風力發電控制系統簡述

一 風電控制系統簡述

　　風電控制系統包括現場風力發電機組控制單元、高速環型冗余光纖以太網、遠程上位機操作員站等部分。現場風力發電機組控制單元是每臺風機控制的核心，實現機組的參數監視、自動發電控制和設備保護等功能；每臺風力發電機組配有就地HMI人機接口以實現就地操作、調試和維護機組；高速環型冗余光纖以太網是系統的數據高速公路，將機組的實時數據送至上位機界面；上位機操作員站是風電廠的運行監視核心，并具備完善的機組狀態監視、參數報警，實時/歷史數據的記錄顯示等功能，操作員在控制室內實現對風場所有機組的運行監視及操作。

　　風力發電機組控制單元（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。由于風電機組現場運行環境惡劣，對控制系統的可靠性要求非常高，而風電控制系統是專門針對大型風電場的運行需求而設計，應具有極高的環境適應性和抗電磁干擾等能力，其系統結構如下：
　　
　　風電控制系統的現場控制站包括：塔座主控制器機柜、機艙控制站機柜、變槳距系統、變流器系統、現場觸摸屏站、以太網交換機、現場總線通訊網絡、UPS電源、緊急停機后備系統等。 風電控制系統的網絡結構如圖1所示：

1、塔座控制站

　　塔座控制站即主控制器機柜是風電機組設備控制的核心，主要包括控制器、I/O模件等。 控制器硬件采用32位處理器，系統軟件采用強實時性的操作系統，運行機組的各類復雜主控邏輯通過現場總線與機艙控制器機柜、變槳距系統、變流器系統進行實時通訊，以使機組運行在最佳狀態。

　　控制器的組態采用功能豐富、界面友好的組態軟件，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、結構化文本等組態方式。

　　2、機艙控制站

　　機艙控制站采集機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制站通訊，主控制器通過機艙控制機架以實現機組的偏航、解纜等功能，此外還對機艙內各類輔助電機、油泵、風扇進行控制以使機組工作在最佳狀態。

　　3、變槳距系統

　　大型MW級以上風電機組通常采用液壓變槳系統或電動變槳系統。變槳系統由前端控制器對3個風機葉片的槳距驅動裝置進行控制，其是主控制器的執行單元，采用CANOPEN與主控制器進行通訊，以調節3個葉片的槳距工作在最佳狀態。變槳系統有后備電源系統和安全鏈保護，保證在危急工況下緊急停機。

　　4、變流器系統

　　大型風力發電機組目前普遍采用大功率的變流器以實現發電能源的變換，變流器系統通過現場總線與主控制器進行通訊，實現機組的轉速、有功功率和無功功率的調節。

　　5、現場觸摸屏站

現場觸摸屏站是機組監控的就地操作站，實現風力機組的就地參數設置、設備調試、維護等功能，是機組控制系統的現場上位機操作員站。

　　6、以太網交換機（HUB）

系統采用工業級以太網交換機，以實現單臺機組的控制器、現場觸摸屏和遠端控制中心網絡的連接。現場機柜內采用普通雙絞線連接，和遠程控制室上位機采用光纜連接。

　　7、現場通訊網絡

　　主控制器具有CANOPEN、PROFIBUS、MODBUS、以太網等多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電源用于保證系統在外部電源斷電的情況下，機組控制系統、危急保護系統以及相關執行單元的供電。

　　9、 后備危急安全鏈系統

　　后備危急安全鏈系統獨立于計算機系統的硬件保護措施，即使控制系統發生異常，也不會影響安全鏈的正常動作。安全鏈是將可能對風力發電機造成致命傷害的超常故障串聯成一個回路，當安全鏈動作后將引起緊急停機，機組脫網，從而最大限度地保證機組的安全。

　　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，實現整個風場的遠程監控，上位機監控軟件應具有如下功能:

　　① 系統具有友好的控制界面。在編制監控軟件時，充分考慮到風電場運行管理的要求，使用漢語菜單，使操作簡單，盡可能為風電場的管理提供方便。

　　② 系統顯示各臺機組的運行數據，如每臺機組的瞬時發電功率、累計發電量、發電小時數、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 系統顯示各風電機組的運行狀態，如開機、停車、調向、手/自動控制以及大/小發電機工作等情況，通過各風電機組的狀態了解整個風電場的運行情況。

　　④ 系統能夠及時顯示各機組運行過程中發生的故障。在顯示故障時，能顯示出故障的類型及發生時間，以便運行人員及時處理及消除故障，保證風電機組的安全和持續運行。

　　⑤ 系統能夠對風電機組實現集中控制。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和對其實施控制。如開機、停機和左右調向等。但這類操作有一定的權限，以保證整個風電場的運行安全。

　　⑥ 系統管理。監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。

　　二 風電控制系統基本功能

　　（1）數據采集（DAS）功能：包括采集電網、氣象、機組參數，實現控制、報警、記錄、曲線功能等；

　　（2）機組控制功能：包括自動啟動機組、并網控制、轉速控制、功率控制、無功補償控制、自動對風控制、解纜控制、自動脫網、安全停機控制等；

　　（3）遠程監控系統功能：包括機組參數、相關設備狀態的監控，歷史和實時曲線功能，機組運行狀況的累計監測等。

　　1、數據采集（DAS）功能

　　機組運行過程中進行監測的相關參數包括：

　　（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、發電機線圈溫度、發電機前后軸承溫度、齒輪箱油溫度、齒輪箱前后軸承溫度、液壓系統油溫、油壓、油位、機艙振動、電纜紐轉、機艙溫度等。

　　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、記錄、曲線、報警等功能。