一、系統(tǒng)概述

    風(fēng)力發(fā)電場具有機(jī)組布置范圍廣闊，設(shè)備運(yùn)行的自然環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)專為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而設(shè)計(jì)，產(chǎn)品集成了當(dāng)代最先進(jìn)的電力電子、微電子、網(wǎng)絡(luò)和軟件技術(shù)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下：

風(fēng)電控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

     WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)包括現(xiàn)場風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制單元、高速環(huán)型冗余光纖以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程上位機(jī)操作員站等部分。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制單元（WPCU）

    風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制單元（WPCU）是每臺(tái)風(fēng)機(jī)的控制核心，分散布置在機(jī)組的塔筒和機(jī)艙內(nèi)。由于風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境惡劣，對控制系統(tǒng)的可靠性要求非常高，而WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)是專門針對大型風(fēng)電場的運(yùn)行需求而設(shè)計(jì)，具有極高的環(huán)境適應(yīng)性和抗電磁干擾等特點(diǎn)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

     WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站包括：塔座主控制器機(jī)架、機(jī)艙控制站機(jī)架、變槳距系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)、現(xiàn)場觸摸屏站、以太網(wǎng)交換機(jī)、現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)、UPS電源、緊急停機(jī)后備系統(tǒng)等。

三、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（WPCM）

        所有風(fēng)電機(jī)組通過光纖以太網(wǎng)連接至主控室的上位機(jī)操作員站，實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控，上位機(jī)監(jiān)控軟件具有如下功能:
    ① 系統(tǒng)具有友好的控制界面。
    
    ② 系統(tǒng)顯示各臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如每臺(tái)機(jī)組的瞬時(shí)發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量、發(fā)電小時(shí)數(shù)、風(fēng)輪及電機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速、風(fēng)向等，將下位機(jī)的這些數(shù)據(jù)調(diào)入上位機(jī)，在顯示器上顯示出來，必要時(shí)還可以用曲線或圖表的形式直觀地顯示出來。
    
    ③ 系統(tǒng)顯示各風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，如開機(jī)、停車、調(diào)向、手/自動(dòng)控制以及大/小發(fā)電機(jī)工作等情況，通過各風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)了解整個(gè)風(fēng)電場的運(yùn)行情況。
    
    ④ 系統(tǒng)能夠及時(shí)顯示各機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生的故障。
    
    ⑤ 系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)集中控制。值班員在集中控制室內(nèi)，只需對標(biāo)明某種功能的相應(yīng)鍵進(jìn)行操作，就能對下位機(jī)進(jìn)行改變設(shè)置狀態(tài)和對其實(shí)施控制。

    ⑥ 系統(tǒng)管理。監(jiān)控軟件具有運(yùn)行數(shù)據(jù)的定時(shí)打印和人工即時(shí)打印以及故障自動(dòng)記錄的功能，以便隨時(shí)查看風(fēng)電場運(yùn)行狀況的歷史記錄情況。

四、WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)功能

WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)具有以下基本功能：
1、數(shù)據(jù)采集（DAS）功能

    機(jī)組運(yùn)行過程中進(jìn)行監(jiān)測的相關(guān)參數(shù)包括：
    （1）電網(wǎng)參數(shù)，包括電網(wǎng)三相電壓、三相電流、電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)等。電壓故障檢測：電網(wǎng)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(shù)，包括風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度等。
    （3）機(jī)組狀態(tài)參數(shù)檢測，包括：風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)線圈溫度、發(fā)電機(jī)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(tǒng)油溫、油壓、油位、機(jī)艙振動(dòng)、電纜扭轉(zhuǎn)、機(jī)艙溫度等。
    
2、機(jī)組啟停、發(fā)電控制

    （1）主控系統(tǒng)檢測電網(wǎng)參數(shù)、氣象參數(shù)、機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)條件滿足時(shí)，啟動(dòng)偏航系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)解纜、對風(fēng)控制，釋放機(jī)組的剎車盤，調(diào)節(jié)槳距角度，風(fēng)車開始自由轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。
    （2）當(dāng)外部氣象系統(tǒng)監(jiān)測的風(fēng)速大于某一定值時(shí)，主控系統(tǒng)啟動(dòng)變流器系統(tǒng)開始進(jìn)行轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，待發(fā)電機(jī)定子輸出電能與電網(wǎng)同頻、同相、同幅時(shí)，合閘出口斷路器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。
    （3）風(fēng)力機(jī)組功率、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)
    根據(jù)風(fēng)力機(jī)特性，當(dāng)機(jī)組處于最佳葉尖速比λ運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)機(jī)組將捕獲得最大的能量，雖理論上機(jī)組轉(zhuǎn)速可在任意轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，但受實(shí)際機(jī)組轉(zhuǎn)速限制、系統(tǒng)功率限制，不得不將該階段分為以下幾個(gè)運(yùn)行區(qū)域：即變速運(yùn)行區(qū)域、恒速運(yùn)行區(qū)域和恒功率運(yùn)行區(qū)。額定功率內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)包括：變速運(yùn)行區(qū)（最佳的λ）和恒速運(yùn)行區(qū)。
    當(dāng)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后，轉(zhuǎn)速小于極限轉(zhuǎn)速、功率低于額定功率時(shí)，根據(jù)當(dāng)前實(shí)際風(fēng)速，調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，使機(jī)組工作在捕獲最大風(fēng)能的狀態(tài)。
    
3、風(fēng)電控制系統(tǒng)輔助設(shè)備邏輯

    （1）發(fā)電機(jī)系統(tǒng)
    監(jiān)控發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，通過3臺(tái)冷卻風(fēng)扇和4臺(tái)電加熱器，控制發(fā)電機(jī)線圈溫度、軸承溫度、滑環(huán)室溫度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，相關(guān)邏輯如下：
    當(dāng)發(fā)電機(jī)溫度升高至某設(shè)定值后，起動(dòng)冷卻風(fēng)扇，當(dāng)溫度降低到某設(shè)定值時(shí)，停止風(fēng)扇運(yùn)行；當(dāng)發(fā)電機(jī)溫度過高或過低并超限后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并執(zhí)行安全停機(jī)程序。
    當(dāng)溫度越低至某設(shè)定值后，起動(dòng)電加熱器，溫度升高至某設(shè)定值后時(shí)，停止加熱器運(yùn)行；同時(shí)電加熱器也用于控制發(fā)電機(jī)的溫度端差在合理的范圍內(nèi)。
    
    （2）液壓系統(tǒng)
    機(jī)組的液壓系統(tǒng)用于偏航系統(tǒng)剎車、機(jī)械剎車盤驅(qū)動(dòng)。機(jī)組正常時(shí)，需維持額定壓力區(qū)間運(yùn)行。
    液壓泵控制液壓系統(tǒng)壓力，當(dāng)壓力下降至設(shè)定值后，啟動(dòng)油泵運(yùn)行，當(dāng)壓力升高至某設(shè)定值后，停泵。
    
    （3）氣象系統(tǒng)
    氣象系統(tǒng)為智能氣象測量儀器，通過RS485口和控制器進(jìn)行通訊，將機(jī)艙外的氣象參數(shù)采集至控制系統(tǒng)。
    根據(jù)環(huán)境溫度控制氣象測量系統(tǒng)的加熱器以防止結(jié)冰。
    閃光障礙燈控制，每個(gè)葉片的末端安裝閃光障礙燈，在夜晚點(diǎn)亮。
    機(jī)艙風(fēng)扇控制機(jī)艙內(nèi)環(huán)境溫度。
    
    （4）電動(dòng)變槳距系統(tǒng)
    變槳距系統(tǒng)包括每個(gè)葉片上的電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、以及主控制PLC等部件，該P(yáng)LC通過CAN總線和機(jī)組的主控系統(tǒng)通訊，是風(fēng)電控制系統(tǒng)中槳距調(diào)節(jié)控制單元，變槳距系統(tǒng)有后備DO順槳控制接口。
    
    （5）增速齒輪箱系統(tǒng)
    齒輪箱系統(tǒng)用于將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增速至雙饋發(fā)電機(jī)的正常轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍內(nèi)，需監(jiān)視和控制齒輪油泵、齒輪油冷卻器、加熱器、潤滑油泵等等。
    當(dāng)齒輪油壓力低于設(shè)定值時(shí)，起動(dòng)齒輪油泵；當(dāng)壓力高于設(shè)定值時(shí)，停止齒輪油泵。當(dāng)壓力越限后，發(fā)出警報(bào)，并執(zhí)行停機(jī)程序。
    齒輪油冷卻器/加熱器控制齒輪油溫度：當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，起動(dòng)加熱器，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)停止加熱器；當(dāng)溫度高于某設(shè)定值時(shí)，起動(dòng)齒輪油冷卻器，當(dāng)溫度降低到設(shè)定值時(shí)停止齒輪油冷卻器。
    潤滑油泵控制，當(dāng)潤滑油壓低于設(shè)定值時(shí)，起動(dòng)潤滑油泵，當(dāng)油壓高于某設(shè)定值時(shí)，停止?jié)櫥捅谩?
    
    （6）偏航系統(tǒng)控制
    根據(jù)當(dāng)前的機(jī)艙角度和測量的低頻平均風(fēng)向信號(hào)值，以及機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)荷信號(hào)，調(diào)節(jié)CW（順時(shí)針）和CCW（逆時(shí)針）電機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對風(fēng)、電纜解纜控制。
    自動(dòng)對風(fēng)：當(dāng)機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)或待機(jī)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)機(jī)艙角度和測量風(fēng)向的偏差值調(diào)節(jié)CW、CCW電機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對風(fēng)。（以設(shè)定的偏航轉(zhuǎn)速進(jìn)行偏航，同時(shí)需要對偏航電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測）
    自動(dòng)解纜控制：當(dāng)機(jī)組處于暫停狀態(tài)時(shí)，如機(jī)艙向某個(gè)方向扭轉(zhuǎn)大于720度時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)解纜程序，或者機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如果扭轉(zhuǎn)大于1024度時(shí)，實(shí)現(xiàn)解纜程序。
    
    （7）大功率變流器通訊
    主控制器通過CANOPEN通訊總線和變流器通訊，變流器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)/脫網(wǎng)控制、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、有功功率控制、無功功率控制：
    并網(wǎng)和脫網(wǎng)：變流器系統(tǒng)根據(jù)主控的指令，通過對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，將發(fā)電機(jī)定子輸出電能控制至同頻、同相、同幅，再驅(qū)動(dòng)定子出口接觸器合閘，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)；當(dāng)機(jī)組的發(fā)電功率小于某值持續(xù)幾秒后或風(fēng)機(jī)或電網(wǎng)出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，變流器驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)定子出口接觸器分閘，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的脫網(wǎng)。
    發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)：機(jī)組并網(wǎng)后在額定負(fù)荷以下階段運(yùn)行時(shí)，通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)機(jī)組在最佳λ曲線運(yùn)行，通過將風(fēng)輪機(jī)當(dāng)做風(fēng)速儀測量實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)距值，調(diào)節(jié)機(jī)組至最佳狀態(tài)運(yùn)行。
    功率控制：當(dāng)機(jī)組進(jìn)入恒定功率區(qū)后，通過和變頻器的通訊指令，維持機(jī)組輸出而定的功率。
    無功功率控制：通過和變頻器的通訊指令，實(shí)現(xiàn)無功功率控制或功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。

    （8）安全鏈回路
    安全鏈回路獨(dú)立于主控系統(tǒng)，并行執(zhí)行緊急停機(jī)邏輯，所有相關(guān)的驅(qū)動(dòng)回路有后備電池供電，保證系統(tǒng)在緊急狀態(tài)可靠執(zhí)行。
    
五、結(jié)束語

        風(fēng)電作為綠色可再生能源近年來受到了國家產(chǎn)業(yè)政策的大力扶持，科遠(yuǎn)成立風(fēng)電事業(yè)部從事風(fēng)電控制系統(tǒng)的研究也正是在這個(gè)大背景下提出。我國目前在風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變速齒輪箱以及葉片等制造技術(shù)方面取得長足進(jìn)步，但是包括變速恒頻控制系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、接入系統(tǒng)以及風(fēng)電場綜合監(jiān)控系統(tǒng)等在內(nèi)的控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與國外還存在較大的差距，目前幾乎全部從國外引進(jìn)，而且國外廠商對某些關(guān)鍵技術(shù)還進(jìn)行封鎖。因此從打破國外技術(shù)壟斷，保證國家電力安全和分享巨大的風(fēng)電市場角度考慮，WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)的研制成功將具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。