风力发电控制系统的现场控制站与基本功能介绍

一 风电控制系统简述

风力发电机控制系统风力发电机由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于风电系统的神经。因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。目前风力发电亟待研究解决的的两个问题：发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。对此国内外学者进行了大量的研究，取得了一定进展，随着现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的研究提供了技术基础。控制系统的组成风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：这就是保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。控制系统组成主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。

能源与环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主的化石能源，它们不仅资源十分有限，而且会对大气污染造成严重的污染，引起温室效应，酸雨等灾害。从全球能源消耗来看，能源消耗提供自常规能源化石燃料，能源消耗提供自核电，其余的提供自可再生能源（主要是水电和风力发电）。在我们进入21世纪的今天，世界能源结构也正在孕育着重大的转变，即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。在这众多的可再生能源中，目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的，当数风力发电。

风力发电机组控制单元（WPCU）是每台风机的控制核心，分散布置在机组的塔筒和机舱内。由于风电机组现场运行环境恶劣，对控制系统的可靠性要求非常高，而风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计，应具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等能力，其系统结构如下：

风电控制系统的现场控制站包括：塔座主控制器机柜、机舱控制站机柜、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、以太网交换机、现场总线通讯网络、UPS电源、紧急停机后备系统等。 风电控制系统的网络结构如图1所示：

1、塔座控制站

塔座控制站即主控制器机柜是风电机组设备控制的核心，主要包括控制器、I/O模件等。 控制器硬件采用32位处理器，系统软件采用强实时性的操作系统，运行机组的各类复杂主控逻辑通过现场总线与机舱控制器机柜、变桨距系统、变流器系统进行实时通讯，以使机组运行在最佳状态。

控制器的组态采用功能丰富、界面友好的组态软件，采用符合IEC61131-3标准的组态方式，包括：功能图（FBD）、指令表（LD）、顺序功能块（SFC）、梯形图、结构化文本等组态方式。

2、机舱控制站

机舱控制站采集机组传感器测量的温度、压力、转速以及环境参数等信号，通过现场总线和机组主控制站通讯，主控制器通过机舱控制机架以实现机组的偏航、解缆等功能，此外还对机舱内各类辅助电机、油泵、风扇进行控制以使机组工作在最佳状态。

3、变桨距系统

大型MW级以上风电机组通常采用液压变桨系统或电动变桨系统。变桨系统由前端控制器对3个风机叶片的桨距驱动装置进行控制，其是主控制器的执行单元，采用 CANOPEN与主控制器进行通讯，以调节3个叶片的桨距工作在最佳状态。变桨系统有后备电源系统和安全链保护，保证在危急工况下紧急停机。

4、变流器系统

大型风力发电机组目前普遍采用大功率的变流器以实现发电能源的变换，变流器系统通过现场总线与主控制器进行通讯，实现机组的转速、有功功率和无功功率的调节。

5、现场触摸屏站

现场触摸屏站是机组监控的就地操作站，实现风力机组的就地参数设置、设备调试、维护等功能，是机组控制系统的现场上位机操作员站。

6、以太网交换机（HUB）

系统采用工业级以太网交换机，以实现单台机组的控制器、现场触摸屏和远端控制中心网络的连接。现场机柜内采用普通双绞线连接，和远程控制室上位机采用光缆连接。

7、现场通讯网络

主控制器具有CANOPEN、PROFIBUS、MODBUS、以太网等多种类型的现场总线接口，可根据项目的实际需求进行配置。

8、UPS电源

UPS电源用于保证系统在外部电源断电的情况下，机组控制系统、危急保护系统以及相关执行单元的供电。

9、 后备危急安全链系统

后备危急安全链系统独立于计算机系统的硬件保护措施，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。

所有风电机组通过光纤以太网连接至主控室的上位机操作员站，实现整个风场的远程监控，上位机监控软件应具有如下功能：

① 系统具有友好的控制界面。在编制监控软件时，充分考虑到风电场运行管理的要求，使用汉语菜单，使操作简单，尽可能为风电场的管理提供方便。

② 系统显示各台机组的运行数据。

③ 系统显示各风电机组的运行状态，如开机、停车、调向、手/自动控制以及大/小发电机工作等情况，通过各风电机组的状态了解整个风电场的运行情况。

④ 系统能够及时显示各机组运行过程中发生的故障。

⑤ 系统能够对风电机组实现集中控制。

⑥ 监控软件具有运行数据的定时打印和人工即时打印以及故障自动记录的功能，以便随时查看风电场运行状况的历史记录情况。

二 风电控制系统基本功能

（1）数据采集（DAS）功能：包括采集电网、气象、机组参数，实现控制、报警、记录、曲线功能等；

（2）机组控制功能：包括自动启动机组、并网控制、转速控制、功率控制、无功补偿控制、安全停机控制等；

（3）远程监控系统功能：包括机组参数、相关设备状态的监控，历史和实时曲线功能，机组运行状况的累计监测等。

1、数据采集（DAS）功能

机组运行过程中进行监测的相关参数包括：

（1）电网参数，包括电网三相电压、三相电流、电网频率、功率因数等。电压故障检测：电网电压闪变、过电压、低电压、电压跌落、相序故障、三相不对称等。

（2）气象参数，包括风速、风向、环境温度等。

2、机组启停、发电控制

（1）主控系统检测电网参数、气象参数、机组运行参数，当条件满足时，启动偏航系统执行自动解缆、对风控制，释放机组的刹车盘，调节桨距角度，风车开始自由转动，进入待机状态。

（2）当外部气象系统监测的风速大于某一定值时，主控系统启动变流器系统开始进行转子励磁，待发电机定子输出电能与电网同频、同相、同幅时，合闸出口断路器实现并网发电。

（3）风力机组功率、转速调节

根据风力机特性，当机组处于最佳叶尖速比λ运行时，风机机组将捕获得最大的能量，虽理论上机组转速可在任意转速下运行，但受实际机组转速限制、系统功率限制，不得不将该阶段分为以下几个运行区域：即变速运行区域、恒速运行区域和恒功率运行区。额定功率内的运行状态包括：变速运行区（最佳的λ）和恒速运行区。

当风机并网后，转速小于极限转速、功率低于额定功率时，根据当前实际风速，调节风轮的转速，使机组工作在捕获最大风能的状态。

当风速继续增加，使转速、功率都达到上限后，进入恒功率运行区运行，此状态下主控通过变流器，维持机组的功率恒定，主控制器一方面通过桨距系统的调节减少风力攻角，减少叶片对风能的捕获；另一方面通过变流器降低发电机转速节，使风力机组偏离最佳λ曲线运行，维持发电机的输出功率稳定。

3、风电控制系统辅助设备逻辑

（1）发电机系统

监控发电机运行参数，通过3台冷却风扇和4台电加热器，控制发电机线圈温度、轴承温度、滑环室温度在适当的范围内，相关逻辑如下：

当发电机温度升高至某设定值后，起动冷却风扇，当温度降低到某设定值时，停止风扇运行；当发电机温度过高或过低并超限后，发出报警信号，并执行安全停机程序。

（2）液压系统

机组的液压系统用于偏航系统刹车、机械刹车盘驱动。机组正常时，需维持额定压力区间运行。

（3）气象系统

气象系统为智能气象测量仪器，通过RS485口和控制器进行通讯，将机舱外的气象参数采集至控制系统。根据环境温度控制气象测量系统的加热器以防止结冰。

（4）电动变桨距系统

变桨距系统包括每个叶片上的电机、驱动器、以及主控制PLC等部件，该PLC通过CAN总线和机组的主控系统通讯，是风电控制系统中桨距调节控制单元，变桨距系统有后备DO顺桨控制接口。 桨距系统和主控制器的通讯内容包括：

桨叶A位置反馈

桨叶B位置反馈

桨叶C位置反馈

桨叶节距给定指令

桨距系统综合故障状态

叶片在顺桨状态

顺桨命令

（5）增速齿轮箱系统

当齿轮油压力低于设定值时，起动齿轮油泵；当压力高于设定值时，停止齿轮油泵。当压力越限后，发出警报，并执行停机程序。

齿轮油冷却器/加热器控制齿轮油温度：当温度低于设定值时，起动加热器，当温度高于设定值时停止加热器；当温度高于某设定值时，起动齿轮油冷却器，当温度降低到设定值时停止齿轮油冷却器。

润滑油泵控制，当润滑油压低于设定值时，起动润滑油泵，当油压高于某设定值时，停止润滑油泵。

（6）偏航系统控制

根据当前的机舱角度和测量的低频平均风向信号值，以及机组当前的运行状态、负荷信号，调节CW（顺时针）和CCW（逆时针）电机，实现自动对风、电缆解缆控制。

自动对风：当机组处于运行状态或待机状态时，根据机舱角度和测量风向的偏差值调节CW、CCW电机，实现自动对风。（以设定的偏航转速进行偏航，同时需要对偏航电机的运行状态进行检测）

自动解缆控制：当机组处于暂停状态时，如机舱向某个方向扭转大于720度时，启动自动解缆程序，或者机组在运行状态时，如果扭转大于1024度时，实现解缆程序。

（7）大功率变流器通讯

主控制器通过CANOPEN通讯总线和变流器通讯，变流器实现并网/脱网控制、发电机转速调节、有功功率控制、无功功率控制：

发电机转速调节：机组并网后在额定负荷以下阶段运行时，通过控制发电机转速实现机组在最佳λ曲线运行，通过将风轮机当做风速仪测量实时转距值，调节机组至最佳状态运行。

功率控制：当机组进入恒定功率区后，通过和变频器的通讯指令，维持机组输出而定的功率。

无功功率控制：通过和变频器的通讯指令，实现无功功率控制或功率因数的调节。

(8）安全链回路

安全链回路独立于主控系统，并行执行紧急停机逻辑，所有相关的驱动回路有后备电池供电，保证系统在紧急状态可靠执行。

三 目前我厂技术状态及对策

目前我厂已拥有发电机技术，变流系统正在研发中，已在2010年初完成，其它技术尚处于空白之中，为快速进入市场考虑，应采取两条腿走路的方案，即自主研发和技术引进。

自主研发方面，鉴于风电控制系统的复杂性，需与有实力的高校发合，研发中需设立多个分项目，因为该项目包含计算机硬件、电力电子、软件、通迅等项技术，按功能也是分散在风电机组各处。

四 结束语

目前风力发电的主要方向：

1、陆地风力发电机组采用１。５／２Ｍ双馈异步发电机组。

2、离岸风力发电机组采用４／５Ｍ永磁同步全馈发电机组。

3、建设大型或者超大型的风力电场（有上百台风力机组组成）。

4、风力机组控制系统具有防电压穿透功能。

5、风力发电机组在在线发电时可调节功率因数，在不发电时也可以调节功率因数，进行无功补偿，净化电网。