一、系統(tǒng)概述

風(fēng)力發(fā)電場具有機組布置范圍廣闊，設(shè)備運行的自然環(huán)境惡劣等特點，WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)專為大型風(fēng)力發(fā)電機組而設(shè)計，產(chǎn)品集成了當(dāng)代最先進的電力電子、微電子、網(wǎng)絡(luò)和軟件技術(shù)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下：

圖1風(fēng)電控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

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

二、風(fēng)力發(fā)電機組控制單元（WPCU）

風(fēng)力發(fā)電機組控制單元（WPCU）是每臺風(fēng)機的控制核心，分散布置在機組的塔筒和機艙內(nèi)。由于風(fēng)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(fēng)電控制系統(tǒng)是專門針對大型風(fēng)電場的運行需求而設(shè)計，具有極高的環(huán)境適應(yīng)性和抗電磁干擾等特點，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

圖2風(fēng)力發(fā)電機組控制單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

WPCS風(fēng)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(wǎng)交換機、現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)、UPS電源、緊急停機后備系統(tǒng)等。

三、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（WPCM）

所有風(fēng)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(fēng)場的遠(yuǎn)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(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(fēng)輪及電機的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速、風(fēng)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(fēng)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(fēng)電機組的狀態(tài)了解整個風(fēng)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?qū)︼L(fēng)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(biāo)明某種功能的相應(yīng)鍵進行操作，就能對下位機進行改變設(shè)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(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)電場運行狀況的歷史記錄情況。

四、WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)功能

WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)具有以下基本功能：

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(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。

（3）機組狀態(tài)參數(shù)檢測，包括：風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)、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(wǎng)參數(shù)、氣象參數(shù)、機組運行參數(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，釋放機組的剎車盤，調(diào)節(jié)槳距角度，風(fēng)車開始自由轉(zhuǎn)動，進入待機狀態(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)開始進行轉(zhuǎn)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(fēng)力機組功率、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

根據(jù)風(fēng)力機特性，當(dāng)機組處于最佳葉尖速比λ運行時，風(fēng)機機組將捕獲得最大的能量，雖理論上機組轉(zhuǎn)速可在任意轉(zhuǎn)速下運行，但受實際機組轉(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(dāng)風(fēng)機并網(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)前實際風(fēng)速，調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，使機組工作在捕獲最大風(fēng)能的狀態(tài)。

3、風(fēng)電控制系統(tǒng)輔助設(shè)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(fēng)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(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，相關(guān)邏輯如下：

當(dāng)發(fā)電機溫度升高至某設(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)扇運行；當(dāng)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(dāng)溫度越低至某設(shè)定值后，起動電加熱器，溫度升高至某設(shè)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(qū)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(dāng)壓力下降至設(shè)定值后，啟動油泵運行，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(jié)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(fēng)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(qū)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(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。

（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)電機的正常轉(zhuǎn)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(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，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(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)前的機艙角度和測量的低頻平均風(fēng)向信號值，以及機組當(dāng)前的運行狀態(tài)、負(fù)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(fēng)、電纜解纜控制。

自動對風(fēng)：當(dāng)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(fēng)向的偏差值調(diào)節(jié)CW、CCW電機，實現(xiàn)自動對風(fēng)。（以設(shè)定的偏航轉(zhuǎn)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(dāng)機組處于暫停狀態(tài)時，如機艙向某個方向扭轉(zhuǎn)大于720度時，啟動自動解纜程序，或者機組在運行狀態(tài)時，如果扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、有功功率控制和無功功率控制。

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(zhuǎn)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(qū)動定子出口接觸器合閘，實現(xiàn)并網(wǎng)；當(dāng)機組的發(fā)電功率小于某值持續(xù)幾秒后或風(fēng)機或電網(wǎng)出現(xiàn)運行故障時，變流器驅(qū)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)：機組并網(wǎng)后在額定負(fù)荷以下階段運行時，通過控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)機組在最佳λ曲線運行，通過將風(fēng)輪機當(dāng)做風(fēng)速儀測量實時轉(zhuǎn)距值，調(diào)節(jié)機組至最佳狀態(tài)運行。

功率控制：當(dāng)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(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。

五、結(jié)束語

風(fēng)電作為綠色可再生能源近年來受到了國家產(chǎn)業(yè)政策的大力扶持，科遠(yuǎn)成立風(fēng)電事業(yè)部從事風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機、變速齒輪箱以及葉片等制造技術(shù)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(fēng)電場綜合監(jiān)控系統(tǒng)等在內(nèi)的控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)還進行封鎖。因此從打破國外技術(shù)壟斷，保證國家電力安全和分享巨大的風(fēng)電市場角度考慮，WPCS風(fēng)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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