风力发电系统传感器分析

发表时间：2018-03-16T13:29:31.980Z 来源：《防护工程》2017年第31期 作者： 金 石

[导读] 随着我国科技的大力发展，可再生能源应用越来越广泛，在可再生能源中风力资源是重要的组成部分。

国电联合动力技术(连云港)有限公司 江苏连云港 222000

摘要：随着我国科技的大力发展，可再生能源应用越来越广泛，在可再生能源中风力资源是重要的组成部分，加大对风力资源的开发和应用，不但可以有效处理资源紧张问题，同时还能将原始的发电形式进行转变，这是我国当前发电企业为之奋斗的主要方向。结合当前我国风力发电应用状况来说，采用风力发电方式，不但可以缓解我国当前电力匮乏现象，同时还能优化生态环境，并且我国风力储备量比较充足，因此今后风力发电具备良好的发展前景。关键词：风力发电系统；传感器；分析

1风力发电技术发展现状

在国外，尤其是西方发达国家，风力发电技术已经较为成熟，随着替代能源事业的发展，西方发达国家在风力发电技术研发上投入了大量的资金和科研力量，并把各种新材料、新工艺、电子计算机、通信技术、电气化技术及自动控制技术行方面的新成果应用于风力发电系统，使风力发电技术得到了极大的进不。当前，一些发达国家已经在风力机设计模型、新型发电机、机组自动控制等方面，实现了长足的进步，走在了世界前列。尤其是在大规模利用风能方面，海上风力发电、内陆大规模风力场建设等，都已形成了规模，成为了传统能源发电的有效补充。

我国风力发电技术起步于上世纪50年代，发展时间短，主要是小型风力发电场，并经历了一个停滞期。关键制造工艺和制造材料还无法全部实现自主生产，而在风力发电机组制造、电力并网等关键技术，还有赖于进口。这就导致我国大型风力发电场建设的成本较高，核心技术受制于人，影响了风力发电事业的快速发展。直到90年代，才进入一个新的发展时期，进入逐步推广阶段，随即进入扩大建设规模阶段，风电场规模和电机容量不断增大。

当前，我国风力发电技术在几十年进步的基础上，风力发电机容量不断增加，装机规模逐渐扩大，风电事业的投资水平超过了以往任何一个时期，风电的作用越来越明显。尤其是我国大力发展以风能和太阳能发电为代表的新能源战略后，风力发电技术不断创新，研发成果频出，海上发展风电场的规模实现了新突破，且技术水平稳定发展，呈现出赶超部分国家水平的趋势。如“甘肃电网风电实时监测与超短期风电功率预测系统”、“甘肃电网接入大规模风电后的系统稳定及运行控制技术研究”、广东明阳的阿罗丁技术（主控系统PLC技术）等均属自主产权，达到国际先进水平，部分成果达到国际领先水平。 2传感器在风力发电中的应用 2.2传感器原理

传感器能够在不和检测对象形成直接接触的基础上对传感器附近的金属物品开展检测。这一形式属于非接触型检测，其优点在于可以防止传感器与检测对象的损害。同时，由于其属于无触点输出，使用年限较长。即使在检测环境中存在水渍或其他油渍依然可以正常开展稳定检验工作，并且保持较快的检验速度。其所使用的微型检测设备，不论是安装维护过程，亦或是使用过程都非常便捷。传感器是运用金属导体与交变电磁场存在互感的原理，金属材料会使得磁场出现减弱状态并且产生涡流，进而减弱磁场能力，使得其振动频率下降。振荡器在传感器的检测面产生了交变电磁场，如金属物品位于传感器附近，金属物品导致的涡流就会对振荡器产生吸力，进而使之慢慢变弱直到停止。振荡器所形成的一系列减弱直至停止的过程将会被转换成为电信号，然后被放大后输出。 2.2传感器应用

风电机组偏航运行主要为利用风向传感器来判断风向。在获取相关风向信息后将该信息传递到控制中心，控制中心可以通过检验计算获得当时风向的位置以及机舱所在位置的角度，进而对是否需要改变机舱方向做出决定，从而实现尽快对准风向的目的。假如检测后需要改变方向，控制中心会发出信号传递至偏航驱动系统，从而对机舱的方向进行调整。在进行偏航优化的工作中，传感器将会将信息传递给控制中心，控制中心来对所需要调整的角度进行计算。在完成角度调整后，对风工作完成，偏航电机停止作业。在运用传感器的时候，需要根据风电机组的实际情况与偏航大齿轮转速来选择最为合理的感应器设备，同时注意不同设备之间的兼容情况，检测对象的频率需要较传感器的频率低，并且所检测目标材料要处于传感器的感应范围中。当风速过高时会使得风力发电机的转速过快，使得其出现超负荷工作状态。所以，使用传感器可以对低速轴进行检测，假如检测到转速超过标准值则会自动提示，并且制动。 3风力发电系统传感器的应用

3.1无传感器检测方法在风力发电机组中的应用

分为恒速运行风力机和变速运行风力机。目前常用的型式有:笼型恒速发电机、双馈式变速恒频风力发电机

(doublyfedinductiongenerator，DFIG)、电励磁同步发电机直驱风力机和永磁同步风力发电机。据统计，当前在风力发电商业市场上占统治地位的是双馈感应发电机和多级增速齿轮箱的概念，而最常用的发电机为双馈感应电机和鼠笼感应电机。。机械部分包括叶片、主轴和主轴承，增速齿轮箱和发电机等。发电机定子与电网直接连接，用于发电，转子通过两个背靠背的交－直－交变频器连接到电网中。机组可在较大速度范围内运行，转子与电网之间实现能量双向传输。当风力机运行在超同步转速时，功率从转子流向电网;而当运行在次同步或同步转速时，功率从定子流向转子。

3.2定子磁链观察的无速度在传感器中的应用 3.2.1定子磁链观察技术

无速度传感器控制技术表示的是利用对电机中和转子位子、速度关联性信号，像是定子端电压、相电流等等，之后以观察状态或者电机数学模型的方式推测计算出电机转子的具体位置和运行速度，从而代替传感器的位置。现如今的风力发电工况状态下的风机切入速度是中高速速度，一般是在反电动势与磁链位置速度的估算中技术中被广泛使用，简单的说此项技术就是构建一个定子磁链观察器，以获取转子的位置角数据。

3.2.2基于饱和反馈改良型定子磁链观察方式仿真

对比饱和反馈积分器和一阶惯性滤波器估算的链形波形，以下构建了一个仿真模型。在这之中，饱和反馈积分器饱和限幅值设定成理想的磁链幅值，Ψs*=Um/ωe=20/20=1、截止频率ws的值分别选择10rad/s、20rad/s。对比以上两幅图可知，带饱和反馈过程中的积分器和一阶低通滤波器对比，L好比是理想磁链幅值，并且在频率的截止Wc数额越高，带饱和反馈过程中的积分器积分所获得的磁链幅值与相角误差就越小，可是相反的Wc越低的时候，带饱和反馈过程中的积分器直流偏就很弱小。 3.2.3网侧变换器的控制

执行电网的侧逆变器过程中，把两相旋转坐标系当中的d轴和电网电压矢量放在同一坐标轴上，设θ是电压矢量位置角。那么逆变器在网侧电压矢量定向坐标系之下的数学模型可以表示成：

在上式中，L与R分别代表的是逆变器和网侧之间的电感与电阻指标，而ud和uq表示的分别是逆变器的调制性电压控制量，这两项因素还同步受到交叉耦合项以及电压电网之间的影响，因此需要有一种技术将d、q之间的电流耦合控制技术关系解除。电压控制环对直流电压进行稳定控制，能够让逆变器稳定的朝着电网传递有功功率，同时能够让无功电流环进行逆变器输出无功功率的控制，以满足电网对无功功率的执行要求。 结语

综上所述，将传感器运用到风力发电中可以保证风力发电机组运行的安全性与稳定性。不论是接近传感器，还是风速风力传感器都能改风力发电过程中起到重要的作用。传感器将风力发电机组中的各种异常状态转化成不同形式传递给风力发电机组管理人员，让人们可以根据不同的状态来采取不同的应对措施，给风力发电机组的正常稳定运行提供安全保障。参考文献:

[1]沈艳霞,李帆.风力发电系统故障诊断方法综述[J].控制工程,2013,20(5):789–795.

[2](杨雄飞,沈艳霞.风能转换系统的执行器故障检测研究[J].控制工程,2016,23(4):506–511.