第六节 风力发电机组的防雷、计算机控制、塔架基础和并网
1.风力发电机组的防雷
风力发电机组安装在风力很大的草原、荒山、浅海、海岛上，雷击往往是对风力发电机组的破坏原因之一。雷电的巨大的能量通过风力发电机的叶片，不仅会破坏叶片，还会通过叶片传到轮毂内的变桨距机构上，或通过轮毂、风轮轴传到增速器、发电机上，会将轴承烧成麻坑，甚至会烧毁发电机。
为了保证风力发电机组不被雷击损坏，应对风力发电机进行防雷击保护。IEC 61400-24：2002（Wind turbine generator systems part24：lightning protection）《风力发电机组 第24部分 雷电保护》中对风力发电机组防雷击有具体的规定。叶片制造时内部预埋导电金属网，金属网在叶尖连接接闪器，叶根金属网接轮毂经碳刷接塔架，塔架焊接地线，接地电阻小于4Ω。叶片预埋金属网截面积之和不小于10mm2。同时联轴器与发电机连接处和发电机与机座都应绝缘连接。风力发电机遭雷击见图4-24；风力发电机组机舱防雷保护见图4-25。
图4-24 风力发电机遭雷击
图4-25 风力发电机组机舱防雷保护
1—风轮轴 2—增速器 3—发电机 4、6—发电机底座绝缘 5—机舱底座 7、9—增速器底座绝缘 8—与塔架连接的碳刷 10—与风轮轴连接的碳刷 11—塔架
为了减少雷电袭击，风电场在选址时应避开落雷区。
在风电场内，树立一些比风电机组叶片更高的避雷装置也是可行的。
2.风力发电机组的计算机控制
中、大型风力发电机组已经达到计算机自控、无人值守的程度。尤其进入21世纪，又实现了远距离数字控制，而且又采用了PLC控制，使风力发电机组自动控制更进一步简化和完善。
计算机自动控制实现了中、大型风力发电机组的自动起动，自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、电缆自动解绕、补偿电容自动切入和切出、风电机组故障和电网故障的自我诊断、自动保护等。故障不能自我处理时会自动停机，并在计算机终端给出故障原因，请求处理。
风力发电机组在运行时，各种传感器采集风力发电机组运行中的各种参数：输出电压、输出电流、输出频率、电网电压、电网频率、风向、风速、液压系统压力、油温、发电机温度、增速器内油温。冷却系统温度、电缆缠绕打结、塔架振动，变桨距角度等等，将这些参数输送给计算机、计算机根据这些信息按已编制好的程序执行各种相应的指令，让各执行机构去执行，实施风力发电机组的自动控制和远距离控制。中、大型风力发电机组计算机控制原理如图4-26所示。
3.风力发电机组的并网
传统式风力发电机组基本采用感应异步发电机，它的并网方式有5种。
（1）直接并网
感应异步发电机利用电网无功功率励磁，当直接并网时会产生发电机额定电流4～7倍甚至达到10倍的冲击电流。当异步发电机功率小于100kW时，可以直接并网，因为异步发电机功率小，冲击电流对电网的冲击不会引起电网的较大波动。
图4-26 风力发电机组计算机控制原理图
1—风速仪 2—风向传感器 3—电压表 4—电流表 5—频率仪 6—机内其他传感器 7—电网电压表 8—电网电流表 9—电网频率仪 10—电网其他传感器11—计算机 12—A-D转换 13—通信 14—驱动 15—驱动放大 16—键盘 17—打印 18—片外E2PROM 19—显示驱动 20—显示 21—变桨距电动机 22—液压油缸 23—调向减速机 24—机内其他执行机构 25—电网执行机构
（2）降压并网
异步感应发电机的功率在100～200kW的可以采用降压方式并网。
所谓异步发电机降压并网就是在异步发电机与电网之间串联功率很大的电阻、电抗器或自耦变压器，以达到异步发电机并网合闸的瞬间产生的冲击电流降低的同时不降低电网电压的目的。在异步发电机并网之后，达到稳定运行状态时，应将其迅速切除。这种降压并网不适用于功率不超过200kW的异步发电机并网，因为不论是电阻、电抗器还是自耦变压器都要消耗很大的电能，经济性差。
（3）晶闸管的软并网
异步发电机功率超过200kW时，往往采用双向晶闸管来实现其软并网。
异步发电机三相绕组输出端都串接一只双向晶闸管，双向晶闸管由触发控制器来控制其导通角，而触发控制器则由风力发电机组的计算机来控制。当异步发电机的转速接近同步转速且频率与电网相同时，计算机发出指令，双向晶闸管触发导通且导通角由0°～180°逐渐增大，异步发电机通过双向晶闸管安全平稳地并入电网。随着异步发电机转速不断提高，异步发电机达到同步转速，计算机发出指令，异步发电机直接合闸并网，晶闸管被切出，软并网完成。
（4）现代大功率双馈式异步发电机的软并网
现代大功率异步发电机基本上采用绕线转子交流励磁异步发电机，其并网基本上都采用大规模的IGBT模块及双PWM控制，实现整流和逆变。整流器和逆变器完全一样，是典型的交-直-交电压型变流器，可以达到能量的双向流动。图4-27和图4-28是绕线转子双馈式异步发电机IGBT交-直-交变流器软并网的电路原理图。图4-27为电网交流直接励磁，定子绕组输出经IGBT变流逆变成恒频交流电并网；图4-28为IGBT变频励磁，输出直接并网。
图4-27 绕线转子异步发电机交流励磁及并网电路原理图
1—电网 2—变压器 3—变压器 4—IGBT变流器 5—蓄电电容 6—控制器
图4-28 绕线转子交流励磁双馈式异步发电机交流励磁及并网电路原理图
1—电网 2—三相变压器 3—绕线转子双馈式交流励磁异步发电机 4—IGBT交-直-交逆变器 5—蓄电电容 6—IGBT控制器
（5）直驱风力发电机组的软并网
直驱式风力发电机组采用多极永磁发电机，永磁发电机是同步发电机。早期的同步发电机要有复杂的速度调节器来自动维持同步发电机转速的恒定，以达到恒频恒压并网的目的。
随着科技的发展和进步，直驱式风力发电机组的同步永磁发电机的并网已采用了大规模低压IGBT模块和先进的PWM多重化叠加技术，实现了PWM整流和逆变。整流和逆变的结构完全相同，功能自动转换，并通过直流母线背靠背地组合在一起，由双PWM协调控制实现了多极永磁发电机的变频交流电的恒频恒压变流并网。这种变流器可以实现能量的双向流动，实际上是一种功率变换器。永磁同步发电机IGBT软并网电路原理图如图4-29所示。
利用变流器实现了永磁同步发电机安全可靠地软并网，使永磁同步发电机在风力发电机中被广泛地采用。
图4-29 直驱式永磁同步发电机IGBT软并网电路原理图
1—多极永磁同步发电机 2—IGBT变流器 3—电容器 4—IGBT控制器 5—电感器 6—三相变压器 7—风力发电机组计算机控制 8—电网参数反馈 9—永磁发电机运行参数反馈
4.风力发电机组的塔架基础
风力发电机组的塔架基础承担着整个风力发电机组的重量，同时受风的推力形成的弯矩和风轮旋转时所形成的反转矩都通过塔架作用在塔架基础上。若塔架基础出现问题，会使塔架发生倒塌致使风力发电机组损坏，造成很大的损失，塔架基础是风力发电机组重要的组成部分。
（1）微、小型风力发电机组的塔架基础
50～1000W的微、小型风力发电机组通常不用固定基础，用一块钢板焊一个内部呈半球形孔的座，塔架根部焊一个球形座，将其装入钢板上焊接的半球形孔中形成活动铰，便于调整塔架使之垂直，而塔架用拉线固定。
小型风力发电机组功率超过5kW的应设固定基础。
（2）水平轴并网风力发电机组的塔架基础
水平轴并网风力发电机组的塔架基础对风力发电机组安全、可靠地运行十分重要，它是风力发电机组最重要的部分。关于塔架基础设计参看第十二章第六节的内容。