風力發電控製係統

　　風力發（fā）電控製（zhì）係統

　　風電控製係統包括現場風力發電機組控製單元（yuán）、高速環型冗餘（yú）光纖以太（tài）網、遠程上（shàng）位機操作員站等部分。現場風力發電機組控製單元是每台風機控製（zhì）的核心，實現機組的參數監視、自動發（fā）電控製和設備保護等功能（néng）;每台風力發電機組配有就地HMI人（rén）機接口（kǒu）以實現就地（dì）操作、調試和維護機（jī）組;高速環（huán）型冗餘光纖以太網是係統的數據高速公（gōng）路，將機組的實時數據送至上位機界麵;上（shàng）位機操作員站是風電廠的運行監視核心（xīn），並具備（bèi）完善的機組狀態（tài）監（jiān）視、參數報警，實時/曆史數據的記錄顯示等功能，操作員在控製室內實現對風場所（suǒ）有機組的運行監視及操作。

　　簡述

　　風力發電機組控製單元(WPCU)是每台風機的控製核心，分散布置在機組（zǔ）的塔筒（tǒng）和機艙內。由於風電（diàn）機組現場運行環境惡劣（liè），對控製係統的可靠性要求非常高，而風（fēng）電（diàn）控（kòng）製係（xì）統是專門針對大型風電場的運行需求而設（shè）計，應具有極高的環境適應性和（hé）抗電（diàn）磁幹（gàn）擾等能（néng）力，其係統結構如下：

　　風（fēng）電控製係統的現場控製站包括：塔座主控製器機櫃、機艙控（kòng）製站機櫃、變槳距係統、變流器係統、現場（chǎng）觸摸屏站、以太（tài）網交換機、現場總線通訊（xùn）網絡（luò）、UPS電源（yuán）、緊（jǐn）急停機後備係統等。風電控（kòng）製係統的網絡結構如圖1所示：

　　1、塔座控製站（zhàn）

　　塔座控製站即（jí）主（zhǔ）控製器機櫃是風電機組設備控製的核心，主要包括控製器、I/O模（mó）件等。控製器硬件采用32位處理器，係統軟件采用強實時性（xìng）的（de）操作係統，運行機組的各類複雜主控（kòng）邏輯通過現（xiàn）場總線與機艙控製器機櫃（guì）、變（biàn）槳（jiǎng）距係統、變流器（qì）係統進行實（shí）時通訊，以使機組運行在最佳狀態。

　　控製器（qì）的組態采用功能豐富、界麵友好的組態軟件，采用符合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（jié）構化文本等組態方式。

　　2、機艙控製（zhì）站

　　機艙控製站采集機（jī）組傳感器測量的溫度、壓力、轉速以及環境參數等信號，通過現場總線和機組主控製站通訊，主控（kòng）製器通過（guò）機艙控製機架以實現機組的偏航、解（jiě）纜等功（gōng）能，此外還對機艙內各（gè）類輔助電機、油泵、風扇進行控（kòng）製以使機組工作在最佳狀態。

　　3、變槳距係統（tǒng）

　　大型MW級以上風（fēng）電機組通常采用液壓變槳係統或電動變槳係統。變（biàn）槳係統由前端（duān）控製器（qì）對3個風（fēng）機（jī）葉片的槳距驅動裝置進行控製，其是主控製器的執行單元，采用CANOPEN與主控（kòng）製器進行通訊，以調節3個（gè）葉片的槳距工作在最佳狀態。變槳係統有後備電源係統和安全鏈保護，保證在（zài）危（wēi）急工況下緊急停機。

　　4、變流器係統

　　大型風力發電（diàn）機組目前（qián）普遍采用大功率的變流器以實現發（fā）電能源的變換，變流器係統（tǒng）通過現場總線（xiàn）與主控（kòng）製器進行通（tōng）訊，實現機組的轉速（sù）、有（yǒu）功功率和無功功（gōng）率的調節。

　　5、現（xiàn）場觸摸屏站

　　現場觸摸屏站（zhàn）是機組（zǔ）監控的就地操作站，實現風力機組（zǔ）的就地（dì）參數設置（zhì）、設備（bèi）調試、維護等功能，是機組控製係統（tǒng）的現場上位機操作員站。

　　6、以（yǐ）太網交換機(HUB)

　　係統采用工業級以太網交換機，以實現單台機組的控製器、現場觸摸屏和遠端控製中心網絡的（de）連接。現（xiàn）場（chǎng）機櫃內（nèi）采用普通雙絞線連接，和遠程控製（zhì）室上位機采用光纜連接。

　　7、現場通（tōng）訊網（wǎng）絡

　　主控製（zhì）器具有CANOPEN、PROFIBUS、MODBUS、以太（tài）網（wǎng）等多（duō）種類型的現場總線接口，可根據項目的實際需求進行配置。

　　8、UPS電源

　　UPS電源用於保證係統在（zài）外部電源斷電的情況下，機組控製係統、危（wēi）急保護係（xì）統以及相關執行單元的（de）供電（diàn）。

　　9、後備危（wēi）急安（ān）全鏈係統

　　後備危急安全鏈係（xì）統獨立於計算機係統的硬件保護措施，即使控製係統發生異常，也不會（huì）影響安全鏈的正常動作。安全鏈是將可能對風力發電機（jī）造成致命傷害的超常（cháng）故障串（chuàn）聯成一個回路（lù），當安全鏈動（dòng）作後將引（yǐn）起緊急（jí）停機，機組脫網，從而最大限度地保證（zhèng）機組的安全。

　　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，實現整個（gè）風場的遠程監控，上位機監控軟件應具有如下功能：

　　①係統具有友好的控製界（jiè）麵。在（zài）編製（zhì）監控軟件時，充分考慮到風電場（chǎng）運行管理（lǐ）的要求，使用漢（hàn）語菜單，使操作簡單，盡可能為風電場的管理提供（gòng）方便。

　　②係統顯示各台機組的運行（háng）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（jī）的轉速和風速、風向等（děng），將下位機的這些（xiē）數（shù）據調入上（shàng）位機，在顯示器上顯示出來，必要時還可以（yǐ）用曲線（xiàn）或圖表的形式直觀地顯示出來。

　　③係統顯示各風電機組的運行狀態，如開機、停車、調向、手/自動控製以及大/小發電機工（gōng）作等情況，通過各風電機組的狀態了解（jiě）整個風電場的運行情況。

　　④係統能夠及時顯示各機組運行過（guò）程中發（fā）生的故障。在顯示故（gù）障時，能（néng）顯示出（chū）故障的類型及（jí）發生時間，以便運行人員（yuán）及時處（chù）理及消除（chú）故障，保證風電機組的安全和持續運行。

　　⑤係統能夠對（duì）風電機組實現集中控製。值班員在集中控製室內，隻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和對其實施控製。如開（kāi）機、停機和左（zuǒ）右調向等。但這類操作有一定的權限，以保證整個風電場的（de）運行（háng）安全。

　　⑥係統管理。監控軟（ruǎn）件具有運行（háng）數據的定時打印（yìn）和（hé）人工即時打印以（yǐ）及故（gù）障自動（dòng）記錄的功能，以（yǐ）便隨時查看風（fēng）電場運行狀況的曆史記錄情況。

　　基本功能

　　(1)數據采集(DAS)功能：包括（kuò）采集電網、氣象、機組（zǔ）參數（shù），實現控製、報警、記（jì）錄、曲線功能等;

　　(2)機組控（kòng）製功能：包括自動啟動機組（zǔ）、並網控（kòng）製、轉速控製、功率控製、無功補（bǔ）償控（kòng）製、自動（dòng）對風控製、解纜（lǎn）控製、自動脫網、安全停機控製等（děng）;

　　(3)遠程監控係統功能：包括機組參數、相關設備（bèi）狀態的監控，曆史和（hé）實時曲線功（gōng）能，機組運行（háng）狀況（kuàng）的累計（jì）監測等。

　　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（kuò）電網三相電壓、三相電流、電網頻率、功率（lǜ）因數等。電壓故障檢（jiǎn）測：電網電壓閃變、過電壓、低電壓、電壓跌落、相序故障、三相（xiàng）不對（duì）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（fā）電機線圈溫（wēn）度、發電機前後軸（zhóu）承溫度、齒輪箱油溫度、齒輪箱前後軸承溫度、液壓係統油溫、油壓、油位、機艙振動、電纜紐轉、機艙溫度（dù）等。

　　風電場遠程監控中心的上位機和塔座觸摸屏站均可實現機組的狀態監視，實現相關參數的顯示（shì）、記錄、曲線、報警等功能。

　　2、機組啟（qǐ）停、發電控製

　　(1)主控係統檢測電網參數、氣象參數、機組（zǔ）運行參數，當條件滿足（zú）時，啟動偏（piān）航係統執行自動解纜、對風控製，釋放機組的（de）刹車盤，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（xiàng）係統監測的風速大於某一定值時，主（zhǔ）控係統啟動變流器係統開始進行轉子勵磁，待發電（diàn）機定子輸出電能與電網同頻、同相、同幅時（shí），合閘出口斷路器實現並網發電。

　　(3)風力機組功率、轉速（sù）調節

　　根據（jù）風力機特性（xìng），當機組（zǔ）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（zǔ）轉速可在任意轉速下運行，但受實際機組轉速限製、係統功率限製，不得不將該階段分為以下（xià）幾個運行區域：即變速運行區域、恒速運行（háng）區域和恒功率運行區。額定功率內的運行狀態包括：變速運行區(最佳的λ)和恒速（sù）運行區（qū）。

　　當風機並網後（hòu），轉速小於極限（xiàn）轉速、功率低（dī）於額定功（gōng）率時，根據當前（qián）實（shí）際風速，調節（jiē）風輪（lún）的轉速，使機組工作（zuò）在捕獲（huò）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（yǐ）轉距觀測器來預測風力機組的機（jī）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（shù）。

　　當（dāng）風速增加（jiā）使發電機轉速達上限後，主控製器需（xū）維持轉速恒定，風力（lì）機（jī）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（xù）增加，使轉速、功率都達到上限後，進（jìn）入恒功率運行區運行，此狀態下主控通過變流器，維持機組的功率恒定，主控製（zhì）器一方麵通過槳距係統的（de）調節減少風力攻角，減少葉片對風能的捕獲（huò）;另一方麵通過（guò）變流器降低（dī）發電機轉速節，使（shǐ）風力機組偏離最佳λ曲線運行，維（wéi）持發電（diàn）機的輸出功（gōng）率穩定。

　　主要方向

　　1陸地風力發電機組采用（yòng）1.5/2M雙饋異步發電機組。

　　2、離岸（àn）風力發電機組采用4/5M永磁同步全饋發電機組。

　　3、建設大（dà）型或（huò）者超大型的風力（lì）電場(有上百（bǎi）台風力機組組成)。

　　4、風力機（jī）組（zǔ）控製係統具有高電壓，低電壓（yā）等（děng）電網故障穿越功能。

　　5、風力（lì）發電（diàn）機組在在線發電時可調節功率（lǜ）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。