风电机组控制系统
风力发电机组的控制系统
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风力发电机组控制系统 的优化与改进
控制策略优化
优化控制策略是提高风力发电机组 效率的关键。
控制策略的优化主要涉及对风电机组 的启动、运行和停机阶段的控制逻辑 进行改进，以更好地适应风速的变化 ，提高发电效率和稳定性。
传感器优化
优化传感器是提高风力发电机组控制精度的必要步骤。
通过改进传感器的设计、提高其精度和可靠性，可以更准确地检测风速、风向、 温度、压力等参数，为控制系统提供更准确的数据，从而提高发电效率。
能源设备进行互联互通，实现能源的优化利用和节能减排。
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偏航控制
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偏航控制是风力发电机组控制系统中的另一项关键技术， 其目的是在风向变化时，自动调整机组的朝向，以保持最 佳的捕风角度。
02
偏航控制通过实时监测风向和发电机组的朝向，采用适当 的控制算法，自动调节机组的偏航机构，以实现最佳的捕 风效果。
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常用的偏航控制算法包括：基于风向标的偏航控制、基于 扭矩传感器的偏航控制和基于GPS的偏航控制等。这些算 法能够根据风向的变化情况，自动调整机组的朝向，使其 始终保持在最佳的捕风角度。
是整个控制系统的核心，负责接收传 感器数据、执行控制算法并驱动执行 机构。
I/O模块
用于接收和发送信号，实现与传感器 和执行机构之间的通信。
人机界面
提供操作员与控制系统之间的交互界 面，显示机组状态和参数。
数据存储器
用于存储运行数据，便于故障分析和 优化运行。
控制算法
最大功率跟踪算法
载荷限制算法
根据风速传感器数据，自动调整发电机转 速和桨距角，使机组始终在最佳效率下运 行。
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桨距调节机构
根据控制系统的指令，调整风轮桨 距角。
风力发电机组控制系统
昝润鹏双馈机运行原理图•控制系统利用DSP或单片机，在正常运行状态下，主要通过对运行过程中对输入信号的采集、传输、分析，来控制风电机组的转速和功率；如发生故障或其它异常情况能自动地检测并分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态•DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。
其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。
再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。
它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。
它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。
•控制系统主要任务就是能自动控制风电机组依照其特性运行、故障的自动检测并根据情况采取相应的措施。
•控制系统包括控制和检测两部分，控制部分又分为手动和自动。
运行维护人员可在现场根据需要进行手动控制，自动控制应该在无人值守的条件下实施运行人员设置的控制策略，保证机组正常安全运行。
•检测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来，在机组控制器的显示屏上可以查询，也要送到风电场中央控制室的电脑系统，通过网络或电信系统现场数据还能传输到业主所在城市的办公室。
•第一：低于切入风速区域。
一旦满足切入条件，控制启动风机。
•第二：切入风速到额定风速区域。
控制目标是最大风能捕获，通常将桨距角保持在某个优化值不变，通过发电机转矩控制叶轮转速，实现最佳叶尖速比。
•第三：超过额定风速区域。
通过变桨控制保持输出功率和叶轮转速恒定。
叶尖速比：叶轮的叶尖线速度与风速之比。
叶尖速比在5-15时，具有较高的风能利用系数Cp（最大值是0.593）。
通常可取6-8。
•风传感器：风速、风向；•温度传感器：空气、润滑油、发电机线圈等；•位置传感器：润滑油、刹车片厚度、偏航等；•转速传感器：叶轮、发电机等；•压力传感器：液压油压力，润滑油压力等；•特殊传感器：叶片角度、电量变送器等；•⑴控制系统保持风力发电机组安全可靠运行，同时高质量地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。
风力发电机控制系统介绍
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。
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。
•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。
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、处理数据实时DSP 2个RS-485接口模块供电2个串口、电量测量16个DO、26个DI、4个AO光纤通信1个以太网接口可测量三相：4个计数器输入、以太网接口编程环境C、电压电流8个PT100、IEC61131-3 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。
风机控制系统PPT课件
传感器接入 执行部件控制 数字电源 数字、模拟IO 安全链系统 变距系统通讯 变压器
人机界面
当机舱柜与塔底柜执行相同功能时，机舱柜优先 级高于塔底柜
变距系统
辅助电源：控制电源，动力电源 安全链及其它硬件连接：
安全链输出：变流器急停 安全链节点：变流器断开安全链
通讯接口：主控制器和变距系统 采用现场总线
模块化：不管是硬件还是软件均模块化，不同的控 制和调节程序都以模块化形式并行运行在有优先级 的多任务环境中。均可随意扩展和组合
标准化：硬件符合通行的工业标准（CE, IEC，GL， UL等）并且建立在标准的软件和IT环境基础上。
硬件部分
硬件模块
处理器模块 数字/模拟输入、输出、输入/输出模块 温度记录模块 计数器模块 编码器接口模块 轴控制模块 脉宽调制模块 安全模块 环境监测模块 总线扩展模块 串口模块 供电模块 网络终端
额定风速以上：
恒功率控制 保持功率恒定， 通过变距控制转速 稳定运行
控制策略（二）
阻尼变距控制：避开谐振点（区）
共振点跳跃：
通过变距控制，跳 过低转速点（非工 作区）易振点
振动预测与干预：
通过传感器采集加速 度信号，对振动进行 预测和防振动处理。
塔筒前后载荷的变化
风电场管理功能需求
变流器接口
辅助电源： 控制电源，UPS，风扇加热器电源
安全链及其它硬件连接
急停输入： 干节点 并网柜与变流器： 电网测量：电网侧电压，定子侧电压，定子侧电流 并网接触器控制： 合，断，就绪等
通讯接口： 主控制器和变流器采用现场总线进行通 讯
滑环和传感器
滑环
信号列表：变距系统电源、通讯、控制信号、轮毂内照 明、轴承润滑等
风力发电控制系统及远程监控
号
电量采集系统 就地监控系统 中央及远程监控系统
风机与风机间或风机与控制中心的网络通信部分
风电控制系统的现场控制站包括：
塔座主控 制器机柜
变流器系 统
现场总线 通讯网络
机舱控制 变桨距系
站机柜
统
现场触摸 以太网交
屏站
换机
UPS电源
紧急停机 后备系统
风电控制系统基本功能：
（1）数据采集（DAS）功能：包括采集电网、气象、机组 参数，实现控制、报警、记录、曲线功能等
系统目前普遍采用，
简单可靠，但是对风能 的利用不充分，因为风 力机只有在一定的叶尖 速比的数值下才能达到 最高的风能利用率。
变速恒频机组结构
变速恒频机组特点
风力发电机组的转速随风速的 波动作变速运行，但仍输出恒 定频率的交流电。
此方式提高了风能的利用率， 增加了系统的柔动性，但将导 致必须增加实现恒频输出的电 力电子设备，增加系统复杂性。
实时显示生产情况和分机运行、故障报警
多个风电场集中监控，可接入检测不同电场合风机，规 避不同机组和中控系统复杂性，通过一套系统检测和管 理。 可以接入升压站、测风塔及气象等数据，形成综合对比 分析。
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②系统显示各台机组的运行数据，如每台机组的瞬时发电 功率、累计发电量、发电小时数、风轮及电机的转速和风 速、风向等，将下位机的这些数据调入上位机，在显示器 上显示出来，必要时还可以用曲线或图表的形式直观地显 示出来。
③系统显示各风电机组的运行状态，如开机、停车、调向、 手/自动控制以及大/小发电机工作等情况，通过各风电机组 的状态了解整个风电场的运行情况。
（2）机组控制功能：包括自动启动机组、并网控制、转速 控制、功率控制、无功补偿控制、自动对风控制、解缆控
风电控制系统及SCADA系统
风机运行状态划分
►停机状态 1机械刹车松开 2偏航系统停止工作 3叶片收回至90°变桨系统停止工作 4发电机出口开关闭合,其余开关均断开
风机运行状态划分
► 紧急停机状态 1机械刹车与空气动力刹车同时快速动作 2计算机输出信号被旁路,使计算机没有可能去激活
任何机构 3计算机仍在运行和测量所有输入信号 4发电机出口开关和所有接触器断开 5叶片紧急收回至90°后变桨系统停止工作 6偏航系统停止工作 ► 风力发电机组进入紧急停机状态后,除非手动进
自动运行控制要求
► 9、软切入控制 由大功率晶闸管和有关 控制驱动电路组成.控制其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 通过控制主电路晶闸管的导通角,以控制发电机的端 电压,达到限制起动电流的目的.在电机转速接近同 步转速时,旁路接触器动作,将主电路晶闸管断开,软 切入过程结束,软并网成功.
4.AIO模块 .处理各种外部模拟量信号如：变频器冷却装置的入口、 出口水压、变压器温度等
5.空模块
机舱控制柜
►机舱控制柜组成
1.机舱PLC站 电源模块 FASTBUS从站模块 CANBUS主站模块 以太网模块本地PC维护接口 DIO AIO模块
2.塔基X-Y振动传感器单元PCH 3.紧急故障继电器 4.各种断路器、继电器、开关等
► 安装于柜体中,分3个部分,每个部分负责一个叶片 ► 轮毂PLC站
CAN SLAVE模块 轮毂转速编码器模块 叶片角度编码器模块 I/O模块DIO,AIO
► 伺服驱动单元 ► 紧急变桨蓄电池及监视单元 ► 紧急变桨模块 ► 超速保护继电器 ► 小型断路器,各种继电器及端子板 ► 各种按钮,指示灯及维护开关
第8章-风力发电机组控制系统-答案
第8章风力发电机组控制系统1、风力发电系统主要由风力发电机组和升压站变电站组成。
2、风力发电机组主要分为风轮（叶片和轮毂）、机舱、塔架和基础等部分；按照功能分，由传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机以及控制和安全系统等组成。
3、风力发电机组控制系统的作用是协调风轮、传动、偏航、制动等各主辅设备，确保风电机组的设备安全稳定运行。
4、风力发电机组控制系统通常是指接受风电机组及工作运行环境信息，调节机组使其按照预先设定的要求运行的系统。
5、风电机组控制系统是整机设计的关键技术，决定机组的性能与结构载荷大小与分布。
6、基于转子电流控制器（RCC）进行有限变速的全桨变距有限变速风力发电机组开始进入风力发电市场。
7、变速恒频风电机组的控制系统与定桨距失速风电机组的控制系统的根本区别在于：变速恒频风电机组叶轮转速被允许根据风速情况在相当宽的范围内变化，从而使机组获得最佳的功率输出变现和控制特性。
8、变速恒频风电机组的主要特点：低于额定风速时，它能最大限度跟踪最佳功率曲线使风电机组具有较高的风能转换效益；高于额定风速时，它增加了整机的控制柔性，使功率输出更加稳定。
9、水平轴风力发电机组按照风力发电机组功率调节方式分为：采用齿轮箱增速的普通异步风力发电机组、双馈异步风力发电机组、直驱式同步风力发电机组（含永磁发电机组和直流励磁发电机）以及混合式（半直驱）风力发电机组。
10、风力发电机组按控制方式主要分为定桨失速控制、变桨失速（全桨距有限变速）控制和变速恒频控制。
11、定桨失速型风电机组均采用三相鼠笼式感应发电机晶闸管移相软切入控制，以限制冲击电流的目的，通常要求并网冲击电流在2倍额定电流以下。
12、定桨距失速风电机组的软并网控制结构，主控制器的判断依据为电流有效值、当前的移相控制角、发电机转速、输出为移相控制角给定和旁路控制信号。
13、软切入控制的主要任务：一是判断软切入气动时刻；二是确定双向晶闸管的移相规律。
风电机组控制系统概述
３ 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
风 电机组控制系 统虽然包ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 的范围很广 ， 但是主控 系统、 变
桨 系 统和 变 流 系 统 是 其 中 最 主 要 的 ３个 组 成 部 分 ，不 同厂 家 在 这 ３个 系 统 的实 现 上 采取 的软 硬 件 也 不 尽 相 同。
１ 风 电机 组 控 制 系 统 的 组 成 结 构
超 从 从实现功能 的角度 可 以将控 制系统分 为主 控系统 、 变流控 大 ， 过 切 出 风 速 时 ， 保 护 机 组 的 角 度 出发 要 将 风 力 机 叶 片 风力发 电机组切 出电网， 实现 安全停机 。 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 调 至顺 桨状态 ，
３ 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
使 区域 。由于 各 区 域 不 同 ， 以这 些 区 域 的 运 行 目标 也 不 同， 终 和 动 力 系 统 改 变 桨 距 角 的 大 小 从 而 改 变 叶 片 气 动 特 性 ， 桨 叶 所 最 主要有 ２大技术 所需要采 取的控制策略也 因此而 不同。以下是对不 同区域 的控 和整机 的受力情 况大为 改善 。作为变 桨系统 ，
３． 关 于 主控 系 统 １
曼 菜 丧 示 ，磊 荇
、
统计 数据和 故障
主控制器是 电控系统 的核心 ， 要完成对 机组运行 参数和 状
主控制器 运行 监控 远程通信 机 组起停 电网 、 风况检 测 故 障监测及 保护动作 系 统安全链 系 统紧急 停 机保护
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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。