风力发电控制系统

(1)发电机系统

监控发电机运行参数，通过3台冷却风扇和4台电加热器，控制发电机线圈温度、轴承温度、滑环室温度在适当的范围内，相关逻辑如下:

当发电机温度升高至某设定值后，起动冷却风扇，当温度降低到某设定值时，停止风扇运行;当发电机温度过高或过低并超限后，发出报警信号，并执行安全停机程序。

当温度越低至某设定值后，起动电加热器，温度升高至某设定值后时，停止加热器运行;同时电加热器也用于控制发电机的温度端差在合理的范围内。

(2)液压系统

机组的液压系统用于偏航系统刹车、机械刹车盘驱动。机组正常时，需维持额定压力区间运行。

液压泵控制液压系统压力，当压力下降至设定值后，启动油泵运行，当压力升高至某设定值后，停泵。

(3)气象系统

气象系统为智能气象测量仪器，通过RS485口和控制器进行通讯，将机舱外的气象参数采集至控制系统。根据环境温度控制气象测量系统的加热器以防止结冰。

闪光障碍灯控制，每个叶片的末端安装闪光障碍灯，在夜晚点亮。

机舱风扇控制机舱内环境温度。

(4)电动变桨距系统

变桨距系统包括每个叶片上的电机、驱动器、以及主控制PLC等部件，该PLC通过CAN总线和机组的主控系统通讯，是风电控制系统中桨距调节控制单元，变桨距系统有后备DO顺桨控制接口。桨距系统的主要功能如下:紧急刹车顺桨系统控制，在紧急情况下，实现风机顺桨控制。通过CAN通讯接口和主控制器通讯，接受主控指令，桨距系统调节桨叶的节角距至预定位置。桨距系统和主控制器的通讯内容包括:

桨叶A位置反馈

桨叶B位置反馈

桨叶C位置反馈

桨叶节距给定指令

桨距系统综合故障状态

叶片在顺桨状态

顺桨命令

(5)增速齿轮箱系统

齿轮箱系统用于将风轮转速增速至双馈发电机的正常转速运行范围内，需监视和控制齿轮油泵、齿轮油冷却器、加热器、润滑油泵等等。

当齿轮油压力低于设定值时，起动齿轮油泵;当压力高于设定值时，停止齿轮油泵。当压力越限后，发出警报，并执行停机程序。

齿轮油冷却器/加热器控制齿轮油温度:当温度低于设定值时，起动加热器，当温度高于设定值时停止加热器;当温度高于某设定值时，起动齿轮油冷却器，当温度降低到设定值时停止齿轮油冷却器。

润滑油泵控制，当润滑油压低于设定值时，起动润滑油泵，当油压高于某设定值时，停止润滑油泵。

(6)偏航系统控制

根据机舱角度和测量的低频平均风向信号值，以及机组当前的运行状态、负荷信号，调节CW(顺时针)和CCW(逆时针)电机，实现自动对风、电缆解缆控制。

自动对风:当机组处于运行状态或待机状态时，根据机舱角度和测量风向的偏差值调节CW、CCW电机，实现自动对风。(以设定的偏航转速进行偏航，同时需要对偏航电机的运行状态进行检测)

自动解缆控制:当机组处于暂停状态时，如机舱向某个方向扭转大于720度时，启动自动解缆程序，或者机组在运行状态时，如果扭转大于1024度时，实现解缆程序。

(7)大功率变流器通讯

主控制器通过CANOPEN通讯总线和变流器通讯，变流器实现并网/脱网控制、发电机转速调节、有功功率控制、无功功率控制:

并网和脱网:变流器系统根据主控的指令，通过对发电机转子励磁，将发电机定子输出电能控制至同频、同相、同幅，再驱动定子出口接触器合闸，实现并网;当机组的发电功率小于某值持续几秒后或风机或电网出现运行故障时，变流器驱动发电机定子出口接触器分闸，实现机组的脱网。

发电机转速调节:机组并网后在额定负荷以下阶段运行时，通过控制发电机转速实现机组在最佳λ曲线运行，通过将风轮机当做风速仪测量实时转距值，调节机组至最佳状态运行。

功率控制:当机组进入恒定功率区后，通过和变频器的通讯指令，维持机组输出而定的功率。

无功功率控制:通过和变频器的通讯指令，实现无功功率控制或功率因数的调节。

(8)安全链回路

安全链回路独立于主控系统，并行执行紧急停机逻辑，所有相关的驱动回路有后备电池供电，保证系统在紧急状态可靠执行。

1陆地风力发电机组采用1.5/2M双馈异步发电机组。

2、离岸风力发电机组采用4/5M永磁同步全馈发电机组。

3、建设大型或者超大型的风力电场(有上百台风力机组组成)。

4、风力机组控制系统具有高电压，低电压等电网故障穿越功能。

5、风力发电机组在在线发电时可调节功率因数，在不发电时也可以调节功率因数，进行无功补偿，净化电网。

风力发电机组控制单元(WPCU)是每台风机的控制核心，分散布置在机组的塔筒和机舱内。由于风电机组现场运行环境恶劣，对控制系统的可靠性要求非常高，而风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计，应具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等能力，其系统结构如下:

风电控制系统的现场控制站包括:塔座主控制器机柜、机舱控制站机柜、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、以太网交换机、现场总线通讯网络、UPS电源、紧急停机后备系统等。风电控制系统的网络结构如图1所示:

1、塔座控制站

塔座控制站即主控制器机柜是风电机组设备控制的核心，主要包括控制器、I/O模件等。控制器硬件采用32位处理器，系统软件采用强实时性的操作系统，运行机组的各类复杂主控逻辑通过现场总线与机舱控制器机柜、变桨距系统、变流器系统进行实时通讯，以使机组运行在最佳状态。

控制器的组态采用功能丰富、界面友好的组态软件，采用符合IEC61131-3标准的组态方式，包括:功能图(FBD)、指令表(LD)、顺序功能块(SFC)、梯形图、结构化文本等组态方式。

2、机舱控制站

机舱控制站采集机组传感器测量的温度、压力、转速以及环境参数等信号，通过现场总线和机组主控制站通讯，主控制器通过机舱控制机架以实现机组的偏航、解缆等功能，此外还对机舱内各类辅助电机、油泵、风扇进行控制以使机组工作在最佳状态。

3、变桨距系统

大型MW级以上风电机组通常采用液压变桨系统或电动变桨系统。变桨系统由前端控制器对3个风机叶片的桨距驱动装置进行控制，其是主控制器的执行单元，采用CANOPEN与主控制器进行通讯，以调节3个叶片的桨距工作在最佳状态。变桨系统有后备电源系统和安全链保护，保证在危急工况下紧急停机。

4、变流器系统

大型风力发电机组目前普遍采用大功率的变流器以实现发电能源的变换，变流器系统通过现场总线与主控制器进行通讯，实现机组的转速、有功功率和无功功率的调节。

5、现场触摸屏站

现场触摸屏站是机组监控的就地操作站，实现风力机组的就地参数设置、设备调试、维护等功能，是机组控制系统的现场上位机操作员站。

6、以太网交换机(HUB)

系统采用工业级以太网交换机，以实现单台机组的控制器、现场触摸屏和远端控制中心网络的连接。现场机柜内采用普通双绞线连接，和远程控制室上位机采用光缆连接。

7、现场通讯网络

主控制器具有CANOPEN、PROFIBUS、MODBUS、以太网等多种类型的现场总线接口，可根据项目的实际需求进行配置。

8、UPS电源

UPS电源用于保证系统在外部电源断电的情况下，机组控制系统、危急保护系统以及相关执行单元的供电。

9、后备危急安全链系统

后备危急安全链系统独立于计算机系统的硬件保护措施，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。安全链是将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串联成一个回路，当安全链动作后将引起紧急停机，机组脱网，从而最大限度地保证机组的安全。

所有风电机组通过光纤以太网连接至主控室的上位机操作员站，实现整个风场的远程监控，上位机监控软件应具有如下功能:

①系统具有友好的控制界面。在编制监控软件时，充分考虑到风电场运行管理的要求，使用汉语菜单，使操作简单，尽可能为风电场的管理提供方便。

②系统显示各台机组的运行数据，如每台机组的瞬时发电功率、累计发电量、发电小时数、风轮及电机的转速和风速、风向等，将下位机的这些数据调入上位机，在显示器上显示出来，必要时还可以用曲线或图表的形式直观地显示出来。

③系统显示各风电机组的运行状态，如开机、停车、调向、手/自动控制以及大/小发电机工作等情况，通过各风电机组的状态了解整个风电场的运行情况。

④系统能够及时显示各机组运行过程中发生的故障。在显示故障时，能显示出故障的类型及发生时间，以便运行人员及时处理及消除故障，保证风电机组的安全和持续运行。

⑤系统能够对风电机组实现集中控制。值班员在集中控制室内，只需对标明某种功能的相应键进行操作，就能对下位机进行改变设置状态和对其实施控制。如开机、停机和左右调向等。但这类操作有一定的权限，以保证整个风电场的运行安全。

⑥系统管理。监控软件具有运行数据的定时打印和人工即时打印以及故障自动记录的功能，以便随时查看风电场运行状况的历史记录情况。

风力发电正在世界上形成一股热潮，风力发电在芬兰、丹麦等国家 很流行，我国也在西部地区大力提倡。因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，是一种特别好的发电方式。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度(微风的程度)，便可以开始发电。

风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。

风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行;我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统:风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为:叶片用来接受风力并通过机头转为电能;尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能;机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13~25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。

机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连,将转矩传递到发电机的传动轴,此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型。

风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一以大气为工作介质的能量利用机械。

机舱:机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。

转子叶片:捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很像飞机的机翼。

轴心:转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。

低速轴:风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。

齿轮箱:齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。 高速轴及其机械闸:高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。

发电机:通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。 偏航装置:借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风力发电机偏航。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。

电子控制器:包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障(即齿轮箱或发电机的过热)，该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。

液压系统:用于重置风力发电机的空气动力闸。

冷却元件:包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风力发电机具有水冷发电机。

塔:风力发电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。

风速计及风向标:用于测量风速及风向

风力发电利用的是自然能源。相对火电、核电等发电要更加绿色、环保。