风力发电机组的控制与安全系统

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1、风力发电机组的控制与安全系统技术要求风力发电机组控制系统工作的安全可靠性已成为风力发电系统能否发挥作用，甚至成为风电场长期安全可靠运行的重大问题。在实际应用过程中，尤其是一般风力发电机组控制与检测系统中，控制系统满足用户提出的功能上的要求是不困难的。往往不是控制系统功能而是它的可靠性直接影响风力发电机组的声誉。有的风力发电机组控制系统功能很强，但由于工作不可靠，经常出故障，而出现故障后对一般用户来说维修又十分困难。于是，这样一套控制系统可能发挥不了它应有的作用，造成不应有的损失。因此，对于一个风力发电机组控制系统的设计和使用者来说，系统的安全可靠性必须认真加以考虑，必须引起足够的重视。我们的目

2、的是希望通过控制与安全系统设计，采取必要的手段，使我们的系统在规定的时间内不出故障或少出故障。并且，在出故障之后能够以最快的速度修复系统使之恢复正常工作。第一节 控制与安全系统的技术要求一、风力发电机组的运行的控制要求（一）控制思想我国风电场运行的机组多数以定桨距失速型机组为主，所谓失速型风力发电机组就是当风速超过风力发电机组额定风速以上时，为确保风力发电机组功率输出不再增加，导致风力发电机组过载，通过空气动力学的失速特性，使叶片发生失速，从而控制风力发电机组的功率输出。所以，定桨距失速型风力发电机组控制系统控制思想和控制原则以安全运行控制技术要求为主，功率控制由叶片的失速特性来完成。风力发电

3、机组的正常运行及安全性取决于先进的控制策略和优越的保护功能。控制系统应以主动或被动的方式控制机组的运行，使系统运行在安全允许的规定范围内，且各项参数保持在正常工作范围内。控制系统可以控制的功能和参数包括功率极限、风轮转速、电气负载的连接、起动及停机过程、电网或负载丢失时的停机、纽缆限制、机舱时风、运行时电量和温度参数的限制。如风力发电机组的工作风速是采用BIN法计算10min平均值确定小风脱网风速和大风切出风速，每个参数极限控制均采用回差法，上行点和下行点不同，视实际运行情况而定。对于变桨距风力发电机组与定桨距恒速型风力发电机组控制方法略有不同，即功率调节方式不同，它采用变桨距方式改变风轮能量

4、的捕获，从而使风力发电机组的输出功率发生变化，最终达到限制功率输出的目的。保护环节以失效保护为原则进行设计，当控制失败，内部或外部故障影响，导致出现危险情况引起机组不能正常运行时，系统安全保护装置动作，保护风力发电机组处于安全状态。在下列情况系统自动执行保护功能：超速、发电机过载和故障、过振动、电网或负载丢失、脱网时的停机失败等。保护环节为多级安全链互锁，在控制过程中具有逻辑“与”的功能，而在达到控制目标方面可实现逻辑“或”的结果。此外，系统还设计了防雷装置，对主电路和控制电路分别进行防雷保护。控制线路中每一电源和信号输入端均设有防高压元件，主控柜设有良好的接地并提供简单而有效的疏雷通道。（二

5、）自动运行的控制要求1.开机并网控制当风速10min平均值在系统工作区域内，机械闸松开，叶尖复位，风力作用于风轮旋转平面上，风力发电机组慢慢起动，当发电机转速大于20%的额定转速持续5%，转速仍达不到60%额定转速，发电机进入电网软拖动状态，软拖方式视机组型号而定。正常情况下，风力发电机组转速连续增高，不必软拖增速，当转速达到软切转速时，风力发电机组进入软切入状态；当转速升到发电机同步转速时，旁路主接触器动作，机组并入电网运行。对于有大、小发电机的失速型风力发电机组，按风速范围和功率的大小，确定大、小电机的投入。软切入控制方式确定参照本章第二节第四条，但大电机和小电机的发电工作转速不一致，通常

6、为1000r/min和1500r/min，在小电机脱网，大电机并网的切换过程中，要求严格控制，通常必须在几秒内完成控制。2. 小风和逆功率脱网小风和逆功率停机是将风力发电机组停在待风状态，当10min平均风速小于小风脱网风速或发电机输出功率负到一定值后，风力发电机组不允许长期在电网运行，必须脱网，处于自由状态，风力发电机组靠自身的摩擦阻力缓慢停机，进入待风状态。当风速再次上升，风力发电机组又可自动旋转起来，达到并网转速，风力发电机组又投入并网运行。3.普通故障脱网停机机组运行时发生参数越限、状态异常等普通故障后，风力发电机组进入普通停机程序，机组投入气动刹车，软脱网，待低速轴转速低于一定值后，

7、再抱机械闸，如果是由于内部因素产生的可恢复故障，计算机可自行处理，无需维护人员到现场，即可恢复正常开机。4.紧急故障脱网停机当系统发生紧急故障如风力发电机组发生飞车、超速、振动及负载丢失等故障时，风力发电机组进入紧急停机程序，机组投入气动刹车的同时执行90偏航控制，机舱旋转偏离主风向，转速达到一定限制后脱网，低速轴转速小于一定转速后，抱机械闸。5. 安全链动作停机安全链动作停机指电控制系统软保护控制失败时，为安全起见所采取的硬性停机叶尖气动刹车、机械刹车和脱网同时动作，风力发电机组在几秒内停下来。6.大风脱网控制当风速10min 平均值大于25m/s 时，风力发电机组可能出现超速和过载，为了机

8、组的安全，这时风力发电机组必须进行大风脱网停机。风力发电机组先投入气动刹车，同时偏航90，等功率下降后脱网，20s 后或者低速轴转速小于一定值时，抱机械闸，风力发电机组完全停止。当风速回到工作风速区后，风力发电机组开始恢复自动对风，待转速上升后，风力发电机组又重新开始自动并网运行。7.对风控制风力发电机组在工作风速区时，应根据机舱的控制灵敏度，确定每次偏航的调整角度。用两种方法判定机舱与风向的偏离角度，根据偏离的程度和风向传感器的灵敏度，时刻调整机舱偏左和偏右的角度。8. 偏转900 对风控制风力发电机组在大风速或超转速工作时，为了风力发电机组的安全停机，必须降低风力发电机组的功率，释放风轮的

9、能量。当10min平均风速大于25m/s或风力发电机组转速大于转速超速上限时，风力发电机组作偏转90控制，同时投入气动刹车，脱网，转速降下来后，抱机械闸停机。在大风期间实行90跟风控制，以保证机组大风期间的安全。9. 功率调节当风力发电机组在额定风速以上并网运行时，对于失速型风力发电机组由于叶片的失速特性，发电机的功率不会超过额定功率的15%。一旦发生过载，必须脱网停机。对于变桨距风力发电机组，必须进行变距调节，减小风轮的捕风能力，以便达到调节功率的目的，通常桨距角的调节范围在-2-86。10. 软切入控制风力发电机组在进入电网运行时，必须进行软切人控制，当机组脱离电网运行时，也必须软脱网控制

10、。利用软并网装置可完成软切入/出的控制。通常软并网装置主要由大功率晶闸管和有关控制驱动电路组成。控制目的就是通过不断监测机组的三相电流和发电机的运行状态，限制软切入装置通过控制主回路晶闸管的导通角，以控制发电机的端电压，达到限制起动电流的目的。在电机转速接近同步转速时，旁路接触器动作，将主回路晶闸管断开，软切入过程结束，软并网成功。通常限制软切入电流为额定电流的1.5 倍。（三）控制保护要求1. 主电路保护在变压器低压侧三相四线进线处设置低压配电低压断路器，以实现机组电气元件的维护操作安全和短路过载保护，该低压配电低压断路器还配有分动脱扣和辅动触点。发电机三相电缆线入口处，也设有配电自动空气断

11、路器，用来实现发电机的过电流、过载及短路保护。2. 过电压、过电流保护主电路计算机电源进线端、控制变压器进线端和有关伺服电动机进线端，均设置过电压、过电流保护措施。如整流电源、液压控制电源、稳压电源、控制电源一次侧、调向系统、液压系统、机械闸系统、补偿控制电容都有相应的过电流、过电压保护控制装置。3.防雷设施及熔丝主避雷器与熔丝，合理可靠的接地线为系统主避雷保护，同时控制系统有专门设计的防雷保护装置。在计算机电源及直流电源变压器一次侧，所有信号的输入端均设有相应的瞬时超电压和过电流保护装置。4. 热继电保护运行的所有输出运转机构如发电机、电动机、各传动机构的过热、过载保护控制装置。5.接地保护

12、由于设备因绝缘破坏或其他原因可能引起出现危险电压的金属部分，均应实现保护接地。所有风力发电机组的零部件、传动装置、执行电动机、发电机、变压器、传感器、照明器具及其他电器的金属底座和外壳；电气设备的传动机构；塔架机舱配电装置的金属框架及金属门；配电、控制和保护用的盘（台、箱）的框架；交、直流电力电缆的接线盒和终端盒金属外壳及电缆的金属保护层和窜线的钢管；电流互感器和电压互感器的二次线圈；避雷器、保护间隙和电容器的底座、非金属护套信号线的12 根屏蔽芯线；上述都要求保护接地。二、控制安全系统安全运行的技术要求控制与安全与系统是风力发电机组安全运行的大脑指挥中心，控制系统的安全运行就是保证了机组安全

13、运行，通常风力发电机组运行所涉及的内容相当广泛就运行工况而言，包括起动、停机、功率调解、变速控制和事故处理等方面的内容。风力发电机组在起停过程中，机组各部件将受到剧烈的机械应力的变化，而对安全运行起决定因素是风速变化引起的转速的变化。所以转速的控制是机组安全运行的关键。风力发电机组的运行是一项复杂的操作，涉及的问题很多，如风速的变化、转速的变化、温度的变化、振动等都是直接威胁风力发电机组的安全运行。（一）控制系统安全运行的必备条件1）风力发电机组开关出线侧相序必须与并网电网相序一致，电压标称值相等，三相电压平衡。2）风力发电机组安全链系统硬件运行正常。3）调向系统处于正常状态，风速仪和风向标处

14、于正常运行的状态。4）制动和控制系统液压装置的油压、油温和油位在规定范围内。5）齿轮箱油位和油温在正常范围。6）各项保护装置均在正常位置，且保护值均与批准设定的值相符。7）各控制电源处于接通位置。8）监控系统显示正常运行状态。9）在寒冷和潮湿地区，停止运行一个月以上的风力发电机组再投入运行前应检查绝缘，合格后才允许起动。10）经维修的风力发电机组控制系统在投入起动前，应办理工作票终结手续。（二）风力发电机组工作参数的安全运行范围1.风速自然界风的变化是随机的没有规律的，当风速在3-25m/s的规定工作范围时，只对风力发电机组的发电有影响，当风速变化率较大且风速超过25m/s以上时，则对机组的安

15、全性产生威胁。2. 转速风力发电机组的风轮转速通常低于40r/min，发电机的最高转速不超过额定转速的20%，不同型号的机组数字不同。当风力发电机组超速时，对机组的安全性产生严重威胁。3. 功率在额定风速以下时，不作功率调节控制，只有在额定风速以上应作限制最大功率的控制，通常运行安全最大功率不允许超过设计值20%。4. 温度运行中风力发电机组的各部件运转将会引起温升，通常控制器环境温度应为0-30，齿轮箱油温小于120，发电机温度小于150，传动等环节温度小于70。5.电压发电电压允许的范围在设计值的10%，当瞬间值超过额定值的30% 时，视为系统故障。6.频率机组的发电频率应限制在50Hz1

16、Hz，否则视为系统故障。7. 压力机组的许多执行机构由液压执行机构完成，所以各液压站系统的压力必须监控，由压力开关设计额定值确定，通常低于100HPa（三）系统的接地保护安全要求1）配电设备接地。变压器、开关设备和互感器外壳、配电柜、控制保护盘，金属构架、防雷设施及电缆头等设备必须接地。2）塔筒与地基接地装置，接地体应水平敷设。塔内和地基的角钢基础及支架要用截面25mm4mm的扁钢相连作接地干线，塔筒做一组，地基做一组，两者焊接相连形成接地网。3）接地网形式以闭合型为好。当接地电阻不满足要求时，引入外部接地体。4）接地体的外缘应闭合，外缘各角要作成圆弧形，其半径不宜小于均压带间距的一半，埋设深

17、度应不小于0.6m，并敷设水平均压带。5）变压器中线点的工作接地和保护地线，要分别与人工接地网连接。6）避雷线宜设单独的接地装置。7）整个接地网的接地电阻应小于4。8）电缆线路的接地。当电缆绝缘损坏时，在电缆的外皮、铠甲及接线头盒均可能带电，要求必须接地。9）如果电缆在地下敷设，两端都应接地。低压电缆除在潮湿的环境须接地外，其他正常环境不必接地。高压电缆任何情况都应接地。三、控制与安全系统安装和维护的技术要求（一）一般安全守则1）维修前机组必须完全停止下来，各维修工作按安全操作规程进行。2）工作前检查所有维修用设备仪器，严禁使用不符合安全要求的设备和工具。3）各电器设备和线路的绝缘必须良好，非

18、电工不准拆装电器设备和线路。4）严格按设计要求进行控制系统硬件和线路安装，全面进行安全检查。5）电压、电流、断流容量、操作次数、温度等运行参数应符合要求。6）设备安装好后，试运转合闸前，必须对设备及接线仔细检查，确认无问题时方可合闸。7）操作刀闸开关和电气分合开关时，必须带绝缘手套，并要设专门人员监护。电动机、执行机构进行实验或试运行时，也应有专人负责监视，不得随意离开。如发现异常声音或气味时，应立即停止机器切断电源进行检查修理。8）安装电机时，必须检查绝缘电阻是否合格，转动是否灵活，零部件是否齐全，同时必须安装接地线。9）拖拉电缆应在停电情况下进行，若因工作需要不能停电时，应先检查电缆有无破

19、裂之处，确认完好后，带好绝缘手套才能拖拉。10）带熔断器的开关，其熔丝应与负载电流匹配，更换熔丝必须向拉开刀开关。11）电器元件应垂直安装，一般倾斜不超过5，应使螺栓固定在支持物上，不得采用焊接，安装位置应便于操作，手柄与周围建筑物间应保持一定距离，不易被碰坏。12）低压电器的金属外壳或金属支架必须接地（ 或接零），电器的裸露部分应加防护罩，双头刀开关的分合闸位置上应有防止自动合闸的位置。（二）运行前的检查和试验要求1）控制器内是否清洁，无垢，所安装的电器其型号、规格是否与图纸相符，电器元件安装是否牢靠。2）用手操作的刀开关、组合开关、断路器等，不应有卡住或用力过大的现象。3）刀开关、断路器、

20、熔断器等各部分应接触良好。4）电器的辅助触点的通断是否可靠，断路器等主要电器的通断是否符合要求。5）二次回路的接线是否符合图纸要求，线段要有编号，接线应牢固、整齐。6）仪表与互感器的变比与接线极性是否正确。7）母线连接是否良好，其支持绝缘子、夹持件等附件是否牢固可靠。8）保护电器的整定值是否符合要求，熔断器的熔体规格是否正确，辅助电路各元件的节点是否符合要求。9）保护接地系统是否符合技术要求，并应有明显标记。表计和继电器等二次元件的动作是否准确无误。10）用欧姆表测量绝缘电阻值是否符合要求，并按要求作耐压试验。（三）控制与安全系统运行的检查1）保持柜内电器元件的干燥、清洁。2）经常注意柜内各电

21、器元件的动作顺序以是否正确、可靠。3）运行中特别注意柜中的开断元件及母线等是否有温升过高或过热、冒烟、异常的声音及不应有的的放电等不正常现象，如发现异常，应及时停电检查，并排除故障，并避免事故的扩大。4）对断开、闭合次数较多的断路器，应定期检查主触点表面的烧损情况，并进行维修。断路器每经过一次断路电流，应及时对其主触点等部位进行检查修理。5）对主接触器，特别是动作频繁的系统，应及时检查主触点表面，当发现触点严重烧损时，应及时更换不能继续使用。6）定期检查接触器、断路器等电器的辅助触点及电器的触点，确保接触良好。定期检查电流继电器、时间继电器、速度继电器、压力继电器等整定值是否符合要求，并作定期

22、整定，平时不应开盖检修。7）定期检查各部位接线是否牢靠及所有紧固件有无松动现象。8）定期检查装置的保护接地系统是否安全可靠。9）经常检查按钮、操作键是否操作灵活，其接触点是否良好。第二节 风力发电机组控制系统的结构原理一、风力发电机组的控制目标风力发电机组是实现由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程的装置，风轮系统实现了从风能到机械能的能量转换，发电机和控制系统则实现了从机械能到电能的能量转换过程，在考虑风力发电机组控制系统的控制目标时，应结合它们的运行方式重点实现以下控制目标：1. 控制系统保持风力发电机组安全可靠运行，同时高质量地将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电送人电网

23、。2. 控制系统采用计算机控制技术实现对风力发电机组的运行参数、状态监控显示及故障处理，完成机组的最佳运行状态管理和控制。3. 利用计算机智能控制实现机组的功率优化控制，定桨距恒速机组主要进行软切入、软切出及功率因数补偿控制，对变桨距风力发电机组主要进行最佳尖速比和额定风速以上的恒功率控制。4.大于开机风速并且转速达到并网转速的条件下，风力发电机组能软切入自动并网，保证电流冲击小于额定电流。当风速在4-7m/s之间，切入小发电机组（ 小于300kW）并网运行，当风速在7-30m /s之间，切人大发电机组（大于500kW）并网运行。主要完成下列自动控制功能：1）大风情况下，当风速达到停机风速时，

24、风力发电机组应叶尖限速脱网抱液压机械闸停机，而且在脱网同时，风力发电机组偏航90。停机后待风速降低到大风开机风速时，风力发电机组又可自动并人电网运行。2）为了避免小风时发生频繁开、停机现象，在并网后10min 内不能按风速自动停机。同样，在小风自动脱网停机后，5min 内不能软切并网。3）当风速小于停机风速时，为了避免风力发电机组长期逆功率运行，造成电网损耗，应自动脱网，使风力发电机组处于自由转动的待风状态。4）当风速大于开机风速，要求风力发电机组的偏航机构始终能自动跟风。跟风精度范围15。5）风力发电机组的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下，应该松开机械闸，其余状态下（大风停机、断电和故

25、障等）均应抱闸。6）风力发电机组的叶尖闸除非在脱网瞬间、超速和断电时释放，起平稳刹车作用。其余时间（运行期间、正常和故障停机期间）均处于归位状态。7）在大风停机和超速停机的情况下，风力发电机组除了应该脱网、抱闸和甩叶尖闸停机外，还应该自动投入偏航控制，使风力发电机组的机舱轴心线与风向成一定的角度，增加风力发电机组脱网的安全度，待机舱转约90后，机舱保持与风向偏90跟风控制，跟风范围15。8）在电网中断、缺相和过电压的情况下，风力发电机组应停止运行，此时控制系统不能供电。如果正在运行时风力发电机组遇到这种情况，应能自动脱网和抱闸停机，此时偏航机构不会动作，风力发电机组的机械结构部分应能承受考验。

26、9）风力发电机组塔架内的悬挂电缆只允许扭转2.5 圈，系统已设计了正/ 反向扭缆计数器，超过时自动停机解缆，达到要求后再自动开机，恢复运行发电。10）风力发电机组应具有手动控制功能（包括远程遥控手操），手动控制时“自动”功能应该解除，相反地投入自动控制时，有些“手动”功能自动屏蔽。11）控制系统应该保证风力发电机组的所有监控参数在正常允许的范围内，一旦超过极限并出现危险情况，应能自动处理并安全停机。二、控制系统主要参数1. 主要技术参数1）主发电机输出功率（额定） Pe（kW）2）发电机最大输出功率 1.2Pe（kW）3）工作风速范围 4-25m/ s4）额定风速 Ve（m/ s）5）切攻风速

27、（1min 平均值） 4m/ s6）切出风速（1min 平均值） 25m/ s7）风轮转速 N（r/min）8）发电机并网转速 1000/1500+20r/min9）发电机输出电压 V10%10）发电机发电频率 50Hz0.5 Hz11）并网最大冲击电流（有效值） 1.51e12）电容补偿后功率因数 0.6-0.922.控制指标及效果1）方式 专用微控制器2）过载开关 690V，660A3）自动对风偏差范围 154）风力发电机组自动起、停时间 60s5）系统测试精度 0.5%6）电缆缠绕2.5 圈自动解缆7）解缆时间55min8）手动操作响应时间 5s3.保护功能1）超电压保护范围 连续30s

28、1.3Ue （V）2）欠电流保护范围 连续 30s1.3Ie（ A）3）风轮转速极限 40r/min4）发电机转速极限 1800r/min5）发电机过功率保护值 连续60s1.2Pe（kW）6）发电机过电流保护值 连续301.51e（A）7）大风保护风速 连续600s25m/s8）系统接地电阻 49）防雷感应电压 3500V三、恒速恒频风力发电机组控制系统组成控制系统组成框图，如图9-1所示。这是定桨距双速发电机型机组控制系统的组成，对于变桨距风力发电机组只是发电机软切人控制略有区别。控制系统由微机控制器（ 包括监控显示运行控制器、并网控制器、发电机功率控制器）、运行状态数据监测系统、控制输出

29、驱动电路模板（输出伺服电动机、液压伺服机构、机电切换装置）等系统组成。主要有空气断路器、控制切换接触器、过电流、过电压及避雷保护器件、电流、电压及温度的变换电路、发电机并网控制装置、偏航控制系统、相位补偿系统、停机制动控制装置。传感信号主要由信号接口电路完成，它们向计算机控制器提供电气隔离标准信号。这些信号有模拟量20 点、开关量60多点、频率量10 多点，信号的电压和电流范围一般为工业标准信号。1. 控制系统输入信号系统监测的参数有三相电压、三相电流、电网频率、功率因数、输出功率、发电机转速、风轮转速、发电机绕组温度、齿轮箱油温、环境温度、控制板温度、机械制动闸片磨损及温度、电缆扭绞、机舱振

30、动、风速仪和风向标等。为了得到系统运行的情况，系统还需监测各接触器的开关、液压阀压力状况、偏航运作和按键输入等情况。而控制系统输出控制的是并网晶闸管触发、相补偿、旁路接触器的开合、空气断路器的开合、空气制动、机械制动和偏航。这些控制输出都需要状态反馈，所以系统的输入量包括20多点模拟量、10 点频率量、60多点开关量。他们主要为系统的模拟输入量：发电机和电网的三相电压、三相电流和发电机绕组温度、齿轮箱油温、环境温度、传动机构等旋转机构的热升温度；频率输入量有风轮转速、发电机转速、风速仪、风向仪，偏航正反向计数、扭缆正反向计数等；开关输入量主要有按键信号16 个、制动闸片磨损、制动闸片热、风向标

31、0、风向标90、偏航顺时针传感、偏航逆时针传感、机舱振动、偏航电动机过载、旁路接触器状态、风轮液压压力信号（风轮转速过高时出现）、机械制动液压压力高、机械制动液压压力低、外部错误信号等等。2. 控制系统输出信号而系统的控制输出主要是控制各电磁阀、接触器线圈、空气断路器的开合输出。电磁阀和接触器侧的开合则与发电动机的并网、偏航电动机（ 顺时针和，逆时针）的动作、相位补偿的三步投切、空气制动及机械制动系统的动作等。还有系统的软并网和软脱网控制。此外，对变桨距风力发电机组还要求根据风速变化调节变桨距控制输出。四、控制系统工作原理主开关合上后，风力发电机组控制器准备自动运作。首先系统初始化，检查控制程

32、序、微控制器硬件和外设、传感器来的脉冲及比较所选的操作参数，备份系统工作表，接着就正式起动。起动的第一秒钟内，先检查电网、设置各个计数器、输出机构初始工作状态及晶闸管的开通角。所有这些完成后，风力发电机组开始自动运行。用于风轮的叶尖本来是90，现在恢复为0，风轮开始转动。计算机开始时刻监测各个参数、输入，判断是否可以并网，判断参数有否超过极限、执行偏航、相位补偿、机械制动或空气制动。其中相位补偿的作用在于使功率因数保持在0.95-0.99之间。其详细的控制系统工作原理流程框图（见图9-2）。五、并网控制基本原理恒速恒频发电机并网控制系统一般来说比较简单，根据发电机不同种，即采用不同方法，对于同

33、步发电机和笼型感应发电机方法各不相同。前者运行于由电机极数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同步速的转速运行。（一）同步发电机的并网运行控制由于发电机有固定的旋转方向，只要使发电机的输出端与电网各项互相对应即可满足条件。起动和并网过程如下：由风向传感器测出风向，并使偏航控制器动作，使风力发电机组对准风向。当风速超过切人风速时，桨距控制器调节叶片桨距角使风力发电机组起动。但发电机被风力发电机组带到接近同步速时，励磁调节器动作，向发电机供给励磁，并调节励磁电流使发电机的端电压接近于电网电压。在发电机被加速，几乎达到同步速度时，发电机的电动势或端电压的幅值将大致与电网电压相同。它们频率之间的很小

34、差别将使发电机的端电压和电网电压之间的相位差在0和360的范围内缓慢的变化，检测出断路器两侧的电位差，当其为零或非常小时就可使断路器合闸并网。合闸后由于有自整步作用，只要转子转速接近同步转速就可以使发电机牵人同步，即使发电机与电网保持频率完全相同。以上过程可以通过微机自动检测和操作。这种同步机并网方式，可使并网时的瞬态电流减至最小，因而风力发电机组和电网受到的冲击也最小。但是要求风力发电机组调速器调节转速使发电机频率与电网频率的偏差达到容许值时方可并网，所以对调速器的要求较高，如果并网时刻控制不当，则有可能产生较大的冲击电流，甚至并网失败。另外，为了实现上述同步并网所需要的控制系统，一般不是很

35、便宜的，对于小型风力发电机组将会占其整个成本的一个相当大的部分，由于这个原因，同步发电机一般用于较大型的风力发电机组。（二）感应发电机的并网运行控制1. 电机并网感应发电机可以直接并入电网，也可以通过晶闸管调压装置与电网连接。感应发电机的并网条件如下：1）转子转向应与定子旋转磁场转向一致，即感应发电机的相序应和电网相序相同；2）发电机转速应尽可能接近同步转速时并网。并网的第一个条件必须满足，否则电机并网后将处于电磁制动状态，在接线时应调整好相序；第二个条件不是非常严格，但愈是接近同步转速并网，冲击电流衰减的时间愈少。当风速达到起动条件时风力发电机组起动，感应发电机被带到同步转速附近（ 一般为9

36、8%-100%同步转速）时合闸并网。由于发电机并网时本身无电压，故并网时必将伴随一个过渡过程，流过5-6 倍额定电流的冲击电流，一般零点几秒后即可转入稳态。感应发电机并网时的转速虽然对过渡过程的时间有一定影响，但一般来说问题不大，所以对风力发电机并网合闸时的转速要求不是非常严格，并网比较简单。风力发电机组与大电网并联时，合闸瞬间的冲击电流对发电机及大电网系统的安全运行不会有太大的影响。当对小容量的电网系统，并联瞬间会引起电网电压大幅度下跌，从而影响接在同一电网上的其他电器设备的正常运行，甚至会影响到小电网系统的稳定与安全。为了抑制并网时的冲击电流，可以在感应发电机与三相电网之间串接电抗器，使系

37、统电压不致下跌过大，待并网过渡过程结束后，再将其短接。对于较大型的风力发电机组，目前比较先进的并网方法是采用双向晶闸管控制的软投入法，如图9-3 所示。当风力发电机组将发电机带到同步速附近时，发电机输出端的短路器闭合，使发电机经一组双向晶闸管与电网连接，双向晶闸管触发角由180-0逐渐打开，双向晶闸管的导通角由0-180通过电流反馈对双向晶闸管导通角的控制，将并网时的冲击电流限制在1.5 倍额定电流以内，从而得到一个比较平滑的并网过程，瞬态过程结束后，微处理机发出信号，利用一组开关将双向晶闸管短接，从而结束了风力发电机的并网过程。进入正常的发电运行。2. 并网运行时的功率输出感应发电机并网运行

38、时，它向电网送出的电流的大小及功率因数，取决于转差率/ 及电机的参数，前者与感应发电机的负载的大小有关，后者对设计好的电机是给定的数值，因此这些量都不能加以控制或调节。并网后电机运行在其转矩转速曲线的稳定区（见图9-4）。当风力发电机组传给发电机的机械功率及转矩随风速而增加时，发电机的输出功率及其转矩也相应增大，原先的转矩平衡点A1沿其运行特性曲线移至转速较前稍高的一个新的平衡点A2，继续平稳运行。但当发电机的输出功率超过其最大转矩所对应的功率时，其反转矩减小，从而导致转速迅速升高，在电网上引起飞车，这是十分危险的。为此必须具有合理可靠的失速叶片或限速机构，保证风速超过额定风速或阵风时，从风力

39、发电机组输入的机械功率被限制在一个最大值范围内，保证发电机的输出电功率不超过其最大转矩所对应的功率值。需要指出的是，感应发电机的最大转矩与电网电压的平方成正比，电网电压下降会导致发电机的最大转矩成平方关系下降，因此如电网电压严重下降也会引起转子飞车；相反如电网电压上升过高，会导致发电机励磁电流增加，功率因数下降，并有可能造成电机过载运行。所以对于小容量电网应该配备可靠的过电压和欠电压保护装置，另一方面要求选用过载能力强（最大转矩为额定转矩1.8倍以上）的发电机。3.无功功率及其补偿感应发电机需要落后的无功功率主要是为了励磁的需要，另外也为了供应定子和转子漏磁所消耗的无功功率。单就前一项来说一般

40、中、大型感应电机，励磁电流约为额定电流的20%-25%，因而励磁所需的无功功率就达到发电机容量的20%-25%，再加上第二项，这样感应发电机总共所需的无功功率约为发电机容量的20%-25%。接在电网上的负载，一般来说，其功率因数都是落后的，亦即需要落后的无功功率，而接在电网上的感应发电机也需从电网吸取落后的无功功率，这无疑加重了电网上其他同步发电机提供无功功率的负担，造成不利的影响。所以对配置感应电机的风力发电机，通常要采用电容器进行适当的无功补偿。（三）变速恒频风力发电机组的并网运行变速恒频风力发电机组的一个重要优点是可以使风力发电机组在很大风速范围内按最佳效率运行。从风力发电机组的运行原理

41、分析，要求风力发电机组的转速正比于风速变化，并保持一个恒定的最佳叶尖速比，从而使风力发电机组风轮的风能利用系数Cp保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功率。因此，对变速恒频风力发电机组的要求，除了能够稳定可靠地并网运行之外，最重要的一点就是要实现最大功率输出控制。（四）同步发电机交/直/ 交系统的并网运行这种系统与电网并联运行的特点如下：1）由于采用频率变换装置进行输出控制，所以并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响。2）为采用交值佼转换方式，同步发电机的工作频率与电网频率是彼此独立的，风轮及发电机的转速可以变化，不必担心发生同步发电机直接并网运行时可能出现的失步问题。3）由于频率变换装置采

42、用静态自励式逆变器，虽然可以调节无功功率，但有高频电流流向电网。4）在风电系统中采用阻抗匹配和功率跟踪反馈来调节输出负荷可使风力发电机组按最佳效率运行，向电网输送更多的电能。（五）双馈发电机系统的并网运行双馈发电机定子三相绕组直接与电网相联，转子绕组经交交循环变流器联入电网。这种系统并网运行的特点：1. 风力机起动后带动发电机至接近同步转速时，由循环变流器控制进行电压匹配、同步和相位控制，以便迅速地并入电网，并网时基本上无电流冲击。对于无初始起动转矩的风力发电机组（如达里厄型风力发电机组），风力发电机组在静止状态下的起动可由双馈电机运行于电动机工况来实现。2. 风力发电机的转速可随风速及负载的

43、变化及时做出相应的调整，使风力发电机组以最佳叶尖速比运行，产生最大的电能输出。3.双馈发电机励磁可调量有三个，即励磁电流的频率、幅值和相位。调节励磁电流的频率，保证发电机在变速运行的情况下发出恒定频率的电力；通过改变励磁电流的幅值和相位，可达到调节输出有功功率和无功功率的目的。当转子电流相位改变时，由转子电流产生的转子磁场在电机气隙空间的位置有一个位移，从而改变了双馈电机定子电动势与电网电压向量的相对位置，也即改变了电机的功率角，所以调节励磁不仅可以调节无功功率，也可以调节有功功率。六、风力发电机组的变距控制原理（一）变桨距风力发电机组的控制方式风力发电机组的变距系统主要包含着两种控制方式，即

44、并网前的速度控制与并网后的功率控制。由于异步电机的功率与速度是严格对应的，功率控制最终也是通过速度控制来实现的。变桨距风轮的叶片在静止时，节距角为90，如图9-5 所示，这时气流对叶片不产生力矩，整个叶片实际上是一块阻尼板。当风速达到起动风速时，叶片向0方向转动，直到气流对叶片产生一定的攻角，风轮开始起动。风轮从起动到额定转速，其叶片的节距角随转速的升高是一个连续变化的过程。根据给定的速度参考值，调整节距角，进行所谓的速度控制。当转速达到额定转速后，电机并人电网。这时电机转速受到电网频率的牵制，变化不大，主要取决于电机的转差，电机的转速控制实际上已转为功率控制。为了优化功率曲线，在进行功率控制

45、的同时，通过转子电流控制器对电机转差进行调整，从而调整风轮转速。当风速较低时，电机转差调整到很小（1%），转速在同步速附近；当风速高于额定风速时，电机转差调整到很大（10%），使叶尖速比得到优化，使功率曲线达到理想的状态。（二）变距控制如图9-6所示，变距控制系统实际上是一个随动系统。变距控制器是一个非线性比例控制器，它可以补偿比例阀的死带和极限。变距系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号经D/A转换后，变成电压信号控制比例阀（或电液伺服阀），驱动油缸活塞，推动变距机构，使叶片节距角变化。活塞的位移反馈信号由位移传感器测量，经转换后输入比较器。七、风力发电机组现场数据采集的信号特征1.

46、 电量信号1）电压、电流：测量信号范围宽，要求有较好的线性度；测量信号谐波丰富，频谱特性复杂；电压、电流信号为矢量信号，暂态反应速度应低于0.02s，精度高于0.5 级。2）功率因数：影响风力发电机组发电量计量和补偿电容投入容量，要求较高精度。3）电网频率：一般在工频附近，精度要求0.1Hz，反应速度快。一次电压、电流由PT、CT 变换为可采样的交流信号，经滤波整形限幅后进行A/ D转换。以上数据信号采集点集中，数据流量大，采样速度高。风力发电机组的电压电流的采样数据有两个用途：a. 在发电机或主回路元件故障及电网发生危及风力发电机运行的异常状态时作为微机保护的判据。b.作为风力发电机组发电量

47、统计、性能评估、状态显示的重要参数。以及超功率和低功率时作为风力发电机组退出运行判据。同时，也作为就地电容补偿投切重要判据。风力发电机组继电保护属于低压电流、电压保护。根据风力发电机组的与电网连接和运行特点，电力故障的形式比较简单，输入信号的暂态分量不丰富，仅要求纯基频分量的输入信号，即可作为风力发电机组电力故障判据。同时，算法选择还需兼顾数据统计的需要，因而选择傅氏全波算法作为风力发电机组微机继电保护的算法。傅氏算法数据窗长度为20ms，计算量和采样频率对于单片机系统来说是一个需要妥善处理的问题，对于IPC 系统则需要妥善处理数据流量分配的问题，可直接应用于低压网络的电压、电流后备保护，配备

48、差分滤波器以削弱电流中衰减的直流分量作为电流速断保护，加速出口故障的切除时间。2. 温度信号数据信号采集点相对集中，距离主控位置50m。器件热容量较大，反应到温度变化较慢，可采用铂电阻测量。温度参数可作为器件疲劳程度和风力发电机组运行效能的判据，而不宜作为突发故障的保护判据。温度统计对于故障分析和历史数据趋势分析有一定作用。由PT100铂电阻对温度进行采样，采样信号经电路处理后形成0-5V 电压。根据采样点空间布置和距离数据处理中心位置，在机舱上设计一个采集模块就地将温度值转化为数字信号，模块采用RS-485 通信方式把数据送给计算机。温度采集模块采用ICL7135芯片，其分辨率为十进制输出4

49、.5位，可接受从150mV- 10V之间不同范围的电压信号，并在与外界接口处加装DC 3000V 的光耦合器隔离，保护采集模块易受高压或地线电流的冲击而损坏。测量控制盘温度的传感器位于电控柜，经电路处理后形成0-5V 电压直接送至A/ D转换板，由计算机分析判断晶闸管的温度状况。3. 风向风力发电机组对风向的测量由风向标实现。风向瞬时波动频繁，幅度不大。风力发电机组为主动对风设计，当风向发生变化时，由偏航机构根据风向标信号带动机头随风转动，对风向的测量不要求具体位置。风力发电机组对风向的测量由风向标来完成。随着数字电路的发展，风向标的种类也有许多。其中一种内部带有一个8位的格雷码盘，当风向标随

50、风转动时，同时也带动格雷码盘转动，由此得到不同的格雷码数，通过光电感应元件，形成一组8位的数字输入信号。格雷码盘将360划分成256个区，每个区分为1.41，所以其测量精度为() *(%。这种风向标可以确定风向具体位置。另一种风向标如图9-7所示。风向标形成的信号为两个开关量，正向是一号传感器，为0轴，二号传感器同一号传感器成90夹角，为90轴，这样形成一个带四个象限的虚拟坐标。当风向标转动后，就会同风力发电机组现在的方向形成夹角，而风力发电机组现在的方向必定会落在风向标所形成的坐标象限内，从而来确定风力发电机组的偏航方向和停止偏航的标记。其中0/ 1表示传感器送来的信号在0和1之间不停的摆动

51、；表示传感器送来的信号可以为0也可以为1。本系统选用了这种风向标对风向进行测量。4. 风轮转速转速范围10-30r / min。根据现场空间布置，可采用霍尔元件将转速信号转换为窄脉冲。脉冲频率范围为7-20Hz。通常工作在10Hz以上。叶片转速与电机转速相差一个固定变化，可以相互校验被测信号的可靠性。风力发电机组转速的测量点有两个：发电机主轴转速和风轮转速。转速信号由霍尔传感器进行采样，经整形滤波后输入信号为频率信号，经光耦合器隔离后送至频率数字化模块。一般测频的方法有两种：一种通过计量单位时间内的脉冲个数获得；一种测量相邻脉冲的时间间隔，通过求倒数获得频率。对于频率较高的信号采用前一种方法可

52、以获得较高精度，对于频率较低的信号采用后一种方法可以节省系统资源，获得较高精度。模块类型与测量风速的相同。模块采用RS-485 通信方式把数据送至工控机，由计算机把频率信号转换成对应的转速。频率与转速的对应关系为线性的。风轮转速和发电机转速可以进行相互校验，风轮转速乘以56.6 等于发电机转速，如果不符，表示两个转速信号的采集部分有故障，风力发电机组退出运行。转速测量用于判断风力发电机组并网和脱网，还可用于判别超速条件，当风轮转速超过30r/min 或电机转速超过1575r/min时，应停机。5.风速风速通过安装在机舱外的光电数字式风速仪测得。风速仪送出的信号为频率值，经光耦合器隔离后送至频率

53、数字化模块。模块可处理最大输入频率值为6.8kHz。模块采用458 通信方式把数据送给工控机，计算机把传送来的频率信号经平均后转换成风速，由于频率风速的转换关系非线性，在转换过程中采用了分段线性的方法进行处理。风速值可根据功率进行校验，当风速在3m/s以下，功率高于150kW持续1min 时，或风速在8m/s以上，功率低于100kW持续1min 时，表示风速计有故障。第三节 安全系统的结构原理一、安全系统在风力发电机组运行中的地位安全生产是我国风电场管理的一项基本原则。而风电场则主要是由风力发电机组组成，所以风力发电机组的运行安全是风电场以至电力行业的大事，造成电力生产的不安全，将直接影响国民

54、经济的发展和社会的正常生活秩序。特别是在社会和电气化设施不断向高消费型发展的时代，停电或用电质量低下，造成生产产品质量下降，甚至会造成社会不安。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，所以为了提高风力发电机组的运行安全性，必须从控制系统的安全性和可靠性设计开始，根据风力发电机组控制系统的发电、输电、运行控制等不同环节的特点，在设备从安装到运行的全部过程中，切实把好安全质量关，不断寻找提高风力发电机组安全可靠性的途径和方法。风力发电机组的安全生产是一项安全系统工程，而控制系统是风力发电机组的重要组成部分，它的安全系统构成整个安全系统的一部分，需要以系统论，信息论，控制论为

55、基础，研究人、设备的生产管理，研究事故、预防事故的一门科学。从系统的观点，纵向从设计、制造、安装、试验、运行、检修进行全面分析，横向从元器件购买、工艺、规程、标准、组织和管理等全面分析最后进行全面综合评价。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。二、机组控制装置的安全系统组成和设计（一）安全系统组成（见图9-8）（二）安全系统设计1.设计过程在风力发电机组控制系统中，其安全性包括系统的硬件安全性和软件安全性。硬件的安全性在很大程度上取决于构成它的基本器件。因此，努力提高和改善元器件的可靠性是安全性的保证。但是，只是从提高元器件的可靠性来满足系统对安全性越来越高的要求将是很

56、困难的，即使可以做到，也要付出高昂的代价。不少先例已经表明，即便有了高可靠性的元器件，如果设计不当、工艺不好、设计不合理，同样不能获得安全性高的硬件系统。因此，努力搞好系统的安全设计是提高系统可靠性的关键。系统的安全性工作要贯穿在系统设计、制造、使用的全过程中。尤其是在进行系统设计时，要全面安排和考虑有关安全性的问题。系统设计是保证日后生产、使用中所达到的可靠性的主要步骤。2.系统设计的进程在系统设计的每一步，除了考虑系统性能指标的实现外，同时要考虑有关安全可靠性的要求。在系统设计的开始阶段，对设计任务进行分析时，同时要对系统的安全可靠性要求、可靠性环境进行分析。在制定和选择最佳方案时，同时要

57、比较各个方案的可靠性，它们采取的措施，达到的指标和付出的代价。对它们的安全性做出相应的评估，以利于比较。总体方案确定以后，再对系统逐步分解。由总体系统到分系统、到子系统、到部件直到元器件，对它们的安全可靠性进行分配和预估。进而决定各部件、各元器件的可靠性及其必须采取的可靠性措施。这样，就可以开始进行部件及电路板的设计。与此同时，也要考虑系统的软件设计及其应采取的必要的安全性手段。在系统的硬件及软件调试完成之后，进入系统的试运行阶段。在这一阶段中，要对系统硬件、软件的工作情况进行详细的观察和记录。对出现的故障现象进行记录和分析。对那些在设计过程中考虑不周、方法不当的地方采取必要的补救措施。必要时

58、，对那些明显地影响安全性的部件或软件进行重新设计。3. 生产及使用过程在生产及使用过程中，对故障进行详细记录，定期提出报告并进行认真的分析。及时总结有关系统的工作情况，找出故障的原因。仔细判别故障是由硬件还是由软件引起的，是属于正常的元器件失效还是由于设计上的疏忽。如果是由于设计上的错误，则应重新设计该部件。用新设计的部件来代替原先不合适的部件。若是发现软件上有错误，则必须认真加以修改并重新进行调试，并用改正的软件代替用户的旧软件。最后从系统设计到使用完全实现控制系统的安全要求。三、机组控制运行安全保护系统1. 大风保护安全系统机组设计有切人风速Vg，停机风速Vt，一般取10min，25m/s

59、的风速为停机风速；由于此时风的能量很大，系统必须采取保护措施，在停机前对失速型风力发电机组；风轮叶片自动降低风能的捕获，风力发电机组的功率输出仍然保持在额定功率左右，而对于变桨距风力发电机组必须调节叶片变距角，实现功率输出的调节，限制最大功率的输出，保证发电机运行安全。当大风停机时，机组必须按照安全程序停机。停机后，风力发电机组必须90对风控制。2. 参数越限保护风力发电机组运行中，有许多参数需要监控，不同机组运行的现场，规定越限参数值不同，温度参数由计算机采样值和实际工况计算确定上下限控制，压力参数的极限，采用压力继电器，根据工况要求，确定和调整越限设定值，继电器输入触点开关信号给计算机系统

60、，控制系统自动辨别处理。电压和电流参数由电量传感器转换送人计算机控制系统，根据工况要求和安全技术要求确定越限电流电压控制的参数。3. 电压保护指对电气装置元件遭到的瞬间高压冲击所进行的保护，通常对控制系统交流电源进行隔离稳压保护，同时装置加高压瞬态吸收元件，提高控制系统的耐高压能力。4. 电流保护控制系统所有的电器电路（除安全链外）都必须加过流保护器，如熔丝、空气开关。5.振动保护机组设有三级振动频率保护，振动球开关、振动频率上限1、振动频率极限2，当开关动作时，系统将分级进行处理。6.开机保护设计机组开机正常顺序控制，对于定桨距失速异步风力发电机组采取软切控制限制并网时对电网的电冲击；对于同

61、步风力发电机，采取同步、同相、同压并网控制，限制并网时的电流冲击。7.关机保护风力发电机组在小风、大风及故障时需要安全停机，停机的顺序应先空气气动制动，然后，软切除脱网停机。软脱网的顺序控制与软并网的控制基本一致。8.紧急停机安全链保护紧急停机是机组安全保护的有效屏障，当振动开关动作、转速超转速、电网中断、机组部件突然损坏或火灾时，风力发电机组紧急停机，系统的安全链动作，将有效的保护系统各环节工况安全，控制系统在3s左右，将机组平稳停止。四、电气接地保护系统（一）接地的基本概念1. 接地装置电器设备的任何部分与土壤间作良好的电器连接成为接地，与土壤直接接触的金属体称为接地体。连接接地体与电器设

62、备之间的金属导线称为接地线、接地棒和接地体均称为接地装置。工作接地在正常情况或事故情况下，为了保证电器设备的安全运行，必须将电控制系统一点进行接地，如把变压器的中心点接地，称为工作接地。2.保护接地为了防止由于绝缘损坏而造成触电危险，把电器设备不带电的金属外壳用导线和接地装置相连接，控制板、电动机外壳接地，称为保护接地。3.接地的作用1）保护接地的作用：电器设备的绝缘一旦击穿，可见其外壳对地电压限制在安全电压以内，防止人身触电事故。2）保护接零的作用：电器设备的绝缘一旦击穿，会形成阻抗很小的短路回路，产生很大的短路电流，促使熔体在允许时间内切断故障电路，以免发生触电伤亡事故。3）工作接地的作用：降低人体的接触电压，迅速切断故障设备，降低电器设备和电力线路设计的绝缘水平。4. 重复接地在