摘要：本文對風(fēng)力發(fā)電整個控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡述，并對風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)基本功能進(jìn)行了詳細(xì)的說明，然后對目前我廠風(fēng)力發(fā)電技術(shù)狀態(tài)及對策進(jìn)行了簡單描述，最后簡單介紹了目前風(fēng)力發(fā)電的主要方向。
一 風(fēng)電控制系統(tǒng)簡述
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?，F(xiàn)場風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制單元是每臺風(fēng)機(jī)控制的核心，實現(xiàn)機(jī)組的參數(shù)監(jiān)視、自動發(fā)電控制和設(shè)備保護(hù)等功能；每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配有就地HMI人機(jī)接口以實現(xiàn)就地操作、調(diào)試和維護(hù)機(jī)組；高速環(huán)型冗余光纖以太網(wǎng)是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)高速公路，將機(jī)組的實時數(shù)據(jù)送至上位機(jī)界面；上位機(jī)操作員站是風(fēng)電廠的運行監(jiān)視核心，并具備完善的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)報警，實時/歷史數(shù)據(jù)的記錄顯示等功能，操作員在控制室內(nèi)實現(xiàn)對風(fēng)場所有機(jī)組的運行監(jiān)視及操作。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制單元（WPCU）是每臺風(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)場運行環(huán)境惡劣，對控制系統(tǒng)的可靠性要求非常高，而風(fēng)電控制系統(tǒng)是專門針對大型風(fēng)電場的運行需求而設(shè)計，應(yīng)具有極高的環(huán)境適應(yīng)性和抗電磁干擾等能力，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：
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)柜、機(jī)艙控制站機(jī)柜、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。 風(fēng)電控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1、塔座控制站
塔座控制站即主控制器機(jī)柜是風(fēng)電機(jī)組設(shè)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(tǒng)軟件采用強(qiáng)實時性的操作系統(tǒng)，運行機(jī)組的各類復(fù)雜主控邏輯通過現(xiàn)場總線與機(jī)艙控制器機(jī)柜、變槳距系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)進(jìn)行實時通訊，以使機(jī)組運行在最佳狀態(tài)。
控制器的組態(tài)采用功能豐富、界面友好的組態(tài)軟件，采用符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)方式，包括：功能圖（FBD）、指令表（LD）、順序功能塊（SFC）、梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本等組態(tài)方式。
2、機(jī)艙控制站
機(jī)艙控制站采集機(jī)組傳感器測量的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速以及環(huán)境參數(shù)等信號，通過現(xiàn)場總線和機(jī)組主控制站通訊，主控制器通過機(jī)艙控制機(jī)架以實現(xiàn)機(jī)組的偏航、解纜等功能，此外還對機(jī)艙內(nèi)各類輔助電機(jī)、油泵、風(fēng)扇進(jìn)行控制以使機(jī)組工作在最佳狀態(tài)。
3、變槳距系統(tǒng)
大型MW級以上風(fēng)電機(jī)組通常采用液壓變槳系統(tǒng)或電動變槳系統(tǒng)。變槳系統(tǒng)由前端控制器對3個風(fēng)機(jī)葉片的槳距驅(qū)動裝置進(jìn)行控制，其是主控制器的執(zhí)行單元，采用 CANOPEN與主控制器進(jìn)行通訊，以調(diào)節(jié)3個葉片的槳距工作在最佳狀態(tài)。變槳系統(tǒng)有后備電源系統(tǒng)和安全鏈保護(hù)，保證在危急工況下緊急停機(jī)。
4、變流器系統(tǒng)
大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組目前普遍采用大功率的變流器以實現(xiàn)發(fā)電能源的變換，變流器系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線與主控制器進(jìn)行通訊，實現(xiàn)機(jī)組的轉(zhuǎn)速、有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。
5、現(xiàn)場觸摸屏站
現(xiàn)場觸摸屏站是機(jī)組監(jiān)控的就地操作站，實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)組的就地參數(shù)設(shè)置、設(shè)備調(diào)試、維護(hù)等功能，是機(jī)組控制系統(tǒng)的現(xiàn)場上位機(jī)操作員站。
6、以太網(wǎng)交換機(jī)（HUB）
系統(tǒng)采用工業(yè)級以太網(wǎng)交換機(jī)，以實現(xiàn)單臺機(jī)組的控制器、現(xiàn)場觸摸屏和遠(yuǎn)端控制中心網(wǎng)絡(luò)的連接?，F(xiàn)場機(jī)柜內(nèi)采用普通雙絞線連接，和遠(yuǎn)程控制室上位機(jī)采用光纜連接。
7、現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)
主控制器具有CANOPEN、PROFIBUS、MODBUS、以太網(wǎng)等多種類型的現(xiàn)場總線接口，可根據(jù)項目的實際需求進(jìn)行配置。
8、UPS電源
UPS電源用于保證系統(tǒng)在外部電源斷電的情況下，機(jī)組控制系統(tǒng)、危急保護(hù)系統(tǒng)以及相關(guān)執(zhí)行單元的供電。
9、 后備危急安全鏈系統(tǒng)
后備危急安全鏈系統(tǒng)獨立于計算機(jī)系統(tǒng)的硬件保護(hù)措施，即使控制系統(tǒng)發(fā)生異常，也不會影響安全鏈的正常動作。安全鏈?zhǔn)菍⒖赡軐︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)造成致命傷害的超常故障串聯(lián)成一個回路，當(dāng)安全鏈動作后將引起緊急停機(jī)，機(jī)組脫網(wǎng)，從而最大限度地保證機(jī)組的安全。
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，實現(xiàn)整個風(fēng)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控，上位機(jī)監(jiān)控軟件應(yīng)具有如下功能:
① 系統(tǒng)具有友好的控制界面。在編制監(jiān)控軟件時，充分考慮到風(fēng)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(fēng)電場的管理提供方便。
② 系統(tǒng)顯示各臺機(jī)組的運行數(shù)據(jù)，如每臺機(jī)組的瞬時發(fā)電功率、累計發(fā)電量、發(fā)電小時數(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)組的運行狀態(tài)，如開機(jī)、停車、調(diào)向、手/自動控制以及大/小發(fā)電機(jī)工作等情況，通過各風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)了解整個風(fēng)電場的運行情況。
④ 系統(tǒng)能夠及時顯示各機(jī)組運行過程中發(fā)生的故障。在顯示故障時，能顯示出故障的類型及發(fā)生時間，以便運行人員及時處理及消除故障，保證風(fēng)電機(jī)組的安全和持續(xù)運行。
⑤ 系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組實現(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)和對其實施控制。如開機(jī)、停機(jī)和左右調(diào)向等。但這類操作有一定的權(quán)限，以保證整個風(fēng)電場的運行安全。
⑥ 系統(tǒng)管理。監(jiān)控軟件具有運行數(shù)據(jù)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(fēng)電場運行狀況的歷史記錄情況。
二 風(fēng)電控制系統(tǒng)基本功能
（1）數(shù)據(jù)采集（DAS）功能：包括采集電網(wǎng)、氣象、機(jī)組參數(shù)，實現(xiàn)控制、報警、記錄、曲線功能等；
（2）機(jī)組控制功能：包括自動啟動機(jī)組、并網(wǎng)控制、轉(zhuǎn)速控制、功率控制、無功補(bǔ)償控制、自動對風(fēng)控制、解纜控制、自動脫網(wǎng)、安全停機(jī)控制等；
（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能：包括機(jī)組參數(shù)、相關(guān)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，歷史和實時曲線功能，機(jī)組運行狀況的累計監(jiān)測等。
1、數(shù)據(jù)采集（DAS）功能
機(jī)組運行過程中進(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、電纜紐轉(zhuǎn)、機(jī)艙溫度等。
風(fēng)電場遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的上位機(jī)和塔座觸摸屏站均可實現(xiàn)機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)視，實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的顯示、記錄、曲線、報警等功能。
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)組運行參數(shù)，當(dāng)條件滿足時，啟動偏航系統(tǒng)執(zhí)行自動解纜、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，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，主控系統(tǒng)啟動變流器系統(tǒng)開始進(jìn)行轉(zhuǎn)子勵磁，待發(fā)電機(jī)定子輸出電能與電網(wǎng)同頻、同相、同幅時，合閘出口斷路器實現(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運行時，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)速下運行，但受實際機(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運行區(qū)域：即變速運行區(qū)域、恒速運行區(qū)域和恒功率運行區(qū)。額定功率內(nèi)的運行狀態(tài)包括：變速運行區(qū)（最佳的λ）和恒速運行區(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，根據(jù)當(dāng)前實際風(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)。
由于風(fēng)速儀測量點的風(fēng)速與作用于槳葉的風(fēng)速存在一定誤差，所以轉(zhuǎn)距觀測器來預(yù)測風(fēng)力機(jī)組的機(jī)械傳動轉(zhuǎn)距，在通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距的對應(yīng)關(guān)系推出轉(zhuǎn)速。 ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速期望值。 Tm為轉(zhuǎn)距的觀測值。Kopt為最佳轉(zhuǎn)速時的比例常數(shù)。
當(dāng)風(fēng)速增加使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)上限后，主控制器需維持轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)力機(jī)組發(fā)出的電功率，隨風(fēng)速的增加而增加，此時機(jī)組偏離了風(fēng)力機(jī)的最佳λ曲線運行。
當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加，使轉(zhuǎn)速、功率都達(dá)到上限后，進(jìn)入恒功率運行區(qū)運行，此狀態(tài)下主控通過變流器，維持機(jī)組的功率恒定，主控制器一方面通過槳距系統(tǒng)的調(diào)節(jié)減少風(fēng)力攻角，減少葉片對風(fēng)能的捕獲；另一方面通過變流器降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速節(jié)，使風(fēng)力機(jī)組偏離最佳λ曲線運行，維持發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定。
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)運行參數(shù)，通過3臺冷卻風(fēng)扇和4臺電加熱器，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，起動冷卻風(fēng)扇，當(dāng)溫度降低到某設(shè)定值時，停止風(fēng)扇運行；當(dāng)發(fā)電機(jī)溫度過高或過低并超限后，發(fā)出報警信號，并執(zhí)行安全停機(jī)程序。
當(dāng)溫度越低至某設(shè)定值后，起動電加熱器，溫度升高至某設(shè)定值后時，停止加熱器運行；同時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。機(jī)組正常時，需維持額定壓力區(qū)間運行。
液壓泵控制液壓系統(tǒng)壓力，當(dāng)壓力下降至設(shè)定值后，啟動油泵運行，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，每個葉片的末端安裝閃光障礙燈，在夜晚點亮。
機(jī)艙風(fēng)扇控制機(jī)艙內(nèi)環(huán)境溫度。
（4）電動變槳距系統(tǒng)
變槳距系統(tǒng)包括每個葉片上的電機(jī)、驅(qū)動器、以及主控制PLC等部件，該PLC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。槳距系統(tǒng)的主要功能如下： 緊急剎車順槳 系統(tǒng)控制，在緊急情況下，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)順槳控制。 通過CAN通訊接口和主控制器通訊，接受主控指令，槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉的節(jié)角距至預(yù)定位置。 槳距系統(tǒng)和主控制器的通訊內(nèi)容包括：
槳葉A位置反饋
槳葉B位置反饋
槳葉C位置反饋
槳葉節(jié)距給定指令
槳距系統(tǒng)綜合故障狀態(tài)
葉片在順槳狀態(tài)
順槳命令
（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，起動齒輪油泵；當(dāng)壓力高于設(shè)定值時，停止齒輪油泵。當(dāng)壓力越限后，發(fā)出警報，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，起動加熱器，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時停止加熱器；當(dāng)溫度高于某設(shè)定值時，起動齒輪油冷卻器，當(dāng)溫度降低到設(shè)定值時停止齒輪油冷卻器。
潤滑油泵控制，當(dāng)潤滑油壓低于設(shè)定值時，起動潤滑油泵，當(dāng)油壓高于某設(shè)定值時，停止?jié)櫥捅谩?br /> （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)向信號值，以及機(jī)組當(dāng)前的運行狀態(tài)、負(fù)荷信號，調(diào)節(jié)CW（順時針）和CCW（逆時針）電機(jī)，實現(xiàn)自動對風(fēng)、電纜解纜控制。
自動對風(fēng)：當(dāng)機(jī)組處于運行狀態(tài)或待機(jī)狀態(tài)時，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)，實現(xiàn)自動對風(fēng)。（以設(shè)定的偏航轉(zhuǎn)速進(jìn)行偏航，同時需要對偏航電機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行檢測）
自動解纜控制：當(dāng)機(jī)組處于暫停狀態(tài)時，如機(jī)艙向某個方向扭轉(zhuǎn)大于720度時，啟動自動解纜程序，或者機(jī)組在運行狀態(tài)時，如果扭轉(zhuǎn)大于1024度時，實現(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)動定子出口接觸器合閘，實現(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)運行故障時，變流器驅(qū)動發(fā)電機(jī)定子出口接觸器分閘，實現(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)荷以下階段運行時，通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)機(jī)組在最佳λ曲線運行，通過將風(fēng)輪機(jī)當(dāng)做風(fēng)速儀測量實時轉(zhuǎn)距值，調(diào)節(jié)機(jī)組至最佳狀態(tài)運行。
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。
三 目前我廠技術(shù)狀態(tài)及對策
目前我廠已擁有發(fā)電機(jī)技術(shù)，變流系統(tǒng)正在研發(fā)中，已在2010年初完成，其它技術(shù)尚處于空白之中，為快速進(jìn)入市場考慮，應(yīng)采取兩條腿走路的方案，即自主研發(fā)和技術(shù)引進(jìn)。目前擁有此項技術(shù)的國內(nèi)廠家有南京科遠(yuǎn)自動化集團(tuán)股份有限公司等廠家，北京景新也擁有此項技術(shù)，并在1MW機(jī)組上試運行。
自主研發(fā)方面，鑒于風(fēng)電控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，需與有實力的高校發(fā)合，研發(fā)中需設(shè)立多個分項目，因為該項目包含計算機(jī)硬件、電力電子、軟件、通迅等項技術(shù)，按功能也是分散在風(fēng)電機(jī)組各處。
四 結(jié)束語
目前風(fēng)力發(fā)電的主要方向：
1陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用１．５／２Ｍ雙饋異步發(fā)電機(jī)組。
2、離岸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用４／５Ｍ永磁同步全饋發(fā)電機(jī)組。
3、建設(shè)大型或者超大型的風(fēng)力電場（有上百臺風(fēng)力機(jī)組組成）。
4、風(fēng)力機(jī)組控制系統(tǒng)具有防電壓穿透功能。
5、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在在線發(fā)電時可調(diào)節(jié)功率因數(shù)，在不發(fā)電時也可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，進(jìn)行無功補(bǔ)償，凈化電網(wǎng)。

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