一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)

1.背景技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機按照旋轉(zhuǎn)軸的方向可以分為水平軸和垂直軸兩種。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機具有低噪音、維護方便、葉片設(shè)計制造簡單、造價低、不需對風(fēng)裝置、不需太高塔架等優(yōu)點。當(dāng)垂直軸風(fēng)輪做大以后面臨垂直軸承彎矩越來越大的問題，彎矩越大對軸的強度要求越高，不僅重量重了而且很容易損壞。因而限制了大功率垂直軸風(fēng)機的商業(yè)化。目前垂直軸風(fēng)機一般被廣泛應(yīng)用于小功率風(fēng)機領(lǐng)域，且垂直軸風(fēng)機存在不能自啟動問題。

垂直軸風(fēng)機控制系統(tǒng)主要包括各種傳感器、運行主控制器、并網(wǎng)控制單元、備用電源系統(tǒng)、通訊電路、監(jiān)控單元。具體控制內(nèi)容有：信號的數(shù)據(jù)采集、處理，轉(zhuǎn)速控制、最大功率點跟蹤控制、并網(wǎng)控制、停機制動控制、就地監(jiān)控、遠程監(jiān)控。傳統(tǒng)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電發(fā)電機組一般由多臺子風(fēng)機系統(tǒng)構(gòu)成，基本采用每臺風(fēng)機配備一整套控制系統(tǒng)的匹配方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由小功率垂直軸風(fēng)機構(gòu)成的小型風(fēng)場每臺風(fēng)機獨立并網(wǎng)往往造成電能質(zhì)量差、并網(wǎng)集中控制難度大等問題。

開發(fā)一種實施方便、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單垂直軸風(fēng)機控制系統(tǒng)，能夠保證風(fēng)電場每臺風(fēng)機運行安全、風(fēng)力發(fā)電高效并網(wǎng)、并能統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制成了亟待解決的問題。

2.研究內(nèi)容

本文充分考慮垂直軸風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)需求，提出了一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單臺垂直軸風(fēng)機配一臺獨立機側(cè)控制器，控制風(fēng)機的啟動、運行、實現(xiàn)最大功率跟蹤控制等，實現(xiàn)了單臺風(fēng)機不同風(fēng)況下的獨立啟動及發(fā)電控制；多臺垂直軸風(fēng)機構(gòu)成的風(fēng)場共用一臺集中并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)并網(wǎng)和電能質(zhì)量集中控制，解決了風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制難，電能質(zhì)量差的弊端；以集中逆變器作為風(fēng)機控制控制器通信的主站，與系統(tǒng)內(nèi)每臺風(fēng)機進行信息交互，人機界面及監(jiān)控室作為系統(tǒng)就地及遠程控制單元與集中逆變器進行數(shù)據(jù)交互，簡化了系統(tǒng)通信設(shè)計，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的實時和有效性。

本文的方案：一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)，由風(fēng)機側(cè)控制器、集中并網(wǎng)逆變器、不間斷電源系統(tǒng)、人機界面、監(jiān)控室、傳感器及通信電路構(gòu)成。為系統(tǒng)中每臺風(fēng)機配一臺獨立的機側(cè)控制器，在滿足風(fēng)機啟動條件時，拖動風(fēng)機至啟動轉(zhuǎn)速，此時風(fēng)力發(fā)電機工作在電動模式；風(fēng)機啟動后，控制器根據(jù)風(fēng)機運行狀態(tài)實現(xiàn)最大功率跟蹤；系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，切斷風(fēng)機控制，進入制動模式。考慮到每臺風(fēng)機發(fā)電功率比較小(kW量級)，且大功率風(fēng)機變流器容量已經(jīng)達到MW級，采用集中并網(wǎng)逆變器將風(fēng)能饋送至電網(wǎng)；機側(cè)控制器與集中并網(wǎng)逆變器通過直流母線并聯(lián)方式將其風(fēng)機能量經(jīng)集中并網(wǎng)逆變器饋送至電網(wǎng)。集中并網(wǎng)逆變器通過現(xiàn)場總線的方式與機側(cè)控制器通信，并作為控制器主站監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)每臺風(fēng)機運行。人機界面通過現(xiàn)場總線與集中并網(wǎng)逆變器通信并作為主站實現(xiàn)系統(tǒng)就地控制；監(jiān)控室通過以太網(wǎng)通信與集中并網(wǎng)逆變器通信并作為主站實現(xiàn)系統(tǒng)遠程控制。這種通信方式簡化了通信設(shè)計，便于現(xiàn)場調(diào)試及后臺監(jiān)控。集中式UPS方案易實現(xiàn)也簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

由于每臺機位風(fēng)況不同，獨立的機側(cè)控制器是有必要的。

集中式逆變器容量大為P，便于模塊擴展，子風(fēng)機功率為Pi，自風(fēng)機臺數(shù)為N，滿足P≥P1+P2+……+PN即可。

此控制系統(tǒng)的具體控制實施方法，步驟如下：

(1) 系統(tǒng)在接收到就地或者遠程并網(wǎng)命令或者滿足風(fēng)速滿足風(fēng)機啟動條件時，集中并網(wǎng)逆變器啟動并網(wǎng)，穩(wěn)定母線電壓。

(2) 并網(wǎng)逆變器控制閉合各機側(cè)控制器與其直流母線之間的接觸器，機側(cè)控制器通過電動控制模式將風(fēng)機拖動至啟動轉(zhuǎn)速。

(3) 機側(cè)控制器檢測風(fēng)機轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)機達到啟動轉(zhuǎn)速后，工作模式切換至發(fā)電模式，通過最大功率跟蹤實現(xiàn)風(fēng)能捕獲；當(dāng)風(fēng)速達到或者超過額定轉(zhuǎn)速時，機側(cè)控制器控制發(fā)電機工作于恒轉(zhuǎn)速模式；當(dāng)風(fēng)機輸出功率超過最大功率時，進入緊急停機模式，風(fēng)機制動停機。

(4) 在發(fā)電過程中，系統(tǒng)內(nèi)任何一臺風(fēng)機故障，將切掉其與集中逆變器之間的接觸器連接，該風(fēng)機進入緊急停機模式，風(fēng)機制動停機。

(5) 系統(tǒng)接收到停機命令或者風(fēng)速低于啟動風(fēng)速時，機側(cè)控制器控制風(fēng)機通過能量回饋制動方式正常停機，網(wǎng)側(cè)控制器退出并網(wǎng)。

(6) 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本文具有以下突出優(yōu)點：

(7) 采用集中并網(wǎng)逆變器替換原有方案中每臺風(fēng)機配一臺獨立逆變器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。且集中并網(wǎng)方式解決了風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制難，電能質(zhì)量差的弊端。

(8) 集中并網(wǎng)逆變器采用穩(wěn)定母線電壓方式并網(wǎng)，風(fēng)機側(cè)控制器通過直流母線并聯(lián)在總母線上。母線上設(shè)有接觸器，實現(xiàn)了能量匯集、單臺風(fēng)機故障切出功能，便于擴展應(yīng)用。

(9) 集中式UPS替換原有方案中每臺風(fēng)機配一套獨立的UPS，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

(10) 通信分層式設(shè)計，集中并網(wǎng)逆變器與風(fēng)機側(cè)控制器構(gòu)成通信的底層回路，人機界面和監(jiān)控系統(tǒng)分別與并網(wǎng)逆變器構(gòu)成通信的頂層回路。通信回路設(shè)計簡單、信息交互高效。且充分考慮了現(xiàn)場通信總線的選擇需求。

(11) 風(fēng)機側(cè)控制器采用獨立控制垂直軸風(fēng)機方式，依據(jù)不同風(fēng)機風(fēng)況進行獨立控制。且集成風(fēng)機傳感器信號的處理，減少了總控制器的資源開銷。信號走線距離短，便于系統(tǒng)集成。

圖1

如圖1所示為本文的系統(tǒng)構(gòu)成及連接方式示意圖。垂直軸方力發(fā)電機控制系統(tǒng)包括垂直軸風(fēng)力發(fā)電機1(由獨立的發(fā)電機11、12、……1N構(gòu)成)，風(fēng)機側(cè)控制器2(21、22、……2N為機側(cè)子控制器)，集中并網(wǎng)逆變器3，不間斷電源系統(tǒng)4，人機界面5，監(jiān)控系統(tǒng)6，直流母線回路7，母線連接接觸器71、72、……7N，不間斷電源系統(tǒng)供電回路8，由并網(wǎng)逆變器為通信主站的現(xiàn)場總線9，就地系統(tǒng)與并網(wǎng)逆變器之間通信線路10，遠程監(jiān)控與并網(wǎng)逆變器之間通信線路11，三相交流電網(wǎng)12。

風(fēng)機側(cè)控制器2屬于控制系統(tǒng)末端設(shè)備直接與風(fēng)力發(fā)電機1發(fā)生聯(lián)系。2是純粹執(zhí)行設(shè)備，負責(zé)1的啟動控制、最大功率跟蹤控制、恒轉(zhuǎn)速控制、制動控制及狀態(tài)監(jiān)測。風(fēng)機側(cè)子控制器21、22、……2N實現(xiàn)每臺子風(fēng)機11、12、……1N的獨立控制。

集中并網(wǎng)逆變器3為現(xiàn)場控制中樞，通過穩(wěn)定直流母線電壓的方式進行并網(wǎng)控制、電能質(zhì)量控制。通過2接收1運行數(shù)據(jù)，并下發(fā)控制命令。2直流母線回路與3直流母線回路相連，將子系統(tǒng)能量匯入3直流母線，并借助3饋入電網(wǎng)。如果發(fā)現(xiàn)任何子系統(tǒng)出現(xiàn)故障則可以通過母線連接接觸器71、72、……7N將子風(fēng)機切出。

不間斷電源系統(tǒng)4為系統(tǒng)公用的UPS系統(tǒng)，在電網(wǎng)掉電的情況下仍然能夠保證1安全制動及設(shè)備平穩(wěn)停機。集中式UPS設(shè)計使得系統(tǒng)設(shè)計簡單、可靠。

由并網(wǎng)逆變器為通信主站的現(xiàn)場總線9，可以使用Profibus或者CAN總線，通信速率快，技術(shù)成熟，接線方式簡單且便于擴展應(yīng)用。采用一主多從通信機制，風(fēng)機側(cè)控制器將風(fēng)機運行數(shù)據(jù)及狀態(tài)實時上送并網(wǎng)逆變器3，3響應(yīng)5或者6命令并依據(jù)各風(fēng)機狀態(tài)下發(fā)控制命令。

人機界面5與并網(wǎng)逆變器3之間通信線路10，通信距離較短，可以使用RS485通信協(xié)議。5作為主站，3作為從站。進行系統(tǒng)整體運行數(shù)據(jù)的交互以及就地控制命令的下發(fā)，特別適用于現(xiàn)場調(diào)試。

監(jiān)控系統(tǒng)6與并網(wǎng)逆變器3之間通信線路11，通信距離長，可以使用以太網(wǎng)通信協(xié)議。進行系統(tǒng)整體運行數(shù)據(jù)的交互以及遠程控制命令的下發(fā)，特別適用于后臺監(jiān)視。

9、10、11構(gòu)成了控制系統(tǒng)的通信回路，9構(gòu)成現(xiàn)場數(shù)據(jù)交互回路，為底層通信回路，10、11為頂層通信回路。通信分層設(shè)計使得通信系統(tǒng)更簡單、高效。2作為機側(cè)控制子站，接收1相關(guān)傳感器信息，實現(xiàn)對1的實時有效控制；3作為現(xiàn)場控制的中樞，通過與2數(shù)據(jù)交互，信息交互量大，實時控制子系統(tǒng)運行；5和6為監(jiān)控系統(tǒng)，通過2接收用戶關(guān)心的系統(tǒng)運行重要參數(shù)，回路簡單，信息交互高效。

三相交流電網(wǎng)在正常發(fā)電時接收風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換電能，并能在風(fēng)機啟動階段為系統(tǒng)提供能量。

圖2

如圖2為本文集中并網(wǎng)逆變器控制原理示意圖。集中并網(wǎng)逆變器上電啟動且初始化完成后進入上電設(shè)備自檢。自檢完成后進入并網(wǎng)模式，穩(wěn)定母線電壓。在接收到就地或者遠程啟機命令后，判斷風(fēng)機是否滿足啟機條件(一般要求30s平均風(fēng)速要大于2.5m/s且小于最大風(fēng)速)，如果滿足啟機條件則向風(fēng)機側(cè)控制器下發(fā)啟機命令。在接收到就地或者遠程停機命令后，如果風(fēng)機已經(jīng)啟機則進入發(fā)電制動模式，直至風(fēng)機停機完成后斷開直流母線接觸器并投入風(fēng)機剎車制動。在并網(wǎng)過程中如果發(fā)現(xiàn)子控制器故障則切掉相應(yīng)母線接觸器并對此風(fēng)機進行剎車制動。在并網(wǎng)控制或者自檢過程中出現(xiàn)故障，進入故障狀態(tài)，系統(tǒng)制動停機。

圖3

如圖3為本文風(fēng)機側(cè)控制器控制原理示意圖。控制器上電啟動且初始化完成后進入上電設(shè)備自檢。自檢完成后進入待機模式，在接收到集中并網(wǎng)逆變器啟機命令后進入電動模式，拖動永磁同步風(fēng)力發(fā)電機至啟動轉(zhuǎn)速。風(fēng)機啟動完成后，風(fēng)輪在風(fēng)力作用下自由旋轉(zhuǎn)，控制器進入最大功率跟蹤模式，將風(fēng)能以最大功率饋入直流母線。當(dāng)檢測到風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時，進入恒轉(zhuǎn)速控制模式。當(dāng)接收到制動命令時，進入制動模式，制動完成后進入待機模式。在以上任何模式下，當(dāng)檢測到系統(tǒng)故障時立即進入故障模式。在故障模式下，故障解決且故障復(fù)位后進入待機模式。

3.實驗驗證

實驗平臺采用河南求同電氣科技有限公司（http://www.nb666.net/）的微電網(wǎng)之風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，如圖4所示。風(fēng)電變流器支持MATLAB自動代碼生成，MBD程序開源。采用此系統(tǒng)，可以方便、高效的驗證垂直軸風(fēng)力發(fā)電機相關(guān)的核心控制策略、設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制策略、啟停機策略。風(fēng)輪模擬器支持各種風(fēng)況設(shè)定及不同風(fēng)功率條件下的運行演示，極大的拓展了風(fēng)力發(fā)電機組控制策略的可行性驗證。

圖4

附圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)——本地人機界面

附圖2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)——遠程Scada監(jiān)控

附圖 河南求同電氣科技有限公司微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)

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