永磁同步风⼒发电系统的系统基本组成、⼯作原理、控制
模式论述
1.系统的基本组成：
直驱式同步风⼒发电系统主要采⽤如下结构组成：风⼒机（这⾥概括为：叶⽚、轮毂、导航罩）、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风速仪、风向标、变流器、风机总控系统等组成。其中全功率变流器⼜可分为发电机侧整流器、直流环节和电⽹侧逆变器。就空间位置⽽⾔，变流器和风机总控系统⼀般放在塔筒底部，其余主要部件均位于塔顶。
2.⼯作原理：
系统中能量传递和转换路径为：风⼒机把捕获的流动空⽓的动能转换为机械能，直驱系统中的永磁同步发电机把风⼒机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化⽽变化的不控电能，变流器把不控的电能转换为频率和电压与电⽹同步的可控电能并馈⼊电⽹，从⽽最终实现直驱系统的发电并⽹控制。
3.控制模式：
风⼒发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电⽹、风况和机组运⾏参数，对机组运⾏进⾏控制。⽽且还要根据风速与风向的变化，对机组进⾏优化控制，以提⾼机组的运⾏效率和发电量。
风⼒发电控制系统的基本⽬标分为三个层次：
分别为保证风⼒发电机组安全可靠运⾏，获取最⼤能量，提供良好的电⼒质量。
控制系统主要包括各种传感器、变距系统、运⾏主控制器、功率输出单元、⽆功补偿单元、并⽹控制单元、安全保护单元、通讯接⼝电路、监控单元。
具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、⾃动最⼤功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、⾃动解缆、并⽹和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。
⼀、系统运⾏时控制：
1、偏航系统控制：
偏航系统的控制包括三个⽅⾯：⾃动对风、⾃动解缆和风轮保护。
1)⾃动对风
正常运⾏时偏航控制系统⾃动对风，即当机舱偏离风向⼀定⾓度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，当达到允许的误差范围内时，⾃动对风停⽌。
2)⾃动解缆
当机舱向同⼀⽅向累计偏转2~3圈后，若此时风速⼩于风电机组启动风速且⽆功率输出，则停机，控制系统使机舱反⽅向旋转2~3圈解绕；若此时机组有功率输出，则暂不⾃动解绕；若机舱继续向同⼀⽅向偏转累计达3圈时，则控制停机，解绕；若因故障⾃动解绕未成功，在扭缆达4圈时，扭缆机械开关将动作，此时报告扭缆故障，⾃动停机，等待⼈⼯解缆操作。3)风轮保护
当产⽣特⼤强风时，停机并释放叶尖阻尼板，桨距调到最⼤，偏航90°背风，以保护风轮免受损坏。
2、变桨距系统控制
变桨系统的控制包括三个⽅⾯：启动状态（转速控制）、⽋功率状态（不控制）和额定功率状态（功率控制）。
1)起动状态
桨叶在静⽌时，节距⾓为90°，这时⽓流对桨叶不产⽣转矩，整个桨叶实际上是⼀块阻尼板。当风速达到启动风速时，桨叶向0°⽅向转动，知道⽓流对桨叶产⽣⼀定的攻⾓，风轮开始起动。在发电机并⼊电⽹以前，变桨距系统的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按照⼀定的速度上升斜率给出速度参考值。为确保并⽹平稳，对电⽹产⽣的冲击尽可能⼩，变桨距系统可以在⼀定时间内，保持发电机的转速在同步转速附近。
2)⽋功率状态
当风速低于额定风速时，发电机在额定功率以下⼯作，此时变桨距系统不加控制，节距⾓为0，以实现最⼤功率跟踪。
3)额定功率状态
当风速达到或超过额定风速后，风⼒发电机进⼊额定功率状态。变桨距系统根据发电机的功率信号进⾏控制。
3、机侧变流器的控制
永磁同步发电机侧变流器的控制⽬标是：
1)将永磁同步发电机发出的频率和电压幅值变化⽆序的交流电整流成直流电
2)控制风⼒机转速，实现最⼤风能捕获
3)控制与永磁同步发电机间的⽆功交换。
4、⽹侧变流器的控制
⽹侧变流器可以⼯作在整流和逆变状态，⼀般情况下在单位功率因数逆变运⾏。此时，能量由直流侧流向电源，且⽆功功率为零。
⽹侧逆变器控制⽬标是：
1)将直流电逆变为与电⽹频率、幅值相同的交流电，保证电⽹侧电流正弦，减少谐波对电⽹的污染并维持直流侧电压恒定，提⾼发电效率。
图表 1 制动功能结构图三、安全保护控制
控制系统是风⼒发电机组核⼼部件，是风⼒发电机组安全运⾏根本保证，所以为提⾼风⼒发电机组运⾏安全性，必须认真考虑控制系统的安全性和可靠性问题。
1、雷电安全保护
需要在风电场整体设计上考虑，采取多层防护措施。
2、过压过流保护
当装置元件遭到瞬间⾼压冲击和电流过流时所进⾏的保护。通常采⽤隔离、限压、⾼压瞬态吸收元件、过流保护器等。
3、震动保护
机组应设有三级震动频率保护，震动球开关、震动频率上限。当开关动作时，控制系统将分级进⾏处理。
4、开机关机保护
风力发电的原理设计机组开机正常顺序控制，确保机组安全。在⼩风、⼤风、故障时控制机组按顺序停机。
5、电⽹掉电保护
风⼒发电机组离开电⽹的⽀持是⽆法⼯作的，⼀旦有突发故障⽽停电时，控制器的计算机由于失电会⽴即终⽌运⾏，并失去对风机的控制，控制叶尖⽓动刹车和机械刹车的电磁阀就会⽴即打开，液压系统会失去压⼒，制动系统动作，执⾏紧急停机。紧急停机意味着在极短的时间内，风机的制动系统将风机叶轮转数由运⾏时的额定转速变为零。⼤型的机组在极短的时间内完成制动过程，将会对机组的制动系统、齿轮箱、主轴和叶⽚以及塔架产⽣强烈的冲击。紧急停机的设
置是为了在出现紧急情况时保护风电机组安全的。然⽽，电⽹故障⽆须紧急停机；突然停电往往出现在天⽓恶劣、风⼒较强时，紧急停机将会对风机的寿命造成⼀定影响。另外风机主控制计算机突然失电就⽆法将风机停机前的各项状态参数及时存储下来，这样就不利于迅速对风机发⽣的故障做出判断和处理。针对上述情况，可以在控制系统电源中加设在线UPS后备电源，这样当电⽹突然停电
时，UPS⾃动投⼊，为风电机控制系统提供电⼒，使风电控制系统按正常程序完成停机过程。
6、紧急停机安全链保护
系统的安全链是独⽴于计算机系统的硬件保护措施，即使控制系统发⽣异常，也不会影响安全链的正常动作。安全链是将可能
对风⼒发电机造成致命伤害的超常故障串联成⼀个回路，当安全链动作后将引起紧急停机，执⾏机构失电，机组瞬间脱⽹，控制系统在3秒左右，将机组平稳停⽌，从⽽最⼤限度地保证机组的安全。发⽣下列故障时将触发安全链：叶轮过速、机组部件损坏、机组振动、扭缆、电源失电、紧急停机按钮动作。
7、微机控制器抗⼲扰保护
风电场控制系统的主要⼲扰源有：⼯业⼲扰：如⾼压交流电场、静电场、电弧、可控硅等，⾃然界⼲扰：雷电冲击、各种静电放电、磁爆等；⾼频⼲扰：微波通讯。⽆线电信号、雷达等。这些⼲扰通过直接辐射或由某些电⽓回路传导进⼊
的⽅式进⼊到控制系统，⼲扰控制系统⼯作的稳定性。从⼲扰的种类来看，可分为交变脉冲⼲扰和单脉冲⼲扰两种，它们均以电或磁的形式⼲扰控制系统，以保证设备的可靠性。
8、接地保护
接地保护是⾮常重要的环节。良好的接地将确保控制系统免受不必要的损害。在整个控制系统中通常采⽤以下⼏种接地⽅式，来达到安全保护的⽬的。⼯作接地、保护接地、防雷接地、防静电接地、屏蔽接地。接地的主要作⽤⼀⽅⾯是为保证电器设备安全运⾏，另⼀⽅⾯是防⽌设备绝缘被破坏时可能带电，以致危及⼈⾝安全。同时能使保护装置迅速切断故障回路，防⽌故障扩⼤。
9、监控功能
风电场计算机监控系统分中央监控系统和远程监控系统，系统主要由监控计算机、数据传输介质、信号转换模块、监控软件等组成。中央监控系统的功能是：对风⼒发电机进⾏实时监测、远程控制、故障报警、数据记录、数据报表、曲线⽣成等。
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