1.25MW双馈异步风力发电系统设计

学 号：2013210516

XINJIANG INSTITUTE OF ENGINEERING

毕业设计

设计题目：1.25MW双馈异步风力发电系统设计 学生：××××××

专 业：电气工程及其自动化 班 级：电气工程13-2 系 部：电力工程系

指导教师：××××××

二〇一七年六月七日

摘 要

随着一些地区风电供应比例的急剧增加，大规模风电场对地区电网稳定性造成的影响愈发显著。风力发电机的低电压穿越技术越来越受关注。文中首先介绍了低电压穿越技术的概念、国外的相应标准，继而分析比较了有关此技术的双馈感应发电机建模问题、各种常见的实现低电压穿越的技术手段及改进控制策略。最后描述了具备此技术的风电场对电力系统的影响。

根据电机学中异步电机的相关知识推导了双馈感应发电机在三相静止坐标系下的数学模型以及运动方程；在对双PWM电压型变流器原理分析基础上，推导了网侧PWM变流器在三相静止坐标系下数学模型；为了便于控制系统设计，应用坐标变换技术将所建数学模型转换到两相旋转坐标系下；基于坐标变换技术和电机矢量控制理论，进行了电网电压定向的网侧变流器矢量控制设计和定子磁链定向的转子侧变流器矢量控制设计的研究；进行了亚同步速和超同步速时电机变速恒频发电和有功无功独立调节的仿真研究，仿真结果表明所设计的系统在实现了变速恒频发电的同时，实现了P、Q的完全解耦控制，验证了双馈感应风力发电系统理论分析和控制策略设计的正确性与可行性。

关键字 风力发电；变速恒频；双馈发电机；矢量控制

Abstract

With the rapid increase of the proportion of wind power supply in some areas, the impact of large-scale wind farms on the stability of regional power grid is becoming more and more obvious. The low voltage ride through technology of wind turbines has attracted more and more attention. This paper first introduces the concept of the corresponding standard, low voltage ride through technology abroad, technical means to realize the low voltage ride through the analysis and comparison of all kinds of doubly fed induction generator modeling problem, this technique is common and improved control strategy. Finally, the influence of wind farm with this technology on power system is described.

According to motor learning related knowledge of induction motor mathematical model is deduced in the three-phase static coordinate system of doubly fed induction generator and the equation of motion; in the analysis of dual PWM voltage source converter based on the principle, derivation of the grid side PWM converter in the three-phase static coordinate system mathematical model; in order to facilitate the design of control system, the application of coordinate technology will transform the mathematical model into the two-phase rotating coordinate system; coordinate transformation technology and motor

vector control based on the theory of rotor side converter vector control design and the design of the stator flux orientation vector control grid voltage oriented network side converter; simulated sub synchronous speed and super synchronous speed motor VSCF and independent active and reactive power regulation, simulation results show that the design of the system in the realization of the VSCF wind power generation at the same time The complete decoupling control of P and Q is realized, and the correctness and feasibility of the theoretical analysis and control strategy design of doubly fed induction generator are verified.

Key words wind power generation; variable speed constant frequency; doubly fed generator; vector control

目 录

摘 要 .................................................................................................................................. I ABSTRACT ........................................................................................................................II 1 绪论 ................................................................................................................................1

1.1 风力发电机概况 ................................................................................................1 1.2 研究风力发电机的目的和意义 .......................................................................1 2 双馈风力发电的电气部分设计 ...................................................................................3

2.1双馈风力发电系统结构特点 ............................................................................3 2.2风力机最大风能捕获原理 ................................................................................3 2.3 双馈感应发电机的运行原理 ...........................................................................6 3 风力双馈发电系统的控制方案选择 ..........................................................................8

3.1 主配电系统 .........................................................................................................8 3.2 中央监控系统 ....................................................................................................8

3.2.1 中央监控系统功能 ................................................................................8 3.2.2 中央监控的实现方式 ............................................................................9 3.2.3 风力发电机监控网络 ............................................................................9 3.3 塔底主控系统 ................................................................................................. 10

3.3.1 主控系统功能 ..................................................................................... 10 3.3.2 主控系统流程 ..................................................................................... 10 3.4 变流控制系统 ................................................................................................. 11

3.4.1 双馈电机工作原理 ............................................................................. 12 3.4.2 变流系统组成及功能部件 ................................................................ 13 3.4.3 变流系统并网控制过程..................................................................... 16

4 双馈风力发电的并网方式选择 ................................................................................ 18

4.1 风电机组控制系统抗干扰研究 .................................................................... 18

4.1.1 风电机组电源系统抗干扰技术及保护............................................ 18 4.1.1 交流电源系统及保护 ......................................................................... 19 4.3.2控制系统抗干扰及保护 ...................................................................... 22 4.3.4 变流系统抗干扰技术 ......................................................................... 26 4.3.5 风电机组变流系统直流母线及Crowbar保护 ............................. 29

5 双馈风力发电的继电保护和接地设计 ................................................................... 31

5.1 风电机组安全保护系统设计 ........................................................................ 31 5.2 风电机组安全链系统 ..................................................................................... 32

5.2.1 双馈型风电机组安全链组成及功能 ................................................ 32

5.2.2 风力发电机组的紧急停机过程 ........................................................ 34 5.2.3 风电机组安全链逻辑结构 ................................................................ 35 5.3风力发电机组防雷保护 ................................................................................. 36

5.3.3 电控系统防雷 ..................................................................................... 36

5.3.4 接地保护 .............................................................................................................. 37 结论 .................................................................................................................................. 38 参考文献 .......................................................................................................................... 39

1 绪论

1.1 风力发电机概况

随着现代技术的发展，风力发电迅猛发展。以机组大型化(50kW～2MW)、集中安装和控制为特点的风电场(也称风力田、风田)成为主要的发展方向。20年来，世界上已有近30个国家开发建设了风电场(是前期总数的3倍)，风电场总装机容量约1400万kW(是前期总数的100倍)。目前,德国、美国、丹麦以及亚洲的印度位居风力发电总装机容量前列,且未来计划投资有增无减。美国能源部预测2010年风电至少达到国电力消耗的10%。欧盟5国要在2000～2002年达到本国总发电量的10%左右,丹麦甚至计划2030年要达到40%。

中国是一个风力资源丰富的国家,风力发电潜力巨大。据1998年统计,风力风电累计装机22.36万kW,仅占全国电网发电总装机的0.%,相对于可开发风能资源的开发率仅为0.088%。

中国第一座风力发电场于1986年在荣成落成,总装机较小,为3×55kW。到1993年我国风电场总装机容量达17.1MW,1999年底,我国共建了24个风力发电场,总装机268MW。我国风力发电场主要分布在风能资源比较丰富的东南沿海、西北、东北和华北地区,其中风电装机容量最多的是新疆已达72.35kW。在未来2～3年,我国计划新增风电场装机容量将在800MW以上,并且将会出现300～400MW 的特大型风力发电场。

1.2 研究风力发电机的目的和意义

风能是对人类生存环境影响最小的能源。除此之外，风能资源非常丰富，取

之不尽，用之不竭。据统计，太阳向地球辐射的巨大能量中，约有1%转化为风能。这些能量相当于全球每年消耗的煤、石油等化石燃料能量的总和，可见风能的潜力是非常大的。随着风力发电技术日趋成熟，风力发电规模也不断扩大，美国加州由数家风能公司提供给电网的电量，足以供应旧金山这样的大城市的居民需求。我国风电事业近年来发展较快，已有16万台微型风力发电机用于边远山区、牧区、海岛，初步解决了地处边远，居住分散，电网难以到达地区的居民用电问题。同时也遏制了微型汽油发电机的发展，在节约石化燃料的同时，避免了各种有害气体的排放。国家“九五”新能源发展计划提出，“九五”期间全国风力发电的总装机容量要突破40万千瓦。为此，国家从宏观规划角度出发，制定了“乘风计划”，面向国外市场发展风力发电。“乘风计划”不仅会大大促进我国风电事业的发展，而且对减排有害污染物，促进环境的改善有着重要意义。

风力发电近几年发展特别快，是因为它有许多优点：1.设备简单，投资少，成本低，风力发电机的成本不足火力发电，水力发电和核电站成本的1/4，在二、三年就可以收回全产投资；2.节省燃料和运输费用。在风力资源丰富的地区，风力是取之不尽，用之不竭的，可就地建立风力发电站，就地用电，这样就可以节省大量的输电设备和能源。许多燃料是十分重要的化学原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。我国资源并不十分丰富，充分利用风力资源意义就更重大了；3.利用风力可以减少对大气的污染，保护我们人类赖以生存的自然环境。化学燃料不断向大气中排放对生物有害物质，严重的威胁人们健康，而风力能源则没有任何影响人类健康的有害物质。

由于它是清洁能源，对环境无污染，又由于我们国家地形复杂，人口又多，

居住分散，对于电网涉及不到的地区，特殊行业，可以补充大电网的缺陷，起到拾遗补缺的作用，可以利用小型风机风力发电的地方主要有：

(l)航运系统我们有长江等水系几条大河流，如长江航运中的拖船，一般在100一200吨，经常被搁置在江中间的锚地上，用电主要靠蓄电池。使用风力发电机对蓄电池补充充电效果很好，这方面有成功的经验。但是，由于国有运输企业的不景气，影响了市场。

另外，我们大小河流湖泊上的船舶数量惊人，用小型风力发电机解决它们的照明、收视电视、听广播，有很重要的意义和市场。

(2)森林防火高山观察站据林业部防火指挥部介绍，东北约有400个观察站，西南也有几百个高山观察站，各省市都有一些森林高山防火观察站，站上的工作人员，在防火期从10月到第二年4、5月期间昼夜在站上值勤，解决他们的照明及听广播、看电视颇为费神。由于山高、道路狭窄崎岖、运输困难，又不能使用明火，使用小型风力发电机可以基本解决观察站的照明及娱乐用电。90年代初，个别观察站曾使用过小型风力发电机。由于风力发电机的某些技术问题及使用人员的素质因素，没有得到推广。

(3)无人值守的差转台和微波站。 (4)东南沿海各孤立的岛屿。 (5)围网养殖系统。 (6)农牧区。

(7)国际市场。

2 双馈风力发电的电气部分设计

2.1双馈风力发电系统结构特点

图2-1 双馈风力发电系统结构

双馈风力发电系统结构图如图2-1所示。系统包括风力机，齿轮箱，双馈感应发电机，变流器，控制器等，其主要作用是从风中捕获能量并将其转换成电能。当风作用在叶片上带动叶片的旋转从而产生相应的转矩，该转矩驱动轮轴转动，由于风能密度低，叶片旋转速度会比较慢，一般为10-30转／分钟，为了使其旋转速度达到双馈感应发电机的转速要求，在风力机和双馈感应发电机之间装有一个变速箱来进行变速，变速箱的变比由风力机和双馈发电机的转速要求确定，变速箱的低速轴通过低速联轴器和风力机相连，而其高速轴通过高速联轴器和双馈感应发电机的转子相连，带动发电机的转子旋转，从而将叶片吸收的风能转换成机械能。双馈感应发电机吸收机械能后，在变流器的控制作用下，负责将机械能转换成符合电网规则的电能传送至电网。

2.2风力机最大风能捕获原理

风力机是风力发电系统中能量转换的首要部件，用以截获流动空气的动能，并将风力机叶片迎风扫掠面积的一部分动能转换为机械能。它不仅决定整个风力发电系统的有效输出功率，而且直接影响机组的安全、稳定、可靠运行，是风力发电系统中关键部件之一。

根据贝兹理论，风力机捕获的风能功率为：

1PrCp,Av32 (2.1)

公式中：

ρ ——空气密度； v ——风速；

A ——风力机扫掠面积；

Cp ——风力机的功率系数；它是叶尖速比λ和浆叶节距角β的函数，其中

mRv，ωm为风力机机械角速度,R为风轮半径。

由公式(2.1)可见，在风速给定的情况下，风轮获得的功率将取决于风能利用系数Cp。如果在任何风速下，风力机都能在Cpmax点运行，便可增加其输出功率。在任何风速下，只要使得风轮的叶尖速比λ = λopt ，就可维持风力机在Cpmax下运行。因此，风速变化时，只要调节风轮转速，使其叶尖速比保持λ

opt不变，就可获得最佳的风能利用系数。由公式(2.1)可知风力发电机组的输出功率是风速的立方函数，即风速越大，机组输出的电功率越大。然而，实际系统中存在两个限制：一是电气回路中各电气装置及元件的最大功率限制，二是风力机组的各转动部件尤其是风轮，存在一个转速上限。

风力机的特性通常由一簇风能利用系数Cp的无因次性能曲线来表示，如图2.2(a)所示。风能利用系数Cp是风机叶尖速比λ的函数，同时也是桨叶节距角β的函数，理论上最大为0.593，也称为Betz极限。从图中可以看出，当桨叶节距角逐渐增大时，该曲线将显著减小。若保持节距角不变，图2.2(a)的一簇曲线就变成了图2.2(b)的一条曲线。

a） b）

（c）

图2.2 风力机特性曲线

图2.2（c）是一组在不同风速(v1>v2>v3)下风力机的输出功率特性，Popt曲线是各风速下最大输出功率点的连线,即最佳功率曲线。风力机运行在Popt曲线上将会输出最大功率Pmax，其值为：

Pmaxkm (2-2)

1R式中：kA2optCpmax 33

可以看出,在同一个风速下，不同转速会使风力机输出不同的功率，要想追踪Popt曲线，必须在风速变化时及时调整转速ωm，保持最佳叶尖速比。

当达到起始风速后，风轮转速由零增大到发电机可以切入的转速后，风力发电机组开始发电运行，通过对发电机的转速的控制，Cp不断上升，直至Cp=Cpmax，进入Cp恒定区，这时机组在最佳状态下运行这段区域主要是发电机组机械转矩（即有功功率给定值）使转速随着风速而变化，使λ=λopt，实现最大风能捕获。

对于每个风速，都有一个相对应的最佳风机转速，可得：

nN

optv60R2 （2-3）

式中：

ｎ——电机转速； Ｎ——齿轮箱传速比。

2.3 双馈感应发电机的运行原理

双馈发电机结构类似于绕线式感应电机，其定子和转子上均放置对称三相绕组，其定子与普通交流电机定子相似，只是转子绕组上加有滑环和电刷，这样转子侧既可以输入电能也可以输出电能。因采用交流励磁，转子的转速与励磁电流的频率有关，从而使得双馈发电机的部电磁关系既不同于感应电机又不同于同步电机。双馈发电机在正常工作时，其定子绕组接工频电网，转子绕组经一个频率、幅值、相位可调的三相变频电源供电，如图2.3。

图2.3中f1、f2分别为双馈发电机定、转子电压和电流的频率，n1为定子磁场的旋转转速，即同步转速，n2为转子磁场相对于转子的旋转转速，nr为双馈发电机转子的转速。

双馈发电机在稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上保持相对静止。当定子旋转磁场在空间上以ω1的速度旋转时，则转子旋转磁场相对于转子的旋转速度ω2应为：

21r1s （2-4）

其中，ωr为转子机械旋转角速度，s为双馈发电机的转差率。

励磁变压器

f1

n1 f2 原动机 n2 励磁 变流器

图2.3 双馈发电机结构简图

按照通常转差率的定义有：

sn1nrn1 （2-5）

转子转差角速度与s成正比。若双馈发电机的转子转速低于同步转速，那么转子旋转磁场和旋转方向相同，如果转子的转速高于同步转速，那么二者的旋转方向相反。根据ω=2πf 推出励磁电流频率和定子电流频率之间存在如下关系：

f2f1s （2-6）

当双馈发电机的转速发生变化时，只要改变通入电机转子里面励磁电流的频率f2就可以保持电机定子侧频率f1不变，即保持电机输出电压的频率恒定；通过改变通入电机转子里面励磁电流的幅值、相位就可以改变定子侧电压幅值。

3 风力双馈发电系统的控制方案选择

3.1 主配电系统

风电机组的主配电系统如图3.1所示，由电网通过变压器提供690V/50HZ三相交流电，给整个风电机组进行供电。对于双馈发电机及变频系统，由690V直接供电，其余用电设备则要通过690V/400V变压器后再进行供电。其中，每一路供电设备线路入口端都要加相应的保护装置（保险丝），这样可以保证在任一路出现故障时迅速切除，而不影响其他用电设备。

10kV 箱变690V主断路器63A熔断器跌落保险并网控制32A熔断器控制变压器690V/400V35kVA400VL1L2L3NPEN网侧滤波电容变流单元25A熔断器50A熔断器双馈电机9.5A断路器6.6A断路器25A断路器25A漏电保护开关25A熔断器16A漏电保护开关16A熔断器16A漏电保护开关16A熔断器16A漏电保护开关16A熔断器20A熔断器接触器接触器塔顶机舱部分动力电源冷却系统循环泵冷却系统散热器风扇变流器动力电源变流器控制电源接触器柜体照明和插座塔架照明加热器相位检测24V电源16A熔断器插座6A熔断器图3.1 主配电系统图

3.2 中央监控系统

由于风力发电机组单机容量的限制，一般的风力发电场需要占用较大场地，有的甚至绵延数公里，因而集中监控系统就变得尤为重要。

3A断路器

3.2.1 中央监控系统功能

通信管理：系统自动与事先设定的风电机组建立通信连接，并具有通信中断后的自动重连接功能；

监视功能：实时监视可控风电机组的运行状态及运行数据； 绘制曲线：绘制风速－功率曲线、风速分布曲线、风速趋势曲线； 远控功能：在中央控制室实现对风电机组的远程开机、停机、左/右偏航、复位等功能；

数据管理：机组运行数据自动存储与维护，自动生成报表，支持数据查询，具有数据导出功能；

修改参数：远程修改风电机组运行参数。

故障报警与处理：风机故障报警（视觉报警和红色警示条报警）、故障数据保存、故障现场数据读取显示。

3.2.2 中央监控的实现方式

数据通讯接口：TCP/IP网络接口。

数据通讯方式：中央监控为主站，就地控制器为从站。主轮询方式读取数据方式。

通讯介质：风机和风机之间，风机到中央监控之间均采用光纤介质。

3.2.3 风力发电机监控网络

网 络1号线路交换机交换机31交换机32交换机33. . . . . . 交换机403 U风机RJ45路由器2 U2号线路交换机交换机21交换机22交换机23. . . . . . 交换机3012343号线路中央监控计算机中心交换机RJ45交换机交换机11交换机12交换机13. . . . . . 交换机204号线路交换机交换机1交换机2交换机3. . . . . . 交换机10 图3.2 风机监控网络

风力发电机监控网络如图3.2所示，中央监控器一般由一台中央监控计算机、一台路由器和中心交换机和若干子网（单个风力发电机）组成。中央监控计算机负责通过以太网监控所有风机的状态及控制，并可以通过路由器连接到internet。中心交换机负责整个监控系统的数据交换和网络传输，其中包括中央监控计算机与各子网通讯，子网域子网之间通讯。所有网络之间均采用TCP/IP协议通讯，通过光纤实现网络连接。每个风力发电机都有一个现场监控系统，可以设定相应的权限，可以对本机组和其他机组进行设置和控制。

3.3 塔底主控系统

3.3.1 主控系统功能

塔底主控制系统是机组可靠运行的核心，主要完成数据采集及输入、输出信号处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱柜通讯，接收机

舱信号，并根据实时情况进行判断发出偏航或液压站的工作信号；与三个独立的变桨柜通信，接收三个变桨柜的信号，并对变桨系统发送实时控制信号控制变桨动作；对变流系统进行实时的检测，根据不同的风况对变流系统输出扭矩要求，使风机的发电功率保持最佳；与中央监控系统通讯、传递信息。控制包括机组自动启动，变流器并网，主要零部件除湿加热，机舱自动跟踪风向，液压系统开停，散热器开停，机舱扭缆和自动解缆，功率因数调整，电容滤波投切以及低于切入风速时自动停机。

风电机组各控制系统之间通信一般采用标准的现场总线通信协议，一般采用RS485、Profibus-DP或CAN总线通信，本系统根据需要可以上述采取多种通信协议进行通信，以下系统部之间均采用Profibus-DP通信协议，如图3.3所示。

图3.3 Profibus-DP通信

3.3.2 主控系统流程

主控系统控制流程如图3.4所示。首先系统要进行初始化，先给整个系统上电，对相关信号量、执行机构和保护系统进行复位，然后对这些状态进行检测判

断，如果一切正常，则完成初始化阶段工作，进入准备（standstill）状态。在准备状态，需要检测启动、停机信号是否正常，风电机组故障情况和风机启动是否准备好。检测扭缆情况，有扭缆则进行解缆控制。检测变桨距系统状态，若有故障则需要停机。上述情况一切正常后进入待机状态，此时风轮刹车释放，发电机随风轮转动，偏航系统开始对风。检测风速是否在规定的围，若低于此围，则继续停留在待机状态；超出此围，则进入停机状态。同时，在待机状态还要检测其他信号是否正常，若有故障随时进入停机状态。等一切条件符合时，通过变流器给发电机转子励磁，检测定子输出三相电压的幅值和相位，当符合并网条件时，进行并网发电。在并网发电过程中，控制系统需要实时监控各信号量和执行机构状态，一旦有故障和异常发生，立即根据故障情况进入相应的停机状态。

初始化No初始化正常判断1及相应处理1准备（standstill)Yes 准备（standstill)无故障、停机正常NoYes No无扭缆通过判断1解缆处理No相应处理1Yes 手动或强制变桨模式YesNo故障、停机（stop)待机（starting)Yes 通过判断2No判断2及相应处理Yes空转加速（run_up)风速是否大于3m/sNo电压相位、幅值符合NoYes 初始化模式是否正常NoYes并网发电Yes 风速是否超过停机风速No停机控制或发生故障NoYes 是否正常准确对风Yes停机（stop)NoYes ORYes停机正常No

图3.4 主控制系统流程

3.4 变流控制系统

异步型风力发电机组变流控制系统主要是对双馈电机转子励磁的控制。下面先介绍双馈电机的工作原理，然后对变流系统进行研究和设计。

3.4.1 双馈电机工作原理

双馈型风力发电机采用异步双馈电机，如图3.5所示。双馈电机由于转子方采用交流电压励磁，使其具有灵活的运行方式，在解决电站持续工频过电压、变速恒频发电等问题方面有着传统同步发电机无法比拟的优越性。

双馈发电机的定子绕组接工频电网，转子绕组由具有可调节频率、相位、幅值和相序的三相电源激励，一般采用交–直–交变流器。双馈发电机可以在不同的风速状态下运行，其转速可以随风速的变化相应调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，提高了风能的利用率。同时通过控制馈入转子绕组的电流参数，不仅可以保持定子输出的电压和频率不变，还可以调节电网的功率因数，提高系统的稳定性。

图3.5 异步双馈电机原理图

根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可以得出

VSCF（Variable Speed Constant Frequency，变速恒频）风力发电机运行时电机转速与定、转子绕组电流频率关系的数学表达式：

f1pnfmf2 (3-1)

f式中：f1—定子电流频率，由于定子与电网相连，所以f1与电网频率相同；m—

转子机械频率，决定于发电机转子的转速，即速；

pnfm = n / 60；n—风力发电机转

—电机的极对数；f2—转子电流频率。

由上式可知，当发电机的转速n 变化时，若控制f2相应变化，可使f1 保持恒定不变，即与电网频率保持一致，实现风力发电机的变速恒频的控制。同时，为发电机能够正常并网运行，还应控制发电机的电压及相位与电网的一致。因此变速双馈发电机的控制主要由三部分组成，即电压调节单元、相位调节单元和频率控制单元。

双馈发电机由风力机拖动其旋转发电。其三相定子绕组与电网相连；转子绕组为正交的两相绕组，并经由IGBT 组成的交–直–交双向全控型变频器与电网相连，如图3.6所示。

电网K1K2M3~变流器能量双向流动

图3.6 能量流动示意图

当发电机的转速n小于定子旋转磁场的转速n1时，风力发电机处于亚同步

速运行，即nn1时，处于超同步速运行，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能量流向逆向；当n=n1时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行，变频器向转子提供直流励磁。

3.4.2 变流系统组成及功能部件

双馈型风电机组变流系统包括双馈电机、传感器（电流、电压传感器和温度、湿度传感器）、du/dt滤波器、过压检测和泄放单元、预充电回路、LCL滤波器、隔离变压器等功能部件组成，其结构图如图3.7所示。

图3.7 变流系统结构图

电网电压通过变压器和LCL滤波器接至网侧变流器，再 通过机侧变流器至双馈电机转子，控制双馈电子转子励磁，就可以调整电机定子侧电压幅值和相位。

网侧变流器直流母线机侧变流器电网Uc去发电机转子图3.8 变流器原理图

变流器原理如图3.8所示。变频器功率主回路由两个逆变器背靠背，由DC中间回路的滤波电容，直流熔断器相连而成。逆变器由半导体功率模块和缓冲吸收电路组成，输入输出端有LCL滤波器和du/dt滤波器，过电压释放回路，EMC电路等组成。变频器功率主回路负责按主控回路的指令，将电流进行双向转换和滤波，输出一定频率，幅值，相序的三相电流，满足励磁输出和逆变输出的需要。

电压型变频器的中间直流回路上有滤波电容，为适应高耐压，须用多个耐压为DC400V的电容串联而成，为增大容量还需要进行并联，其上的电阻既起均压又是关机时电容的泄放电路。

预充电电路也连接在DC电路上，在系统冷启动时进行预充电，在控制电路对系统自检通过后才开通功率主回路，进入正常工作。确保系统安全。逆变器的半导体模块由6个单元组成，每个集射级上有du/dt吸收模块，避免集射级在通断状态转换中受到du/dt的损害。

转子侧和网侧两个变流器分别由两个DSP控制单元控制，其中转子侧的主控制单元，网侧的为辅控单元。其系统控制由转子侧控制单元发出。转子侧还连

有过电压控制和泄放单元，在转子工作异常而发出过电压时进行控制。在网侧接了LCL（正弦波）滤波器，以减小逆变器输出的谐波。在转子侧接了du/dt滤波器保护转子绕组的绝缘免受变流器du/dt的损害。

在变流系统中，网侧和机侧电压、电流、相位等电信号的检测十分重要，直接关系到变流器的控制策略和控制参数的设置。

(1)电压检测：电压检测主要包括发电机定子侧、转子侧和网侧（690V）交流电压及器直流母线电压(1000V)。其中对于交流电压检测采用电压互感器，然后经整流滤波和A/D转换送至电压采集模块。而对于直流母线电压一般采用电阻分压，然后用线性光藕隔离，再经A/D转换送至电压采集模块。

变流器原理如图3.8所示。变频器功率主回路由两个逆变器背靠背，由DC中间回路的滤波电容，直流熔断器相连而成。逆变器由半导体功率模块和缓冲吸收电路组成，输入输出端有LCL滤波器和du/dt滤波器，过电压释放回路，EMC电路等组成。变频器功率主回路负责按主控回路的指令，将电流进行双向转换和滤波，输出一定频率，幅值，相序的三相电流，满足励磁输出和逆变输出的需要。

电压型变频器的中间直流回路上有滤波电容，为适应高耐压，须用多个耐压为DC400V的电容串联而成，为增大容量还需要进行并联，其上的电阻既起均压又是关机时电容的泄放电路。

预充电电路也连接在DC电路上，在系统冷启动时进行预充电，在控制电路对系统自检通过后才开通功率主回路，进入正常工作。确保系统安全。逆变器的半导体模块由6个单元组成，每个集射级上有du/dt吸收模块，避免集射级在

通断状态转换中受到du/dt的损害。

转子侧和网侧两个变流器分别由两个DSP控制单元控制，其中转子侧的主控制单元，网侧的为辅控单元。其系统控制由转子侧控制单元发出。转子侧还连有过电压控制和泄放单元，在转子工作异常而发出过电压时进行控制。在网侧接了LCL（正弦波）滤波器，以减小逆变器输出的谐波。在转子侧接了du/dt滤波器保护转子绕组的绝缘免受变流器du/dt的损害。

3.4.2.2 电信号检测

在变流系统中，网侧和机侧电压、电流、相位等电信号的检测十分重要，直接关系到变流器的控制策略和控制参数的设置。

(1)电压检测：电压检测主要包括发电机定子侧、转子侧和网侧（690V）交流电压及器直流母线电压(1000V)。其中对于交流电压检测采用电压互感器，然后经整流滤波和A/D转换送至电压采集模块。而对于直流母线电压一般采用电阻分压，然后用线性光藕隔离，再经A/D转换送至电压采集模块。

ACA/D交流电压测量电路

图3.9 电压检测

（2）电流检测：电流检测主要包括发电机定子侧、转子侧和网侧，可以采用电流互感器进行测量，然后经整流滤波和A/D转换送至电流采集模块，如图3.10所示。

ACA/D 图3.10 电流检测

由于变频器电流一般为脉动的，对其电流的检测一般用灵敏度高，抗干扰性强的霍尔电流传感器。霍尔电流传感器是应用半导体霍尔器件来检测电流，响应快。通过平衡式电路，达到很高的测量精度和稳定度。霍尔电流传感器体积小，隔离好。检测频率宽，能检测0-100kHz围的电流，即直流，脉冲，交流电流都能测。

3.4.3 变流系统并网控制过程

上电初始化上电初始化完成变频器启动使能初始化完成变频器准备变频器准备启动(DP通信正常）并且电机侧变流模块正常变频器待机启动控制命令(DP通信）预充电接触器吸合故障进入停机模式No预充电是否完成正常风速变频器准备运行(DP通信）机侧断路器吸合、机侧单元调制Yes启动变桨控制系统变频单元调制启动控制命令(DP通信）空转发电检测定子三相电压幅值、相位是否符合No最大风能捕获控制小于与额定风速风速比较Yes网侧断路器吸合并网发电恒功率控制大于

图3.11 变流系统并网控制过程

变流系统从启动到并网的控制过程如图3.11所示。由主机通过通信接口发布控制命令，变频器开始启动并初始化。检测一切信号正常后，主机发出启动控

制命令，预充电接触器吸合，先对电容进行充电控制，防止电容在启动瞬间电流过大。然后闭合机侧断路器，准备对电机转子侧进行励磁控制。此时检测变频器预充电是否正常，风速是否高于启动风速，若条件符合，则启动变桨系统，调节风轮桨矩角和发电机转速在合适的水平，控制转子励磁电流，定子上会产生可控的三相感应电压。通过变频器控制算法，调整励磁电流使定子侧感应电压相位和幅值与电网电压一致，当所有参数一致时，符合并网条件，即可闭合网侧断路器，控制并网发电。发电机并网发电后，要根据不同的风速和扭矩，控制发电机运行在不同的模式。低于额定风速时进行最大风能捕获，高于额定风速时进行恒功率控制。对于兆瓦级风电机组，由于容量较大，在并网瞬间会对电网造成很大的冲击，产生较大的并网电流，因此在并网一般采用软并网的控制方式。软并网的工作原理是在发电机主回路中并联晶闸管装置，控制器在规定的并网时间，向晶闸管发出触发脉冲，控制晶闸管的导通角不断增加，即控制电机的定子电压逐步提高以达到电机软并网的目的。电压随时间的增长变化和晶闸管连接方式如图3.12所示。

图3.12 电压变化与晶闸管连接方式

4 双馈风力发电的并网方式选择

对于风力发电机电控系统来说，由于风机运行环境十分恶劣，尤其对变流系统、电机控制系统的电力电子设备，电子电路与通讯接口及通信线路，系统与系统之间，系统部各元器件之间都存在各种各样的干扰问题。这些干扰如果不采取有效地措施进行抗干扰设计，将会对系统的稳定性和可靠性造成严重的影响，甚至出现重大的安全事故。因此对系统的可靠性和电磁兼容性的设计尤为重要。

4.1 风电机组控制系统抗干扰研究

针对电磁骚扰的不同类型和传播途径，需要采取不同的抗干扰措施，抑制或消除干扰。对风电机组电控系统来说，易受干扰对象分别为电源系统、控制系统和变流系统部分。下面根据不同的受干扰对象和干扰类型进行具体抗干扰设计和研究。

4.1.1 风电机组电源系统抗干扰技术及保护

在风电机组中，电源系统的可靠、稳定无疑是最为重要的一环，它直接关系到整个系统的是否能够稳定运行乃至系统设备和操作人员的安全问题。经统计，在风力机组现场损坏的模块中有一半以上是因为电源系统故障引起的，因而，对电源系统可靠性设计和保护环节十分重要。

风力发电机组的配电系统如图4.6所示。在供电系统中需要使控制系统电源和大功率的动力负载电源分开，由电网提供690V/50HZ三相交流电源，经由配电室分为四路输出：690V三相动力电、400V三相动力电、230V PLC

电源供电、230V UPS电源供电，然后再由各路电源进行电源管理、分配。由于风电机组动力负载包括偏航电机、变桨距电机、风机、继电器等大功率器件的接通和断开，变流器的IGBT变流装置在工作时都会给供电电源产生很严重的干扰，这些干扰包括脉冲噪声、电压瞬时跌落或中断、谐波、高频噪声等，这些都可能对控制系统的稳定带来很大的安全隐患。因而在配电系统中需要对不同的负载供电电源进行隔离或者分开供电。

图4.6 配电系统

4.1.1 交流电源系统及保护

690V/50HZ690V/50HZ690V/50HZQ1Q2Q3Q4Q5Q6 电流互感器 电压测量F1过压过流监控400V/50HZ变压器主控制变流器机舱图4.7 交流电源保护

交流电源系统如图4.7所示，三相690V/50HZ交流电经变压器接入风力发电机配电柜。在交流电接入端需要先接一电涌保护装置，即图中F1，以吸收交流干扰尖峰脉冲或者雷电瞬间高压，把电压限定在一定围，保护后级电路。电涌保护器的工作原理是在限定电压以呈高阻状态，一旦有瞬间高压出现，其阻抗突然变低，允许高压电流通过，当瞬时高压脉冲消失后，又恢复高阻状态。这样就在出现瞬间过电压时就能起到稳定后级电路电压的作用，如果瞬间电压过高，则保险丝Q1熔断动作，此时应启动继电保护电路，迅速切除电源。

在电涌保护装置后分别设置一组电流互感器和电压互感器，接入监控系统进行过压、过流、相序保护及功率测量。由于风电机组还需要400V电压，因而需要接入690V/400V变压器，产生400V/50HZ三相交流电送至风电机组各功能单元，同时690V电源也要送至主控室、变流器、机舱等部件。在每一部分供电电路中，都需要接入保险丝，使本部分电路发生故障时迅速切除电源，并且反映到主控系统，以快速找出故障点。

在风力发电系统的直流供电电源大都采用开关电源，开关电源由于体积小、重量轻、效率高，具有传统线性电源无可比拟的优点。作为风电机组一个重要的电源部件和重要端口，开关电源为电磁干扰提供了传播途径，同时它的可靠性也影响到整个机组的可靠工作，并且开关电源也是对外电磁发射的主要来源。

据统计，风电机组现场损坏的模块有30%是由于开关电源故障引起的，再加上由于电源不稳定和干扰引起其他功能性部件故障，设备由开关电源引

起的故障在50%以上。可见，开关电源稳定性和可靠性设计对整个系统具有非常重要的意义。

在风电机组中，开关电源主要包括AC/DC和DC/DC两种。AC/DC变换是交流电转化为直流电，其功率流向可以是双向流动的，功率由电源向负载称为“整流”，功率流向由负载返回电源称为“逆变”。同时AC/DC变换还可以实现两端电源的隔离。DC/DC变换是将固定的直 流电压转变为可变的直流电压，根据不同的拓扑结构还可以设定电源输入输出端是否进行隔离。

开关电源的电磁干扰源

一次整流回路开关回路二次整流回路PWM控制电路 图4.10 开关电源原理

开关电源有很多的拓扑结构，可以构成多种多样的开关电源电路，但无论何种类型都是利用半导体器件作为开关工作的，并以导通和关断时间的比值来控制输出电压的高低。由于通常工作在20KHZ以上的开关频率下，所以电路中的du/dt、di/dt很大，产生很大的浪涌电压、浪涌电流和其他各种噪声。这些噪声通过电源线以共模或差模方式向外传导，同时还向周围空间辐射噪声。开关电源原理如图4.10所示。

开关电源产生EMI最根本的原因，就是在其工作过程中产生的高du/dt和高di/dt，它们产生的浪涌电流和尖峰脉冲形成了干扰源。工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换、输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。开关电源中电压、电流波形大多数为接近矩形的周期波，如开关管的驱动波形、MOSFET漏-源波形等。对于矩形波，周期的倒数决定了波形的基波频率；两倍脉冲边缘上升时间或下降时间的倒数决定了这些边缘引起频率分量的频率值，其典型值一般在MHZ以上的围，谐波频率将更高。这些高频信号都对开关电源基本信号，尤其是控制电路的信号造成干扰。

开关电源的电磁噪声从噪声源来说可分为两大类：一类是由于外界因素影响而使开关电源产生的干扰，如通过电网传输过来的共模和差模噪声、外部电磁辐射对开关电源控制电路的干扰等；另一类是开关电源部元器件产生的电磁噪声，如开关管和整流管的电流尖峰产生的谐波及电磁辐射干扰，这两种干扰如图4.11所示。开关电源在受到EMI的同时也对电网其他设备及负载产生EMI（如图中返回噪声、输出噪声和辐射干扰）。

辐射干扰返回噪声输出噪声AC差模干扰开关电源AC差模干扰分布电容共模干扰机壳地共模干扰分布电容大地图4.11 共模和差模噪声

(2) 开关电源EMI滤波器

在输入端加EMI滤波器是一种很有效的EMI抑制措施，尤其对开关电源EMI线号的传导和辐射干扰。任何电源线上的传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示，在一般情况下，差模干扰幅度较小，频率低，所造成的干扰小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。

EMI滤波器基本网络结构如图4.12所示，该滤波器是由集中参数元件构成的无源低通网络。其中，L1和L2是匝数相同、绕向相反且绕在同一磁环上的两只独立线圈构成，称为共模线圈。通常使用环形磁芯，漏磁小，效率高。当工频电流在这两个绕组流过时为一进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对工频电流不起任何阻碍作用，可以无损的传输。如果贡品电流中含有共模噪声电流通过共模电感，这种共模噪声电流是同方向的，流经两个绕组时，产生的磁场相叠加，使得共模电感对干扰电流呈较大的感抗，起到抑制共模干扰的作用。L1、Cy和L2、Cy分别构成L-E和N-E两对独立端口间的低通滤波器，用来抑制电源线上存在的共模EMI信号。L3和L4是独立的差模抑制电感，分别和Cx构成差模抑制回路。

L1L3CxCyCxCyL2L4E图4.12 EMI滤波器基本网络结构

对风电机组控制系统来说，其AC/DC开关电源一般采用220V/50HZ交流电源供电，需要输出多路电压，如24V、+/-15V、5V等。由于现场环境复杂，一般采用分布式供电模式，如图4.13所示。即经开关电源电源输出24V直流母线，再用DC/DC开关模块电源得到相应所需要的电源，再设置一级滤波。这种方式提供了两级直流隔离，使系统电源彻底隔离。有效切断了干扰源与EMI传输路径。而且在某一路电源出现故障是，不会影响其他部分，挺高了系统的可靠性。

24V24V滤波电路24VGNDDCDCDCDCDCDCDCDC220V开关电源24VGND滤波电路滤波电路滤波电路滤波电路5V系统1+/-15V5V系统2+/-15V

图4.13 分布式供电模式

4.3.2控制系统抗干扰及保护

风电机组的主控系统以嵌入式PLC控制器为核心。PLC控制器主要实现风力发电机组的过程控制、安全保护、故障检测、参数设定、数据记录、数据显示以及人工操作，配备有多种通讯接口，能够实现就地通讯和远程通讯。采用PROFIBUS-DP现场总线组网，安全可靠。其中主控系统是机组可靠运行的核心，主要完成数据采集及输入、输出信号处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱柜及变桨控制系统通讯，接收机舱柜及变

桨控制系统的信号；与中央监控系统通讯、传递信息。

图4.14 PLC结构图

可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种工业自动控制装置，其组成如图所示。作为新一代工业控制计算机，具有体积小、功能强、通用性好和实用性强等优点，特别是其高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，因而风力发电机组一般选用PLC作为主控系统。由于风电机组现场环境十分恶劣，为了保证PLC正常安全的运行，需要对PLC控制系统进行良好的抗干扰设计。

由电磁干扰理论可知，干扰类型主要分为传导干扰和辐射干扰，对于辐射干扰可以通过屏蔽的措施进行消除。因而对控制系统来说，传导干扰是主要的处理对象。要消除传导干扰对系统的影响，就要切断其传播途径，在控制系统和外部信号之间进行较好的隔离设计，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。

图4.15 数字量输入模块

数字输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，如二线式光电开关和接近开关等。数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC部的信号电平。输入电路中一般设有RC滤波电路，以防止由于输入触点的抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输入电流一般为数毫安（如图4.15所示）。

数字量输出模块用于驱动电磁阀、接触器、小功率电动机、灯和电动机启动器等负载。数字量输出模块将CPU部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平，同时有隔离和功率放大的作用。输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、驱动交流负载的双向晶闸管或固态继电器，（如图4.16所示）。

图4.16 数字量输出模块

模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU部处理用的数字信号，

其主要组成是A/D转换器。模拟量输出模块用于将CPU送给它的数字信号转换成为比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是D/A转换器，（如图4.17所示）。

图4.17 模拟量输入输出模块

（1）控制系统输入信号的抗干扰设计

PLC输入电路主要是接收开关量、模拟量等输入信号的端口，其元器件质量的优劣、接线方式及是否牢靠是影响控制系统可靠性的重要因素。以开关量为例，按钮、行程开关的触电要保持良好的状态，接线要牢固可靠。机械限位开关是容易产生故障的元件，设计中，应尽量选用可靠性高的元器件，对于模拟输入信号来说，通常有4-20mA、0-20 mA直流电流信号，0-5V、0-10V直流电压信号，电源为直流24V。同时，输入点要通过光耦、隔离变压器、线性隔离放大器进行隔离。

在接入PLC模块之前，在信号线与地线间并联电容，以减少共模干扰；在信号线两极间加装滤波器可较少差模干扰。当输入信号源为感性原件，为了防止反冲感应电动势或浪涌电流损坏输入模块，对于交流输入信号在负载两端并联电阻R和电容C，对于直流输入信号并联续流二极管，如图4.18

所示。

SLACCR控制器DCSLVD控制器(a)交流输入信号的抗干扰设计(b)直流输入信号的抗干扰设计

图4.18 输入信号抗干扰设计

其中，R、C参数一般选为120+0.1F（当负荷容量小于10VA时）或47+0.47F（当负荷容量大于10VA时）。二极管的额定电流应选为1A，额定电压要大于电源电压的3倍。

交流量回路主要是交流模块的输入回路，该回路输入部分一般是1A或5A的交流电流信号，以及24V或230V的交流电压信号，这些信号相对于PLC控制系统来说一般都是强电信号。该回路的输出部分一般是直接送给A/D的标准电压信号（0-5V、0-10V、-10-10V），由A/D进行数模转换后送给CPU进行处理，所以其输出信号是与后面的微处理器系统有直接联系的弱电信号。这些强电信号与弱电信号之间的关系处理不好，将对PLC控制系统的EMC带来很大的影响。由于EMI是直接由现场的引线进入PLC部的，所以信号回路要尽量短，并且不能互相交叉，以减少它们彼此间的相互干扰。在电路设计上，信号前端应该增加滤波器电路，以减少共模干扰带来的影响。对于正常工作中不使用的交通道，不要让它悬空，在其入口和出口（A/D前）处采取短接或接地。

开关量输入回路主要是采集现场信号的二进制信息，与现场的仪表和开关信号相连。开关量输入回路的前级信号变换部分应充分考虑采用滤波，开关量输入CPU之前进行隔离处理，可以采用光电隔离，而且两级光电隔离效果比较好。

（2）PLC控制系统输出信号的抗干扰设计对于开关量输出来说，PLC的输出主要有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式，具体选择哪种形式的输出应根据负载要求而定。如晶闸管输出只能用于交流负载，晶体管输出只能用于直流负载。PLC的输出端子带负载能力是有限的，如果超出了最大限值，必须外加继电器或接触器。外接继电器、接触器、电磁阀等执行元件的质量，也是影响系统可靠性的重要因素。开关量输出回路也应该在前端采取隔离措施，可采用光藕或继电器进行隔离，且采用两级隔离效果更好，在CPU板出口处和开光量输出板出口处各设一级隔离。开关量输出回路一般用于控制现场设备，要时性强，一般不能加滤波电路。

对于模拟量输出，如果输出接口距离PLC较远，应采用4～20mA的电流传输方式，而不能采用易受干扰的电压传输方式。传输模拟量信号的屏蔽线，其屏蔽层一端接地。

MCCCRRMCCCRRRB电弧干扰对策CRA电弧干扰对策

图4.19 大容量负载电路

PLC输出缎子若接有感性负载，输出信号由OFF到ON时或从ON变为OFF时都会有些电量的突变而可能产生干扰，造成负载两端瞬间的高压。因此在设计时应采取相应的保护措施，以保护PLC的输出触点，保护电路如图所示。对于直流负载，通常在线圈两端并联续流二极管，二极管应尽可能靠近负载，其额定电流为1A。对于交流负载，应在线圈两端并联RC吸收电路，根据负载容量，电容可取0.1-0.47F,电阻可取47-120。

对于大容量负载电路，由于继电器或接触器在通断时会产生电弧干扰，因此必须在主触点两端连接RC浪涌吸收器，如图4.19中A，若为电动机或变压器开关干扰时，可在线间采用RC电涌吸收器，如图中B。

4.3.4 变流系统抗干扰技术

在双馈型风力发电机组控制系统中，变流系统无疑是最为核心和关键部件，只有它的安全可靠运行才能保证发电机并网发电的稳定性。变频器是变流系统的核心部件，由于变频器采用大功率电力电子器件的整流逆变技术，不可避免的给电网和系统带来高次谐波的污染和干扰。

变频器的外部干扰首先来自外部电网的干扰，电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器。电网中存在大量谐波源，使电网电压、电流产生畸变，干扰变频器。当变频器周围有其他大功率设备时，也会对其产生传导干扰和辐射干扰。

变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波会对电网和

其他电子、电气设备产生干扰。另外，变频器的逆变大多采用PWM技术，当其工作于开关模式并作高速切换时，产生大量耦合性噪声。因此，变频器对系统的其他电子、电气设备来说是一个EMI源。变频器的输入/输出电流中，除了含有能够成电源无功损耗的较低次谐波外，还有许多频率很高的谐波成分。这些高次谐波以各种方式把自己的能量传播出去，形成对变频器本身和其他设备的干扰信号。变频器作为噪声源示意图如图4.22所示。

电磁波辐射变频器进线整流器DC逆变器电机高次谐波脉冲噪声

图4.22 变频器噪声源示意图

变频器整流电路产生的谐波对电网将产生传导干扰，引起电网的电压畸变，影响电网的供电质量。变频器在输出能量的同时在输出线上产生较强的电磁辐射干扰，影响周边电路正常工作。变频器输出部分一般采用IGBT快速开关器件，通过寄生电容对地输送脉冲型噪声电流。

风电机组变频器主电路采用交-直-交形式，外部输入690V/50HZ的交流电源，经全控型器件IGBT整流成直流电压信号，再经滤波电容滤波及IGBT逆变为交流信号，传送到电网上。在整流回路中，输入电流波形为不规则的矩形波，波形俺傅立叶技术分解为基波和各次谐波，其中高次谐波将干扰输入供电系统，谐波次数通常为6n1次高次谐波。

在逆变回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于采用IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHZ。同样，输出回路电流信号波形及频谱如图4.23所示，它可分解为只含正弦波的基波和其他谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外，该次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰临近电气设备。

图4.23 输出回路电流信号波形及频谱

为了抑制变频器与控制系统之间的各种干扰，要根据各种电磁干扰的特性进行分别设计，最大限度的降低系统中干扰的传播。风电机组变流器抗干扰措施如图4.24所示。

图4.24 风电机组变流器抗干扰措施

在变频器的输入电流中频率较低的谐波分量(5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波等)所占的比重很高。它们除了可能干扰其它设备的正常运行之外,还因为它们消耗了大量的无功功率,使线路的功率因数大大下降。在输入电路串入电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法。根据接线位置的不同,主要有交流电抗器和直流电抗器两种。交流电抗器串联在电源与变频器的输入侧及变频器与电机电源的输入侧，其主要功能是：通过抑制谐波电流,将功率因数提高至(0.75～0.85)；削弱输入电路中的浪涌电流对变频器的冲击及削弱电源电压不平衡的影响。直流电抗器串联在整流桥和滤波电容器之间。它的功能就是削弱输入电流中的高次谐波成分，但在提高功率因数方面比交流电抗器有效。

在系统线路中还要设置滤波器，其作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源。为减少电磁噪声和损耗,在变频器输出侧可设置输出滤波器;为减少对电源干扰,可在变频器输入侧设置输入滤波器，在电源线上设置电源噪声滤波器以免传导干扰。在变频器的输入和输出电路中,除了上述较低的谐波成分外,还有许多频率很高的谐波电流,它们将以各种方式把自己的能量传播出去,形成对其它设备的干扰信号。滤波器就是用于削弱频率较高的谐波分量的主要手段。根据使用位置的不同,可分为输入滤波器和输出滤波器。屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽,不让其电磁干扰泄漏。输出线最好用钢管屏蔽,特别是以外部信号控制变频器时,要求信号线尽可能短(一般为20m以) ,且信号线采用双芯屏蔽,并与主电路线(380V)

及控制线(220V)完全分离,决不能放于同一配管或线槽,周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效,屏蔽罩必须可靠接地。接地正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰,又能降低设备本身对外界的干扰。在实际应用系统中,由于系统电源零线(中线) 、地线(保护接地、系统接地)不分、控制系统屏蔽地(控制信号屏蔽地和主电路导线屏蔽地)的混乱连接,大大降低了系统的稳定性和可靠性。对于变频器,主回路端子的正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段,因此在实际应用中一定要非常重视。变频器接地导线的截面积一般应不小于2.5m2 ,长度控制在20m以。变频器的接地与其它动力设备接地点分开,不能共地。

对于通过感应方式传播的干扰信号,可以通过合理布线的方式来削弱。具体方法有：设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入、输出线；其它设备的电源线和信号线应避免和变频器的输入、输出线平行。

4.3.5 风电机组变流系统直流母线及Crowbar保护

变频器采用“交-直-交”的形式，输出端的交流电压由直流母线给出，维持直流母线电压的稳定可以增加变流控制系统的稳定性，降低控制算法的由于母线电压变化引起的误差。同时还要防止直流母线电压由于外界电压突变或逆变侧故障而引起瞬间过压，从而损坏变频器设备。变流系统直流母线原理如图4.25所示。

C1R1R2T1C2T2

图4.25 变流系统直流母线原理图

由于直流母线电压需要稳定在800V，一般的滤波电容采用铝电解，铝电解电容价格便宜，而且容量很容易做的很大，且体积比其他材料电容要小很多。但是铝电解电容耐压较低，最大耐压一般为400-500V。为了安全考虑，直流母线的滤波电容一般采用三个串联使用。由于电容器本身参数的差异，其等效串联电阻（ESR）一般不同，要使三个串联的电容具有相同的压降，需要各并联一个较大的电阻，这三个电阻具有相同的阻值，使得电容分压相同，同时这三个电阻在系统停机后可以起到给电容放电的作用。

由于电容器在上电的瞬间，将有一很大的瞬间电流，这一电流对变频器造成很大的冲击，甚至，烧坏整流器件，降低电容器的使用寿命。因此在变流器上电前需要对电容进行预充电，使其电压缓慢上升，以保护整流装置及电容器。

在直流母线上，还要有过压保护装置，即图中T1、R1和T2、R2。若母线电压超过设定值，T1触发导通，母线电压通过电阻R1消耗电能，使电压限制在一定围。T2和T1共同使用起到后备冗余保护的作用。

本章小结

本章结合电磁干扰相关理论，并针对干扰源和传播途径提出了相应的抗干扰措施。然后分析了机组的主要干扰源，并针对具体电控系统的电源部分、控制系统、通信部分及变流系统进行抗干扰设计。

5 双馈风力发电的继电保护和接地设计

5.1 风电机组安全保护系统设计

安全生产是风电场管理的一项基本原则。而风电场则主要是由风力发电机组组成，所以风力发电机组的运行安全是风电场最重要的。控制系统是风力发电机的核心部件，是风力发电机组安全运行的根本保证，所以为了提高风力发电机组的运行安全性，必须从控制系统的安全性和可靠性设计开始，根据风力发电机组控制系统的发电、输电、运行控制等不同环节的特点，在设备从安装到运行的全部过程中，切实把好安全质量关，不断寻找提高风力发电机组安全可靠性的途径和方法。

风力发电机组的安全生产是一项安全系统工程，而控制系统是风力发电机组的重要组成部分，它的安全系统构成整个安全系统的一部分，需要以系统论，信息论，控制论为基础，研究人、设备的生产管理，研究事故、预防事故的一门科学。从系统的观点，纵向从设计、制造、安装、试验、运行、检修进行全面分析，横向从元器件购买，工艺、规程、标准、组织和管理等全面分析最后进行全面综合评价。

对于风电机组保护系统，分为三个保护等级，如图5.1所示。

图5.1 三级保护原理

第一级为正常保护等级，当发生此类事件时风电机组执行正常停机程序；第二级为快速保护等级，当发生此类事件时系统执行快速停机程序；第三级为紧急保护等级，当发生此类事件时系统启动紧急停机程序。其中，第一级和第二级保护发生后若检测到系统恢复正常可以自动启动风电机组，但若发生第三级保护事件，系统不能自启动，必须进行手动复位安全链回路，方能重新启动系统。

5.2 风电机组安全链系统

紧急保护等级即为安全链系统保护。风电机组安全链是独立于计算机系统的软硬件保护措施，在设计中采用反逻辑设计，将可能对风力机组造成严重损害的故障节点串联成一个回路。一旦其中一个节点动作，将引起整条回

路断电，机组进入紧急停机过程，并使主控系统和变流系统处于闭锁状态。如果故障节点得不到恢复，整个机组的正常的运行操作都不能实现。同时，安全链也是整个机组的最后一道保护，它处于机组的软件保护之后。安全系统由符合国际标准的逻辑控制模块和硬件开关节点组成，它的实施使机组更加安全可靠。

设计原则与要求：(1)风电机组发生故障，或运行参数超过极限值而出现危险情况，或控制系统失效，风电机组不能保持在它的正常运行围，则应启动安全保护系统，使风电机组维持在安全状态。(2)安全保护系统的设计应以失效-安全为原则。(3)安全保护系统的动作应独立于控制系统。

5.2.1 双馈型风电机组安全链组成及功能

风力发电机组安全链系统如图5.2所示，主要包括紧急停机按钮（塔底主控制柜110S1和机舱控制柜110S2）、叶轮超速模块（110K6）、发电机超速模块（110K7）、扭缆开关（110K5）、来自变桨系统安全链的信号(110K8)、振动开关(110K4)、计算机故障（看门狗开关110K9）、到变桨系统的安全链信号（110KA）、到偏航控制器安全链信号（110KB）和总线OK信号(110K3)。这些单元的节点串联成一个回路，任意一个节点动作，都将引起整个回路断电。如出现发电机超速故障，此时超速故障节点110K7迅速由闭合变为断开，整机安全链回路失电，机组进入紧急停机状态，并引起主控系统安全连、变流系统安全连、偏航系统安全连和变桨安全链失电闭锁。

(塔底急停)110S1(振动) 110K4(发电机超速)110K7(变桨安全链) 110KA(偏航系统安全链) 110KB(变流系统安全连) 110KC(主控系统安全连) 110KD(机舱急停)110S2(扭缆)110K5（变桨安全链）110K8Profibus ok110K3（叶轮超度）110K6（看门狗动作）110K9

图5.2 安全链系统

安全链打开后风电机组不能自启动，只能通过手动复位来解锁控制系统，如图5.3所示。

（塔底复位按钮）1K1（机舱复位按钮）1K2安全链复位（软件复位）1K3

图5.3 安全链复位

变桨安全链结构如图5.4所示，变桨系统通过每个变桨柜中的K2继电器的触点来影响主控系统的安全链，而主控系统的安全链是通过每个变桨柜中的K1继电器的线圈来影响变桨系统。变桨的安全链与主控的安全链相互独立而又相互影响。当主控系统的安全链上一个节点动作断开时，安全链到

变桨的继电器110KA线圈失电，其触点断开，每个变桨柜中的K2继电器的线圈失电触点断开，变桨系统进入到紧急停机的模式，迅速向90度顺桨。当变桨系统出现故障时，变桨系统切断K1 继电器上的电源，K1 继电器的触点断开，使来安全链自变桨的继电器110K8线圈失电，其触点断开，主控系统的整个安全链也断开。同时，安全链到变桨的继电器110KA线圈失电，其触点断开，每个变桨柜中的K2继电器的线圈失电触点断开，变桨系统中没有出现故障的叶片的控制系统进入到紧急停机的模式，迅速向90度顺桨。这样的设计使安全链环环相扣，能最大限度的对机组起到保护作用。

11K112K113K1变桨系统 1变桨系统 2变桨系统 311K211K212K212K213K213K2(变桨安全链)110KA12K111K113K1(变桨安全链) 110K8图5.4 变桨安全链结构

5.2.2 风力发电机组的紧急停机过程

安全链打开单桨控制驱动以最大速度15度/s到a=91度通过切除电源实行刹车制动通过打开发电机继电器使发电机脱网达到最终位置a=91度（限位开关）NOYES限位开关a=95度切断蓄电池驱动等待手动复位 图5.5 安全链紧急停机过程

当发生安全链系统故障时，风电机组需要紧急刹车，快速切除电网并停机。此时叶轮和变速机构紧急刹车启动，桨叶快速变为顺浆状态，偏航系统刹车动作，发电机脱网解列（如图5.5所示），这一系列过程需要在1-3S迅速完成。此时系统处于闭锁状态，要想重新启动机组，需要对安全链手动复位。

5.2.3 风电机组安全链逻辑结构

在实际的接线上，安全链上的各个节点并不是真正的串联在一起的，而是通过安全链模块中“与”的关系联系在一起的（图5.6），每个输入在逻辑上都是高电平1，几个信号相与之后，其输出也必然都是高电平1，但是只要有1个输入信号变成低电平0，其输出也必然是低电平0。逻辑上的输出实际上是通过安全链的输出模块来控制的，分别控制110KA、110KB、110KC和110KD继电器。输入是由实际的开关触点和程序中的布尔变量来共同实现的。实际的开关触点的开关状态由安全链模块的输入模块进行采集。程序中的布尔变量是按程序来进行控制的。

FB4FB3叶轮超速发电机超速来自变桨安全链ok看门口开关塔底急停机舱急停震动开关扭缆开关偏航系统使能Profibus_okPlc急停要求FB2塔底复位按钮＆＆FB1安全系统ok到变桨急停1＆变频器安全系统软件复位机舱复位按钮＆复位FB1和FB3图5.6 安全链逻辑结构图

5.3风力发电机组防雷保护

5.3.3 电控系统防雷

风力发电机的交流电源通常是由供电线路由交流电网直接引入，当雷击于电网附近或直击于电网时，会在线路上产生过电压波，这种过电压波通过交流系统传入风电设备，会造成电子设备的损坏。 1.配电变压器的保护

配电变压器是风力发电机供电系统的重要设备，对配电变压器的防雷一方面

可以防止变压器本身收到雷电过电压的破坏，另一方面可以有效防止雷电过电压通过变压器传播到建筑物的电源系统。配电变压器的保护接线图如图5.8所示：

11KV外壳690VFS-3MY-4704-10Ω

图5.8 配电变压器的保护接线图

在变压器的高、低压侧均装设避雷器，高压侧一般装三个普通阀型避雷器，低压侧一般装三个氧化锌避雷器。 2.电源的保护

单相交流电源保护电路如图5.9所示，

L1LM1NM2GC2M3L2C1C3M5M4M6 图5.9 单相交流电源保护电路

它由三个压敏电阻构成，其中压敏电阻M1和M2用于抑制共模过电压，M3用于抑制差模过电压。但这种保护电路一般来说只能对暂态过电压进行一次性的抑制，对于风力发电机设备来说，由于外界环境十分恶劣，因而还

要采取多级保护电路。

多级保护电路一般分为两级，包含泄流和箝位两个基本环节。第一级作为泄流环节，主要用于旁路泄放暂态大电流，将大部分暂态能量释放掉。第二级作为箝位环节，将暂态过电压限制到被保护电子设备可以耐受的水平。

5.3.4 接地保护

良好的接地是保证雷击过程中风电机组安全的必备条件。由于风电场通常会布置在山地且围非常大，而山地的土壤电阻率一般较高，因此按照一般电气设备的接地方式设计风电机组的接地系统显然不能满足其安全要求。风电机组基础周围事先都要布置一小型的接地网，它由1个金属圆环和若干垂直接地棒组成，但这样的接地网很难满足接地电阻须小于1-2欧的要求[25]。通常的改善措施是将风电场所有的机组接地网都连接起来，以降低整个风电场的接地电阻。由于风电场机组间都布置有电力电缆和通信电缆，因此机组接地网的连接实际上可以通过这些电缆的屏蔽层来实现。另外，还可在机组接地网间敷设金属导体，当遭受雷击时可显著降低风电场的地电位升高，也可减轻雷击对电缆绝缘及变压器高低压绕组间绝缘的危害程度。

本章小结

本章首先提出了风电机组三级保护，然后对机组最为关键的硬保护—安全链部分进行了具体设计，最后对危害机组安全的防雷技术进行了研究。

结论

风能作为一种可再生绿色能源越来越受到世界各国的重视，风力发电技术由此也成为各国学者研究的热点。本文对双馈型风电机组电控系统和安全保护进行了系统性的设计和研究，首先提出了风电机组电控系统的总体要求，然后根据这些要求进行了具体设计和研究，包括各部分电控系统的设计及相关信号检测，给出了符合要求的控制系统及各检测、执行部件。随后又从电磁兼容角度对系统进行抗干扰研究及设计，给出了相应的抗干扰保护措施及方案。最后对整个风电机组安全保护系统进行研究，重点研究了风机安全链和防雷部分，并给出了相应的安全保护措施。

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