风力发电机组控制系统

控制系统简介

控制系统的作用是使风力发电机组系统在正常运行时不出故障或少出故障，并且在出故障后能够以最快的速度修复系统，使系统恢复正常。

控制系统以主动或被动的方式控制机组的运行，使系统运行在安全运行的规定范围内，且各项参数保持在正常工作范围内。控制系统可以控制的功能和参数包括功率极限、风轮转速、电气负载的连接，启动及停机过程、电网或负载丢失时的停机、纽揽限制、机舱对风、运行时电量和温度参数的限制。

变桨距风力发电机组与定桨距恒速型风力发电机组控制方法略有不同，即功率调节方式不同，它采用变桨距方式改变风轮能量的捕获，从而使风力发电机组的输出功率发生变化，最终达到限制功率输出的目的。

保护环节以失效保护为原则设计，当内部或外部发生故障，甚至出现危险情况引起机组不能正常运行时，系统安全保护装置动作，保护风力发电机组处于安全状态。

在下列情况下系统自动执行保护功能:超速、发电机过载和故障、机组过振动、电网或负载丢失、脱网时的停机失败等。保护环节为多级安全链互锁。此外,系统还设计了防雷装置, 对主电路和控制电路分别进行防雷保护。控制线路中每一电源和信号输入端均设有防高压元件主控柜设有良好的接地并提供简单而有效的疏雷通道。

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风力发电机控制系统的组成

对于变桨距风力发电机组，只是发电机软切入控制略有区别。控制系统由微机控制器（包括监控显示运行控制器、并网控制器、发电机功率控制器）、运行状态数据监控系统、控制输出驱动电路模板（输出伺服电动机、液压伺服机构、机电切换装置）等系统组成。主要有空气断路器，控制切换接触器，过电流、过电压及避雷保护器件，电流、电压及温度转换电路，发电机并网控制装置，偏航控制系统，相位补偿系统，停机制动控制装置等。传感信号主要由信号接口电路完成。向计算机控制器提供电气隔离标准信号。这些信号有模拟量20点、开关量60多点、频率量10多点，信号的电压和电流范围一般为工业标准信号。

一 控制系统输入信号

系统监测的参数有三相电压、三相电流、电网频率、功率因数、输出功率、发电机转速、风轮转速、发电机绕组温度、齿轮箱油温、环境温度、控制板温度、机械制动闸片磨损及温度、电缆扭绞、机舱振动、风速仪和风向标等。为了得到系统运行的情况，系统还需监测各接触器的开关、液压闪压力状况、偏航运作和按键输入等情况。而控制系统输出控制的是并网晶闸管触发、相位补偿、旁路接触器的开合、空气断路器的开合、空气制动、机械制动和偏航。这些控制输出都需要状态反馈，所以系统的输入量包括20多点模拟量、10点频率量、60多点开关量。模拟输入量有发电机和电网的三相电压、三相电流和发电机绕组温度度、齿轮箱油温、环境温度、传动机构等旋转机构的热升温度，频率输入量有风轮转速、发电机转速、风 速仪、风向标、偏航正反向计数、扭费正反向计数等，开关输入量主要有按键信号16个、制动闸片磨损、制动闸片热、风向标0°、风向标90°、偏航顺时针传感、偏航道时针传感、机舱振动、偏航电动机过载、旁路接触器状态、风轮液压压力信号〈风轮转速过高时出现)、机械制动液压压力高、机械制动液压压力低、外部错误信号等。

二 控制系统输出信号

系统的控制输出主要是控制各电磁阀、接触器线圈、空气断路器的开合输出。电磁阁和接触器侧的开合则与发电动机的并网、偏航电动机〈顺时针和逆时针 )的动作、相位补偿的三步投切、空气制动及机械制动系统的动作等有关。还有系统的软并网和软脱网控制。此外，对变桨距风力发电机组， 还要求根据风速变化调节变桨距控制输出。

控制系统的控制内容

一 风力发电机组的控制目标

1.控制系统保持风力发电机组安全可靠运行，同时高质量将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电送入电网。

2.控制系统采用计算机控制技术实现风力发电机组的运行参数、状态监控显示及故障处理，完成机组的最佳运行状态管理和控制。

3.利用计算机智能控制实现机组的功率优化控制。定桨距恒速机组主要进行软切入、软切出及功率因数补偿控制，变桨距风力发电机组主要进行最佳尖速比和额定风速以上的恒功率控制。

4.大于开机风速并且转速达到并网转速的条件下，风力发电机组能软切入自动并网，保证电流冲击小于额定电流。当风速在4一7m/s之间，切人小发电机组〈小于300kW)并网运行 ；当风速在7-30 7m/s之间，切入大发电机组〈大于500kW)并网运行。

二 正常运行的控制内容

1. 开机并网控制

当10min平均风速在系统工作区域内，机械闸松开，叶尖复位，风力作用于风轮旋转平面上，风力发电机组慢慢启动。当发电机转速大于20%的额定转速持续5min，转速仍达不到60%额定转速，发电机进入电网软拖动状态，软拖方式视机组型号而定。正常情况下，风力发电机组转速连续增高，不必软拖增速，当转速达到软切转速时，风力发电机组进入软切人状态，当转速升到发电机同步转速时，旁路主接触器动作，机组并入电网运行。

对于有大、小发电机的失速型风力发电机组，按风速范围和功率的大小，确定大、小电机的投入。大电机和小电机的发电工作转速不一致，通常为1000r/min和1500r/min，在小电机脱网、大电机并网的切换过程中，要求严格控制，通常必须在几秒内完成控制。

2. 小风和逆功率脱网

小风和逆功率停机是将风力发电机组停在待风状态。当10min平均风速小于小风脱网风速或发电机输出功率负到一定值后，风力发电机组不允许长期在电网运行，必须脱网，处于自由状态，风力发电机组靠自身的摩擦阻力缓慢停机，进入待机状态。当风速再次上升，风力发电机组又可以自动旋转起来，达到并网转速，风力发电机组又投入并网运行。

3. 普通故障脱网停机

机组运行时发生参数越限、状态异常等普通故障后，风力发电机组进入普通停机程序，机组投入气动刹车，软脱网，待低速轴转速低于一定值后，再抱机械闻。如果是由于内部因素产生的可恢复故障，计算机可自行处理，无需维护人员到现场，即可恢复正常开机。

4. 紧急故障脱网停机

当系统发生紧急故障，如风力发电机组发生飞车、超速、振动及负载丢失等故障时，风力发电机组进入紧急停机程序，机组投入气动刹车的同时执行 90°偏航控制，机舱旋转偏主风向，转速达到一定限制后脱网，低速轴转速小于一定转速后，抱机械闸。

5. 安全链动作停机

安全链动作停机指电控制系统软保护控制失败时，为安全起见所采取停机—叶尖气动刹车、机械和刹车和脱网同时动作，风力发电机组在几秒内停下来。

6. 大风脱网控制

当风速 10min平均值大于25m/s时，风力发电机组可能出现超速和过载，为了机组的安全，这时风力发电机组必须进行大风脱网停机。风力发电机组先投入气动刹车，同时偏航90°，等功率下降后脱网，20s后或者低速轴转速小于一定值时，抱机械闸，风力发电机组完全停止。当风速回到工作风速区后，开始自动对风，待转速上升后，风力发电机组又重新开始自动并网运。

7. 对风控制

风力发电机组在工作风速区时，应根据机舱的控制灵敏度，确定每次偏航的调整角度。用这两种方法判定机舱与风向的偏离角度，根据偏离的程度和风向传感器的灵敏度，时刻调整机舱偏左还是偏右的角度。

8. 偏转90°对风控制

风力发电机组在大风速或超转速工作时，为了风力发电机组的安全停机，必须降低风力发电机组的功率，释放风轮的能量。当10min平均风速大于25m/s或风力发电机组转速大于转速超速上限时，风力发电机组做偏转90°控制，同时投入气动刹车，脱网，转速降下来后，抱机械闸停机。在大风期间实行90°跟风控制，以保证机组大风期间的安全。

9. 功率调节

当风力发电机组在额定风速以上并网运行时，对于失速型风力发电机组，由于叶片的失速特性，发电机的功率不会超过额定功率的15%。一旦发生过载，必须脱网停机。对于变桨距风力发电机组，必须进行变桨距调节，减小风轮的捕风能力，以便达到调节功率的目的。通常桨距角的调节范围在-2°-86°。

10. 软切入控制

风力发电机组在进入电网运行时，必须进行软切入控制，当机组脱离电网运行时，也必须软脱网控制。利用软并网装置，可完成软切入/切出的控制。通常软并网装置主要由大功率晶闸管和有关控制驱动电路组成。控制的目的就是通过不断监测机组的三相电流和发电机的运行状态，限制软切入装置通过控制主回路晶闸管的导通角。以控制发电机的端电压，达到限制启动电流的目的。在电机转速接近同步转速时，旁路接触器动作，将主回路晶闸管断开软切入过程结束，软并网成功。通常限制软切入电流为额定电流的1.5倍。

三 风力发电机组的自动控制功能

并网型风力发电机组一般可以完成以下自动控制功能。

1. 大风情况下，当风速达到停机风速时，风力发电机组应叶尖限速、脱网、抱液压机械闸、停机，而且在脱网同时，风力发电机组偏航90°。停机后待风速降低到大风开机风速时，风力发电机组又自动并网运行。

2. 为了避免小风时频繁开、停机现象 ，在并网后10min内不能按风速自动停机。同样，在小风自动脱网停机后，5min内不能软切并网。

3. 当风速小于停机风速时，为了避免风力风力发电机组长期逆功率运行，造成电网损耗、应自动脱网，使风力发电机组处于自由转动的待风状态。

4. 当风速大于开机风速，要求风力发电机组的偏航机构始终能自动跟风。跟风精度范围±15°。

5. 风力发电机组的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下，应该松开机械闸，其余状态下（大风停机、断电和故障等）均应抱闸。

6. 风力发电机组的叶尖闸除非在脱网瞬间、超速和断电时释放，起平稳刹车作用，其余时间（运行期间、正常和故障停机期间）均处于归为状态。

7. 在发风停机和超速停机的情况下，风力发电机组除了应该脱网、抱闸和摔叶尖闸停机外，还应该自动投入偏航控制，使风力发电机组的机舱轴心线与风向成一定的角度，增加风力发电机组脱网的安全度。待机舱转约90°后，机舱保持与风向偏90°更风控制，跟风范围±15°。

8. 在电网中断、缺相和过电压的情况下，风力发电机组应停止运行，此时控制系统不能供电。如果正在运行时风力发电组遇到这种情况，应能自动脱网和抱闸停机，此时偏航机构不会动作，风力发电机组的机械部分应能承受考验。

9. 风力发电机组塔架内的悬挂电缆只允许扭转2.5圈，系统已设计了正/反纽揽计数器，超过自动停机解缆，达到要求后再自动开机，回复运行发电。

10.风力发电机组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；相反的，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力发电机组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。

四 控制系统工作流程

主机关合上后，风力发电机组控制器准备自动动作。首先系统初始化，检查控制程序、微控制器硬件和外设、传感器来的脉冲及比较所选的操作参数，备份系统工作表，接着就正式启动。启动第一秒内，检查电网，设置各计数器、输出机构的初始工作状态及晶闸管的导通角。完成后，风电机组开始自动运行。用于风轮的叶尖本是90°,恢复后为0°，风轮转动，计算机开始时刻检测各参数输入，判断是否可以并网，判断参数是否超过极限，执行偏航、相位补偿、机械制动或空气制动。其中相位补偿的作用在于使功率因数保持在0.95-0.99之间。流程图如下：

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风电机组的现场信号采集

一 电量信号

1. 电压、电流

测量信号范围宽，要求有较好的线性度；测量信号谐波丰富，频谱特性复杂；电压、电流信号为矢量信号，暂态反应速度应低于0.02s，精度高于0.5级。

2. 功率因数

影响风电机组发电量和补偿电容投入容量，要求精度较高。

3. 电网频率

一般在工频附近，要求精度±0.1Hz，反应速度快，一次电压、电流由PT、CT转换为可采样的交流信号，经滤波整形限幅后进行A/D转换。

1. 以上数据信号采集点集中，数据流量大，采样速度高。风力发电机组的电压、电流采样数据用途主要有两个： 在发电机或主回路元件故障及电网发生危机及风电机组运行异常状态时，作为微机保护的判据。

2. 作为风电机组发电量统计、性能评估、状态显示的重要参数，以及超功率和低功率时作为风电机组退出运行判据。同时，也作为就地电容补偿投切的重要判据。

风电机组继电保护属于低电压流、电压保护。根据风力发电机组与电网连接和运行的特点，电力故障的形式比较简单，输入信号的暂态分量不丰富，仅要求纯基频分量的输入信号，即可作为风电机组电力故障判据。同时，算法选择还需兼顾数据统计的需要，因而选择博氏全波算法作为风电机组微机继电保护算法。博氏算法数据窗长度20ms，计算量和采样频率对于单片机系统来说是一个需要妥善处理的问题，对IPC系统，则需要妥善处理数据流量分配的问题，可直接应用于低压网络的电压、电流后备保护，配备差分滤波器以削弱电流中衰减的直流分量作为电流速断保护，加速出口故障的切除时间。

二 温度信号

温度数据信号采集点相对集中，器件热容量较大，反映到温度变化较慢，可采用铂电阻测量。温度参数可作为器件疲劳程度和风电机组运行效能的判断依据，而不宜作为突发故障的保护判据。温度统计对于故障分析和历史数据趋势分析有一定作用。

由PT100铂电阻对温度进行采样，采样信号经电路处理后形成0-5V电压，根据采用点空间布置和距离数据处理中心位置，在机舱上设计一个采集模块，就地将温度值转换为数字信号。

三 风向

风力发电机组对风向的测量由风向标实现。风向瞬时波动频繁，幅度不大。风力发电机

组为主动对风设计，当风向发生变化时，由偏航机构根据风向标信号带动机头随风转动，对风向的测量不要求具体位置。风力发电机组对风向的测量由风向标来完成。随着数字电路的发展，风向标的种类也有许多。其中一种内部带有一个8位的格雷码盘，当风向标随风转动时，同时也带动格雷码盘转动，由此得到不同的格雷码数，通过光电感应元件，形成一组8位的数字输入信号。格雷码盘将360°划分成256个区，每个区分为1. 41°，所以其测量精度为1. 41°。这种风向标可以确定风向的具体位置。

另一种风向标如图8-6所示。风向标形成的信号为两个开关量，正向是1号传感器，为

0°轴，2号传感器同1号传感器成90°夹角，为90°轴，这样形成一个带4个象限的虚拟坐标，如图8-7所示。当风向标转动后，就会同风力发电机组现在的方向形成夹角，而风力发电机组现在的方向必定会落在风向标所形成的坐标象限内，从而确定风力发电机组的偏航方向和停止偏航的标记。其中，0/1 表示传感器送来的信号在0和1之间不停地摆动，表示传感器送来的信号可以为0也可以为1。

四 风轮转速

风轮转速范围为10一30r/min。根据现场空间布置，可采用霍尔元件将转速信号转换为窄脉冲，脉冲范围为7-20Hz。通常工作在10Hz以上。叶片转速与电机转速相差一个固定变化，可以相互校验 被测信号的可靠性。

风力发电机组转速的测量点有两个：发电机主轴转速和风 轮转速转。转速信号由霍尔传感器进行采样，经整形滤波后输入信号为频率信号，经光耦合器隔离后送至频率数字化模块。一般测频的方法有两种：一种通过计量单位时间内的脉冲个数获得；一种测量相邻脉冲的时间间隔，通过求倒数获得频率。对于频率较高的信号，采用前一种方法可以获得较高的精度，对于频率较低的信号，采用后一种方法可以节省系统资源，获得较高精度。转速测量，用于判断风电机组并网和脱网，还可用于判别超速条件，当风轮转速超过30r/min或电机转速超过1575r/min时，应停机。

五 风速

风速通过安装在机舱外的光电数字式风速计测得〈图8-8)。风速计送出的信号为频率值，经光耦合器隔离后送至频率数字化模块，模块可处理最大输入频率值为6. 8kHz。模块采用485 通信方式把数据送给工控机，计算机把传送来的频率信号经平均后转换成风速。由于频率-风速的转换关系为非线性，在转换过程中采用了分段线性的方法进行处理。风速值可根据功率进行校验，当风速在3m/s以下，功率高于150kW持续1min时，或风速在8m/s以上，功率低于100kW持续1min时， 表示风速计有故障。