風力發電控制系統

⑤系統能夠對風電機組實現集中控制。 （1）發電機系統 4、風力機組控制系統具有防電壓穿透功能。

一 風電控制系統簡述
風電控制系統包括現場風力發電機組控制單元、高速環型冗餘光纖乙太網、遠程上位機操作員站等部分。現場風力發電機組控制單元是每颱風機控制的核心，實現機組的參數監視、自動發電控制和設備保護等功能；每颱風力發電機組配有就地HMI人機接口以實現就地操作、調試和維護機組；高速環型冗餘光纖乙太網是系統的數據高速公路，將機組的實時數據送至上位機界面；上位機操作員站是風電廠的運行監視核心，並具備完善的機組狀態監視、參數報警，實時/歷史數據的記錄顯示等功能，操作員在控制室內實現對風場所有機組的運行監視及操作。
風力發電機組控制單元（WPCU）是每颱風機的控制核心，分散布置在機組的塔筒和機艙內。由於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：塔座主控制器機櫃、機艙控制站機櫃、變槳距系統、變流器系統、現場觸控螢幕站、乙太網交換機、現場匯流排通訊網路、UPS電源、緊急停機後備系統等。風電控制系統的網路結構如圖1所示：
1、塔座控制站
塔座控制站即主控制器機櫃是風電機組設備控制的核心，主要包括控制器、I/O模件等。控制器硬體採用32位處理器，系統軟體採用強實時性的作業系統，運行機組的各類複雜主控邏輯通過現場匯流排與機艙控制器機櫃、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。
控制器的組態採用功能豐富、界面友好的組態軟體，採用符合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
機艙控制站採集機組感測器測量的溫度、壓力、轉速以及環境參數等信號，通過現場匯流排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採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，採用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。變槳系統有後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採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匯流排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、現場觸控螢幕站
現場觸控螢幕站是機組監控的就地操作站，實現風力機組的就地參數設定、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、乙太網交換機（HUB）
系統採用工業級乙太網交換機，以實現單台機組的控制器、現場觸控螢幕和遠端控制中心網路的連線。現場機櫃內採用普通雙絞線連線，和遠程控制室上位機採用光纜連線。
7、現場通訊網路
主控制器具有CANOPEN、PROFIBUS、MODBUS、乙太網等多種類型的現場匯流排接口，可根據項目的實際需求進行配置。
8、UPS電源
UPS電源用於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、後備危急安全鏈系統
後備危急安全鏈系統獨立於計算機系統的硬體保護措施，即使控制系統發生異常，也不會影響安全鏈的正常動作。安全鏈是將可能對風力發電機造成致命傷害的超常故障串聯成一個迴路，當安全鏈動作後將引起緊急停機，機組脫網，從而最大限度地保證機組的安全。
所有風電機組通過光纖乙太網連線至主控室的上位機操作員站，實現整個風場的遠程監控，上位機監控軟體應具有如下功能：
①系統具有友好的控制界面。在編制監控軟體時，充分考慮到風電場運行管理的要求，使用漢語選單，使操作簡單，儘可能為風電場的管理提供方便。
②系統顯示各台機組的運行數據，如每台機組的瞬時發電功率、累計發電量、發電小時數、風輪及電機的轉速和風速、風向等，將下位機的這些數據調入上位機，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。在顯示故障時，能顯示出故障的類型及發生時間，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運行。
⑤系統能夠對風電機組實現集中控制。值班員在集中控制室內，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定狀態和對其實施控制。如開機、停機和左右調向等。但這類操作有一定的許可權，以保證整個風電場的運行安全。
⑥系統管理。監控軟體具有運行數據的定時列印和人工即時列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）數據採集（DAS）功能：包括採集電網、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、併網控制、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、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、數據採集（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。
（3）機組狀態參數檢測，包括：風輪轉速、發電機轉速、發電機線圈溫度、發電機前後軸承溫度、齒輪箱油溫度、齒輪箱前後軸承溫度、液壓系統油溫、油壓、油位、機艙振動、電纜紐轉、機艙溫度等。
風電場遠程監控中心的上位機和塔座觸控螢幕站均可實現機組的狀態監視，實現相關參數的顯示、記錄、曲線、報警等功能。
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於某一定值時，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併網發電。
（3）風力機組功率、轉速調節
根據風力機特性，當機組處於最佳葉尖速比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、恆速運行區域和恆功率運行區。額定功率內的運行狀態包括：變速運行區（最佳的λ）和恆速運行區。
當風機併網後，轉速小於極限轉速、功率低於額定功率時，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。
由於風速儀測量點的風速與作用於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，在通過發電機轉速和轉距的對應關係推出轉速。ω為發電機轉速期望值。Tm為轉距的觀測值。Kopt為最佳轉速時的比例常數。
當風速增加使發電機轉速達上限後，主控制器需維持轉速恆定，風力機組發出的電功率，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。
當風速繼續增加，使轉速、功率都達到上限後，進入恆功率運行區運行，此狀態下主控通過變流器，維持機組的功率恆定，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台冷卻風扇和4台電加熱器，控制發電機線圈溫度、軸承溫度、滑環室溫度在適當的範圍內，相關邏輯如下：
當發電機溫度升高至某設定值後，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並超限後，發出報警信號，並執行安全停機程式。
當溫度越低至某設定值後，起動電加熱器，溫度升高至某設定值後時，停止加熱器運行；同時電加熱器也用於控制發電機的溫度端差在合理的範圍內。
（2）液壓系統
機組的液壓系統用於偏航系統剎車、機械剎車盤驅動。機組正常時，需維持額定壓力區間運行。
液壓泵控制液壓系統壓力，當壓力下降至設定值後，啟動油泵運行，當壓力升高至某設定值後，停泵。
（3）氣象系統
氣象系統為智慧型氣象測量儀器，通過RS485口和控制器進行通訊，將機艙外的氣象參數採集至控制系統。根據環境溫度控制氣象測量系統的加熱器以防止結冰。
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環境溫度。
(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匯流排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，變槳距系統有後備DO順槳控制接口。槳距系統的主要功能如下：緊急剎車順槳系統控制，在緊急情況下，實現風機順槳控制。通過CAN通訊接口和主控制器通訊，接受主控指令，槳距系統調節槳葉的節角距至預定位置。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
齒輪箱系統用於將風輪轉速增速至雙饋發電機的正常轉速運行範圍內，需監視和控制齒輪油泵、齒輪油冷卻器、加熱器、潤滑油泵等等。
當齒輪油壓力低於設定值時，起動齒輪油泵；當壓力高於設定值時，停止齒輪油泵。當壓力越限後，發出警報，並執行停機程式。
齒輪油冷卻器/加熱器控制齒輪油溫度：當溫度低於設定值時，起動加熱器，當溫度高於設定值時停止加熱器；當溫度高於某設定值時，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，當潤滑油壓低於設定值時，起動潤滑油泵，當油壓高於某設定值時，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：當機組處於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：當機組處於暫停狀態時，如機艙向某個方向扭轉大於720度時，啟動自動解纜程式，或者機組在運行狀態時，如果扭轉大於1024度時，實現解纜程式。
（7）大功率變流器通訊
主控制器通過CANOPEN通訊匯流排和變流器通訊，變流器實現併網/脫網控制、發電機轉速調節、有功功率控制、無功功率控制：
併網和脫網：變流器系統根據主控的指令，通過對發電機轉子勵磁，將發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，實現併網；當機組的發電功率小於某值持續幾秒後或風機或電網出現運行故障時，變流器驅動發電機定子出口接觸器分閘，實現機組的脫網。
發電機轉速調節：機組併網後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：當機組進入恆定功率區後，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）安全鏈迴路
安全鏈迴路獨立於主控系統，並行執行緊急停機邏輯，所有相關的驅動迴路有後備電池供電，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，其它技術尚處於空白之中，為快速進入市場考慮，應採取兩條腿走路的方案，即自主研發和技術引進。目前擁有此項技術的國內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，並在1MW機組上試運行。
自主研發方面，鑒於風電控制系統的複雜性，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體、電力電子、軟體、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採用1.5/2M雙饋異步發電機組。
2、離岸風力發電機組採用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（有上百颱風力機組組成）。
4、風力機組控制系統具有防電壓穿透功能。
5、風力發電機組在線上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，淨化電網。