風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站與基本功能介紹

一 風(fēng)電控制系統(tǒng)簡述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)由多個部分組成，而控制系統(tǒng)貫穿到每個部分，相當(dāng)于風(fēng)電系統(tǒng)的神經(jīng)。因此控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)、發(fā)電量的多少以及設(shè)備的安全。目前風(fēng)力發(fā)電亟待研究解決的的兩個問題：發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量都和風(fēng)電控制系統(tǒng)密切相關(guān)。對此國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，取得了一定進(jìn)展，隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，為風(fēng)電控制系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。控制系統(tǒng)的組成風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)分為三個層次：這就是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行，獲取最大能量，提供良好的電力質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)組成主要包括各種傳感器、變距系統(tǒng)、運(yùn)行主控制器、功率輸出單元、無功補(bǔ)償單元、并網(wǎng)控制單元、安全保護(hù)單元、通訊接口電路、監(jiān)控單元。

能源與環(huán)境是當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。常規(guī)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(yán)重的污染，引起溫室效應(yīng)，酸雨等災(zāi)害。從全球能源消耗來看，能源消耗提供自常規(guī)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(fēng)力發(fā)電）。在我們進(jìn)入21世紀(jì)的今天，世界能源結(jié)構(gòu)也正在孕育著重大的轉(zhuǎn)變，即由礦物能源系統(tǒng)向以可再生能源為基礎(chǔ)的可持續(xù)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等。在這眾多的可再生能源中，目前發(fā)展最快、商業(yè)化最廣泛、經(jīng)濟(jì)上最適用的，當(dāng)數(shù)風(fēng)力發(fā)電。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制單元（WPCU）是每臺風(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。 控制器硬件采用32位處理器，系統(tǒng)軟件采用強(qiáng)實(shí)時性的操作系統(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)組傳感器測量的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速以及環(huán)境參數(shù)等信號，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級以上風(fēng)電機(jī)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(fēng)機(jī)葉片的槳距驅(qū)動裝置進(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)級以太網(wǎng)交換機(jī)，以實(shí)現(xiàn)單臺機(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?，F(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，也不會影響安全鏈的正常動作。

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：

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(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。

② 系統(tǒng)顯示各臺機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

③ 系統(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)了解整個風(fēng)電場的運(yùn)行情況。

④ 系統(tǒng)能夠及時顯示各機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生的故障。

⑤ 系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)集中控制。

⑥ 監(jiān)控軟件具有運(yùn)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(fēng)電場運(yùn)行狀況的歷史記錄情況。

二 風(fēng)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(jī)組參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制、報(bào)警、記錄、曲線功能等；

（2）機(jī)組控制功能：包括自動啟動機(jī)組、并網(wǎng)控制、轉(zhuǎn)速控制、功率控制、無功補(bǔ)償控制、安全停機(jī)控制等；

（3）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)時曲線功能，機(jī)組運(yùn)行狀況的累計(jì)監(jiān)測等。

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：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(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度等。

2、機(jī)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(jī)組運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)條件滿足時，啟動偏航系統(tǒng)執(zhí)行自動解纜、對風(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，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

（2）當(dāng)外部氣象系統(tǒng)監(jiān)測的風(fēng)速大于某一定值時，主控系統(tǒng)啟動變流器系統(tǒng)開始進(jìn)行轉(zhuǎn)子勵磁，待發(fā)電機(jī)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(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

（3）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，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，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)。

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、風(fēng)電控制系統(tǒng)輔助設(shè)備邏輯

（1）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臺冷卻風(fēng)扇和4臺電加熱器，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，起動冷卻風(fēng)扇，當(dāng)溫度降低到某設(shè)定值時，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，并執(zhí)行安全停機(jī)程序。

（2）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。機(jī)組正常時，需維持額定壓力區(qū)間運(yùn)行。

（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(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)境溫度控制氣象測量系統(tǒng)的加熱器以防止結(jié)冰。

（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(jī)、驅(qū)動器、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)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)

當(dāng)齒輪油壓力低于設(shè)定值時，起動齒輪油泵；當(dāng)壓力高于設(shè)定值時，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，起動加熱器，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時停止加熱器；當(dāng)溫度高于某設(shè)定值時，起動齒輪油冷卻器，當(dāng)溫度降低到設(shè)定值時停止齒輪油冷卻器。

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

（6）偏航系統(tǒng)控制

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

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

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

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，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)速儀測量實(shí)時轉(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(shù)狀態(tài)及對策

目前我廠已擁有發(fā)電機(jī)技術(shù)，變流系統(tǒng)正在研發(fā)中，已在2010年初完成，其它技術(shù)尚處于空白之中，為快速進(jìn)入市場考慮，應(yīng)采取兩條腿走路的方案，即自主研發(fā)和技術(shù)引進(jìn)。

自主研發(fā)方面，鑒于風(fēng)電控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，需與有實(shí)力的高校發(fā)合，研發(fā)中需設(shè)立多個分項(xiàng)目，因?yàn)樵擁?xiàng)目包含計(jì)算機(jī)硬件、電力電子、軟件、通迅等項(xiàng)技術(shù)，按功能也是分散在風(fēng)電機(jī)組各處。

四 結(jié)束語

目前風(fēng)力發(fā)電的主要方向：

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(jìn)行無功補(bǔ)償，凈化電網(wǎng)。