一 風電控制系統簡述

風力發電機控制系統風力發電機由多個部分組成，而控制系統貫穿到每個部分，相當于風電系統的神經。因此控制系統的好壞直接關系到風力發電機的工作狀態、發電量的多少以及設備的安全。目前風力發電亟待研究解決的的兩個問題：發電效率和發電質量都和風電控制系統密切相關。對此國內外學者進行了大量的研究，取得了一定進展，隨著現代控制技術和電力電子技術的發展，為風電控制系統的研究提供了技術基礎。控制系統的組成風力發電控制系統的基本目標分為三個層次：這就是保證風力發電機組安全可靠運行，獲取最大能量，提供良好的電力質量。控制系統組成主要包括各種傳感器、變距系統、運行主控制器、功率輸出單元、無功補償單元、并網控制單元、安全保護單元、通訊接口電路、監控單元。

能源與環境是當今人類生存和發展所要解決的緊迫問題。常規能源以煤、石油、天然氣為主的化石能源，它們不僅資源十分有限，而且會對大氣污染造成嚴重的污染，引起溫室效應，酸雨等災害。從全球能源消耗來看，能源消耗提供自常規能源化石燃料，能源消耗提供自核電，其余的提供自可再生能源（主要是水電和風力發電）。在我們進入21世紀的今天，世界能源結構也正在孕育著重大的轉變，即由礦物能源系統向以可再生能源為基礎的可持續能源系統轉變。所謂可再生能源就是取之不盡、用之不竭、與人類共存的能源。它包括太陽能、風能、生物質能、地熱能、海洋能等。在這眾多的可再生能源中，目前發展最快、商業化最廣泛、經濟上最適用的，當數風力發電。

風力發電機組控制單元（WPCU）是每臺風機的控制核心，分散布置在機組的塔筒和機艙內。由于風電機組現場運行環境惡劣，對控制系統的可靠性要求非常高，而風電控制系統是專門針對大型風電場的運行需求而設計，應具有極高的環境適應性和抗電磁干擾等能力，其系統結構如下：

風電控制系統的現場控制站包括：塔座主控制器機柜、機艙控制站機柜、變槳距系統、變流器系統、現場觸摸屏站、以太網交換機、現場總線通訊網絡、UPS電源、緊急停機后備系統等。 風電控制系統的網絡結構如圖1所示：

1、塔座控制站

塔座控制站即主控制器機柜是風電機組設備控制的核心，主要包括控制器、I/O模件等。 控制器硬件采用32位處理器，系統軟件采用強實時性的操作系統，運行機組的各類復雜主控邏輯通過現場總線與機艙控制器機柜、變槳距系統、變流器系統進行實時通訊，以使機組運行在最佳狀態。

控制器的組態采用功能豐富、界面友好的組態軟件，采用符合IEC61131-3標準的組態方式，包括：功能圖（FBD）、指令表（LD）、順序功能塊（SFC）、梯形圖、結構化文本等組態方式。

2、機艙控制站

機艙控制站采集機組傳感器測量的溫度、壓力、轉速以及環境參數等信號，通過現場總線和機組主控制站通訊，主控制器通過機艙控制機架以實現機組的偏航、解纜等功能，此外還對機艙內各類輔助電機、油泵、風扇進行控制以使機組工作在最佳狀態。

3、變槳距系統

大型MW級以上風電機組通常采用液壓變槳系統或電動變槳系統。變槳系統由前端控制器對3個風機葉片的槳距驅動裝置進行控制，其是主控制器的執行單元，采用 CANOPEN與主控制器進行通訊，以調節3個葉片的槳距工作在最佳狀態。變槳系統有后備電源系統和安全鏈保護，保證在危急工況下緊急停機。

4、變流器系統

大型風力發電機組目前普遍采用大功率的變流器以實現發電能源的變換，變流器系統通過現場總線與主控制器進行通訊，實現機組的轉速、有功功率和無功功率的調節。

5、現場觸摸屏站

現場觸摸屏站是機組監控的就地操作站，實現風力機組的就地參數設置、設備調試、維護等功能，是機組控制系統的現場上位機操作員站。

6、以太網交換機（HUB）

系統采用工業級以太網交換機，以實現單臺機組的控制器、現場觸摸屏和遠端控制中心網絡的連接。現場機柜內采用普通雙絞線連接，和遠程控制室上位機采用光纜連接。

7、現場通訊網絡

主控制器具有CANOPEN、PROFIBUS、MODBUS、以太網等多種類型的現場總線接口，可根據項目的實際需求進行配置。

8、UPS電源

UPS電源用于保證系統在外部電源斷電的情況下，機組控制系統、危急保護系統以及相關執行單元的供電。

9、 后備危急安全鏈系統

后備危急安全鏈系統獨立于計算機系統的硬件保護措施，即使控制系統發生異常，也不會影響安全鏈的正常動作。

所有風電機組通過光纖以太網連接至主控室的上位機操作員站，實現整個風場的遠程監控，上位機監控軟件應具有如下功能：

① 系統具有友好的控制界面。在編制監控軟件時，充分考慮到風電場運行管理的要求，使用漢語菜單，使操作簡單，盡可能為風電場的管理提供方便。

② 系統顯示各臺機組的運行數據。

③ 系統顯示各風電機組的運行狀態，如開機、停車、調向、手/自動控制以及大/小發電機工作等情況，通過各風電機組的狀態了解整個風電場的運行情況。

④ 系統能夠及時顯示各機組運行過程中發生的故障。

⑤ 系統能夠對風電機組實現集中控制。

⑥ 監控軟件具有運行數據的定時打印和人工即時打印以及故障自動記錄的功能，以便隨時查看風電場運行狀況的歷史記錄情況。

二 風電控制系統基本功能

（1）數據采集（DAS）功能：包括采集電網、氣象、機組參數，實現控制、報警、記錄、曲線功能等；

（2）機組控制功能：包括自動啟動機組、并網控制、轉速控制、功率控制、無功補償控制、安全停機控制等；

（3）遠程監控系統功能：包括機組參數、相關設備狀態的監控，歷史和實時曲線功能，機組運行狀況的累計監測等。

1、數據采集（DAS）功能

機組運行過程中進行監測的相關參數包括：

（1）電網參數，包括電網三相電壓、三相電流、電網頻率、功率因數等。電壓故障檢測：電網電壓閃變、過電壓、低電壓、電壓跌落、相序故障、三相不對稱等。

（2）氣象參數，包括風速、風向、環境溫度等。

2、機組啟停、發電控制

（1）主控系統檢測電網參數、氣象參數、機組運行參數，當條件滿足時，啟動偏航系統執行自動解纜、對風控制，釋放機組的剎車盤，調節槳距角度，風車開始自由轉動，進入待機狀態。

（2）當外部氣象系統監測的風速大于某一定值時，主控系統啟動變流器系統開始進行轉子勵磁，待發電機定子輸出電能與電網同頻、同相、同幅時，合閘出口斷路器實現并網發電。

（3）風力機組功率、轉速調節

根據風力機特性，當機組處于最佳葉尖速比λ運行時，風機機組將捕獲得最大的能量，雖理論上機組轉速可在任意轉速下運行，但受實際機組轉速限制、系統功率限制，不得不將該階段分為以下幾個運行區域：即變速運行區域、恒速運行區域和恒功率運行區。額定功率內的運行狀態包括：變速運行區（最佳的λ）和恒速運行區。

當風機并網后，轉速小于極限轉速、功率低于額定功率時，根據當前實際風速，調節風輪的轉速，使機組工作在捕獲最大風能的狀態。

當風速繼續增加，使轉速、功率都達到上限后，進入恒功率運行區運行，此狀態下主控通過變流器，維持機組的功率恒定，主控制器一方面通過槳距系統的調節減少風力攻角，減少葉片對風能的捕獲；另一方面通過變流器降低發電機轉速節，使風力機組偏離最佳λ曲線運行，維持發電機的輸出功率穩定。

3、風電控制系統輔助設備邏輯

（1）發電機系統

監控發電機運行參數，通過3臺冷卻風扇和4臺電加熱器，控制發電機線圈溫度、軸承溫度、滑環室溫度在適當的范圍內，相關邏輯如下：

當發電機溫度升高至某設定值后，起動冷卻風扇，當溫度降低到某設定值時，停止風扇運行；當發電機溫度過高或過低并超限后，發出報警信號，并執行安全停機程序。

（2）液壓系統

機組的液壓系統用于偏航系統剎車、機械剎車盤驅動。機組正常時，需維持額定壓力區間運行。

（3）氣象系統

氣象系統為智能氣象測量儀器，通過RS485口和控制器進行通訊，將機艙外的氣象參數采集至控制系統。根據環境溫度控制氣象測量系統的加熱器以防止結冰。

（4）電動變槳距系統

變槳距系統包括每個葉片上的電機、驅動器、以及主控制PLC等部件，該PLC通過CAN總線和機組的主控系統通訊，是風電控制系統中槳距調節控制單元，變槳距系統有后備DO順槳控制接口。 槳距系統和主控制器的通訊內容包括：

槳葉A位置反饋

槳葉B位置反饋

槳葉C位置反饋

槳葉節距給定指令

槳距系統綜合故障狀態

葉片在順槳狀態

順槳命令

（5）增速齒輪箱系統

當齒輪油壓力低于設定值時，起動齒輪油泵；當壓力高于設定值時，停止齒輪油泵。當壓力越限后，發出警報，并執行停機程序。

齒輪油冷卻器/加熱器控制齒輪油溫度：當溫度低于設定值時，起動加熱器，當溫度高于設定值時停止加熱器；當溫度高于某設定值時，起動齒輪油冷卻器，當溫度降低到設定值時停止齒輪油冷卻器。

潤滑油泵控制，當潤滑油壓低于設定值時，起動潤滑油泵，當油壓高于某設定值時，停止潤滑油泵。

（6）偏航系統控制

根據當前的機艙角度和測量的低頻平均風向信號值，以及機組當前的運行狀態、負荷信號，調節CW（順時針）和CCW（逆時針）電機，實現自動對風、電纜解纜控制。

自動對風：當機組處于運行狀態或待機狀態時，根據機艙角度和測量風向的偏差值調節CW、CCW電機，實現自動對風。（以設定的偏航轉速進行偏航，同時需要對偏航電機的運行狀態進行檢測）

自動解纜控制：當機組處于暫停狀態時，如機艙向某個方向扭轉大于720度時，啟動自動解纜程序，或者機組在運行狀態時，如果扭轉大于1024度時，實現解纜程序。

（7）大功率變流器通訊

主控制器通過CANOPEN通訊總線和變流器通訊，變流器實現并網/脫網控制、發電機轉速調節、有功功率控制、無功功率控制：

發電機轉速調節：機組并網后在額定負荷以下階段運行時，通過控制發電機轉速實現機組在最佳λ曲線運行，通過將風輪機當做風速儀測量實時轉距值，調節機組至最佳狀態運行。

功率控制：當機組進入恒定功率區后，通過和變頻器的通訊指令，維持機組輸出而定的功率。

無功功率控制：通過和變頻器的通訊指令，實現無功功率控制或功率因數的調節。

(8）安全鏈回路

安全鏈回路獨立于主控系統，并行執行緊急停機邏輯，所有相關的驅動回路有后備電池供電，保證系統在緊急狀態可靠執行。

三 目前我廠技術狀態及對策

目前我廠已擁有發電機技術，變流系統正在研發中，已在2010年初完成，其它技術尚處于空白之中，為快速進入市場考慮，應采取兩條腿走路的方案，即自主研發和技術引進。

自主研發方面，鑒于風電控制系統的復雜性，需與有實力的高校發合，研發中需設立多個分項目，因為該項目包含計算機硬件、電力電子、軟件、通迅等項技術，按功能也是分散在風電機組各處。

四 結束語

目前風力發電的主要方向：

1、陸地風力發電機組采用１。５／２Ｍ雙饋異步發電機組。

2、離岸風力發電機組采用４／５Ｍ永磁同步全饋發電機組。

3、建設大型或者超大型的風力電場（有上百臺風力機組組成）。

4、風力機組控制系統具有防電壓穿透功能。

5、風力發電機組在在線發電時可調節功率因數，在不發電時也可以調節功率因數，進行無功補償，凈化電網。