風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制單元（WPCU）是每臺(tái)風(fēng)機(jī)的控制核心，分散布置在機(jī)組的塔筒和機(jī)艙內(nèi)。由于風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境惡劣，對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性要求非常高，而風(fēng)電控制系統(tǒng)是專門針對(duì)大型風(fēng)電場的運(yùn)行需求而設(shè)計(jì)，應(yīng)具有極高的環(huán)境適應(yīng)性和抗電磁干擾等能力，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

　　風(fēng)電控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站包括：塔座主控制器機(jī)柜、機(jī)艙控制站機(jī)柜、變槳距系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)、現(xiàn)場觸摸屏站、以太網(wǎng)交換機(jī)、現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)、UPS電源、緊急停機(jī)后備系統(tǒng)等。風(fēng)電控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

　　1、塔座控制站

　　塔座控制站即主控制器機(jī)柜是風(fēng)電機(jī)組設(shè)備控制的核心，主要包括控制器、I/O模件等?？刂破饔布捎?2位處理器，系統(tǒng)軟件采用強(qiáng)實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)，運(yùn)行機(jī)組的各類復(fù)雜主控邏輯通過現(xiàn)場總線與機(jī)艙控制器機(jī)柜、變槳距系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，以使機(jī)組運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)化文本等組態(tài)方式。

　　2、機(jī)艙控制站

　　機(jī)艙控制站采集機(jī)組傳感器測(cè)量的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速以及環(huán)境參數(shù)等信號(hào)，通過現(xiàn)場總線和機(jī)組主控制站通訊，主控制器通過機(jī)艙控制機(jī)架以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的偏航、解纜等功能，此外還對(duì)機(jī)艙內(nèi)各類輔助電機(jī)、油泵、風(fēng)扇進(jìn)行控制以使機(jī)組工作在最佳狀態(tài)。

　　3、變槳距系統(tǒng)

　　大型MW級(jí)以上風(fēng)電機(jī)組通常采用液壓變槳系統(tǒng)或電動(dòng)變槳系統(tǒng)。變槳系統(tǒng)由前端控制器對(duì)3個(gè)風(fēng)機(jī)葉片的槳距驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行控制，其是主控制器的執(zhí)行單元，采用CANOPEN與主控制器進(jìn)行通訊，以調(diào)節(jié)3個(gè)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(hù)，保證在危急工況下緊急停機(jī)。

　　4、變流器系統(tǒng)

　　大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組目前普遍采用大功率的變流器以實(shí)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(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的轉(zhuǎn)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(jī)組監(jiān)控的就地操作站，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)組的就地參數(shù)設(shè)置、設(shè)備調(diào)試、維護(hù)等功能，是機(jī)組控制系統(tǒng)的現(xiàn)場上位機(jī)操作員站。

　　6、以太網(wǎng)交換機(jī)（HUB）

　　系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)，以實(shí)現(xiàn)單臺(tái)機(jī)組的控制器、現(xiàn)場觸摸屏和遠(yuǎn)端控制中心網(wǎng)絡(luò)的連接。現(xiàn)場機(jī)柜內(nèi)采用普通雙絞線連接，和遠(yuǎn)程控制室上位機(jī)采用光纜連接。

　　7、現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)

　　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(xiàng)目的實(shí)際需求進(jìn)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(jī)組控制系統(tǒng)、危急保護(hù)系統(tǒng)以及相關(guān)執(zhí)行單元的供電。

　　9、后備危急安全鏈系統(tǒng)

　　后備危急安全鏈系統(tǒng)獨(dú)立于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件保護(hù)措施，即使控制系統(tǒng)發(fā)生異常，也不會(huì)影響安全鏈的正常動(dòng)作。安全鏈?zhǔn)菍⒖赡軐?duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)造成致命傷害的超常故障串聯(lián)成一個(gè)回路，當(dāng)安全鏈動(dòng)作后將引起緊急停機(jī)，機(jī)組脫網(wǎng)，從而最大限度地保證機(jī)組的安全。

　　所有風(fēng)電機(jī)組通過光纖以太網(wǎng)連接至主控室的上位機(jī)操作員站，實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控，上位機(jī)監(jiān)控軟件應(yīng)具有如下功能：

　?、傧到y(tǒng)具有友好的控制界面。在編制監(jiān)控軟件時(shí)，充分考慮到風(fēng)電場運(yùn)行管理的要求，使用漢語菜單，使操作簡單，盡可能為風(fēng)電場的管理提供方便。

　?、谙到y(tǒng)顯示各臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如每臺(tái)機(jī)組的瞬時(shí)發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量、發(fā)電小時(shí)數(shù)、風(fēng)輪及電機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速、風(fēng)向等，將下位機(jī)的這些數(shù)據(jù)調(diào)入上位機(jī)，在顯示器上顯示出來，必要時(shí)還可以用曲線或圖表的形式直觀地顯示出來。

　?、巯到y(tǒng)顯示各風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，如開機(jī)、停車、調(diào)向、手/自動(dòng)控制以及大/小發(fā)電機(jī)工作等情況，通過各風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)了解整個(gè)風(fēng)電場的運(yùn)行情況。

　?、芟到y(tǒng)能夠及時(shí)顯示各機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生的故障。在顯示故障時(shí)，能顯示出故障的類型及發(fā)生時(shí)間，以便運(yùn)行人員及時(shí)處理及消除故障，保證風(fēng)電機(jī)組的安全和持續(xù)運(yùn)行。

　　⑤系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)集中控制。值班員在集中控制室內(nèi)，只需對(duì)標(biāo)明某種功能的相應(yīng)鍵進(jìn)行操作，就能對(duì)下位機(jī)進(jìn)行改變?cè)O(shè)置狀態(tài)和對(duì)其實(shí)施控制。如開機(jī)、停機(jī)和左右調(diào)向等。但這類操作有一定的權(quán)限，以保證整個(gè)風(fēng)電場的運(yùn)行安全。

　?、尴到y(tǒng)管理。監(jiān)控軟件具有運(yùn)行數(shù)據(jù)的定時(shí)打印和人工即時(shí)打印以及故障自動(dòng)記錄的功能，以便隨時(shí)查看風(fēng)電場運(yùn)行狀況的歷史記錄情況。

　　2基本功能

　?。?）數(shù)據(jù)采集（DAS）功能：包括采集電網(wǎng)、氣象、機(jī)組參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制、報(bào)警、記錄、曲線功能等；

　?。?）機(jī)組控制功能：包括自動(dòng)啟動(dòng)機(jī)組、并網(wǎng)控制、轉(zhuǎn)速控制、功率控制、無功補(bǔ)償控制、自動(dòng)對(duì)風(fēng)控制、解纜控制、自動(dòng)脫網(wǎng)、安全停機(jī)控制等；

　?。?）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能：包括機(jī)組參數(shù)、相關(guān)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，歷史和實(shí)時(shí)曲線功能，機(jī)組運(yùn)行狀況的累計(jì)監(jiān)測(cè)等。

　　1、數(shù)據(jù)采集（DAS）功能

　　機(jī)組運(yùn)行過程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)的相關(guān)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(cè)：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(duì)稱等。

　?。?）氣象參數(shù)，包括風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度等。

　?。?）機(jī)組狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)，包括：風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)線圈溫度、發(fā)電機(jī)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(jī)艙振動(dòng)、電纜紐轉(zhuǎn)、機(jī)艙溫度等。

　　風(fēng)電場遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的上位機(jī)和塔座觸摸屏站均可實(shí)現(xiàn)機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的顯示、記錄、曲線、報(bào)警等功能。

　　2、機(jī)組啟停、發(fā)電控制

　　（1）主控系統(tǒng)檢測(cè)電網(wǎng)參數(shù)、氣象參數(shù)、機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)條件滿足時(shí)，啟動(dòng)偏航系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)解纜、對(duì)風(fēng)控制，釋放機(jī)組的剎車盤，調(diào)節(jié)槳距角度，風(fēng)車開始自由轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

　　（2）當(dāng)外部氣象系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的風(fēng)速大于某一定值時(shí)，主控系統(tǒng)啟動(dòng)變流器系統(tǒng)開始進(jìn)行轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，待發(fā)電機(jī)定子輸出電能與電網(wǎng)同頻、同相、同幅時(shí)，合閘出口斷路器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

　?。?）風(fēng)力機(jī)組功率、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

　　根據(jù)風(fēng)力機(jī)特性，當(dāng)機(jī)組處于最佳葉尖速比λ運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)機(jī)組將捕獲得最大的能量，雖理論上機(jī)組轉(zhuǎn)速可在任意轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，但受實(shí)際機(jī)組轉(zhuǎn)速限制、系統(tǒng)功率限制，不得不將該階段分為以下幾個(gè)運(yùn)行區(qū)域：即變速運(yùn)行區(qū)域、恒速運(yùn)行區(qū)域和恒功率運(yùn)行區(qū)。額定功率內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)包括：變速運(yùn)行區(qū)（最佳的λ）和恒速運(yùn)行區(qū)。

　　當(dāng)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后，轉(zhuǎn)速小于極限轉(zhuǎn)速、功率低于額定功率時(shí)，根據(jù)當(dāng)前實(shí)際風(fēng)速，調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，使機(jī)組工作在捕獲最大風(fēng)能的狀態(tài)。

　　由于風(fēng)速儀測(cè)量點(diǎn)的風(fēng)速與作用于槳葉的風(fēng)速存在一定誤差，所以轉(zhuǎn)距觀測(cè)器來預(yù)測(cè)風(fēng)力機(jī)組的機(jī)械傳動(dòng)轉(zhuǎn)距，在通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距的對(duì)應(yīng)關(guān)系推出轉(zhuǎn)速。ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速期望值。Tm為轉(zhuǎn)距的觀測(cè)值。Kopt為最佳轉(zhuǎn)速時(shí)的比例常數(shù)。

　　當(dāng)風(fēng)速增加使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)上限后，主控制器需維持轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)力機(jī)組發(fā)出的電功率，隨風(fēng)速的增加而增加，此時(shí)機(jī)組偏離了風(fēng)力機(jī)的最佳λ曲線運(yùn)行。

　　當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加，使轉(zhuǎn)速、功率都達(dá)到上限后，進(jìn)入恒功率運(yùn)行區(qū)運(yùn)行，此狀態(tài)下主控通過變流器，維持機(jī)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(fēng)力攻角，減少葉片對(duì)風(fēng)能的捕獲；另一方面通過變流器降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速節(jié)，使風(fēng)力機(jī)組偏離最佳λ曲線運(yùn)行，維持發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定。

　　3輔助設(shè)備邏輯

　?。?）發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

　　監(jiān)控發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，通過3臺(tái)冷卻風(fēng)扇和4臺(tái)電加熱器，控制發(fā)電機(jī)線圈溫度、軸承溫度、滑環(huán)室溫度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，相關(guān)邏輯如下：

　　當(dāng)發(fā)電機(jī)溫度升高至某設(shè)定值后，起動(dòng)冷卻風(fēng)扇，當(dāng)溫度降低到某設(shè)定值時(shí)，停止風(fēng)扇運(yùn)行；當(dāng)發(fā)電機(jī)溫度過高或過低并超限后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并執(zhí)行安全停機(jī)程序。

　　當(dāng)溫度越低至某設(shè)定值后，起動(dòng)電加熱器，溫度升高至某設(shè)定值后時(shí)，停止加熱器運(yùn)行；同時(shí)電加熱器也用于控制發(fā)電機(jī)的溫度端差在合理的范圍內(nèi)。

　?。?）液壓系統(tǒng)

　　機(jī)組的液壓系統(tǒng)用于偏航系統(tǒng)剎車、機(jī)械剎車盤驅(qū)動(dòng)。機(jī)組正常時(shí)，需維持額定壓力區(qū)間運(yùn)行。

　　液壓泵控制液壓系統(tǒng)壓力，當(dāng)壓力下降至設(shè)定值后，啟動(dòng)油泵運(yùn)行，當(dāng)壓力升高至某設(shè)定值后，停泵。

　　（3）氣象系統(tǒng)

　　氣象系統(tǒng)為智能氣象測(cè)量儀器，通過RS485口和控制器進(jìn)行通訊，將機(jī)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(cè)量系統(tǒng)的加熱器以防止結(jié)冰。

　　閃光障礙燈控制，每個(gè)葉片的末端安裝閃光障礙燈，在夜晚點(diǎn)亮。

　　機(jī)艙風(fēng)扇控制機(jī)艙內(nèi)環(huán)境溫度。

　　(4）電動(dòng)變槳距系統(tǒng)

　　變槳距系統(tǒng)包括每個(gè)葉片上的電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、以及主控制PLC等部件，該P(yáng)LC通過CAN總線和機(jī)組的主控系統(tǒng)通訊，是風(fēng)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(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)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(yù)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

　　(5）增速齒輪箱系統(tǒng)

　　齒輪箱系統(tǒng)用于將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增速至雙饋發(fā)電機(jī)的正常轉(zhuǎn)速運(yùn)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(dāng)齒輪油壓力低于設(shè)定值時(shí)，起動(dòng)齒輪油泵；當(dāng)壓力高于設(shè)定值時(shí)，停止齒輪油泵。當(dāng)壓力越限后，發(fā)出警報(bào)，并執(zhí)行停機(jī)程序。

　　齒輪油冷卻器/加熱器控制齒輪油溫度：當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，起動(dòng)加熱器，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)停止加熱器；當(dāng)溫度高于某設(shè)定值時(shí)，起動(dòng)齒輪油冷卻器，當(dāng)溫度降低到設(shè)定值時(shí)停止齒輪油冷卻器。

　　潤滑油泵控制，當(dāng)潤滑油壓低于設(shè)定值時(shí)，起動(dòng)潤滑油泵，當(dāng)油壓高于某設(shè)定值時(shí)，停止?jié)櫥捅谩?/p>

　?。?）偏航系統(tǒng)控制

　　根據(jù)當(dāng)前的機(jī)艙角度和測(cè)量的低頻平均風(fēng)向信號(hào)值，以及機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)荷信號(hào)，調(diào)節(jié)CW（順時(shí)針）和CCW（逆時(shí)針）電機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)風(fēng)、電纜解纜控制。

　　自動(dòng)對(duì)風(fēng)：當(dāng)機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)或待機(jī)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)機(jī)艙角度和測(cè)量風(fēng)向的偏差值調(diào)節(jié)CW、CCW電機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)風(fēng)。（以設(shè)定的偏航轉(zhuǎn)速進(jìn)行偏航，同時(shí)需要對(duì)偏航電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)）

　　自動(dòng)解纜控制：當(dāng)機(jī)組處于暫停狀態(tài)時(shí)，如機(jī)艙向某個(gè)方向扭轉(zhuǎn)大于720度時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)解纜程序，或者機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如果扭轉(zhuǎn)大于1024度時(shí)，實(shí)現(xiàn)解纜程序。

　?。?）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(shí)現(xiàn)并網(wǎng)/脫網(wǎng)控制、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，將發(fā)電機(jī)定子輸出電能控制至同頻、同相、同幅，再驅(qū)動(dòng)定子出口接觸器合閘，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)；當(dāng)機(jī)組的發(fā)電功率小于某值持續(xù)幾秒后或風(fēng)機(jī)或電網(wǎng)出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，變流器驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)定子出口接觸器分閘，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的脫網(wǎng)。

　　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)：機(jī)組并網(wǎng)后在額定負(fù)荷以下階段運(yùn)行時(shí)，通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)機(jī)組在最佳λ曲線運(yùn)行，通過將風(fēng)輪機(jī)當(dāng)做風(fēng)速儀測(cè)量實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)距值，調(diào)節(jié)機(jī)組至最佳狀態(tài)運(yùn)行。

　　功率控制：當(dāng)機(jī)組進(jìn)入恒定功率區(qū)后，通過和變頻器的通訊指令，維持機(jī)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(shí)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(dú)立于主控系統(tǒng)，并行執(zhí)行緊急停機(jī)邏輯，所有相關(guān)的驅(qū)動(dòng)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。

　　4主要方向1陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用1.5/2M雙饋異步發(fā)電機(jī)組。

　　2、離岸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用4/5M永磁同步全饋發(fā)電機(jī)組。

　　3、建設(shè)大型或者超大型的風(fēng)力電場（有上百臺(tái)風(fēng)力機(jī)組組成）。

　　4、風(fēng)力機(jī)組控制系統(tǒng)具有防電壓穿透功能。

　　5、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在在線發(fā)電時(shí)可調(diào)節(jié)功率因數(shù)，在不發(fā)電時(shí)也可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，進(jìn)行無功補(bǔ)償，凈化電網(wǎng)。