风力发电机系统（精选12篇）
风力发电机系统 篇1
摘要：本文在研究传统风力发电机传动系统的基础上, 发现和总结其缺点, 得到改进需求, 提出一种改进的无级变速风力发电机传动系统, 并给出其原理图和详细功能解释, 在满足传统传动系统功能的前提下增加了无级变速功能, 减小了输出轴的速度波动, 对优化风力发电机的传动性能有一定的参考意义。
关键词：风力发电机,传动系统,无级变速,速度波动
一般的风力发电机的齿轮传动都是使用定传动比的, 由于风速的变化无常, 导致输出轴的转速波动很大, 这种不断变化的转速对系统是不利的, 若能通过无级变速, 使其在风速不断变化的情况下, 输出轴转速波动减小或维持在稳定的转速, 就能改善风电传动系统的特性。本文针对传统的风电传动系统的弊端, 提出了一种无极变速传动系统, 一定程度上消除了原来的弊端, 也为风电传动系统的研究提供了一些新的思路。
1 传统的和改进的传动系统原理和对比
1.1 传统的定传动比传动系统原理
原理图如图1所示, 输入轴连风轮, 通过一级行星传动和二级圆柱齿轮传动获得加速, 最后高转速输入发电机, 这种传统的传动方式传动比是恒定的, 输出轴的转速随风速变化的波动很大, 所以需要在风轮的桨上安装变桨距机构, 来减小转速波动给发电机带来的影响。
1.2改进的无极变速传动系统原理
原理图如图2所示, 风吹动风轮1转动, 然后通过一级行星齿轮2和二级行星齿轮3的加速, 输出高转速, 传给变速齿轮6, 变速齿轮6再传给锥形齿轮4, 最后传给发电机5, 风能转化为电能, 其中变速过程是通过变速齿轮6的左右移动来完成的, 当丝杠转动时, 带着变速盘7沿着丝杠左右移动, 同时变速盘7也带着变速齿轮6左右移动, 由于和变速齿轮6啮合的齿轮4是锥形的, 当6左右移动时, 4和6的啮合区的直径不断变化, 传动比也不断变化, 起到了变速的目的, 同时, 由于直径变化是连续的, 所以这种变速是无级变速。
1风轮2一级行星齿轮传动3二级行星齿轮传动4锥形齿轮5发电机6变速齿轮7变速盘8丝杠
1.3 变速范围
此无级变速的变速范围主要取决与锥形齿轮4和变速齿轮6的传动比变化的极限, 当变速齿轮6移动到锥形齿轮4的最右端时, 输出的转速最高, 当其运动到最左端时, 输出的转速最低。变速范围与锥形齿轮4的锥度和变速齿轮6的左右运动行程有关。因此, 设计时可以根据产品的传动比需要, 改变锥形齿轮4和变速齿轮6的参数, 就可以设计出不同变速范围的锥形齿轮与变速齿轮对。
2改进无极变速传动系统的优点
1.1无极变速可以对目前使用恒定数比的风力发电机设计提供改进方法。与传统设计相比, 这类型的变速器可以让风力发电机在一个更高的气动效率及更大的风速范围内试车。
1.2这个性能该进可以增加风力发电机发电量, 而最终降低发电成本。此外, 使用无级变速器的传动系统能够吸收来自突发阵风产生的叶轮扭矩, 从而减小疲劳载荷, 提升整个风力发电机的可靠性。
1.3无极变速器的使用减小了对功率调节和变速控制系统的需求。减少电气控制可以降低整个风力发电机的成本, 减少因其所导致的能量损失;并且系统中不需要使用经常性维护的滑环, 从而提高了风力发电机的可靠性。
结语
本文通过研究传统的风电传动系统, 得出其不能实现变速、风能利用率底、输出速度波动大等不足, 在保留原有系统功能的基础上, 提出了一种改进的风电传动系统, 该系统能实现无级变速, 并详细介绍了该系统的传动原理和变速原理, 指出其变速范围和原理, 使之能提供一种灵活的设计手段。该传系统能通过无极变速来改善传动性能, 提高风能的利用率。可以对该领域传统的设计提供新的思路和手段, 对设计人员有一定的借鉴和指导意义。
参考文献
[1]姚兴佳.风力发电机组理论与设计[M].北京:机械工业出版社, 2012.
[2]诺迈士.风电传动系统的设计与分析[M].上海:上海科学技术出版社, 2013.
[3]刘忠明, 等.风力发电齿轮箱设计制造技术的发展与展望[J].机械传动, 2006.
风力发电机系统 篇2
运行风力发电机生产技术大全,控制方法,控制系统
兆瓦级直驱式变速变桨恒频风力发电机组
[技术摘要]本发明涉及一种兆瓦级直驱式变速变桨恒频风力发电机组，其结构由叶片、轮毂、变桨系统、永磁多级同步发电机、底座、机舱、偏航系统、液压系 统、润滑系统，测风系统、塔架及变速恒频控制系统等各部件组成。由叶轮直接驱动永磁多级同步发电机转子转动，永磁同步发电机定子通过逆变系统将风力发电机 组输出的电能送入电网，实现风能-机械能-电能的转换。风力发电机组控制采用微处理器，及时准确的获取环境外部所有信息，控制系统根据这些信息，调整风力 发电机组运行，保证风力发电机组一直在优化、安全的环境里运行。同时，也可以实现风力发电机组在不同风速段运行，使风能利用系数＞0.47，更好的提高风 力发电机组的性价比。
[垂直风力发电机
[技术摘要]一种垂直风力发电机，其塔架结构由支撑杆组成，所述支撑杆上设有上、下二机座及安装在二机座之间的风轮；所述风轮包括旋转轴及安装在旋转轴上 的三片或三片以上的叶片，所述旋转轴与地平面垂直；所述风轮还设置有供叶片运行的导轨，所述导轨固定在机座上，所述叶片与导轨之间设置有滚动机构，其不会 轻易造成叶片的损坏，提高了使用寿命，且该塔架可以牢固地安装在地上，不会出现塔架倾倒，造*员及设备损伤的危险，且其使用寿命长，同时在使用过程中也可 方便维修和保养。
一种风力发电机及风光互补太阳能应用系统
[技术摘要]一种涉及风力发动机的风力发电机及风光互补太阳能应用系统，包括风力发电机本体，风力发电机本体至少包括叶片、发电机、支臂和尾驼，并依次相 连，发电机侧部安装托盘，其特征在于：叶片联接一个驱动部件，所述的驱动部件可实时调节叶片的桨距角；叶片与叶片轴相连，驱动部件与叶片轴之间连接传动机 构；第一基座卡套于发电机主轴中，其法兰面连接轴座，叶片轴套设于轴座中，第二基座与第一基座固定连接，该第二基座上安装驱动部件，传动机构包括第一齿 轮、中间齿套和第二齿轮，且依次通过齿轮啮合，第一齿轮与驱动部件相连接，中间齿套与第一基座相卡套，第二齿轮与叶片轴末端相连接，本发明实现智能控制叶 片桨距角与尖速比，使本发明保持运行在高效率状态。
车船用风力辅助发电机
[技术摘要]车船用风力辅助发电机，属于风力发电机技术领域。所要解决的技术问题是提供一种可以利用空气流所具有能量发电的车船用辅助发电机。解决其技术 问题的技术方案如下：车船用风力辅助发电机，包含发电机、两个风轮及转子轴；发电机安装在车船身上；两个风轮装在发电机转子两端的转子轴上，风轮采用离心 式叶轮。本发明应用于车船的辅助电源。有益效果是可以充分利用车船行进时所产生的流动空气中的能量，作为车船的辅助电源，节约车船行驶中燃料消耗。当行驶 速度达到38-60公里/小时，即可使发电机发出12伏电压，作为车船的辅助电源。运行中发电机受力平衡，不产生振动，不易磨损，输出功率为只装一个风轮 的两倍。
绕线转子风力发电机系统故障控制方法
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[技术摘要]本发明涉及一种绕线转子风力发电机系统故障控制方法，风力发电机与电网连接，电网发生故障时，由故障控制器控制系统，使发电机转子在故障状态 下不直接与电网进行能量交换，减小电网故障对转子的影响、维持发电机定子和转子电流在可承受的水平，从而保护发电机的安全。同时通过控制方法的设计，发挥 发电机组的控制潜力，将其某些装置用于定子和电网控制，可以提高电网的稳定性，加快电网恢复，使发电机尽快投入正常运行，更好地利用风力发电。
风力、水流两用发电机
[技术摘要] 风力、水流两用发电机，本实用新型涉及风力和水流发电设备。它提供一种采用大面积截风的风帆，运转平稳，自动对准风向，风力、水流两用的卧式发电机。设有 两对链轮和一对链条；风帆悬吊在链条之间的横杠上，风帆由小叶片铰链而成，风帆受风或水流运转通过链轮和传动轮、传动带带动发电机运行。本机工作平稳，结 构简单，没有污染和噪音，能够实用，有推广应用价值。
永磁风力发电机
风力发电机系统 篇3
关键词：开关磁阻发电机；功率主电路；小功率风力发电；非线性数学模型
中图分类号：TM352文献标识码：A
1引言
风力发电机系统 篇4
关键词：风力发电机,运行维护,日常检查
现今社会大气污染问题日益严重, 而传统的发电形式主要为火力发电, 燃烧产生的CO2排放到大气中, 已经成为了主要的大气污染源。风能是一种低碳、绿色的可再生能源, 利用风能发电是减少碳排放的一项新兴能源技术[1]。
风力发电机是集机械、电气、空气动力学等相关学科于一体的综合性科技, 其各个部件之间都是紧密联系、缺一不可, 是不可分割的有机整体。风力发电机性能的好坏与发电额及生产成本等经济利益有着直接的联系, 必须对其进行维护检修以保持性能[2]。日常维护工作可以及时发现风力发电机的故障并进行故障排除, 大大减少了风力发电机产生故障的频率, 提高风力发电机组的工作效率, 延长风力发电机的使用寿命, 这是保证风电场正常运行的必要手段。
在风力发电机组发生的故障中, 电气系统和控制系统故障率是最高的, 相对来讲传动系统的故障率较低。但是电气系统和控制系统产生的故障比较容易排除, 停机时间较短, 维护费用较低。而机械传动系统产生的故障维修不便, 更换零部件需要使用吊车等辅助工具, 停机时间较长, 维护费用较高, 所以对于传动系统的日常维护, 减少传动系统发生故障的几率是尤为重要的[3]。本文主要介绍对传动系统中的主轴、齿轮箱、联轴器及制动器等主要组成部分进行日常检查及维护方法。
1 主轴系统的日常维护
主轴系统一般在安装后3个月、6个月、12个月进行检验。其主要维护工作为:
主轴轴承需检查外观有无油脂溢出;油管在机架上的固定是否牢靠;油管接头是否卡住;油嘴是否堵塞。
需手动加注油脂, 如有油脂溢出, 将废弃油脂排出, 用抹布抹净。每月加注润滑油脂380~520g, 每季度800~900g。
主轴承温升要小于60℃。
检查主轴温度传感器接线有无松动、信号是否正常。
检查主轴承座安装螺栓的紧固力矩, 按照紧固力矩为2 466Nm。
检查主轴润滑泵接线有无松动, 油脂是否足够。
主轴技术用接近开关安装座固定螺栓有无松动, 开关与技术盘距离2~4mm, 接线有无松动, 信号是否正常;
确保防雷碳刷架安装螺栓无松动、碳刷与主轴接触良好、防雷导线安装螺栓无过量磨损。
检查主轴承座前后端盖固定螺栓, 紧固力矩为500Nm。
检查主轴与轮毂连接螺栓, 紧固力矩为2 466Nm。
主轴承座温度传感器探头与轴承外环接触状态无间隙, 接线无松动。
主轴非工作表面漆膜无肉眼可见裂纹, 主轴承座与底架接触部分无肉眼可见明显位移。
主轴空载运行无异常噪声。
定位销端面与主轴定位盘端面相对位置间隙不小于10mm。
主轴与增速箱连接沿圆周无肉眼可见位移。
机械零件表面肉眼检查无锈蚀。
检查主轴润滑系统接线有无松动、信号是否正常。
2 齿轮箱的维护
齿轮箱一般在安装后3个月、6个月、12个月进行检验。
对齿轮箱进行任何维护和检修, 必须首先使风力发电机停止工作, 各制动器处于制动状态并将叶轮锁定。如特殊情况, 需在风力发电机处于工作状态或齿轮箱处于转动状态下进行维护和检修时 (如检查轮齿啮合、噪声、振动等状态时) , 必须确保有人值守在紧急开关旁, 可随时按下急停开关, 使系统制动。当处理齿轮箱润滑油或打开任何润滑油蒸汽可能冒出的端盖时, 必须穿戴安全面具和手套。
齿轮箱收缩盘安装螺栓按2 466Nm力矩抽检5%螺栓, 如有1个螺栓松动, 则检验所有螺栓。在螺纹处涂二硫化钼润滑脂, 检查时使用力矩扳手。
齿轮箱表面及各结合面:
第一, 检查齿轮箱表面的防腐涂层, 如有脱落现象, 应及时修补。
第二, 检查齿轮箱表面清洁度。如有污物, 用无纤维抹布和清洗剂清理干净。
第三, 检查齿轮箱低速端、高速端、各联结处是否有漏、渗油现象。
齿轮箱空载运行噪声和内部齿轮的检查无异常噪声, 首先将视孔盖及其周围清理干净, 然后用扳手打开视孔盖。通过视孔盖观察齿轮啮合情况、齿面情况 (齿面疲劳、胶合等) 、目测润滑油油色及杂质情况、腐蚀、点蚀、断齿、微型点蚀、齿接触强标记、撞击标记。
齿轮箱油品质量每6个月或运行2 500h取样检查:油中无水或乳状物, 与标定黏度相比差值不超过20%或不减少15%, 油中不溶解物不超过0.2%, 无变质现象, 添加剂成分不应有下降。齿轮箱过滤器压差传感器压差<3bar, 齿轮箱油池温度<75℃, 高速轴轴承温度<90℃, 内齿圈螺栓用规定扭矩检查无松动[4]。
检查各油管、接头、轴头以及端面是否有渗漏现象;检查各排油口, 特别是自端盖回箱体的回油;检查端盖处密封圈是否损坏;检查润滑系统中溢流阀是否损坏, 端盖处是否有碰伤, 螺栓是否损坏, 齿轮箱油位是否过高。
按规定力矩检验减振器座的连接螺栓, 扭矩臂位于减振器座中间位置两侧间隙对称, 减振器位于座体内无轴向移动现象, 齿轮箱通气帽内干燥剂是否失效, 机械零件表面肉眼检查无锈蚀, 接地导线无破损、固定螺栓无松动, 齿轮箱油泵电机接线是否松动、表面有无破损。
检测齿轮箱上所有的温度、压力传感器, 查看其连接是否牢固。并通过控制系统测试其功能是否正常。如传感器失灵或机械损坏, 立即更换。
温度传感器的拆卸和更换步骤如下:
第一, 确认系统已经处于安全状态, 系统已经完全断电。
第二, 拔下传感器的接线端子。
第三, 将旧传感器从安装位置拔出, 将新的传感器插入安装位置。
第四, 清理接线端子。
第五, 将接线端子插到传感器前端部。
检查电加热器是否损坏。短时间启动齿轮箱加热器, 测试加热元件是否供电 (用电流探头测试) 。油位传感器接线有无松动, 齿轮箱辅助接线盒内接线有无松动。
3 联轴器及制动器的检查
安装后3个月、6个月对联轴器进行维护和检修, 首先必须使风力发电机停止工作, 各制动器处于制动状态并将叶轮锁锁定。如特殊情况, 需在风力发电机处于工作状态下进行维护和检修时, 必须确保有人值守在紧急开关旁, 可随时按下开关, 使系统制动。为保证联轴器的使用寿命, 必须每年进行2次同轴度检测。轴的平行度误差:±0.2mm, 如误差超出±0.2mm, 必须重新进行调整。联轴器制动盘端面跳动≤0.15mm, 联轴器表面以及制动盘表面的检查:
第一, 检查联轴器表面的防腐涂层是否有脱落现象。
第二, 检查联轴器表面清洁度。如有污物, 用无纤维抹布和清洗剂清理干净。
第三, 制动盘表面无油污、裂纹。
检验联轴器过载保护机构标记有无过载现象, 导电滑环安装牢固、无松动、表面无破损, 机械零件表面肉眼检查无锈蚀, 滑环接线及屏蔽有无松动、破损, 滑环滑道有无磨损[5]。
高速轴制动器风机运行后3个月, 每6个月检查。制动器安装螺栓按2 466Nm力矩检验。
制动盘两侧对称, 当每片摩擦片磨损了5mm厚度后必须更换。应测量摩擦片的厚度:所有的摩擦片是由钢质底板和摩擦材料层组成, 总厚度为32mm。当检测到底板和摩擦材料层的总厚度为27mm时, 摩擦片必须更换。摩擦片包装在密封的塑料袋里, 在安装之前请不要打开包装以防污染。小心保护摩擦片免受油污污染, 即使少量油污也能大大降低摩擦系数。
第一, 拆下显示开关。
第二, 拆下主动钳和被动钳的摩擦片复位弹簧和螺栓。
制动器油管及接头无破损、松动、漏油, 制动器摩擦片厚度不小于最小允许厚度, 机械零件表面肉眼检查无锈蚀。
4 结论
本文介绍了风力发电机传动系统的维护技术, 加强风电场对风力发电机日常维护管理的重视, 可以减少风电场维修费用, 节省开支、降低成本, 减少故障隐患、防患于未然, 是加强风电场企业竞争力、促进风力发电事业发展的有效方法。
参考文献
[1]张曙光.风力发电机的日常维护[J].电机技术, 2012, (5) :25-27.
[2]赵子丰.风力发电机组实时状态监测及预防式维护[J].机电技术, 2012, (6) :81-84.
[3]苏连成, 李兴林, 李小俚, 等.风电机组轴承的状态监测和故障诊断与运行维护[J].轴承, 2012, (1) :47-53.
[4]Luisa F V, Aníbal Reones, Jose R.Peránand Luis J.De Miguel.Angular Resampling for Vibration Analysis in Wind Turbines Under Non-linear Speed Fluctuation[J].MechanicalSystemsand Signal, 2011, 25 (6) :2157-2168.
风力发电控制系统发展现状及展望 篇5
关键词:风机控制系统 发展现状
我国的风电产业在最近几年得到了快速发展，已经成为世界风电大国。在风机主要部件已基本实现国内配套的情况之下，控制系统自主配套能力仍然较弱，仍是风电设备制造业中最薄弱的环节，本文对造成这一现象的原因进行了分析，提出了控制系统下一步还要解决的主要技术问题。
我国风电行业目前的形势
2005年以来，我国风电装机以年均100%的速度快速发展，到2008年底，我国风电总装机容量达到了1215万千瓦，占世界风电总装机容量的10%左右，这是一个相当惊人的增长。目前，从装机容量来看，我国已成为亚洲第一、世界第四、风电装机容量超千万千瓦的风电大国。排在前三位的依次是美国、德国和西班牙，其装机容量分别为2517万、2390万和1675万千瓦。
需求的快速增长也带动了我国风电设备制造业的快速发展。2004年，我国风机整机制造企业仅6家，目前明确进入风机整机制造的企业已超过70家，另外还有一些公司正在开展进入风机整机制造的前期准备工作，呈现出“你未唱罢我登场，百家风企竞风流”这样一个喜忧参半的格局。喜的是经过这些年的发展，内资和合资企业的生产规模不断扩大、技术能力不断增强、市场占有率上升很快。2004年，内（合）资企业和外资企业占当年风电新增装机的比例分别为25%和75%，而到2008年这一比例正好颠倒了过来，内（合）资企业已经在风电市场上占据绝对主导地位。至于这些整机制造厂家带动的零部件生产企业究竟有多少，更是一个无法准确统计的数字。这些风机整机制造企业及零部件企业的发展壮大，有力地促进了我国风电制造业技术水平和生产规模的提高。忧的是这70余家风机企业的技术水平、生产规模、服务能力参差不齐，真正形成规模、比较有竞争能力的还只有寥寥几家，大多数企业对于未来面临的巨大风险都估计不足，这是我国目前风电设备制造业存在的一个突出问题。从未来的发展形势来看，风电产业至少将有十多年的黄金发展期。从世界范围来看，美国、德国等工业发达国家为解决能源短缺和环境污染问题，都将大规模发展风力发电作为主要解决方案。在我国，情况也是如此。2008年底，1215万千瓦的风电装机容量占我国电力总装机容量的比例还仅为1.5%，预计到2020年这一比例将达到10%左右，即到2020年风电装机容量将达到1.4亿千瓦这样的水平，这是十分可观的数字。这表明，从宏观形势来看，风电
行业大发展的高潮确实已经到来。
风机控制系统的发展现状
风机的控制系统是风机的重要组成部分，它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务，它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器）几部分组成。各部分的主要功能如下：
监控系统（SCADA）：监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、停操作，它包括大型监控软件及完善的通讯网络。
主控系统：主控系统是风机控制系统的主体，它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。它对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器），它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统（变频器）接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。
变桨控制系统：与主控系统配合，通过对叶片节距角的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。目前来看，变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式，电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统。
变频系统（变频）器：与主控制系统接口，和发电机、电网连接，直接承担着保证供电品质、提高功率因素，满足电网兼容性标准等重要作用。
从我国目前的情况来看，风机控制系统的上述各个组成部分的自主配套规模还相当不如人意，到目前为止对国外品牌的依赖仍然较大，仍是风电设备制造业中最薄弱的环节。而风机其它部件，包括叶片、齿轮箱、发电机、轴承等核心部件已基本实现国产化配套（尽管质量水平及运行状况还不能令人满意），之所以如此，原因主要有：
（1）我国在这一技术领域的起步较晚，尤其是对兆瓦级以上大功率机组变速恒频控制技术的研究，更是最近几年的事情，这比风机技术先进国家要落后二十年时间。前已述及，我国风电制造产业是从2005年开始的最近四年才得到快速发展的，国内主要风机制造厂家为了快速抢占市场，都致力于扩大生产规模，无力对控制系统这样的技术含量较高的产品进行自主开发，因此多直接从MITA、Windtec等国外公司采购产品或引进技术。
（2）就风机控制系统本身的要求来看，确有它的特殊性和复杂性。从硬件来讲，风机控制系统随风机一起安装在接近自然的环境中，工作有较大振动、大范围的温度变化、强电
磁干扰这样的复杂条件下，因此其硬件要求比一般系统要高得多。从软件来讲，风机要实现完全的自动控制，必须有一套与之相适应的完善的控制软件。主控系统、变桨系统和变频器需要协同工作才能实现在较低风速下的最大风能捕获、在中等风速下的定转速以及在较大风速下的恒频、恒功运行，这需要在这几大部件中有一套先进、复杂的控制算法。国内企业要完全自主掌握确实需要一定时间。
（3）风机控制系统是与风机特性高度结合的系统，包括主控、变桨和变频器在内的控制软件不仅算法复杂，而且其各项参数的设定与风机本身联系紧密，风机控制系统的任务不仅仅是实现对风机的高度自动化监控以及向电网供电，而且还必须通过合适的控制实现风能捕获的最大化和载荷的最小化，一般的自动化企业即使能研制出样机，也很难得到验证，推广就更加困难。而中小规模的风机制造商又无力进行这样的开发。
即便如此，国内企业通过这几年的努力，已经在控制系统主要部件的开发上取得了积极进展，已基本形成了自主的技术开发能力，所欠缺的主要是产品的大规模投运业绩以及技术和经验积累。比如，作为风机控制系统中技术含量最高的主控系统和变频器，国内企业在自主开发上已取得重要进展。东方自控经过几年的努力，已成功开发出DWS5000风机控制系统，并已完成各种测试及风机运行验证，实现了规模化生产，基本形成了自主开发能力。科诺伟业也研制出了兆瓦级机组的控制系统。在变频器方面，东方自控、合肥阳光、清能华福、科诺伟业等一批企业也异军突起，开发出了大功率双馈及直驱机型的变频器，产品已有小批量在风场投运，呈献出可喜的发展势头。
随着国内企业所开发风机容量越来越大，风机控制技术必须不断发展才能满足这一要求，如叶片的驱动和控制技术、如更大容量的变频器开发，都是必须不断解决的新的课题，这里不进行详细阐述。当前，由于风力发电机组在我国电网中所占比例越来越大，风力发电方式的电网兼容性较差的问题也逐渐暴露出来，同时用户对不同风场、不同型号风机之间的联网要求也越来越高，这也对风机控制系统提出了新的任务。
（1）采用统一和开放的协议以实现不同风场、不同厂家和型号的风机之间的方便互联。目前，风机投资用户和电网调度中心对广布于不同地域的风场之间的联网要求越来越迫切，虽然各个风机制造厂家都提供了一定的手段实现风机互连，但是由于采用的方案不同，不同厂家的风机进行互联时还是会有很多问题存在，实施起来难度较大。因此，实现不同风机之间的方便互联是一个亟待解决的重要课题。
（2）需要进一步提高低电压穿越运行能力（LVRT）。风力发电机组，尤其是双馈型风机，抵抗电网电压跌落的能力本身较差。当发生电网电压跌落时，从前的做法是让风机从电
网切出。当风机在电网中所占比例较小时，这种做法对电网的影响还可以忽略不计。但是，随着在网运行风机的数量越来越大，尤其是在风力发电集中的地区，如国家规划建设的六个千万千瓦风电基地，这种做法会对电网造成严重影响，甚至可能进一步扩大事故。欧洲很多国家，如德国、西班牙、丹麦等国家，早就出台了相关标准，要求在这种情况下风机能保持在网运行以支撑电网。风机具有的这种能力称为低电压穿越运行能力（LVRT），有的国家甚至要求当电网电压跌落至零时还能保持在网运行。我国也于今年8月由国家电网公司出台了《风电场接入电网技术规定》，其中规定了我国自己的低电压穿越技术要求，明确要求风电机组在并网点电压跌落至20%额定电压时能够保持并网运行625ms、当跌落发生3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电机组保持并网运行的低电压穿越运行要求。应该说，这还只是一个初步的、相对较低的运行要求。在今后可能还会出台更为严格的上网限制措施。这些要求的实现，主要靠控制系统中变频器算法及结构的改善，当然和主控和变桨系统也有密切联系。
（3）实现在功率预估条件下的风电场有功及无功功率自动控制。目前，风电机组都是运行在不调节的方式，也就是说，有多少风、发多少电，这在风电所占比例较小的情况下也没有多大问题。但是，随着风电上网电量的大幅度增加，在用电低谷段往往是风机出力最大的时段，造成电网调峰异常困难，电网频率、电压均易出现较大波动。当前，电网对这一问题已相当重视，要求开展建设风电场功率预测系统和风电出力自动控制系统，实现在功率预测基础上的有功功率和无功功率控制能力。事际上，这个系统的建设不是一件容易的事情，涉及到很多方面的技术问题。但是，无论如何说，序幕已经拉开。
发展展望
风力发电机系统 篇6
关键词：变速恒频 风力发电 控制 功率曲线
中图分类号：TM614文献标识码：A文章编号：1674-1161（2015）02-0037-03
目前，风力发电系统输出的有功功率和无功功率均可调节，但其不易满足恒速恒频的控制要求。随着电力电子技术的发展，风力发电系统的控制得以促进，变速恒频技术取得一定进步，并在风力发电系统中得到推广应用。
1变速恒频控制及运行原理
通过分析贝兹理论，得到变速恒频的控制原理，即：控制风力机的转速按某个函数关系随风速而变化。在此基础上采用某种控制方式，使风力发电系统能够输出恒定频率的交流电。风力机的机械功率Pm在发电过程中将转变为发电机输出的电功率PS、系统动能变化△Pk及系统损耗APs，即：
风力机的转速和功率曲线关系如图1所示，图中Popt。曲线是在各风速下风力机最大输出功率点的连线，电就是最佳功率曲线。
由图1可以看出：在最佳功率曲线上，风速、风力机转速和系统输出功率是对应的：在同一风速下，转速不同，风力机输出的功率也将不同。如果能够追踪Popt曲线，保持叶尖速比为最佳，便可最大限度地捕获风能。因此，在风速变化时需要及时准确地控制风轮机转速n，这即是变速恒频控制技术的主要思想，
2兆瓦级风力发电系统控制策略
2.1兆瓦级风力发电系统结构
兆瓦级风力发电系统结构如图2所示，
兆瓦级风力发电系统一般采用永磁同步发电机系统和变桨距风轮，发电系统采用AC-DC-DC-AC的变频方式，其中整流部分不可控，所有的控制过程是利用MOSFET和可控逆变器在DC-DC变换过程完成的，因此，输出恒压恒频的任务通过逆变器来实现。如果风速低于额定风速，需要控制逆变器来实现发电机转速的控制。
发电机输出的交流电经过不可控整流器件传输到初级直流母线，直流母线电压Udc和发电机输出电压成正比。由于发电机输出电压随风速变化，所以初级直流母线电压存在较大波动，故需经过滤波后才能作为DC-DC变换的输入，在可控DC-DC模块巾升压后输出到二级直流母线。二级直流母线的电压幅值趋于稳定，再经过可控逆变器控制电压和输出功率
在电压变换过程中，DC-DC模块用于稳定直流母线电压，逆变器是整个系统中最重要的环节。逆变器在并网前要保证系统输出参数与电网参数完全一致，在保证输出频率一定时，逆变器负责调相和调压：发电系统并网后，电网锁定发电机定子的旋转磁场，逆变器的输出电压将跟随电网电压进行工频旋转，此时系统的控制目标为获取最大风能，并保证风力发电系统的功率因数可调。
2.2风力发电系统最大功率输出模式
风力机在额定风速以下时，风力发电系统工作在最大功率输出模式，此时系统以获得最大风能为控制目标。对应于任一转速n，风力机有最大功率输出Pmax=kn3，其中包含系统传输过程中的损耗AP，则发电系统馈人电网的有功功率P=Pmax-？P。因此，需要控制逆变器馈入电网的电流频率、幅值和相位，使馈人电网的有功功率能够跟踪指令P，实现对发电机转速控制，并且保持最优叶尖速比，获得最大风能。同时，通过控制逆变器输送到电网的无功功率，能够改善系统功率因数。
风力发电系统与电网的连接等效成纯感性电抗，系统的能量传输如图3所示，发电系统和电网电压之间的向量关系如图4所示。图中：X。为发电系统与电网之间的感抗；P1，Qt为逆变器输出的有功功率和无功功率；Pns，Qa为输送到电网的有功功率和无功功率：vI，Vs为发电系统输出电压和电网电压。
由公式（3）可知，通过控制逆变器输出电流可以调节逆变器输出有功功率和无功功率，其方法为：通过控制逆变器输出电流的频率、幅值和相位，使逆变器输出的有功功率和无功功率跟踪P1和Qs，这样可获得最大功率并实现功率因数可调。利用闭环控制，能够控制逆变器的电流输出跟踪给定的参考电流，电流控制电压源逆变器的控制信号流程如图5所示。
2.3风力发电系统额定功率输出模式
风力机在额定风速以上时，风力机的变桨距系统开始运行，通过改变叶片的对风攻角来减小风力机的叶片受力，控制风力机获取风能维持在额定功率，并向发电机传送恒定的功率。通过控制逆变器的输m功率维持在额定功率，进而使发电机获得稳定的机械能量，保证系统的转速不变。根据分析，系统的额定电流为IN，额定电压为UN，只要控制逆变器输出电流能够保持在IN或输出电压能够保持在UN，即可实现系统输出额定功率。
3结语
本文针对兆瓦级变速恒频风力发电机组的控制问题进行理论分析与研究。从空气动力学的基础理论人手，分析风力发电机组运行时的最大风能追踪原理，通过构建风机受力模型，推导出理论风能利用系数；分析变速恒频运行方式，提出可靠的变速恒频控制策略，在不同风速下对风机转速与功率关系进行比较，得出最佳功率曲线，控制风机沿着最佳功率曲线运行，从而获得最大输出功率，以实现变速恒频的控制目的。
参考文献
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[2]凌禹，张同庄，变速风力发电系统控制技术综述[J].电力自动化设备，2008，28（3）：122-125.
[3]杜志伟，赵峰，田铭兴，等变速恒频风力发电的最大功率捕获控制研究[J].电气传动.2007，37（3）：7-10
ResearchontheControlofWindPowerGenerationSystemofMWVariableSpeedConstantFrequency
BAOJieqiul，HANGangl，ZHANGYj2，DUANZhiqiangr
Abstract：Atpresent，thetechnologyofvariablespeedconstantfrequencyiswidelyusedinthecontrolofwindpowergenerationsystem.Thearticleexpoundsthecontroltechnologyofvariablespeedconstantfrequencyanditsoperatingprinciple，suggestsreliablecoritroltacticsforwindpowergenerationsystemofMWvariablespeedconstantfrequency，inordertorealizethecontrolofvariablespeedconstantfrequencytowindpowergenerationsystem.
风力发电机系统 篇7
风能作为一种绿色能源,已成为当今世界的主流能源之一,它与太阳能和生物能等其他可再生能源相比,具有产业成熟度高、发电成本低、对自然环境和社会环境影响小等优点［1］。风力发电占用土地资源少,资金回收期短,对自然生态影响小,能较快实现规模化发展。由于风力发电设备都安装在室外,必须配备相关的监控系统才能保证生产的正常进行,因此本文提出基于MCGS的风力发电机监控系统设计。为部分企业实现计算机监控提供借鉴［2］。
1 系统概述
基于MCGS的风力发电机监控系统采用上位机和下位机的两级控制方式( 如图1 所示) 。上位机由计算机和通用监控系统软件组成,可实现数据采集、显示和监控等功能［3］; 下位机以西门子S7 - 200PLC为核心、,通过风向传感器检测风向,将检测到的信号上传给可编程控制器,可编程控制器的输出信号送到随动系统实现对风轮角度的控制,利用脉冲式风速检测传感器和风沙强度检测传感器分别检测风速和风沙强度,当风速和风沙强度达到发电要求时开始发电,并打开相应开关实现并网发电; 同时将检测到的所有信号上传给上位机,并利用组态软件实时地监控风力发电机的运行状况,实现生产过程的自动化管理［4］。
2 系统硬件设设计计
本系统以西门子为核心,采用上位机和下位机的两级控制方式,计算机作为上位机,起监视与管理作用,下位机采用S7-200PLC实现对设备的控制,系统硬件设计如下:
( 1) 监控计算机与西门子S7 - 200PLC的连接如图2 所示。
( 2) PLC控制系统硬件接线。
基于MCGS的风力发电机PLC控制系统硬件接线图( 如图3所示) 。风力发电机PLC控制系统利用风向传感器检测风向,当风向发生改变时,将检测到的电压信号通过EM235 的A/D转换通道采集到PLC内部,然后进行标度变换、PID运算,最后送出控制信号到EM235 的D/A转换通道,通过控制随动系统改变风轮的偏转角度; 当风轮的角度达到最佳发电角度时,由Q0. 5 输出控制信号关闭随动控制系统的电源,同时系统抱闸机构动作使风轮的角度不再改变; 利用PLC的高速计数器HC0 检测风速传感器输出的脉冲信号,并通过PLC的I0. 1 引脚检测风沙强度信号,当风速和风沙强度都达到发电要求时启动Q0. 4,闭合相应开关实现并网发电［5］。
3 系统软件设计
3. 1基于MCGS的风力发电机监控系统PLC控制程序
风力发电机监控系统PLC主程序流程图如图4 所示,主要完成系统参数的初始化、中断设置、计数器设置等; 检测控制程序流程图如图5 所示,实现风向、风速、风沙的检测,Q0. 0 为风向指示灯F1,Q0. 1 为风速指示灯F2,Q0. 2 为风沙强度指示灯亮F3,Q0. 3 为并网发电指示灯F4; 当风向不符合要求时,启动Q0. 5 调整风轮角度,当风沙强度满足发电要求时,启动Q0. 2,风沙强度指示灯亮; 当风向、风速、风沙强度都满足时,启动Q0. 4 实现并网发电; 当风向、风速、风沙强度检测有一个不满足时,关闭Q0. 4,关闭发电系统。
3. 2 上位机系统组态
风力发电机监控系统的组态主要包含实时数据库的创建、I/O设备连接、窗口界面编辑、动画链接、实时曲线、历史曲线、报表、用户权限管理、策略组态、按钮、菜单、脚本程序等内容［6］。其中实时数据库完成工程中所有变量的设置,是工程各个部分的数据交换与处理的中心,它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体［7］。在本窗口内定义不同类型和名称的变量,作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象; 设备窗口的组态是连接和驱动外部设备的工作环境,在本窗口内对PLC进行连接与设置; 用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面,生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等; 运行策略主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序,选用各种功能构件,实现数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等功能［8］。部分组态如下所示。
( 1) 风力发电机监控系统设备组态与通讯设置如图6 所示。
( 2) 风力发电机监控系统数据库组态与通道设置如图7 所示。
( 3) 风力发电机监控系统监控界面组态如图8 所示。
4 结束语
风力发电预知性维护系统研究 篇8
中国风能资源储量丰富，近年来大力发展风力发电事业，建立了多个大型的风电场，装机容量急剧增长。中国风能协会2011年风电装机容量统计见图1。
随着风电机组的大量投入运行，风电机组出现了各种故障，服役超过20 a的风电机组其运行维护费用估计占能源成本的10%～20%[1]，特别是我国的大功率风力发电起步较晚，设备的研发力量和运行经验积累不足，造成风机的故障率明显高于国际平均水平，这就降低了风力发电的安全性和经济性。现阶段无论是国内还是国外对于风机故障的分析没有统一的标准，在预测异常情况发生方面的研究工作没有正式建立起来，在风机安装运行期间的服务更多的是进行故障维护和定期检修，这两种维护方式都会停机或造成无谓的风能浪费，而且风机的安装地点大都在偏远地区，临时更换大型部件成本很高，这样对于让风机达到最好的运行效果显然是不够的，因此风机生产和使用单位越来越重视对风机故障的监测和预报[2,3]。
目前各研究机构和风塔生产商越来越注重对风机的故障诊断和检测技术，国内针对风力发电机出现的各种问题已经开始了实验和研究。在国外尤其是在有“风电王国”之称的丹麦，丹麦政府特别指定丹麦国家可再生能源实验室(RISO)配合风电产业进行空气动力、气象、风力评估、结构力学等与风能紧密相关的科研工作，在解决海上风电故障方面取得了显著的成就[4]。
本文开发了一套有针对性的风机故障监测和预知维护系统，对于未来保障风机正常运转是一种有效的探索。
2 故障分析
风电场预知维护性系统采用硬件和软件结合的开发方式，硬件主要是设计单独的传感器放置在风机的主要部位，采集运行数据和参考数据。软件主要通过数学分析判断以图表的方式展示风机运行数据和运行过程中的趋势性异常，在故障刚刚出现或者偏离正常值的过程中给出故障可能出现的时间和部位，进行相关的提示和预案处理建议，在不影响正常发电的前提下提前安排检修时机和维护方式。
2.1 故障统计
根据风电企业机组故障统计分析，2010年以来，风电机组故障频发，且呈上升趋势。故障主要集中在风电机组变桨系统、变频系统、电气系统、控制系统、齿轮箱、发电机、偏航系统等部位[5]。风电安全监管报告统计的故障图见图2、图3。
除了以上的风机部件故障以外，天气情况的影响也是主要方面，尤其是建立在海边的风力发电场。风机运行是在几十m的高空中，高潮湿气候对风塔的腐蚀性很强，加上北方冬季室外温度都在零度以下，容易发生结冰现象，风力和风速的不稳定使风机负载压力增大;在夏季遇上雷电较强时，风机只能停机。在每一座风塔的运行过程中都会产生不同程度的振动，尤其是在机舱中，齿轮箱、发电机、风轮转轴在同一平面内，在高速运转时产生的轴承之间的磨损和振动也相当大[6,7]。
2.2 解决问题思路
从故障统计和分析可以看出，故障的出现都是有原因的和逐渐变化的，这种变化是可以通过传感器采集到的数据进行分析判断，常规的检测只是通过传感器实时地对运行过程中各项数据进行采集和判断，当数据超出预设的阈值后才进行报警，而这时故障已经发生。实际上在系统正常运行过程中潜在故障出现的时候数据已经有所显示，并且随着潜在故障不断严重数据会进行相应的变化。我们要做的就是分析这些数据的变化，通过趋势分析算法比如扩展卡尔曼滤波和小波分析等判断出故障的发展趋势和转化成显示故障所需要的时间，从而提前做出报警和处理预案建议。
3 预知性维护系统
结合津能风电有限公司的风力发电机组的运行状况、故障发生情况和维护保养记录，在综合国内外对风电机组运行的维护手段和预测算法的基础上，提出了风力发电机组预知性维护系统的处理思想。
预知性维护系统的核心体现在通过对风机日常运行数据的数学运算实现对风机故障提前发出警报。要达到这个目的，需要了解故障是如何产生的。风电场故障的产生因素是多种多样的，对于故障产生的原因现场工作人员有一定的经验，把这些经验集中起来作为判断故障的依据，并且把判断故障的条件设置成现场人员可以修改和添加的，以增加系统判断的灵活性。分析数据判断故障主要是采用阈值判断、线性分析和卡尔曼滤波等数学运算方法来进行，系统的整体流程图见图4。
预知性维护系统主要由4部分组成：风电机组数据采集、数据处理和预测、用户系统界面、数据库。总体系统构成见图5。
3.1 风电机组数据采集
这部分的数据主要来源如下。
1)通过OPC连接[8]获得现有风力发电机组的监测数据，进行定期采集处理获得最大值、最小值、平均值和标准差，存入预知性维护系统数据库。
2)为进行监测数值的定量和定性比对，我们设计制作了与风电机组相对独立的背景温度、背景噪声和环境图像传感器，将数据进行相应处理后保存到预知性维护系统数据库或硬盘[9,10]。
处理方法是：每隔20 s收取1次数据Vti并记录，ti代表设定的间隔时间中每一个时间点，每隔5 min对记录的数据计算。最大值Vmax=max(Vti);最小值Vmin=min(Vti);平均值Vavg=sum(Vti)/N,N为记录的次数;标准差Vsd=SQRT[sum·(Vti-Vavg)2/N]。
然后把这4个数据存入数据库作为趋势分析的基础。
3)对于齿轮箱等关键部位，采用成熟的振动传感器进行前端和中心分析，控制中心震动数据处理计算机把处理结果传输给预知性维护系统数据库[11]。
3.2 数据处理和故障预测
预知性维护通过对采集到的数据进行处理和分析，对处理结果与预设的故障参数及时间段进行比对，得出系统目前或将来一段时间内运行状态是否正常，并给出异常以及可能会出现异常的时间。从而提醒运行维护部门提前进行预知性维护。
对数据的判断我们综合采用了阈值判断、趋势预测和同因素趋势预测等几种手段。
3.2.1 阈值判断
阈值分析是采集风机运行过程中的数值，通过设置风机100多个参数的正常范围的最小值Vmin和最大值Vmax，当实际采集得到的数值Vt≥Vmax或者Vt≤Vmin时，对达到或者超过了极值的参数给出报警提示。这是对风机故障的初步检测，使工作人员很快了解到风机的部件哪一部分已经出了问题，快速采取措施。
3.2.2 趋势预测
风机在运行过程中，各项运行参数值是不断变化的，通常，故障的出现都是逐渐发生的，参数值都有自己的运行趋势，因此，我们就可以通过分析风机运行的参数值变化的发展趋势，判断和预测风机是否正常运行。首先设置风机参数值的临界值Vmin和Vmax，以这个值作为判断的依据，然后提取某一段时间Ts～Te的风机值，这个时间段可以自己设置，并且还可以设置要对哪些风机参数进行趋势预测。通过对这段时间风机参数值的分析，找出数据的发展趋势，并根据这个趋势计算出在特定时间Tp内，随着时间的推移参数值会不会超过临界值。如果在设置的预测期限Tp内会超出临界点，那么就视为可能发生异常情况，系统会把这种可能的异常记录到数据库并进行报警。
这里的趋势预测分为线性预测和扩展卡尔曼滤波预测。
线性预测的方法是根据所取得的定义时间段中的的数据Vti(Ts≤ti≤Te)计算出线性函数Vt=A·t+B，并根据这个函数计算出参数从现在开始到达最大值或最小值所需要的时间To=(Vmax-B)/A或者To=(Vmin-B)/A。
非线性预测主要是采用扩展卡尔曼滤波[13]的方式来进行的，这部分的描述占用篇幅较长，在此不做详细描述。
如果计算所得的时间值在设置的预测期限内即To≤Tp，就表明系统会发生异常情况。
3.2.3 同因素趋势预测
风力发电塔作为一个整体运转的大型发电系统，每一项运转指标都不是独立存在的，各个设备之间互相关联，有时风机的各个设备都没有问题，但配合效率下降造成了风机整体性能渐渐变差，这样的问题很难发现，这时就要综合分析关联此设备的多项指标，或者多种因素，找出历史数据中的关联因素，在关联因素数据都相同的条件下，风机某一项参数的运转趋势是否在正常范围内或者正在逐步下降，根据对下降趋势的分析结果预测到可能出现的变化，视为异常情况记录到数据库并对整体检修提出解决预案。
预设关联参数Ki(i=1,N)和时间段Ts～Te。
从数据库保存的历史数据中取得制定时间段下关联指标相同的所有记录的时间值t和监测值Vt，数据库语法结构为，然后对所取得的(t,Vt)数据序列进行趋势预测分析。
同因素预测的原理和趋势预测的方法是一样的，不同之处在于分析因素的个数和分析条件的设置及处理上。
3.4 异常报警及预案机制
通过分析得到的异常数据存入到数据库中，对于故障的判断是每隔一段时间进行一次，产生的异常情况也将不断存入数据库中，因此报警显示也是定时查询一次数据库有没有新的记录。在每一项异常情况产生时都要关联查询相关的解决方案，并在实际检修过程中不断地修改和添加判断条件、解决预案的具体内容，实现系统的完整反馈回路和自我完善。这样系统可以不断的对风机故障的维护经验进行积累，新员工可以查看以前的维修经验和处理办法，减少错误操作。如果没有对应的解决方案，现场的工作人员在处理完异常情况之后，要添加上处理方案。
4 应用实例
通过对系统各个环节的系统设计和有效组织，搭建了风电机组预知性维护系统，在数据采集环节采用C#语言实现了和机组现有OPC数据服务器的连接，自主研发了基于ARM嵌入式硬件和相应的C代码实现了背景信息的采集。维护系统的权限管理、参数设置、数据分析、报警和预案调用部分采用了B/S模式，基于Flex+Ja va+Mysql的S2S2H3架构[12]实现在浏览器中系统设置与运行管理。数据分析部分综合采用了阈值判断、线性趋势分析、扩展卡尔曼滤波[13]非线性分析等算法。
在天津市津能风电有限公司风力发电场的3台2 MW风电机组上，运行了风电机组预知性维护系统，通过一段时间的运行和完善，系统已经稳定地运行，达到了预想的效果。
系统的部分界面如图6、图7所示。
5 结论
风能是一种绿色环保的可再生能源，为了保持这种能源的有效利用，尽可能保证风电机组的正常运行是很重要的。风电场预知维护系统是通过对运行参数的综合分析和数学计算，判断风机现在或者将来的运行状态是否正常，对于不正常的状态给出了提醒和解决方案，并能够自我完善，是风电机组运行维护方面新的尝试，可以减少故障停机时间，有效地提高风电机组的正常发电时间，增加发电量从而创造更多的经济效益。
风力发电机系统 篇9
风力发电技术中的变速恒频发电方式是目前风力发电技术的发展方向, 变速恒频控制技术的风力发电系统主要由风力机、双馈发电机、变频器励磁系统、控制检测系统组成。双馈发电机变速恒频控制方案是在转子电路实现的, 流过转子电路的功率是由发电机的转速运行范围所决定的转差功率, 仅为定子额度功率的部分。众所周知, 任何电机在稳态运行时, 定子旋转磁场与转子旋转磁场都是相对静止、同步旋转的。对双馈电机有:
式中:f1-定子绕组电流频率;f2-转子绕组电流频率;n-转子绕组的转速;p-电机的极对数。
2 风力机最大风能捕获原理
风力机通过桨叶把风能转化成机械能, 提供转矩以驱动机械负载。如果忽略风力机摩擦阻力, 风力机的机械特性由式 (1) 描述:
式中:Cp为风力机功率系数;A为风力机扫略面积;!为空气密度;v为风速。实际上, Cp就是风力机将风能转换为机械能的效率, 它是叶尖速比和桨叶节距角的函数。可见, 在风速一定的情况下, 发电机获得的输入机械功率!大小将只取决于风力机功率系数Cp。一般对于采用电气调节而言, 桨叶节距角为常数。因此, Cp只是叶尖速比的函数。叶尖速比是风轮叶尖线速度与风速v之比的函数。
把式 (2) 带入式 (1) , 得:
式中:R为风轮半径;ω为风力机机械角速度。存在一个叶尖速比值使得风力机风能利用系数最大, 典型的有最佳叶尖速比λ=9, 此时功率系数为最大即Cpmax=0.43。于是, 为了追求最佳功率Pmax, 必须在风速变化时及时调整风力机角速度ω, 以保持风力发电机运行在最佳叶尖速比下。
3 双馈电机定子磁场定向的矢量控制
DFIG矢量控制选择定子磁场定向方式。我们将同步速旋转MT坐标系中的M轴定在DFIG定子磁链方向, 可得到DFIG在同步速旋转坐标系下的数学模型。
定子绕组电压方程
转子绕组电压方程
式中: 分别为定、 转子电压的m、t轴分量;分别为定、转子电流的m、t轴分量; 为mt坐标系相对于转子的角速度。
定子磁链方程
式中: 分别为定、转子磁链的m、t轴分量。
mt坐标系中的DFIG定子输出功率方程为
定子磁链定向时, 定子磁链矢量ψ1与m轴方向一致, 因此m、t轴上的磁链分量分别为: 由于DFIG定子侧频率为工频, 定子电阻远小于定子绕组电抗, 可以忽略, 即R1=0, 因而DFIG感应电动势 近似等于定子电压。因为感应电动势落后 , 故 和定子电压矢量 (并网后的定子电压矢量 等于电网电压矢量 ) 位于t轴的负方向, 从而有 , 其中为定子电压矢量的 幅值, 当DFIG连接到理想电网上时u1为常数。将 带入 (3.5) 式可得
由 (3.6) 式可知, 在定子磁链定向下, DFIG定子输出有功功率P1、无功功率Q1分别与定子电流在m、t轴上的分量it1、im1成正比, 调节it1、im1可分别独立调节P1、Q1。因为对于P1、Q1的控制是通过DFIG转子侧的变换器进行的, 应推导转子电流、电压和it1、im1之间的关系, 由于篇幅有限在这里就不多介绍。
4 仿真结果
双馈发电机的参数如下:PN=1.5MKW;U1N=575V;频率为60HZ;极对数PN=3;同步转速n1=1500r/min;r1=0.379";r2=0.056";Ls=0.0438H;Lr=0.0449H;Lm=0.0427H;对本系统进行仿真 (见图a、b、c) 。
从仿真结果可以看出, 图 (a) 中风力机的电磁转矩Tm经过变化后逐渐和机械转矩重合, 使风力机在一定风速V下风能的利用效率最高, 表明DFIG能很好的实现最大风能追踪控制。同时, 图 (b) 和 (c) 可以看出通过定子磁链定向的矢量控制实现了定子侧有功和无功的解耦控制, 从仿真结果看出此方法实现了P、Q的完全解耦, 验证了双馈异步变速恒频风力发电系统理论分析和控制策略的正确性与可行性。
5 结论
随着风力发电机组容量的不断增大, 提高运行效率、最大程度地利用风能已经成为风力发电技术研究的重要内容。可实现最大风能追踪的变速恒频风力发电技术也就称为研究的热点。DFIG变速恒频风力发电系统采用了定子磁链定向的矢量控制, 此方法静、动态性能优异, 能够满足风力发电系统中对变化的风速采取有效的控制策略, 实现最大程度的捕获风能, 提高了发电的效率, 对以后的实验研究具有指导意义。
摘要：通过对双馈型异步发电机 (DFIG) 系统的理论分析, 详细推导了双馈电机在两相同步旋转M-T坐标系下的动态数学模型, 利用电机定子磁链定向的矢量控制技术, 并结合最大风能捕获的控制原理, 构建了其有功功率和无功功率解耦控制。利用MATLAB/SIMULINK的软件平台, 构建系统的仿真模型, 对交流励磁变速恒频风力发电系统进行仿真研究。仿真结果表明了模型的正确性, 并能有效的跟踪风速的变化, 实现发电机有功、无功功率的独立调节。
关键词：DFIG,矢量控制,变速恒频,最大风能捕获
参考文献
[1]刘其辉, 贺益康, 赵仁德.变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制[J].电力系统自动化, 2004.
[2]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社, 2006.
嵌入式系统在风力发电机中的应用 篇10
1.1 风力发电机组的结构
风轮是风力发电机最重要的部件之一, 它的作用是将风能吸收后再转换成机械能, 风轮桨叶受到大自然风以一定的速度和攻角作用, 产生旋转力矩转动起来, 风能转变成为了机械能, 然后经过齿轮箱驱动后部的发电机。
异步发电机通常会被选作为风力发电机组中的发电机, 由于风速不是恒定的, 时时刻刻在变化, 在低功率时发电机的效率很差, 针对于这个特点, 定桨距风力发电机组会选用单绕线组双速异步发电机, 这样一来还改善了低风速时的叶尖速比, 风能利用的系数也得到了加强, 还能够达到降低的噪音效果。
1.2 风力发电机组的控制技术
上文提到过, 自然风不是恒定的, 风速和方向时刻都在变化, 风力发电机组要并入电网运行, 那么风机的并网和解列、有功无功的限制、风轮桨叶对于风向风速的适应, 还有在日常运行过程中各种故障的监视保护等等都需要自动控制。
考虑到风力发电机组一般都建在风力资源相对丰富的海岸、草原、沙漠以及海上, 各台风力发电机组之间的位置都很分散, 距离很远, 这就需要无人值班运行与远程监控, 那么这种情况下, 风机控制系统是否可靠, 可靠性有多高, 就变得非常重要。
风机的控制系统是一套复杂的综合系统, 与常规的控制系统区别不小。风力风速时刻都在变化, 电网的运行工况也在变化, 这套系统不仅要对自身运行工况进行监控, 还要对外部各种工况加以监视, 以保证机组的安全稳定运行。特别是要针对时刻变化着的风速和风向, 改变机组的运行方式, 提升风机的运行效率与稳定性。
定桨距风力发电机组的功率输出受到桨叶自身的特性所限制, 同时, 电网频率也限制了发电机的转速。所以, 在规定的风力情况下, 风力变化所导致的输出功率变化对于定桨距风机的控制系统在日常运行工况里是没有影响的。
近年来, 采用变桨距的风力发电机逐渐进入市场, 它在启动过程中能够控制转速, 并网之后能够控制功率, 这个让它的启动特性以及功率输出特性都得到了很大的改观。
虽然变桨距风力发电机组相对于定桨距机组有了很大的进步, 但是它在额定风速以下的运行效果还是不够好。于是, 人们又研发出了基于变桨距技术的变速风力发电机组。变速风力发电机组可以把风力信号变为控制系统的输入变量来控制风机的转速和功率。当实际风速低于额定风速工况, 可以按照最优功率曲线, 使风机产生尽可能高的效率;当实际风速高于额定风速工况, 通过提高传动柔性来优化风机运行的稳定性, 向电网输送优质而又稳定的电能。
2 嵌入式系统在风力发电机中的应用
在众多风力发电机组的控制器中, 现在普遍使用的是工业计算机。工业计算机的优点是其拥有非常丰富的资源, 缺点也显而易见, 就是价格很贵, 而且维护成本和开发费用也很高。如果使用微机与硬件PLC则很难应对现今越来越复杂的算法, 同时这个控制器的人机对话界面不是很好, 联网的步骤也很麻烦。于是, 近年来, 基于Linux的嵌入式系统逐渐被使用到了风力发电控制领域中。
2.1 嵌入式控制系统
嵌入式控制系统是一套能够执行独立任务的计算机系统, 包括嵌入式系统与承载操作系统。选用S3C2410处理器作为硬件平台, 该处理器是三星公司基于ARM920T的内核, 采用32位微控制器, 其特点是性能非常高, 同时能耗较小。该处理器体积很小, 但是内部功能单元很强大, 可以最高运行到203 MHz。而Linux操作系统是一套基于POSIX和UNIX的多用户多功能系统, 其完全免费的特点意味着可以大大降低开发费用。同时它支持32位和64位硬件, 是一套性能非常稳定的多用户网络操作系统。
2.2 嵌入式系统的硬件平台
嵌入式系统由硬件和软件两部分组成。嵌入式系统的硬件平台由嵌入式控制器和围绕控制器的各功能部件组成, 包含有存储器、串口、网口等设备。其中存储器采用静态易失型存储器、动态存储器和非易失型存储器, 这些原件都有串口、SD卡控制器、USB device以及USB Host控制器集成在上面, 同时还有以太网接口、音频接口、鼠标和键盘接口等。
2.3 嵌入式控制系统的软件设计
嵌入式系统的软件开发指的是对于操作系统和应用程序的开发。在进行开发嵌入式系统的初步阶段, 目标系统平台未建立, 那么这就要在主机上进行交叉编译, 从而得到启动引导程序的源代码与操作系统内核。
2.3.1 交叉编译环境的建立
交叉编译指在某一平台上生成其他平台的可执行代码。即在宿主机的平台上安装对应的应用程序, 用这个程序来编译源代码, 生成在目标机上运行的代码。以Linux主机操作系统, 搭配ARM-Linux-GCC编译器, 是现今比较常用的一组嵌入式交叉编译组合方式。
2.3.2 Linux内核配置和编译
在配置Linux内核时要满足内核代码少、占有内存小等特点, 从而达到最优的内核编译配置。Linux内核源代码支持多种不同结构的处理器以及各种驱动程序, 包括make config、make menuconfig和make xconfig配置命令。下载好内核源代码, 在Linux主机上开始交叉编译, 找到下载好的内核源代码目录并进入, 接着修改根目录下的makefile, 指明编译器, 然后需要设置环境变量, 配置内核文件。输入内核配置命令make menuconfig, 依照硬件平台所包含的功能设备, 对Linux的内核进行配置。内核配置成功后, 执行命令make z Image来生成内核影象文件, 该文件通常有1.3MB左右大小。众所周知, 在微软视窗系统中的操作系统所占用的内存是很巨大的, 而这个Linux系统仅仅占用了1点多兆, 这是很难以想象的。这也诠释了为何在嵌入式系统领域内大家都喜欢使用Linux操作系统的原因。
3 结束语
在引入了嵌入式系统之后, 风力发电机组的控制系统中的控制、通信、人机界面以及各种特殊应用全都被合成到了一起, 在同一个硬件平台上运行, 这大大简化了整个控制系统的体系结构, 降低了运营维护成本, 而且还拥有非常好地实时控制性能。
摘要：能源问题是近年来各国发展所要面临的诸多问题中比较棘手的。众所周知, 矿物燃料和石油、天然气等为主的常规资源有限, 而且使用这些能源, 对周边环境的污染不小。所以说, 当今社会对于可再生能源的探究, 特别是如何利用风能资源的重视程度非常高。当然, 风能产业的快速发展, 在一定程度上也是由于现今石油价格以及矿物燃料的不可再生性特点给大家造成的担忧。从环境方面来看, 在追求低碳排放的今天, 风力发电所产生的二氧化碳排放量几乎可以忽略, 同时对气候变化的影响也极低。
风力发电机系统 篇11
关键词：风力发电机组；偏航系统；液压系统；故障分析；故障处理 文献标识码：A
中图分类号：TM315 文章编号：1009-2374（2015）21-0086-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.21.043
流动的空气形成了风，风是由风向和风速确定的。风作为自然界的产物，具有不确定性、间歇性、随机性等特点，风向总是在不断的改变。风力发电机组偏航系统的主要作用就是要完成风机叶轮始终正对风向的功能，充分利用风能，提高发电效率。因此，偏航系统是水平轴风力发电机组控制系统的重要组成部分，对风力发电机组安全、稳定、高效地运行有着十分重要的作用。仙人洞风电场设计共安装风力发电机组33台，单机容量1.5MW，总装机容量为49.5MW；电场风机投运一年多来，出现多台风机频发偏航液压系统故障造成风机停机事件，在造成电量损失的同时也给电场安全、稳定、高效运行带来不利影响。
1 偏航系统的构成及原理
金风1.5MW机组偏航系统主要由3个偏航驱动机构、一个经特殊设计的带外齿圈的四点接触球轴承、偏航保护装置以及一套偏航刹车机构组成。当风机需要偏航时，在机舱外后部的两个互相独立的传感器—风速仪和风向标检测到风速和风向的变化，PLC根据风速仪和风向标采集的数据计算风机与风向的偏差，然后启动偏航电机，偏航系统工作，使风机对风。对风后，偏航刹车制动，使风机处于对风位置。
2 液压系统
液压系统是为偏航刹车机构提供动力源，由液压站和液压油路组成。仙人洞风电场1.5MW风机中使用的是哈威的液压系统。液压泵电机额定功率为0.25kW，额定转速为1320转/分，三相交流690V/50Hz供电，控制电压24VDC，工作压力150～160bar；偏航余压20～30bar。
液压系统偏航控制回路主要通过提供和释放工作压力控制偏航制动器的制动和释放。偏航制动器是活塞式，作用在塔顶的刹车盘上，在风机正常运行及机组停机时，制动器处在最大压力下，阻止机舱的转动；在机组偏航对风、偏航侧风时，液压系统将偏航制动器压力释放，但同时保证偏航制动器内留有较小的制动压力存在，使偏航驱动系统在较小阻力下工作，保证机组偏航时整机平稳无冲击，此部分功能通过系统偏航控制回路中换向阀及溢流阀的工作来实现；当需要解缆时，液压系统将偏航制动器压力完全卸掉，以防止在较长的一段时间内偏航制动器摩擦片不必要的磨损，此部分功能通过系统偏航控制回路中换向阀的工作来实现。如下图1液压系统图。
压力继电器用来监测液压站系统压力。当系统压力降低到设定值150bar时，压力继电器发讯给控制器，控制器发出指令液压泵开始工作建压，直到系统的压力达到系统最高压力设定值160bar时，压力继电器发讯给控制器发出指令，液压泵停止工作。压力继电器输出的为开关信号。最高压力设定值可通过旋动头部螺栓调整，顺时针旋转压力设定值增大，逆时针旋转压力设定值减小。
3 故障分析及处理
故障名称：
error_hydraulic_working_time：建压超时故障
error_hydraulic_motor_feedback：液压站电机反馈丢失故障
error_hydraulic_oil_level：液压液位低故障
压力继电器-105S4是一个带有滞后特性的压力继电器。压力继电器的线接在常闭触点上，空气开关-105Q2始终闭合（除非人为打开或过负载跳开）。当风机的压力系统无任何故障时，当系统压力低于140bar时，压力继电器-105S4的触点闭合，模块-119DI9的8号插线端子由0V变成24V，即输入信号hydraulic activte pump由低电平变成高电平，模块-120DO1的4号插线端子的hydraulic yaw system enable信号为高电平信号，输出直流24V，继电器-106K4的线圈得电触点吸合，
-106K3线圈得电触点吸合，液压泵工作建压。
当压力超过160bar时压力继电器-105S4常闭触点断开，输入信号hydraulic activte pump由高电平变成低电平，模块-120DO1的4号插线端子的hydraulic yaw system enable信号变为低电平信号，输出直流0V，继电器-106K4的线圈失电触点断开，液压泵停止工作。
（1）风机液压系统建压时间不超过90秒为宜，当建压时间超过2分钟压力继电器检测压力还没有达到160bar时，风机报error_hydraulic_working_time故障，即建压超时故障。可以参照图2检查线路及-119DI9、-120DO1相关模块是否有问题，若没有问题，则需要参照液压系统图纸检查总供油电磁阀、偏航电磁阀工作是否正常，检查液压管路是否有泄漏现象。
（2）当压力低于140bar时压力继电器的触点闭合，模块-119DI9D的8号插线端子由0V变成24V，当模块-119DI5的5号插线端子没有从0V变成24V超过4秒，风机报error_hydraulic_motor_feedback故障，即液压站电机反馈丢失故障。可以参照图2检查压力继电器线路及-119DI9D、-119DI5相关模块是否有问题。
特别要注意压力继电器因自身铜质动触头弹性较差等质量问题，压力继电器在使用一段时间后，因动、静触头之间产生间隙慢慢增大，最终导致动、静触头接触不良形成风机液压站电机反馈丢失故障，造成风机停运事件，也是本风电场液压系统故障频发的主要原因。
当某台风机频发出现液压站电机反馈丢失故障后，一是要更换压力继电器，避免频发停机事件给电场带来的不稳定、不安全运行；其次是要彻底解决压力继电器因自身铜质动触头弹性较差质量问题，建议压力继电器生产厂家改善动静触头的生产制造工艺提高品质或更换有互换性的、质量较好、可靠的压力继电器。
（3）当液压站的油箱内贮满油时，液位继电器的线接在常闭触点上，油箱中没有油时液位继电器的线接在常开触点上（图2中显示的是没油时的状态）。当模块-119DI7的5号插线端子上的电压由24V变成0V超过6秒时，风机报error_hydraulic_oil_level故障，即液压液位低故障。可以首先检查液压站的液位是否真的低到报警的程度，液压管路有没有渗漏油现象；若没有，那么可以参照图2检查液位继电器线路及-119DI7相关模块是否有问题。
4 结语
从上述来看，风机液压系统故障有三种情况：建压超时故障、液压站电机反馈丢失故障、液压液位低故障，但每个故障出现的因数也相对较多，风电场运维人员只有平时对风力发电机组相关理论知识进行深入地研究和学习总结，对各类风机的多发性、重复性故障进行深入细致研究分析，熟悉和了解设备，根据故障名称及现象，通过全面的分析，才能准确及时地处理故障，加之日常对设备的检查维护工作，并力求对其做出有效预防，就能避免此类因輔助系统出现故障而影响到风机停运的事件，为风电场减少损失，提高安全、稳定、可靠运行打下坚实基础。
参考文献
[1] 姚兴佳.风力发电机组安装图集[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2] 新疆金风科技股份有限公司.金风1.5风电机组运行维护手册[R].2008.
作者简介：白中状（1980-），男（哈尼族），云南双柏人，云南滇能楚雄水电开发有限公司助理工程师，研究方向：风电场运维技术及管理。
风力发电机系统 篇12
关键词：双馈风力发电机,定子电流观测器,模型参考自适应,故障诊断,容错控制
0引言
变速恒频双馈风力发电机组是目前应用最为广泛的风力发电机组类型[1,2]。随着风电装机容量的增加,对双馈风力发电机的可靠性有了更高的要求。双馈风力发电机的可靠性取决于传感器、控制系统及电气系统等的稳定运行。在双馈风力发电机长期工作过程中,不可避免地会发生电流、电压等传感器及其相关信号处理单元的故障问题。其中定子电流信号的故障会引起输出功率失去控制,进而引起整个系统的失控。因此,实现对定子电流传感器故障的自诊断及容错控制会大大增加系统的可靠性[3]。
目前,工业控制中传感器的故障诊断方法主要包括基于数学模型、神经网络、小波分析和基于主元分析的诊断方法[4,5]。而在双馈风力发电机传感器故障控制方面,目前开展的研究还不多,而且大部分集中在转子位置传感器故障的研究上[6,7]。在机组匝间短路故障方面,文献[8]推导得到了双馈风力发电机在定子绕组匝间短路故障下的稳态、暂态数学模型,分析了故障机理,并通过仿真验证了模型的正确性。文献[9]在匝间故障数学模型基础上,证明了可以通过特定频率信号监测双馈风力发电机运行状况并实现故 障诊断。在 电流传感 器故障方 面,文献[3]考虑了双馈风力发电机组网侧变换器电流传感器故障问题,通过增加三相电流传感器在故障时的切换来避免故障带来的问题。文献[10]应用双线性观测器的方法对双馈风力发电机组的定、转子电流传感器故障诊断进行了研究,但是观测器算法依赖于被观测量的传感器,导致观测器值会受到传感器故障的影响。文献[11]给出了一种基于双馈风力发电机数学模型的电流观测器的故障判断方法,利用双馈风力发电机数学模型构造电压及电流观测器,并取得了良好的控制效果,但此种观测方案本质上为开环观测方法,其准确性依赖于电机参数的准确性。
双馈风力发电机在长期运行过程中可能会出现电机参数偏移等非理想因素,因此,要求电压或电流观测器需具有对电机参数不敏感、稳定性良好等特点;而传感器故障会严重影响系统的稳定运行,甚至造成停机,因此要求故障诊断快速而准确。模型参考自适应因其具有算法不太复杂、对系统参数不敏感、鲁棒性好等优点而受到人们重视。
针对传感器故障时的要求,本文采用模型参考自适应理论建立一种实现定子电流信号冗余的电流观测器,所设计的观测器对电机参数变化具有较强的鲁棒性,并且一旦出现传感器故障,观测器的输出误差将急剧增加,以此作为故障诊断的依据,提高了故障诊断的速度。
1双馈风力发电机模型及电流传感器故障分析
1.1双馈风力发电机数学模型
将双馈风力发电机转子侧参数归算到定子侧,定子侧取电流流出为正方向,转子侧取电流流入为正方向,其等效电路可用图1表示。
根据图1可以写出同步旋转dq坐标系下,双馈风力发电机的定转子电压方程和磁链方程为:
式中:Rs,Rr,Ls,Lr分别为定、转子电阻和电感;Lm为定转子互感;us,ur,is,ir,ψs,ψr分别为定、转子的电压、电流和磁链;ω1和ω2分别为定子同步角频率和转子电流角频率;下标d和q分别表示参数的d轴和q轴分量;D=d/dt为微分算子。
结合式(1)至式(4),以isd,isq,ird,irq为状态变量,以usd,usq,urd,urq为输入变量,整理得到表述双馈风力发电机动态模型的空间状态方程为:
其中
式中:σ=1-L2m/(LsLr)为漏感系数。
1.2定子电流传感器故障分析
本文所述双馈风力发电机采用电网电压定向矢量控制技术,能够实现有功和无功功率的解耦控制,控制结构为转子电流内环控制及电压/功率外环控制。并网后的双馈风力发电机机侧变流器控制策略框图如图2所示。
在并网后若定子电流传感器出现故障,会沿着图2中虚线所示途径影响控制系统,首先会影响到定子有功和无功功率的计算值,以及功率外环的控制,然后影响到电流内环的稳定运行,进而影响整个控制系统。而且由下文的实验波形可知,一旦出现定子电流传感器故障,由传感器获得的用于功率控制的定子电流信号isd和isq将不再是直流恒定值,会以一定频率振荡,若继续使用此信号用于功率控制,会使定子输出功率和机械转矩均出现振荡,功率的波动会降低电网的稳定性,转矩的振荡会对风电机组造成机械损伤。因此,通过在控制系统中增加控制信号的观测器,可以实现监测信号的冗余,提高测量信号的准确性和可靠性,同时也可以实现相应传感器的故障诊断和容错控制。
2定子电流观测器设计
模型参考自适应系统一般由参考模型和可调模型构成,通过自适应机构对可调模型的调节使指定的性能指标达到最优。根据双馈风力发电机电流状态方程(式(5)),以转子电流为状态变量、定子电流为可调变量建立参考自适应模型,当可调模型状态变量准确跟随参考模型状态变量时,定子电流作为可调变量能够跟随实际电流值,将其作为观测器输出,即构成定子电流观测器。
由双馈风力发电机数学模型易获得定子电流观测器参考模型为:
式中:
Csco 为待定矩阵。
可调模型为:
式中:为可调模型状态变量转子电流dq分量列向量;为定子电流观测器观测值dq分量的列向量;Ksco为反馈参数矩阵。
构造目标函数:
显然,V为正定的。则有
根据李雅普诺夫稳定性理论,其时间微分要保证是负定的才能满足稳定性要求。分析式 (10)可知,只需保证等式右边第1项为负定,后几项为零即可满足要求。选择反馈参数矩阵Ksco和Csco均为二阶单位矩阵,使得满足稳定性要求。后几项和为零可得观测器自适应调节律为:
式中:为定子电流估计值,作为定子电流观测器的输出。
设采样时间为Ts,对上述自适应控制算法进行离散化,得离散控制算法如下:
式中:λsd和λsq为定子电流观测器调节参数,调节其大小可以获得合适的观测器响应速度。
根据上述方法构造出的定子电流传感器结构原理如图3所示。
3定子电流传感器故障判断及容错控制
由第2节可知,本文所设计的定子电流观测值只与转子电流信号和定转子电压信号相关,与定子电流实际值不相关,因此,可以在定子电流传感器故障后依然观测出定子电流信息。定子电流传感器故障后使用观测值代替传感器获得的电流信号,可以使系统实现定子电流传感器故障的容错控制,其控制结构如图4所示。
通过比较电流实际采样值与电流观测值,定义残差Rsco为:
并根据定子电流传感器无故障时实际值与观测值的最大稳态误差,取一定的故障判断阈值作为故障是否发生的依据,当Rsco大于阈值时即发出定子电流传感器故障信号,此时在功率计算环节中使用定子电流观测值代替实际采样值,即可实现双馈风力发电机不因定子电流传感器的故障而间断运行。
双馈风力发电机的电流传感器一般为两相传感器,本文假设所采用的定子电流传感器为A相和B相。通过上述方法判断出定子电流传感器故障后,开始判断故障的具体来源,即故障来源于A相传感器还是B相传感器。 首先将定 子电流观 测值经Park逆变换获得αβ坐标系下的电流观测值三相静止abc坐标系下和两相静止αβ坐标系下电流信号有如下关系:
由上式可以发现,A相电流isa会影响isα和isβ的值,而B相电流isb只影响isβ,因此当A相传感器故障时,会使isα和isβ均偏离正常值,B相电流传感器故障时,只会使isβ偏离正常值。为了便于判断故障的具体位置,定义αβ坐标系下的残差为:
根据上面分析可知,只有残差Rsβ超过阈值时为B相传感器故障,而Rsα和Rsβ均超过阈值时为A相传感器故障,判断原理如图5所示。其中阈值的选取取决于无电流传感器故障时观测值和实际值的稳态偏差,并留有一定的裕量。
4实验结果与分析
为了验证所述方法的有效性,在双馈风力发电机模拟试验平台上进行了实验验证。实验平台所用双馈风力发电机主要参数(折算至定子侧)为:定子额定电压380V、定子额定电流12.7A、极对数为2、定转子匝 数比1∶3、定子电阻0.69Ω、定子漏感2.49mH、转子电阻0.54Ω、转子漏感2.54mH、定转子互感148 mH。实验条件为:网侧变换器输出稳定直流母线电压为450V,机侧电网电压200V,转速为1200r/min。
首先进行了定子电流观测器静、动态特性实验,结果如图6所示。图6(a)和图6(b)分别为稳态和电流阶跃时的定子电流d轴分量的测量值与观测值对比。由图可知,所设计定子电流观测器具有较理想的静态性能,且在电流阶跃变化时能够很快跟随上实际电流值,具有较好的动态性能。由此可以验证所设计定子电流观测器可以实现定子电流信号的冗余。
为了验证观测器获得的电流信号是否能够代替实际采样信号用于控制系统,在无电流传感器故障情况下进行了实验验证。如图7所示,实验过程中某一时刻将观测信号代替实际信号用于控制系统。
由图7可知,替换前后定转子电流基本无波动,系统能继续稳定运行,因此,可以使用所设计的观测器用于传感器故障后的容错控制。
为了验证故障诊断的准确性和容错控制可行性,进行了定子电流传感器故障实验。在实验过程中通过将定子电流采样值置零来模拟定子电流传感器故障,实验结果如图8所示。
在t=0.12s时刻定子A相电流传感器输出突变为零,图8(a)分别给出了定子A相、B相传感器获得的电流信号,图8(b)分别为传感器采样值经坐标变换后得到的定子d轴电流和定子电流观测器获得的定子d轴电流。可以看出,当传感器故障发生后,系统获得的定子A相电流信息不再准确,如果使用此电流信号实现系统的功率控制,将会影响系统的稳定性,造成输出功率和转矩振荡。而此时定子电流观测器依旧能够观测出实际电流大小,间接验证了此种观测器的准确性不依赖于被观测量即定子电流传感器采样值,二者具有独立性。图8(a)中B相电流在故障前后的一致也间接说明了故障后使用观测值用于控制系统能够使系统不中断运行。
图9给出了上述故障后的残差信息及故障诊断结果。
由图9(a)可知,当传感器发生故障时,残差Rsco会急剧增加,当超过故障阈值时便触发故障信号,由于故障后残差急剧增加,可以快速地获得故障信息,减小了传感器故障可能造成的损害。由图9(b)可知,当A相传感器发生故障时,αβ坐标系下的残差信号Rsα和Rsβ均大幅增加,当二者均超过阈值时便可判断出传感器故障的具体来源为A相传感器故障。
为了进一步验证电流观测器的有效性,在故障后的容错控制中进行了定子输出功率调节实验,目的是验证所述方案能否在相同的比例—积分(PI)参数条件下 实现故障 后功率平 稳调节,实验结果如图10所示。由图可知,在不改变PI参数条件下进行输出功率调节过程中,定转子电流均能有效地根据功率设定值快速地过渡到新的稳定状态,且在调节过程中电流无冲击,说明了使用定子电流观测器实现容错控制的可行性。一般来说,在电流传感器故障后,可以使机组输出功率逐步降低,为平稳停机创造条件。
5结语