一、系統(tǒng)概述

風力發(fā)電場具有機組布置范圍廣闊，設備運行的自然環(huán)境惡劣等特點，WPCS風電控制系統(tǒng)專為大型風力發(fā)電機組而設計，產品集成了當代最先進的電力電子、微電子、網絡和軟件技術，系統(tǒng)的網絡結構如下：

圖1風電控制系統(tǒng)網絡結構圖

WPCS風電控制系統(tǒng)包括現(xiàn)場風力發(fā)電機組控制單元、高速環(huán)型冗余光纖以太網、遠程上位機操作員站等部分。

二、風力發(fā)電機組控制單元（WPCU）

風力發(fā)電機組控制單元（WPCU）是每臺風機的控制核心，分散布置在機組的塔筒和機艙內。由于風電機組現(xiàn)場運行環(huán)境惡劣，對控制系統(tǒng)的可靠性要求非常高，而WPCS風電控制系統(tǒng)是專門針對大型風電場的運行需求而設計，具有極高的環(huán)境適應性和抗電磁干擾等特點，其系統(tǒng)結構如下：

圖2風力發(fā)電機組控制單元系統(tǒng)結構圖

WPCS風電控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站包括：塔座主控制器機架、機艙控制站機架、變槳距系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)、現(xiàn)場觸摸屏站、以太網交換機、現(xiàn)場總線通訊網絡、UPS電源、緊急停機后備系統(tǒng)等。

三、遠程監(jiān)控系統(tǒng)（WPCM）

所有風電機組通過光纖以太網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)控軟件具有如下功能：

①系統(tǒng)具有友好的控制界面。

②系統(tǒng)顯示各臺機組的運行數據，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、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(tǒng)顯示各風電機組的運行狀態(tài)，如開機、停車、調向、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。

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，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。

⑥系統(tǒng)管理。監(jiān)控軟件具有運行數據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。

四、WPCS風電控制系統(tǒng)功能

WPCS風電控制系統(tǒng)具有以下基本功能：

1、數據采集（DAS）功能

機組運行過程中進行監(jiān)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(huán)境溫度等。

（3）機組狀態(tài)參數檢測，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、電纜扭轉、機艙溫度等。

2、機組啟停、發(fā)電控制

（1）主控系統(tǒng)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(tǒng)執(zhí)行自動解纜、對風控制，釋放機組的剎車盤，調節(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同頻、同相、同幅時，合閘出口斷路器實現(xiàn)并網發(fā)電。

（3）風力機組功率、轉速調節(jié)

根據風力機特性，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)。

當風機并網后，轉速小于極限轉速、功率低于額定功率時，根據當前實際風速，調節(jié)風輪的轉速，使機組工作在捕獲最大風能的狀態(tài)。

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，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)室溫度在適當的范圍內，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。

（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采集至控制系統(tǒng)。

根據環(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)中槳距調節(jié)控制單元，變槳距系統(tǒng)有后備DO順槳控制接口。

（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，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?/p>

（6）偏航系統(tǒng)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(tài)、負荷信號，調節(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，根據機艙角度和測量風向的偏差值調節(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/脫網控制、發(fā)電機轉速調節(jié)、有功功率控制和無功功率控制。

并網和脫網：變流器系統(tǒng)根據主控的指令，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；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。

發(fā)電機轉速調節(jié)：機組并網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的調節(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。

五、結束語

風電作為綠色可再生能源近年來受到了國家產業(yè)政策的大力扶持，科遠成立風電事業(yè)部從事風電控制系統(tǒng)的研究也正是在這個大背景下提出。我國目前在風力發(fā)電機、變速齒輪箱以及葉片等制造技術方面取得長足進步，但是包括變速恒頻控制系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、接入系統(tǒng)以及風電場綜合監(jiān)控系統(tǒng)等在內的控制系統(tǒng)關鍵技術與國外還存在較大的差距，目前幾乎全部從國外引進，而且國外廠商對某些關鍵技術還進行封鎖。因此從打破國外技術壟斷，保證國家電力安全和分享巨大的風電市場角度考慮，WPCS風電控制系統(tǒng)的研制成功將具有極大的現(xiàn)實意義。

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