速，保证能够最大程度上捕获风能，实现最优发电。然后风力发电机组进入恒转速、恒功率运行阶段，保证持续、稳定的发电。
2、机组运行状态分析及故障预测
风力发电机组在运行过程中，由于受到周边环境、部件老化等诸多因素的影响，不可避免会出现一些异常运行工况或是故障问题。为了保证这些问题可以得到及时、有效的处理，将负面影响降至最低，在风力发电机组的控制系统中，也设置了状态监测和故障预测功能。利用分布于前端的若干类型的传感器，采集相应的状态信号，例如振动信号、温度信号、转速信号等，通过对这些信号进行分析、处理，自动判断出机组运行状态，以及有无故障隐患。以振动信号为例，由于振动过程中可能会产生其他干扰因素，因此对于获取到的振动信号，需要使用小波消噪的方式进行降噪。然后将实际监测到的振动参数（如振频、振幅等），与系统中存储的标准范围进行对比，如果超出范围，则进行报警。技术人员通过警示信息，可以发现故障所在，方便进行相应的处理。
3、变桨控制
通过改变桨叶节距角，能够让机组在一定的风速范围内，获得较高的风能利用系数。当风速较低时，控制系统会调整桨叶节距角，选择一个最佳的位置，可以让风轮可以很容易的启动。机组启动之后，控制系统根据叶轮实时转速的变化，不断的调整桨叶节距角，让叶轮转速持续的增加。达到一定数值后，控制系统控制发电机并网。之后利用速度传感器，实时的向控制系统发送发电机的转速。系统自动将实时转速与额定风速进行对比，如果对比结果为实时转速低，则控制系统发出加速指令，让机组转速提升至合理范围；如果对比结果为实施转速高，控制系统调节桨叶节距角，使机组转速降低至合理范围。
4、偏航控制
当风向发生变化时，通过偏航控制系统，可以调节风轮的方向发生变化，以最佳的角度实现最优发电。在风轮上安装有微型的风向传感器，当传感器检测到风向与风轮主轴的方向出现偏角，且超出设定的范围值后，控制系统开始发出相应的偏航指令，由前端的控制单元让风轮发生偏转。同时，风向传感器不断的获取参数，直到系统检测到最新的实时方向，与风向的偏角回归到设定范围，此时完成消除偏差，使风电机组捕获最大风能。偏航控制流程如图2所示。
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图2 偏航控制流程图
三、变速恒频风力发电机组控制系统的实践应用
1、低风速区的控制策略
由于在不同的时间段内，风速会发生较为明显的变化。当风电机组处于低风速区时，需要通过控制系统的调整，让风力发电机也能够获得最大的风能。目前低风速区的控制方法主要有三种，分别是直接转矩控制、滑模变结构控制和矢量控制。以矢量控制为例，目标是对发电机中复杂变量间的关系解耦，使实现控制变得简单。基于双馈发电机的动态数学模型利用基于定子磁链定向的矢量控制实现有功功率和无功功率的解耦控制，再分别对其施行闭环控制，实现风电系统的变速恒频运行和最大风能捕获。
2、高风速区的控制策略
当风电机组处于高风速区时，实时风速往往会超过额定风速，这种情况下就需要通过控制系统改变发电机的输出功率，保证稳定发电。对于高风速区的控制方法，也有模糊PID控制、鲁棒控制等。以模糊PID控制为例，在双馈风电系统的应用是将控制规则利用模糊集表示成规则库存入到计算机，计算机根据实际响应状况进行模糊推理，实现对PID参数的最优调整，改善了系统的动态性能，提高系统的抗干扰性和鲁棒性。给定信号为发电机的限制功率或转速，反馈信号与给定信号比较，对误差和误差的变化率进行模糊推理，对PID参数进行调整后发出桨叶节距角信号，控制节距角增大或减小。
结语
风力发电机组控制技术的成熟，在提高风力发电机组运行稳定、增加风电公司运营效益以及推动我国风电行业不断发展等方面均产生了积极影响。对于变速恒频风力发电机组来说，利用控制系统完成机组运行状态监测，可以及时发现异常工况和故障隐患，对于实现问题的处理提供了数据参考；同时还可以根据收集到的实施参数，包括风速变化、风向变化等，不断的控制机组始终捕获最大风能，实现最优发电。
参考文献
[1]汪小青,赵艺婷,赵艳旭,etal.双馈风力发电机组PQ解耦控制系统研究[J].电气应用,2018(1):54-59.
[2]苑国锋,李永东,柴建云,etal.1.5MW变速恒频双馈风力发电机组励磁控制系统试验研究[J].电工技术学报,2009,24(2):154-156.