風力發(fā)電控制系統(tǒng)綜述

        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(tǒng)軟件采用強實時性的操作系統(tǒng)，運行機組的各類復雜主控邏輯通過現(xiàn)場總線與機艙控制器機柜、變槳距系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)進行實時通訊，以使機組運行在最佳狀態(tài)。
控制器的組態(tài)采用功能豐富、界面友好的組態(tài)軟件，采用符合IEC61131-3標準的組態(tài)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(tài)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(huán)境參數(shù)等信號，通過現(xiàn)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(xiàn)機組的偏航、解纜等功能，此外還對機艙內(nèi)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(tài)。 
        3、變槳距系統(tǒng)
        大型MW級以上風電機組通常采用液壓變槳系統(tǒng)或電動變槳系統(tǒng)。變槳系統(tǒng)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(zhí)行單元，采用 CANOPEN與主控制器進行通訊，以調(diào)節(jié)3個葉片的槳距工作在最佳狀態(tài)。變槳系統(tǒng)有后備電源系統(tǒng)和安全鏈保護，保證在危急工況下緊急停機。 
        4、變流器系統(tǒng) 
        大型風力發(fā)電機組目前普遍采用大功率的變流器以實現(xiàn)發(fā)電能源的變換，變流器系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線與主控制器進行通訊，實現(xiàn)機組的轉速、有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。 
        5、現(xiàn)場觸摸屏站 
        現(xiàn)場觸摸屏站是機組監(jiān)控的就地操作站，實現(xiàn)風力機組的就地參數(shù)設置、設備調(diào)試、維護等功能，是機組控制系統(tǒng)的現(xiàn)場上位機操作員站。 
        6、以太網(wǎng)交換機（HUB） 
        系統(tǒng)采用工業(yè)級以太網(wǎng)交換機，以實現(xiàn)單臺機組的控制器、現(xiàn)場觸摸屏和遠端控制中心網(wǎng)絡的連接?，F(xiàn)場機柜內(nèi)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(xiàn)場通訊網(wǎng)絡 
        主控制器具有CANOPEN、PROFIBUS、MODBUS、以太網(wǎng)等多種類型的現(xiàn)場總線接口，可根據(jù)項目的實際需求進行配置。 
        8、UPS電源 
        UPS電源用于保證系統(tǒng)在外部電源斷電的情況下，機組控制系統(tǒng)、危急保護系統(tǒng)以及相關執(zhí)行單元的供電。

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    9、 后備危急安全鏈系統(tǒng)
    后備危急安全鏈系統(tǒng)獨立于計算機系統(tǒng)的硬件保護措施，即使控制系統(tǒng)發(fā)生異常，也不會影響安全鏈的正常動作。安全鏈是將可能對風力發(fā)電機造成致命傷害的超常故障串聯(lián)成一個回路，當安全鏈動作后將引起緊急停機，機組脫網(wǎng)，從而最大限度地保證機組的安全。 
    所有風電機組通過光纖以太網(wǎng)連接至主控室的上位機操作員站，實現(xiàn)整個風場的遠程監(jiān)控，上位機監(jiān)控軟件應具有如下功能: 
    ① 系統(tǒng)具有友好的控制界面。在編制監(jiān)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(tǒng)顯示各臺機組的運行數(shù)據(jù)，如每臺機組的瞬時發(fā)電功率、累計發(fā)電量、發(fā)電小時數(shù)、風輪及電機的轉速和風速、風向等，將下位機的這些數(shù)據(jù)調(diào)入上位機，在顯示器上顯示出來，必要時還可以用曲線或圖表的形式直觀地顯示出來。 
    ③ 系統(tǒng)顯示各風電機組的運行狀態(tài)，如開機、停車、調(diào)向、手/自動控制以及大/小發(fā)電機工作等情況，通過各風電機組的狀態(tài)了解整個風電場的運行情況。 
    ④ 系統(tǒng)能夠及時顯示各機組運行過程中發(fā)生的故障。在顯示故障時，能顯示出故障的類型及發(fā)生時間，以便運行人員及時處理及消除故障，保證風電機組的安全和持續(xù)運行。 
    ⑤ 系統(tǒng)能夠對風電機組實現(xiàn)集中控制。值班員在集中控制室內(nèi)，只需對標明某種功能的相應鍵進行操作，就能對下位機進行改變設置狀態(tài)和對其實施控制。如開機、停機和左右調(diào)向等。但這類操作有一定的權限，以保證整個風電場的運行安全。 
    ⑥ 系統(tǒng)管理。監(jiān)控軟件具有運行數(shù)據(jù)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(tǒng)基本功能
    （1）數(shù)據(jù)采集（DAS）功能：包括采集電網(wǎng)、氣象、機組參數(shù)，實現(xiàn)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(wǎng)控制、轉速控制、功率控制、無功補償控制、自動對風控制、解纜控制、自動脫網(wǎng)、安全停機控制等； 
    （3）遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能：包括機組參數(shù)、相關設備狀態(tài)的監(jiān)控，歷史和實時曲線功能，機組運行狀況的累計監(jiān)測等。 
    1、數(shù)據(jù)采集（DAS）功能 
    機組運行過程中進行監(jiān)測的相關參數(shù)包括： 
    （1）電網(wǎng)參數(shù)，包括電網(wǎng)三相電壓、三相電流、電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)等。電壓故障檢測：電網(wǎng)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(shù)，包括風速、風向、環(huán)境溫度等。 
    （3）機組狀態(tài)參數(shù)檢測，包括：風輪轉速、發(fā)電機轉速、發(fā)電機線圈溫度、發(fā)電機前后軸承溫度、齒輪箱油溫度、齒輪箱前后軸承溫度、液壓系統(tǒng)油溫、油壓、油位、機艙振動、電纜紐轉、機艙溫度等。
風電場遠程監(jiān)控中心的上位機和塔座觸摸屏站均可實現(xiàn)機組的狀態(tài)監(jiān)視，實現(xiàn)相關參數(shù)的顯示、記錄、曲線、報警等功能。 
    2、機組啟停、發(fā)電控制 
    （1）主控系統(tǒng)檢測電網(wǎng)參數(shù)、氣象參數(shù)、機組運行參數(shù)，當條件滿足時，啟動偏航系統(tǒng)執(zhí)行自動解纜、對風控制，釋放機組的剎車盤，調(diào)節(jié)槳距角度，風車開始自由轉動，進入待機狀態(tài)。 
    （2）當外部氣象系統(tǒng)監(jiān)測的風速大于某一定值時，主控系統(tǒng)啟動變流器系統(tǒng)開始進行轉子勵磁，待發(fā)電機定子輸出電能與電網(wǎng)同頻、同相、同幅時，合閘出口斷路器實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。 
    （3）風力機組功率、轉速調(diào)節(jié)
根據(jù)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(tǒng)功率限制，不得不將該階段分為以下幾個運行區(qū)域：即變速運行區(qū)域、恒速運行區(qū)域和恒功率運行區(qū)。額定功率內(nèi)的運行狀態(tài)包括：變速運行區(qū)（最佳的λ）和恒速運行區(qū)。 
    當風機并網(wǎng)后，轉速小于極限轉速、功率低于額定功率時，根據(jù)當前實際風速，調(diào)節(jié)風輪的轉速，使機組工作在捕獲最大風能的狀態(tài)。
由于風速儀測量點的風速與作用于槳葉的風速存在一定誤差，所以轉距觀測器來預測風力機組的機械傳動轉距，在通過發(fā)電機轉速和轉距的對應關系推出轉速。 ω為發(fā)電機轉速期望值。 Tm為轉距的觀測值。Kopt為最佳轉速時的比例常數(shù)。
當風速增加使發(fā)電機轉速達上限后，主控制器需維持轉速恒定，風力機組發(fā)出的電功率，隨風速的增加而增加，此時機組偏離了風力機的最佳λ曲線運行。 
    當風速繼續(xù)增加，使轉速、功率都達到上限后，進入恒功率運行區(qū)運行，此狀態(tài)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(tǒng)的調(diào)節(jié)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(fā)電機轉速節(jié)，使風力機組偏離最佳λ曲線運行，維持發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定。 
    3、風電控制系統(tǒng)輔助設備邏輯 
    （1）發(fā)電機系統(tǒng) 
    監(jiān)控發(fā)電機運行參數(shù)，通過3臺冷卻風扇和4臺電加熱器，控制發(fā)電機線圈溫度、軸承溫度、滑環(huán)室溫度在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，相關邏輯如下： 
    當發(fā)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(fā)電機溫度過高或過低并超限后，發(fā)出報警信號，并執(zhí)行安全停機程序。 
    當溫度越低至某設定值后，起動電加熱器，溫度升高至某設定值后時，停止加熱器運行；同時電加熱器也用于控制發(fā)電機的溫度端差在合理的范圍內(nèi)。 
    （2）液壓系統(tǒng) 
    機組的液壓系統(tǒng)用于偏航系統(tǒng)剎車、機械剎車盤驅動。機組正常時，需維持額定壓力區(qū)間運行。 
    液壓泵控制液壓系統(tǒng)壓力，當壓力下降至設定值后，啟動油泵運行，當壓力升高至某設定值后，停泵。 
    （3）氣象系統(tǒng) 
    氣象系統(tǒng)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(shù)采集至控制系統(tǒng)。根據(jù)環(huán)境溫度控制氣象測量系統(tǒng)的加熱器以防止結冰。
    閃光障礙燈控制，每個葉片的末端安裝閃光障礙燈，在夜晚點亮。 
    機艙風扇控制機艙內(nèi)環(huán)境溫度。 
    （4）電動變槳距系統(tǒng) 
    變槳距系統(tǒng)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(tǒng)通訊，是風電控制系統(tǒng)中槳距調(diào)節(jié)控制單元，變槳距系統(tǒng)有后備DO順槳控制接口。槳距系統(tǒng)的主要功能如下： 緊急剎車順槳 系統(tǒng)控制，在緊急情況下，實現(xiàn)風機順槳控制。 通過CAN通訊接口和主控制器通訊，接受主控指令，槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉的節(jié)角距至預定位置。 槳距系統(tǒng)和主控制器的通訊內(nèi)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(jié)距給定指令 
    槳距系統(tǒng)綜合故障狀態(tài) 
    葉片在順槳狀態(tài) 
    順槳命令

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    （5）增速齒輪箱系統(tǒng) 
    齒輪箱系統(tǒng)用于將風輪轉速增速至雙饋發(fā)電機的正常轉速運行范圍內(nèi)，需監(jiān)視和控制齒輪油泵、齒輪油冷卻器、加熱器、潤滑油泵等等。 
    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(fā)出警報，并執(zhí)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?jié)櫥捅谩?nbsp;
    （6）偏航系統(tǒng)控制 
    根據(jù)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(tài)、負荷信號，調(diào)節(jié)CW（順時針）和CCW（逆時針）電機，實現(xiàn)自動對風、電纜解纜控制。 
    自動對風：當機組處于運行狀態(tài)或待機狀態(tài)時，根據(jù)機艙角度和測量風向的偏差值調(diào)節(jié)CW、CCW電機，實現(xiàn)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(tài)進行檢測） 
    自動解纜控制：當機組處于暫停狀態(tài)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(tài)時，如果扭轉大于1024度時，實現(xiàn)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(xiàn)并網(wǎng)/脫網(wǎng)控制、發(fā)電機轉速調(diào)節(jié)、有功功率控制、無功功率控制： 
    并網(wǎng)和脫網(wǎng)：變流器系統(tǒng)根據(jù)主控的指令，通過對發(fā)電機轉子勵磁，將發(fā)電機定子輸出電能控制至同頻、同相、同幅，再驅動定子出口接觸器合閘，實現(xiàn)并網(wǎng)；當機組的發(fā)電功率小于某值持續(xù)幾秒后或風機或電網(wǎng)出現(xiàn)運行故障時，變流器驅動發(fā)電機定子出口接觸器分閘，實現(xiàn)機組的脫網(wǎng)。 
    發(fā)電機轉速調(diào)節(jié)：機組并網(wǎng)后在額定負荷以下階段運行時，通過控制發(fā)電機轉速實現(xiàn)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(diào)節(jié)機組至最佳狀態(tài)運行。 
    功率控制：當機組進入恒定功率區(qū)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(xiàn)無功功率控制或功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。 
    （8）安全鏈回路 
    安全鏈回路獨立于主控系統(tǒng)，并行執(zhí)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(tǒng)在緊急狀態(tài)可靠執(zhí)行。 
    三 目前我廠技術狀態(tài)及對策
    目前我廠已擁有發(fā)電機技術，變流系統(tǒng)正在研發(fā)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(fā)和技術引進。目前擁有此項技術的國內(nèi)廠家有南京科遠自動化集團股份有限公司等廠家，北京景新也擁有此項技術，并在1MW機組上試運行。
    自主研發(fā)方面，鑒于風電控制系統(tǒng)的復雜性，需與有實力的高校發(fā)合，研發(fā)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(fā)電的主要方向：
    1、陸地風力發(fā)電機組采用1.5/12M雙饋異步發(fā)電機組。
    2、離岸風力發(fā)電機組采用4/5M永磁同步全饋發(fā)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(tǒng)具有防電壓穿透功能。
    5、風力發(fā)電機組在在線發(fā)電時可調(diào)節(jié)功率因數(shù)，在不發(fā)電時也可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，進行無功補償，凈化電網(wǎng)。