风电机组控制系统

风电机组控制系统

摘要：风电机组控制系统作为风电机组的重要组成部分，我们有必要对其进行详细的研究论述。本文主要介绍风电机组控制系统的组成结构和风电机组在运行时不同区域的基本控制策略，以及不同厂家在风电机组主要系统的实现上对软硬件采用情况。

关键词：风电机组 控制系统 构成

一、风电机组控制系统的组成结构

从实现功能的角度可以将控制系统分为：主控系统、变流控制系统、变桨距控制系统、偏航控制系统、液压控制系统及安全链保护。这些控制系统通常采用分布式控制系统，主控制器只有一个，且位于地面的塔筒柜里，而从控制器有好几个，这些从控制器之间是通过光纤、工业以太网、profibus 、CANbus 等进行通信的。为了能够更直观更清晰地了解控制系统的总体结构，以下将展示其结构图，具体如图1： 主控制器运行监控机组起停远程通信故障监测及保护动作电网、风况检测

人机界面

输入用户命令、变更参数

显示系统运行状态、统计

数据和故障

变桨距控制柜

桨距角调整

转速控制功率控制系统安全链系统紧急停机保护

偏航控制系统自动调向控制解缆控制液压站控制刹车机构压力控制机械刹车控制变流控制柜

交流励磁控制

并网控制

图1 控制系统的总体结构图

二、风电机组在运行时不同区域的基本控制策略

根据风速情况以及风力机功率特性，变速恒频风力发电机组的运行可以划分成很多区域，分别为：待机区、启动并网区、最大风能追踪区、转速限制区、功率限制区、切出保护区。

（1）待机区：控制系统的带电工作，保证所有执行机构和信号均处于正常状态。

（2）启动并网区：当风速达到切入风速时，风电机组起动，通过变桨距机

构调节桨距角使风力机升速，达到并网转速时，执行并网程序，使发电机组顺利切入电网，并带上初负荷。待发电机出口三相电压的电网电压满足同期条件时，接触器合闸，发电机并入电网。

（3）最大风能追踪区：风力发电机组运行在额定风速以下时，发电机输出功率未达到额定功率，此时控制目标为保持最佳叶尖速比，快速稳定的电机变速控制，尽可能将风能转化为输出的电能，实现风能最大捕获。

（4）转速恒定区：这一区域内发电机转速达到最大值，并保持恒定，风速逐步增大，机组功率因为发电机扭矩的增大而增加。而这个阶段，为了保护机组的安全运行，不再进行最大风能追踪，该区域的转速限制主要是通过调节发电机的电磁转矩实现的，功率曲线也较前一阶段平滑。

（5）功率恒定区：如果风速继续增大，发电机和变流器将达到其功率额定值，此时，只能减小风轮吸收的能量才能保障机组的安全，于是加入变桨距控制，增大桨距角，继续减小风能利用系数Cp，以维持机组的输出功率稳定在额定值。

（6）切出保护区：当风速继续增大，超过切出风速时，从保护机组的角度出发要将风力机叶片调至顺桨状态，风力发电机组切出电网，实现安全停机。

三、不同厂家在风电机组主要系统的实现上对软硬件采用情况

（1）关于主控系统

主控制器是电控系统的核心，要完成对机组运行参数和状态的检测和监控，同时要建立良好的人机交互界面和远程通讯的功能。

在主控系统的硬件上，几乎所有的厂家都选择PLC作为主控制器PLC系统因为构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长，也能进行连续过程的PID回路控制，并能与上位机构成复杂的控制系统，实现生产过程的综合自动化；使用方便，编程简单，开发周期短，现场调试容易；能适应风电场恶劣的运行环境，可靠性强，所以完全适用于风电领域。

（2）关于变桨系统

变桨距是指风电机组安装在轮毂上的叶片借助控制技术和动力系统改变桨距角的大小从而改变叶片气动特性，使桨叶和整机的受力情况大为改善。

作为变桨系统，主要有两大技术路线，如下：

1.电动变桨方式：几乎所有的国内风机制造商以及GE、Enercon、Suzlon、Siemens都是采用该种变桨方式，驱动电机有直流电机和交流电机之分，传动方式有齿轮齿圈传动和齿形皮带传动（仅有金风一家）之分。

2.液压变桨方式：以Vestas和Gamesa两大国际风机巨头为代表。

两种变桨方式各有优缺点，两种系统在基本功能方面几乎是一致的，而在细节方面各有利弊，目前在电动型应用领域更为广泛。

（3）关于变流系统

电力电子变流器作为风力发电与电网的接口，要满足风电机组控制、配合实现风能的最大捕获、向电网输送优质电能等要求。近来低电压穿越功能的提出，使得变流器愈显重要。

在变流器方面，除金风风机采用全功率变流器以外，其余厂家采用的基本都是双馈型机组，变流器的容量为机组额定容量的1/3，在变流器的产品中也存在着两种不同的技术路线。

1.基于磁场定向原理的矢量控制变流器：科孚德、GE变流器、Gamesa变流器、深圳禾望等，国内外厂家都采用该种控制方法的变流器。

2.基于直接转矩控制原理的变流器：以ABB公司的ACS800型变流器为典型代表。

以上两种变流器虽然代表不同的技术，但是在风力发电领域的应用中都有很好的表现。目前金风、联合动力都有机型通过了中国电科院的测试。