风力发电机控制系统介绍

实时DSP 2个RS-485接口 电量测量 16个DO、26个DI、4个AO
可测量三相： 4个计数器输入、 电压电流 8个PT100、 有功无功 4个AI（±10V） 功率因数 4个AI（0~20mA） 2个热敏电阻输入
• 目前，风力发电机组主要有两种系统控制方式， 即恒速恒频控制方式和变速恒频控制方式。前者 采用“恒速风力机+感应发电机”，常采用定桨距 失速调节或主动失速调节来实现功率控制。后者 采用“变速风力机+变速发电机”，在额定风速以 下时，控制发电机的转矩，使系统转速跟踪风速 变化，以保持最佳叶尖速比，最大限度地捕获风 能；在额定风速以上时，采用变速与变桨距双重 控制，以便限制风力机所获取的风能，保证风电 机组恒功率（一般为额定功率）输出。
• 8、在电网中断、缺相和过压的情况下，风机应停止运行，此时控制 系统不能供电。如果正在运行时风机遇到这种情况，应能自动脱网、 启动刹车和抱闸停机，此时偏航机构不会动作，风机的机械结构部分 应能承受考验。
• 9、风机塔架内的悬挂电缆只允许扭转±2.5圈，系统已设计了正/反向 扭缆计数器，超过时自动停机解缆，达到要求后再自动开机，恢复运 行发电。
2、机组发电运行要求的控制功能
• 风力发电机组的控制目标 • 基本控制功能 • 系统运行的各种传感器配
置 • 机组运行工作状态划分及
转换 • 机组的启/停功能 • 偏航系统的运行功能 • 液压系统控制功能 • 发电机的并网控制 • 机组发电运行控制
主要功能
机组运行时控制要求
• 1、大风情况下，当风速达到停机风速时，风机应叶尖限速脱网-抱液 压机械闸停机，而且在脱网同时，风机偏航90°。停机后待风速降低 到大风开机风速时，风机又可自动并入电网运行。
变频器（ABB)
电驱变桨结构
液压驱动变桨结构
• A 变桨系统可单独对每个叶片的变桨角度 进行调整，在其中一个变桨系统出现故障 时可
• 安全的停机。变桨系统完成的功能如下：
• 当风速超过额定风速时，通过控制叶片角 度来控制风机的速度和功率。
• 当安全链被打开时，叶片作为空气动力制 动装置安全停机（安全运行）。
• 对于变距变速型风机，叶片在切入电网 后到额定功率输出前，正常小风启动时， 叶片节距角维持在0左右，基本不变化， 这时主要调节风轮转速，使其跟随风速 的变化保持最佳叶尖速比运行，从而达 到额定风速下的最大能量捕获效率，额 定风速之上，通过叶片节距角逐渐增大， 减低Cp值，限制功率输出，达到切出风 速时，节距角调整为90 °脱网停机。
PLC的控制顺序
主控制系统（PLC）
• WP4051 WPL110
WP4000 WPL150
WPL351 WPL351
• 触摸屏 电源(通信)模块 CPU模块
电量测量模块 I/O模块 I/O模块
可给8个 存储、处理数据 模块供电 2个串口、
光纤通信 1个以太网接口 以太网接口 编程环境C、
IEC61131-3
• B 控制系统配备了电池柜，当电网掉电的情 况下由电池供电给变桨变频器，使风机
• 安全停机。变桨电机、带有变桨变频器的 变桨控制柜位于轮毂内，而电池柜、供电 电
• 源在机舱内。利用滑环起到旋转信号和固 定信号之间的连接。利用顺桨位置的接近 开
• 关检测顺桨位置、工作位置的接近开关检 测工作位置。检测叶片是否在工作区域之 内、
• 5、风机的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下应该松机械闸， 其余状态下（大风停机、断电和故障等）均应抱闸。
• 6、机朱运行时机械闸除非在脱网瞬间、超速和断电时释放，平时维 修起稳定刹车作用。
机组运行要求
• 7、在大风停机和超速停机的情况下，风机除了应该脱网、抱闸和气 动刹车停机外，还应该自动投入偏航控制，使风机的机舱轴心线与风 向成一定的角度，增加风机脱网的安全度，待机舱转约90°后，机舱 保持与风向偏90°跟风控制，跟风范围±15°。
• 并网运行以后，风速增加达 8m/s，切小， 并大，从高风降到8m/s以下时，切大并小
变距控制
• 变距叶轮的桨叶在静止时，节距角为 90°，如图9-4所示，这时气流对桨叶 不产生力矩，整个桨叶实际上是一块阻 尼板。当风速达到起动风速时，桨叶向 0°方向转动，直到气流对桨叶产生一 定的攻角，叶轮开始起动。
风力发电机控制系统介绍
控制系统概述
第一部分
• 风力发电机组的控制系统由各种传感器、 控制器以及各种执行机构等组成。各种传 感器包括：风速传感器、风向传感器、转 速传感器、位置传感器、各种电量变送器、 温度传感器、振动传感器、限位开关、压 力传感器以及各种操作开关和按钮等。这 些传感器信号将传送至控制器进行运算处 理。
• 2、为了避免小风时发生频繁开、停机现象，在并网后10分钟内不能 按风速自动停机。同样，在小风自动脱网停机后，5分钟内不能再次 并网。
• 3、当风速小于停机风速时，为了避免风机长期逆功率运行，造成电 网损耗，应自动脱网，使风机处于自由转动的待风状态。
• 4、当风速大于开机风速，要求偏航机构始终能自动跟风。跟风精度 范围±15°。
• （2）垂直于风轮的风速与偏航角度的变化呈正弦 关系，如果偏航角变化10度，功率下降只变化几 个百分比，而如果桨距角变化10度，功率下降会 很明显。
• 在变速机组上应用主动偏航控制，振风引起的的 超功率可以暂时储存在风轮动能里，如果继续超 功率，再进行偏航动作，这种设计方法已在 Gamma 60试验样机上获得成功，偏航最大速率8 度/s。
• 目前，风力发电机组主要有两种系统控制方式， 即恒速恒频控制方式和变速恒频控制方式。前者 采用“恒速风力机+感应发电机”，常采用定桨距 失速调节或主动失速调节来实现功率控制。后者 采用“变速风力机+变速发电机”，在额定风速以 下时，控制发电机的转矩，使系统转速跟踪风速 变化，以保持最佳叶尖速比，最大限度地捕获风 能；在额定风速以上时，采用变速与变桨距双重 控制，以便限制风力机所获取的风能，保证风电 机组恒功率（一般为额定功率）输出。
第一部分 控制系统基础
主控制器一般以PLC为核心，包括其硬件系 统和软件系统。上述传感器信号表征了风 力发电机组目前的运行状态。当机组的运 行状态与设定状态不相一致时，经过PLC的 适当运算和处理后，由控制器发出控制指 令，将系统调整到设定运行状态，从而完 成各种控制功能。这些控制功能主要有： 机组的启动和停机、变速恒频控制、变桨 距控制、偏航控制等。控制的执行机构可 以采用电动执行机构，也可采用液压执行 机构等。
变桨系统的结构与功能
• 是否超过了工作位置。 • C 齿轮箱是紧凑的，具有高的过载能力。
为了调制变桨，使叶片能够达到顺桨位置、 工 • 作位置，变频器和变桨电机瞬时超载，大 约以2倍的额定转矩驱动齿轮箱，这种情况 一天 • 中可能会发生几次。
偏航控制
• 偏航控制：通过转动风轮使其远离风向，减少功率吸收， 它需要偏航驱动系统，轮毂要承受偏航回转力矩，总的来 说控制有效、设计简单。
变桨系统的结构与功能
• 当风速低于额定风速时，通过调整叶片角 度最大可能的从风中吸收更多的功率。
• 通过衰减风旋转交互作用引起的振动使风 机上的机械载荷极小化。
• 3个叶片受三个独立的变桨系统控制，其中 每个叶片通过变桨电机驱动变速箱、
• 小齿轮、变桨轴承内齿圈转动。变桨变频 器控制变桨电机的速度，使每个叶片在顺 桨
• 10、风机应具有手动控制功能（包括远程遥控手操），手动控制时 “自动”功能应该解除，相反地投入自动控制时，有些“手动”功能 自动屏蔽。
• 11、控制系统应该保证风机的所有监控参数在正常允许的范围内，一 旦超过极限并出现危险情况，应能自动处理并安全停机。
主控系统
• 控制系统是风电机组 安全运行的大脑指挥 中心，控制系统的安 全运行就是机组安全 运行的保证，各类机 型中，变速变距型风 电机组控制技术较复 杂，其控制系统主要 由三部分组成：主控 制器、桨距调节器、 功率控制器（转矩控 制器）。系统构成如 图所示：
变桨系统的结构与功能
• 位置、工作位置之间持续的自动的变桨。 PLC 根据功率控制给叶片角度的参考值， 然
• 后变桨变频器控制叶片向参考位置变桨。 当安全链打开的情况下，叶片回到顺桨位 置
• 以减慢轮毂的转动速度。安全锁保护叶片 只能往顺桨位置方向旋转，不能反转，保 证
• 风机的安全停机。
变桨系统的结构与功能
控制技术简介
• 计算机控制‘ • 主从控制 • 偏航控制 • 变距控制 额定风速以上的恒功率控制，常规的控制技术 • 最佳尖速比的功率优化控制——变速控制 • 工作点柔性协调控制—降温升的功率控制 线性增益调度
控制。 • 抑制扰动的鲁棒控制 • 结构振动控制，激励源避开耦合谐振频率的控制 • 传动链载荷减缓的控制，即抑制扭动冲击力的控制
二、机组电气控制系统主要形式
• 整体控制系统主要按 机组型号分类
• 失速机型控制系统 • 双馈式变速恒频型 • 直驱永磁式变速控
制系统 • 同步机励磁型 • 交流异步机全变流器
型
并网控制原理
• 双速风力发电机组中大小电机并网、切换 控制技术，利用晶体管改变切入电阻的特 性限制并网时的电流冲击
• 风速小于8m/s,软切并入小电机，大于时并 入大电机。
计算机控制及其特点
• 计算机控制系统 计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅 助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的 系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模， 如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输 入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系 和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信 号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、 微波、无线电波、光波等进行联系。被控对象的范围很广， 包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、 实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩 具等。控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到 某种要求，也可以是达到某种最优化目标。
• 控制系统还应具有各种保护功能，使风力 发电机组发生危险或故障时，能够快速报 警并迅速转换为安全状态。严重的危险和 故障往往导致风电机组紧急停机。
2 控制功能
• 风力发电机组的控制系统应能完成机组 的正常运行控制和对机组运行参数及运行 状态的在线检测与监控。后者已在第5.3节 中作了详细介绍，这里主要介绍前者。
最佳叶尖速比控制实施方法
• （1）恒定尖速比控制策略，控制风机最佳 尖速比运行，获得最大能量吸收效率，风 机的功率特性曲线存储在控制器的内存中， 不断测量风速和风轮转速，计算出实际尖 速比，并与最佳尖速比参考值比较，得到 的误差信号反馈到控制器中，从而使控制 器调节转速，最小化误差信号。这种策略 的缺点是由于上风向机组风速传感器在风 轮后面，测量不准确，此外，特性曲线随 叶片翼面的改变而改变，也不准确。
• 控制系统的控制功能因机组类型的不同 而有所区别，归纳起来主要包括：
• a 机组的启动和停机程序； • b 发电机并网程序及软并网控制； • c 双速感应发电机的自动切换控制； • d 补偿电容器的分组投入和切换； • e 叶尖扰流器控制； • f 变桨距控制； • g 变速恒频控制； • h 偏航控制； • i 扭缆限制； • j 低电压穿越 • k 紧急停机等。
• 驱动偏航、自由偏航或固定式偏航 • 下风向风机采用自由偏航方式，风机象一个大的风向
标一样自动跟随风向摆动，不需要驱动装置，可以设计偏 航阻尼限制偏航速率。 • 上风向风机一般采用主动偏航方式，驱动系统包括偏航 电机、减速机、偏航刹车机构等，这种驱动方式塔架需要 承受偏航扭矩。
偏航控制
• 大多数水平轴风机采用偏航机构旋转风轮顺风， 限制功率输出。但这种方法响应速度很慢，原因 有：（1）机舱和风轮有很大的惯性力矩；
最佳叶尖速比控制实施方法
• （2）最大功率点跟踪控制策略，这种控制
策略基于功率与速度的变化率来控制，即
跟踪峰值
，在机组运行时，风轮转
速有微小的增加或减少时，测量功率变化，
并观测
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的变化，如
调节风轮
转速增加，如果
，调节风轮转速减
小，最终
，叶轮转速不再改变，达
到最大功率捕获点。这种控制策略对风速
和叶片特性的改变不敏感。