风力发电的电控系统设计与实现

风力发电的电控系统设计与实现

胡宇

湖北龙源新能源有限公司  430000

摘  要：随着科学技术的不断发展及环保意识的增强，风力发电是未来电力系统发展的必然趋势，风力发电电控系统的设计对优化风力发电质量、解决风电并网问题具有重要的意义。基于此，文章阐述了风力发电系统的基础概述，并对电气系统和控制系统分别进行设计，以期能够推动风力发电的有效运行，提高风力发电机组的安全性与可靠性，为推动风力发电建设提供保障。

关键词：风力发电；电控系统；设计

引言：

风力发电是将风所蕴含的动能转换成电能的工程技术，是一种环保可再生的能源，掀起了电力可持续发展的热潮。在科学技术快速发展的科技时代，科学技术普遍应用到建设中，也促进了风能市场的迅速崛起，各国对风力发电项目的建设投入了大量的人力、物力，推动风电技术的发展和进步是不断完善能源结构，促进经济发展的重要保障。风力发电的电控系统技术是电力发展的核心，是确保风力发电高效运行的基础保障。

一、风力发电电控系统概述

1.风力发电电控系统

电气系统和控制系统是风力发电机组的重要组成，两者之间关系密切缺一不可，而电气系统又是控制器的主要传感器与控制单元，如果控制器发生故障或者损坏时，电气系统具有保持策略与硬件的重要功能。控制器是整个电气系统功能完成的主要逻辑中枢，所以，必须将整个电气系统功能与控制器分开加以设计，并且还要注重两者之间的关系，以增强风力发电控制系统的可行性。

2.风力发电电控系统设计的主要要求

风力发电电控系统的设计要求首先是系统的可靠性，风速的确定因素对电力系统设计提出了更高的要求，设计人员应该针对不同风速设计自动调整控制任务和控制方案，从而确保发电机组的正常、稳定运行，完成发电工作。其次，风力发电系统控制的主要任务就是实现风能向电能的转化，设计人员应该提高对叶尖速比状态的关注，确保叶尖保持良好的转态，最大程度的获取风力，实现风力发电的最大化。最后，电力的传输是整个风力发电最重要也是关键的环节，风力发电机组在完成电能的转化过程之后，应该确保优质电能的传输，实现风力发电工作的完成。

二、电气系统设计

（一）电气系统设计的基础概念

电气系统是风力发电机组中的主要组成，电气系统的稳定输出是驱动机械系统的主要动力，担任着控制系统和机械系统连接的重要工作，电气系统的设计是保障发电机组整体运行的关键，因此，电气系统的设计至关重要。

1电气系统的组成

电气系统的主要功能可以分为：连接与互联网控制系统、电气传动控制系统、路线传输系统、传感系统、机柜供电系统、伺服装置执行控制系统等。依照发电机组的模块化设计，可以将电气系统划分为测风系统、偏航运动电气系统、变桨内部电气系统、自动变频器、电机系统、并网控制系统、油冷电气系统以及润滑体系等。[1]

2电气系统拓扑

电气系统的拓扑主要包括主电气回路和配电回路，从整体掌握电控系统的组成和主回路的设计是电气系统设计的理念。主电气回路拓扑主要包括变压器系统、电机、变频器、并网单元等；辅助变压器的配备是满足机组配电系统的供电需求，涵盖了各种机电系统及泵单元、加热和冷却单元、润滑单元及开关电源和UPS等。[2]

（二）电气系统的综合设计

1安全系统设计

安全运行是电气系统最基础的设计，为风力发电平稳运行提供了保障。通过设计安全链，系统在电气系统运行中的某一环节一旦出现故障或问题，将会立刻停止操作，确保发电机组不受损害。设计刹车双保险系统即两套刹车系统、后备电源、有效接闪、并对控制系统与安全系统单独进行设计，确保一旦发生事故时会控制系统配合安全系统发出的指令，确保风力发电机组的安全。

2抗风设计

自然环境是不可控的，风力发电机组在运行时往往会受到强力台风等因素的影响，对发电机组造成严重的损伤甚至导致发电机组报废，带来严重的经济损失。因此，在对电气系统的设计中，设计人员应该注重安全系统控制器的抗风测试，并及时关注气象，提前做好防范工作，及时监测台风情况，必要时进行刹车停机操作，从而避免因机组荷载带来的严重损失。

3防雷电系统设计

电气系统设计中设计人员应该重视雷电天气对风力发电机组的影响，充分考虑雷电可能会对系统和保护装置部件产生伤害的情形，然后通过采用抗雷击装置，建立导电通路有效的将雷电引出，与此同时还应该通过接地保护方案，将雷电导到地下，有效保护电气系统。

4机舱电气系统设计

风力发电的核心元件是发电机，借助变频器控制励磁电流完成转子磁场的改变，从而保障发电机输出的频率和电压与电网所需的电压保持一致。其中电气系统的组成由电源系统、控制柜体、PLC控制系统、接地控制系统组成，通过对电气系统进行设计，从而有效推动发电机组各项功能的控制与检测电机组的运行状态。[3]

三、控制系统综合设计

（一）控制系统的基础概念

风力发电机组的控制系统是通过对电气整体单元进行连接和通讯，确保各个单元信息的接收，实现指令的发送，实现各个单元之间工作的有序运行，从而保障风力发电效率的最大化，是风力发电机组的运行中枢。力矩和变桨的控制是控制系统设计的重中之重，是实现风力发电获取最大风力的重要保障。

（二）变桨控制

变桨控制的工作是通过科学合理的调整叶片的位置，最大程度的提高风能的效率，是控制系统中的主要组成部分。变桨控制可以通过手动和自动的方式完成机组停车，主要包括Cain Shedule、PID控制以及Notch Filter。[4]Cain Shedule控制设计的主要作用是在相对较强的风速下，确保叶片正常运转的同时进行变桨调节，有效降低迎风的面积，保障额定功率的稳定输出；Notch Filter肩负着保护变桨轴承的重任，解决频率问题。PID变桨控制器设计的主要作用是有效控制转速从而确保功率输出的稳定性，因此，变桨控制的设计对控制系统具有十分重要的意义，是实现风力发电的重要环节，为确保风力发电机组的平稳运行保驾护航。

四、风力发电电控系统测试

通过对风力发电机组系统的各个方面进行测试，从而实现风力发电机组的有效平稳运行，确保工作的状态，掌握运行中发生故障几率的范围，杜绝故障情况的发生，将损失降到最低，实现风力发电最大的价值。通过远程监测能够实时监视和掌握发电机组各个元件之间的状态，并及时进行养护和管理，增强对风力发电电控系统测试的研究设计的投入和生产，是促进风力发电控制系统朝着可行性、实用性、高效性方向发展的有效保障。

五、结语

综上所述，风力发电已经成为绿色环保理念下的必然趋势，对实现资源可再生、保护生态环境具有十分重要的意义，是各国能源发展的重要战略。推动风力发电技术的不断进步和改革，注重电气系统与控制系统的设计与实现，是实现风力发电稳定、高效发展的重要举措，为推动我国国民经济与生态和谐发展保驾护航。

参考文献：

[1]孙庆.风力发电的电控系统设计与实现[J].无线互联科技,2022,19(06):74-75.

[2]梁立翔.新能源发电风力发电技术研究[J].农村经济与科技,2021,32(20):5-7.

[3]贾福荣,樊刚强,张晓菊.基于风力发电的电控系统设计研究[J].现代制造技术与装备,2016(08):46+146.DOI:10.16107/j.cnki.mmte.2016.0647.

[4]焦冲. 风电控制与物理实验系统设计与开发[D].华北电力大学（北京）,2011.

姓名：胡宇  （1993.11）

性别：男  籍贯：湖北省荆门人 民族：汉族 

学历：本科  毕业于河北工程大学科信学院 

现有职称：助理工程师  研究方向：风力发电 

单位及邮编：湖北龙源新能源有限公司  430000 单位所在地：武汉市 洪山区

邮寄地址和邮编以及电话：湖北省武汉市洪山区梨园街道七星四季花园2栋1单元302  胡宇  收

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