一种垂直轴风力发电机控制系统

1.背景技术

风力发电机按照旋转轴的方向可以分为水平轴和垂直轴两种。垂直轴风力发电机具有低噪音、维护方便、叶片设计制造简单、造价低、不需对风装置、不需太高塔架等优点。当垂直轴风轮做大以后面临垂直轴承弯矩越来越大的问题，弯矩越大对轴的强度要求越高，不仅重量重了而且很容易损坏。因而限制了大功率垂直轴风机的商业化。目前垂直轴风机一般被广泛应用于小功率风机领域，且垂直轴风机存在不能自启动问题。

垂直轴风机控制系统主要包括各种传感器、运行主控制器、并网控制单元、备用电源系统、通讯电路、监控单元。具体控制内容有：信号的数据采集、处理，转速控制、最大功率点跟踪控制、并网控制、停机制动控制、就地监控、远程监控。传统的垂直轴风力发电发电机组一般由多台子风机系统构成，基本采用每台风机配备一整套控制系统的匹配方式，结构复杂。由小功率垂直轴风机构成的小型风场每台风机独立并网往往造成电能质量差、并网集中控制难度大等问题。

开发一种实施方便、系统结构简单垂直轴风机控制系统，能够保证风电场每台风机运行安全、风力发电高效并网、并能统一协调控制成了亟待解决的问题。

2.研究内容

本文充分考虑垂直轴风力发电机控制系统需求，提出了一种垂直轴风力发电机控制系统。系统采用单台垂直轴风机配一台独立机侧控制器，控制风机的启动、运行、实现最大功率跟踪控制等，实现了单台风机不同风况下的独立启动及发电控制；多台垂直轴风机构成的风场共用一台集中并网逆变器实现并网和电能质量集中控制，解决了风电系统并网协调控制难，电能质量差的弊端；以集中逆变器作为风机控制控制器通信的主站，与系统内每台风机进行信息交互，人机界面及监控室作为系统就地及远程控制单元与集中逆变器进行数据交互，简化了系统通信设计，保证了系统数据交互的实时和有效性。

本文的方案：一种垂直轴风力发电机控制系统，由风机侧控制器、集中并网逆变器、不间断电源系统、人机界面、监控室、传感器及通信电路构成。为系统中每台风机配一台独立的机侧控制器，在满足风机启动条件时，拖动风机至启动转速，此时风力发电机工作在电动模式；风机启动后，控制器根据风机运行状态实现最大功率跟踪；系统出现故障时，切断风机控制，进入制动模式。考虑到每台风机发电功率比较小(kW量级)，且大功率风机变流器容量已经达到MW级，采用集中并网逆变器将风能馈送至电网；机侧控制器与集中并网逆变器通过直流母线并联方式将其风机能量经集中并网逆变器馈送至电网。集中并网逆变器通过现场总线的方式与机侧控制器通信，并作为控制器主站监控系统内每台风机运行。人机界面通过现场总线与集中并网逆变器通信并作为主站实现系统就地控制；监控室通过以太网通信与集中并网逆变器通信并作为主站实现系统远程控制。这种通信方式简化了通信设计，便于现场调试及后台监控。集中式UPS方案易实现也简化了系统设计。

由于每台机位风况不同，独立的机侧控制器是有必要的。

集中式逆变器容量大为P，便于模块扩展，子风机功率为Pi，自风机台数为N，满足P≥P1+P2+……+PN即可。

此控制系统的具体控制实施方法，步骤如下：

(1) 系统在接收到就地或者远程并网命令或者满足风速满足风机启动条件时，集中并网逆变器启动并网，稳定母线电压。

(2) 并网逆变器控制闭合各机侧控制器与其直流母线之间的接触器，机侧控制器通过电动控制模式将风机拖动至启动转速。

(3) 机侧控制器检测风机转速，当风机达到启动转速后，工作模式切换至发电模式，通过最大功率跟踪实现风能捕获；当风速达到或者超过额定转速时，机侧控制器控制发电机工作于恒转速模式；当风机输出功率超过最大功率时，进入紧急停机模式，风机制动停机。

(4) 在发电过程中，系统内任何一台风机故障，将切掉其与集中逆变器之间的接触器连接，该风机进入紧急停机模式，风机制动停机。

(5) 系统接收到停机命令或者风速低于启动风速时，机侧控制器控制风机通过能量回馈制动方式正常停机，网侧控制器退出并网。

(6) 与现有技术相比较，本文具有以下突出优点：

(7) 采用集中并网逆变器替换原有方案中每台风机配一台独立逆变器，系统结构简单。且集中并网方式解决了风电系统并网协调控制难，电能质量差的弊端。

(8) 集中并网逆变器采用稳定母线电压方式并网，风机侧控制器通过直流母线并联在总母线上。母线上设有接触器，实现了能量汇集、单台风机故障切出功能，便于扩展应用。

(9) 集中式UPS替换原有方案中每台风机配一套独立的UPS，简化了系统设计。

(10) 通信分层式设计，集中并网逆变器与风机侧控制器构成通信的底层回路，人机界面和监控系统分别与并网逆变器构成通信的顶层回路。通信回路设计简单、信息交互高效。且充分考虑了现场通信总线的选择需求。

(11) 风机侧控制器采用独立控制垂直轴风机方式，依据不同风机风况进行独立控制。且集成风机传感器信号的处理，减少了总控制器的资源开销。信号走线距离短，便于系统集成。

图1

如图1所示为本文的系统构成及连接方式示意图。垂直轴方力发电机控制系统包括垂直轴风力发电机1(由独立的发电机11、12、……1N构成)，风机侧控制器2(21、22、……2N为机侧子控制器)，集中并网逆变器3，不间断电源系统4，人机界面5，监控系统6，直流母线回路7，母线连接接触器71、72、……7N，不间断电源系统供电回路8，由并网逆变器为通信主站的现场总线9，就地系统与并网逆变器之间通信线路10，远程监控与并网逆变器之间通信线路11，三相交流电网12。

风机侧控制器2属于控制系统末端设备直接与风力发电机1发生联系。2是纯粹执行设备，负责1的启动控制、最大功率跟踪控制、恒转速控制、制动控制及状态监测。风机侧子控制器21、22、……2N实现每台子风机11、12、……1N的独立控制。

集中并网逆变器3为现场控制中枢，通过稳定直流母线电压的方式进行并网控制、电能质量控制。通过2接收1运行数据，并下发控制命令。2直流母线回路与3直流母线回路相连，将子系统能量汇入3直流母线，并借助3馈入电网。如果发现任何子系统出现故障则可以通过母线连接接触器71、72、……7N将子风机切出。

不间断电源系统4为系统公用的UPS系统，在电网掉电的情况下仍然能够保证1安全制动及设备平稳停机。集中式UPS设计使得系统设计简单、可靠。

由并网逆变器为通信主站的现场总线9，可以使用Profibus或者CAN总线，通信速率快，技术成熟，接线方式简单且便于扩展应用。采用一主多从通信机制，风机侧控制器将风机运行数据及状态实时上送并网逆变器3，3响应5或者6命令并依据各风机状态下发控制命令。

人机界面5与并网逆变器3之间通信线路10，通信距离较短，可以使用RS485通信协议。5作为主站，3作为从站。进行系统整体运行数据的交互以及就地控制命令的下发，特别适用于现场调试。

监控系统6与并网逆变器3之间通信线路11，通信距离长，可以使用以太网通信协议。进行系统整体运行数据的交互以及远程控制命令的下发，特别适用于后台监视。

9、10、11构成了控制系统的通信回路，9构成现场数据交互回路，为底层通信回路，10、11为顶层通信回路。通信分层设计使得通信系统更简单、高效。2作为机侧控制子站，接收1相关传感器信息，实现对1的实时有效控制；3作为现场控制的中枢，通过与2数据交互，信息交互量大，实时控制子系统运行；5和6为监控系统，通过2接收用户关心的系统运行重要参数，回路简单，信息交互高效。

三相交流电网在正常发电时接收风力发电系统转换电能，并能在风机启动阶段为系统提供能量。

图2

如图2为本文集中并网逆变器控制原理示意图。集中并网逆变器上电启动且初始化完成后进入上电设备自检。自检完成后进入并网模式，稳定母线电压。在接收到就地或者远程启机命令后，判断风机是否满足启机条件(一般要求30s平均风速要大于2.5m/s且小于最大风速)，如果满足启机条件则向风机侧控制器下发启机命令。在接收到就地或者远程停机命令后，如果风机已经启机则进入发电制动模式，直至风机停机完成后断开直流母线接触器并投入风机刹车制动。在并网过程中如果发现子控制器故障则切掉相应母线接触器并对此风机进行刹车制动。在并网控制或者自检过程中出现故障，进入故障状态，系统制动停机。

图3

如图3为本文风机侧控制器控制原理示意图。控制器上电启动且初始化完成后进入上电设备自检。自检完成后进入待机模式，在接收到集中并网逆变器启机命令后进入电动模式，拖动永磁同步风力发电机至启动转速。风机启动完成后，风轮在风力作用下自由旋转，控制器进入最大功率跟踪模式，将风能以最大功率馈入直流母线。当检测到风轮转速超过额定转速时，进入恒转速控制模式。当接收到制动命令时，进入制动模式，制动完成后进入待机模式。在以上任何模式下，当检测到系统故障时立即进入故障模式。在故障模式下，故障解决且故障复位后进入待机模式。

3.实验验证

实验平台采用河南求同电气科技有限公司（http://www.qtdq.com.cn/）的微电网之风力发电系统，如图4所示。风电变流器支持MATLAB自动代码生成，MBD程序开源。采用此系统，可以方便、高效的验证垂直轴风力发电机相关的核心控制策略、设备状态转换控制策略、启停机策略。风轮模拟器支持各种风况设定及不同风功率条件下的运行演示，极大的拓展了风力发电机组控制策略的可行性验证。

图4

附图1 风力发电系统——本地人机界面

附图2 风力发电系统——远程Scada监控

附图 河南求同电气科技有限公司微电网实验系统

http://www.qtdq.com.cn