1 引言
目前，随着工业化进程的速度日益飞速增长，能源的消耗也日益增多，由于非可再生资源的枯竭和环境污染的日益严重，人们不得不去寻求一种清洁，可循环使用的能源。由于自然界的风中蕴藏有巨大的能量，因此利用风能为人们提供能源则成为了首选。我国是世界上风力资源最为丰富的国家之一，风力发电作为一种清洁能源，在我国的能源总量中所占的比例正在提高，设计和研制性能优良的风力发电机，对我国的经济建设具有重要的意义。
2 控制系统实现
2.1 风电机组控制目标
风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程，风轮系统可实现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，发电及其控制系统承担了后一种能量转换的任务。它不仅直接影响这个转换过程的性能、效率和供电质量，而且也影响到前一个转换过程的运行方式、效率和装置结构。因此，研制和选用适合于风电转换用，并且运行可靠、效率高、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电工作的一个重要组成部分。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入电网。
(2) 控制系统采用计算机控制技术实现对风电机组的运行参数、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，对变桨距变速风电机组主要进行最佳尖速比控制、额定风速以上的恒功率控制和变速恒频控制。
2.2 基本控制功能及结构组成
风力发电机组控制系统要完成以下控制功能:自动启动/停机、手自动无扰动切换、自动偏航、机舱扭缆、自动解绕控制、最佳叶尖速比控制、脱网关机、风电机组自动除湿、加热、冷却控制、液压驱动、逆功率自动停机控制等。
异步风力发电变速恒频系统结构如图１所示。
图1 异步风力发电机变速恒频发电系统图
2.3 异步发电机并网过程
异步发电机可以直接联入电网，也可以通过晶闸管调压装置与电网连接。并网条件是:
转子转向应与定子旋转磁场转向一致，即发电机的相序应和电网相序相同;
逆变电压相位应尽可能接近电网相位时并网。
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。第二个条件是非常严格的，逆变电压相位愈是接近电网相位时并网，冲击电流衰减的时间愈短。
鼠笼型异步发电机并网结构图如图2所示:
图2 鼠笼型异步发电机并网结构图
图中发电机采用鼠笼型异步电机，变频器采用芬兰vacon四象限变频器，芬兰vacon nx系列变频器是高性能矢量控制通用变频器。它具有如下特点:
(1)采用先进的矢量控制算法，对电机磁通电流和转矩电流分别进行解耦控制，配合电机参数设定，动态补偿负载波动，能实现电机转矩的快速响应和准确控制，具有极高的稳速精度和快速动态响应，能满足各类高性能场合的传动控制要求。
(2)vacon变频器具有开放的可编程功能，编程工具vacon nc1131-3 engineering是一个符合iec61131-3标准的图形化的编程工具，它可以用来设计vacon nx特殊的控制逻辑和参数。它包含了基本功能模块和高级功能模块，如各种滤波器，pi控制器和积分器。nc1131-3可以创建参数，故障信息和其他与应用相关的特性。自带lcd键盘,不仅能够显示运行数据和故障代码，还能进行参数的拷贝和下载功能，非常方便调试和后期维护。
(3) 多种扩展卡满足用户需要。
(4) 内置rs485接口，通过通过扩展板可以接入符合国际标准的profibus dp、modbus现场总线控制系统，满足日后组网要求。
图3 变频器接线图
图3中电机测采用vacon inu逆变器，给三相异步电动机提供励磁，采用转矩控制方式，与三相异步电动机一起构成异步发电机，完成把发出来的交流电转换成直流电的工作。在电网侧采用vacon afe，完成把直流电转换成交流电同时完成并网过程。
由于采用了vacon afe可逆整流器放在网侧，可实现零转速并网，并网过程中的相序、相位一致的要求完全由vacon afe实现，不用风机控制器控制，并网合闸时的转速没有要求，简化了并网过程，并网冲击电流小，彻底解决了并网控制难的问题。
3 变频器控制系统的实现
vacon变频器接线图如图3，din1为起动信号，端子25和26继电器ro2:充电控制信号，电网通过滤波器ｌ与vacon afe相连，异步发电机与vacon inu相连，vacon afe与vacon inu的直流母线连载一起。工作过程为:ａｆｅ通电后先闭合ｋｍ２，ｋｍ２用于充电控制，ｋｍ１闭合后，在起动之前，完成充电，把km２断开。
变频器参数设置为:
1.1 p7.3.1.3 reading rate = 3/10ms
1.2 p2.10.4 torq ref select =7/keypad ref
1.3 p2.10.6 torq ref min =-100
1.4 p2.10.7 torq speed limit=0/max freq
1.5 p2.6.1 motor ctrl mode =4/cl torqctrl
1.6 p2.1.5 current limit=72
1.7 p2.1.6 motor nom voltg =380
1.8 p2.1.8 motor nom speed=730
1.9 p2.1.9 motor nom currnt=63
1.10 p3.1 control place=keypad cntrl
1.11 p2.6.16 identification=id with run
1.12 p3.5 torque reference=10%
1.13 p3.2 keypad reference=50
4 结论
该系统发电运行时风机起停平稳，并网时电流冲击小，运行可靠，发电效果明显。全系统操作简便，设备维护量下，有效减低了风机噪声，减小了电机起停过程对电网和风机的机械冲击，延长设备的使用寿命，提高了效益。此种变频控制方案在风力发电控制中具有很好的推广运用前景。
来源：天正恒业
