风机控制系统
风力发电机组的控制与监测系统
风力发电机组的控制与监测系统引言：风力发电作为一种可再生能源的重要形式，正逐渐成为全球能源结构转型的重要组成部分。
风力发电机组的控制与监测系统在保证发电机组安全运行和优化发电性能方面起着至关重要的作用。
本文将从控制系统和监测系统两个方面，探讨风力发电机组的控制与监测技术的发展和应用。
一、控制系统的发展与应用1.1 控制系统的基本原理风力发电机组的控制系统主要包括风机控制系统和发电机控制系统。
风机控制系统通过调节叶片角度和转速，使风机在不同风速下保持最佳运行状态；发电机控制系统则负责调节发电机的输出功率和频率，以适应电网的要求。
1.2 控制系统的发展趋势随着风力发电技术的不断发展，控制系统也在不断升级。
目前，自适应控制、模型预测控制和智能控制等技术被广泛应用于风力发电机组的控制系统中。
这些技术能够根据实时的风速和发电机组状态，实现自动调节和优化控制，提高发电效率和可靠性。
1.3 控制系统的应用案例以某风力发电场为例，其控制系统采用了自适应控制技术。
该系统通过实时监测风速、风向和发电机组状态等参数，自动调节叶片角度和转速，以实现最佳的风力利用和发电效率。
通过该控制系统的应用，该风力发电场的发电效率提高了10%，并且减少了停机维护次数，降低了运维成本。
二、监测系统的发展与应用2.1 监测系统的基本原理风力发电机组的监测系统主要用于实时监测发电机组的运行状态和故障诊断。
该系统通过传感器实时采集风速、叶片转速、温度、振动等参数，并通过数据分析和算法判断发电机组的运行状态和故障情况。
2.2 监测系统的发展趋势随着物联网和大数据技术的发展，风力发电机组的监测系统也在不断升级。
目前，无线传感器网络、云计算和机器学习等技术被广泛应用于监测系统中。
这些技术能够实现远程监测和数据分析，提高故障诊断的准确性和效率。
2.3 监测系统的应用案例以某风力发电场为例，其监测系统采用了无线传感器网络和云计算技术。
该系统通过无线传感器实时采集发电机组的运行数据，并将数据上传至云端进行存储和分析。
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--风机控制系统培训
(软件&算法部分)
启动
状态码均复位
待风
30s平均风速>=切入风速x.xxm/s,持续120s且 液压系统压力正常
对风(偏航)
30s风向差<8.5°
自检
空转初始化
600s平均风速<启动风 速3.5m/s
状态时间>5分钟
发动机转速>=空转设定 (402)转速且齿轮油温
>50°
并网转速提升
发电机转速>并网转速(1296) 且3s内，误差<±10rpm
并网连接
发电机转速>并 网转速(1296)
并网发电
发电机转速<快 速重并网转速
(1200)
快速重并网
7
检测转速，计算变桨 给定和变流给定
发电机转速<脱网(1008)
三一电气
品质改变世界
2、控制柜按钮功能
三一电气
塔底控制柜和机舱控制柜上有一些操作元件（按键、开关等），本章主要说明这些操作元件的功能。 1.塔底控制柜的操作元件 这些操作元件的功能说明如表所示
CONTROLCCW/STOP/CW
机舱灯自动/手动
NACELLELIGHTAUTO/MA N
紧急停机键
EMERGENCY STOP
三一电气
操作元件说明
三位开关
功能
偏航处于手动状态时， 将开关调至“CW”处， 表示“顺时针偏航”。 将开关调至“CCW”处， 表示“逆时针偏航”。 将开关调至“0”处， 表示“偏航锁定”。 注意:位置CCW 是左边， 位置CW 是右边。
复位安全链继电器， 重新启动机组
黑色按键
风机安全停机，触发 安全链继电器2
红色按键
风机盘管控制系统
风机盘管控制系统风机盘管控制系统风机盘管（fan-coil unit），又称小型送风机，广用于旅馆、饭店、公寓及办公室中。
它可说是一个小空调区的空调箱，内有风扇，过滤网及管排等，管排可任走冰水(寒水)或热水。
单一管排式者应用较广，以其价廉而控制需求又少之故。
控制系统可安排成二管系统、三管系统或四管系统，每一种都有优劣点。
当单一管排可使用冰水(寒水)或热水者，热水温度可能要甚低于标准加热管排者，此因为在正常冷却时，管排中冰水(寒水)温度与离风温度相差不大，冷却管排需有额外相当大的热交换面积之故。
冰水(寒水)温度7°C/热水温度从110°F到140°F为典型的应用温度。
二管系统本系统使用中央供应的冰水(寒水)或热水。
室内恒温器必需为冬夏型，即是，当使用一只电动阀时，在冬季正向作用，在夏季逆向作用。
从一作用转换到另一作用要靠某种信号完成或感测供水温度的变化等。
恒温器可能调制水流(采电动阀)或当水流不控制时仅作简单的开停风扇来控制。
图1所示一风扇的人工多速控制及水流至管排的恒温一般控制配置。
当冰水(寒水)被供应及室内温度高于设定温度时，电动阀开启，允许送风机产生冷风。
若室内温度降低则阀关闭。
若室内温度更进一步降低，则不能供应暖气，因无热水可用。
图1 风机盘管(小型送风机)；二管系统，人工风扇控制一中央系统的二管系统包括一锅炉或其它热源，一冰水(寒水)机组、循环泵及转换控制。
转换可为人工或自动。
但在任一情况都有问题，最主要的困难在当自加热转换成冷却之际。
如果热水进入冰水(寒水)机组“太暖”及“太热”，如温度为75°F或80°F，则冰水(寒水)机组变成过负荷，机组可能发生高吸气压力及可能的压缩机损害，或至少安全控制会令机组停机。
因之需要一旁路管绕过寒水机组，只许一部分热水通过机组，直到全系统水温下降为止。
显然此要一段时间，故春秋之际早晚要加热，白天要冷却之下即发生运用困难与不经济之弊。
风电主控系统
风电主控系统风机的控制系统是风机的重要组成部分，它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务，它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器）几部分组成。
各部分的主要功能如下： 监控系统（SCADA）：监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、停操作，它包括大型监控软件及完善的通讯网络。
主控系统：主控系统是风机控制系统的主体，它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。
它对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器），它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统（变频器）接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。
变桨控制系统：与主控系统配合，通过对叶片节距角的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。
目前来看，变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式，电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。
究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统。
变频系统（变频）器：与主控制系统接口，和发电机、电网连接，直接承担着保证供电品质、提高功率因素，满足电网兼容性标准等重要作用。
从我国目前的情况来看，风机控制系统的上述各个组成部分的自主配套规模还相当不如人意，到目前为止对国外品牌的依赖仍然较大，仍是风电设备制造业中最薄弱的环节。
而风机其它部件，包括叶片、齿轮箱、发电机、轴承等核心部件已基本实现国产化配套（尽管质量水平及运行状况还不能令人满意），之所以如此，原因主要有： （1）我国在这一技术领域的起步较晚，尤其是对兆瓦级以上大功率机组变速恒频控制技术的研究，更是最近几年的事情，这比风机技术先进国家要落后二十年时间。
前已述及，我国风电制造产业是从2005年开始的最近四年才得到快速发展的，国内主要风机制造厂家为了快速抢占市场，都致力于扩大生产规模，无力对控制系统这样的技术含量较高的产品进行自主开发，因此多直接从MITA、Windtec等国外公司采购产品或引进技术。
风机控制系统培训
风能转换效率
风能转换效率取决于风速、风向、风 能密度和风力发电机设计等因素。
控制系统的工作流程
风速和风向检测
通过传感器检测风速和 风向，为控制算法提供
输入。
控制算法处理
根据风速和风向，控制 算法计算出最佳的发电
机转速和功率输出。
发电机控制
根据控制算法的输出， 控制系统调节发电机转 速和功率输出，以最大
培训收获与体会
01
深入理解风机控制系统的原理
通过培训，我深入了解了风机控制系统的基本原理、组成和工作方式，
对风机的启动、运行和停止等操作有了更清晰的认识。
02
掌握风机控制系统的应用技能
培训过程中，我不仅学习了理论知识，还通过实践操作掌握了风机控制
系统的应用技能，包括系统配置、参数设置和故障排查等。
鼓励研发智能化程度更高的风机控制系统，通过引入人工 智能、大数据等技术，实现风机的智能控制和预测性维护， 提高风机的运行安全性和稳定性。
拓展应用领域
希望风机控制系统能够拓展应用到更多领域，如新能源、 环保等，为推动可持续发展做出更大的贡献。
对未来培训的期望与要求
增加实践操作环节
希望未来的培训能够增加更多的实践操作环节，让我们更深入地了解风机控制系统的实际 操作和问题处理，提高我们的动手能力和解决问题的能力。
验。
05
风机控制系统的安全与 环保
控制系统安全防护措施
防雷击保护
为防止雷击对控制系统的 损害，应安装避雷针、避 雷网等防雷设施，并定期 进行检测和维护。
过载保护
当控制系统中的电流超过 额定值时，应立即切断电 源，以保护控制系统的元 器件不受损坏。
短路保护
当控制系统发生短路时， 应立即切断电源，并检查 短路原因，及时排除故障。
风机控制系统培训教材
第一章风机控制系统概述风机所有的监视和控制功能都通过控制系统来实现，它们通过各种连接到控制模块的传感器来监视、控制和保护。
控制系统给出叶片变桨角度和发电机系统转矩值，因而作用给电气系统的分散控制单元的上位机和旋转轮毂的叶片变桨调节系统。
采用最优化的能量场算法，使风机不遭受没必要的动态压力。
它包括电网电压、频率、相位、转轴转速、齿轮箱、发电机、现场的各种温度、摆动、振动、油压、刹车衬套的磨损、电缆的弯曲和气象数据的监视。
危机故障的冗余检查，以及在紧急情况下，甚至在控制系统不运行或缺乏外部电源的情况，它们通过硬接线连接安全链立即触发和关闭风机。
甚至在主电源完全耗尽，为确保最大的安全，照明灯光还是能继续照明。
运行数据可以通过连接到远程通讯模块或因特网的PC机进行历史数据的调用，也就是说，风机的完整的状况信息可以被熟悉的操作人员和维护人员获知利用。
但是要提供安全密码等级，正确的安全密码才允许远程控制。
1 风力发电机组的基本控制要求风力发电机组的启动、停止、切入（电网）和切出（电网）、输入功率的限制、风轮的主动对风,以及对运行过程中故障的监测和保护必须能够自动控制。
风力资源丰富的地区通常都是在海岛或边远地区的甚至海上，发电机组通常要求能够无人值班运行和远程监控，这就要求发电机组的控制系统有很高的可靠性。
2 控制系统的基本功能并网运行的FD型风力发电机组的控制系统具备以下功能：(1)根据风速信号自动进入启动状态或从电网切出。
(2)根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制。
(3)根据风向信号自动偏航对风。
(4)发电机超速或转轴超速，能紧急停机。
(5)当电网故障，发电机脱网时，能确保机组安全停机。
（6）电缆扭曲到一定值后，能自动解缆。
(7)当机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行检测和记录，对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，并能够根据记录的数据，生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能。
风机控制系统结构原理分解
风机控制系统结构原理分解风机控制系统是一种广泛应用于工业和民用领域的关键设备，它通过精确控制风机的运行，实现能源的高效利用和环境的改善。
本文将从结构和原理两方面对风机控制系统进行详细分解，以便更好地理解其工作原理和应用。
一、风机控制系统的结构风机控制系统的结构主要包括传感器、执行器、控制器和人机界面四个组成部分。
1. 传感器传感器是风机控制系统的重要组成部分，它能够实时感知和测量风机工作状态的参数。
常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等。
通过传感器获得的参数信息将作为控制系统的输入，用于分析和判断当前风机的工作状态。
2. 执行器执行器是风机控制系统中的关键元件，主要负责控制风机的启停和调速。
常用的执行器有变频器和电动阀门。
变频器可以根据控制信号调整电机的转速，从而实现风机的调速控制；而电动阀门则可以控制风机的流量开关。
通过执行器的控制，风机的运行状态可以根据系统的需求进行精确调节。
3. 控制器控制器是风机控制系统的核心部分，它负责接收来自传感器的信号，进行数据处理和逻辑判断，并输出相应的控制信号。
控制器一般采用微处理器或PLC等方式实现，具备运算能力和控制算法。
它可以根据风机系统的要求，进行运算处理和控制指令的生成，从而精确地控制风机的运行状态。
4. 人机界面人机界面是风机控制系统中与操作人员进行信息交互的接口，主要通过显示屏、键盘和按钮等形式实现。
通过人机界面，操作人员可以随时了解风机的工作状态和参数信息，并对系统进行操作和调节。
人机界面的友好设计能够提高系统的可操作性和用户体验。
二、风机控制系统的原理风机控制系统的工作原理主要包括信号采集、信号处理、控制算法和执行器控制等几个方面。
1. 信号采集在风机控制系统中，传感器负责采集风机的工作状态参数，如风机风速、温度、流量等。
传感器通过将这些参数转换为电信号，并将其传送给控制器。
2. 信号处理控制器接收到传感器的信号后，对信号进行处理。
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第一部分 大型风电机组控制系统介绍
设计原则 控制系统组成 主控系统网络结构 安全系统 控制软件 风电场管理及远程监控
控制系统设计原则
高安全性 高可靠性 最大电能输出（叶片和最大风能捕获） 降低动载荷 (优化设计） 易于扩展 （不同需要之间的灵活选择） 便于维护 （远程诊断，故障追忆）
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
控制器系统编程和调试
特点：非单一的程序文件，而是一个或多个软件模块， 每个模块都可以用不同的程序语言来编写，模块之间 通过SVI(Standard Variable Interface)进行模块间的通讯。
现场总线系统
总线系统概览
各种总线扩展模块
例子
解决中心
可视化的远程M-WEB工具箱
软件故障处理：
故障动作：降功率运行、自由转动、刹车 故障级别：自复位、手动复位、本地复位
关键点：
保护点的设定：过载、过速、振动、扭缆等 保护措施 关键部件性能 安全系统对刹车系统的控制及影响 锁定装置：风轮、偏航 紧急停机按钮 备用电源
主控制器要求
处理能力：主频400M 实时多任务操作系统 开放性、可扩展能力：支持分布式远程I/O 嵌入式Web Server, FTP Server, Email Client等 多通讯接口支持：RS485、Profibus，Canopen，
控制系统组成
控制系统涉及的范围： 主控系统软硬件设计； 变距系统软硬件设计；变流系统设计；通讯 链路设计（本机和风场）；防雷及布线设计； 安全系统设计（安全链及故障处理）；外围 传感设计
控制系统的组成：
塔底控制柜 机舱控制柜 变距控制柜 变流器 多路滑环 传感器
塔底柜
机舱柜
690V主电源接入、分配 电网测量 变压器 人机界面 主控制器 UPS电源 风场通讯 塔底数据采集
状态控制
可将状态划分的更为详细，并分配代码，对每一个状 态、工况建立状态表，把所有基本状态的程序编好， 再通过切换控制，在不同状态下控制。
状态码及其条件
部件动作
状态改变条件及操作权限 灵活的IO点定义
方便的通讯接口：配置文件，无需编程
机组状态、故障处理方式用户自定义
发电控制及控制策略
额定风速以下：最大功率跟踪，避免变距频 繁动作，通过转矩进行最佳叶尖速比控制， 达到最大功率输出
(3)停机状态：机械闸松开，叶片处于全翼展状态，液压系统保持工作压力， 机组自动偏航调向停止，冷却系统非自动状态，操作面板显示“停机”状 态
(4)紧急停机状态：机械闸抱闸，紧急电路（安全链）开启，控制器所有输 出信号无效，控制器所有输出信号无效，控制器仍在运行和测量所有输入 信号，操作面板显示“紧急停机”状态
(1)运行状态： 机械闸松开，允许机组并网发电，机组自动偏航调向，桨 距控制系统选择优化工作模式，根据风速状况选择优化的桨距角，液压系 统保持工作压力，冷却系统自动状态，操作面板显示“运行”状态
(2) 暂停状态：机械闸松开，液压系统保持工作压力，机组自动偏航调向， 叶片桨距角调到接近全翼展状态，叶轮空转或停止，冷却系统自动状态， 操作面板显示“暂停”状态，这个状态在调试时很有用，主要用来调试时 测试整个系统的功能是否正常
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
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
SCADA系统：监测控制及数据采集系统 风电机组监控
远程控制：启停、复位等 运行数据监测：机组状态、风数据、转速、功率、温度、
各部件状态
故障追忆：故障触发日志 参数设置备份 数据统计：
最大值、最小值、平均值的统计 动作次数统计 各状态时间统计
风电场管理功能需求（二）
风电场的管理 风场机组管理 风场的集群操作：启动、停机 发电功率因数调节 发电功率调配 电网和气候监测 数据统计：年报表、月报表、日报表等，故
第二部分 巴合曼（BACHMANN）控制器
巴合曼是世界上最大的风机控制器制造商之一，目 前在全球的风电市场上已超过二万台的配套数量 （占全球市场份额的40%），在1.5MW—5MW机组 上广泛应用，可以为全球风电制造商提供完备的控 制系统解决方案。总部在奥地利，上海设有技术支 持和销售中心。
巴合曼风电控制系统具有高可靠性、高兼容性的特 点：
M-WEB的概念
风机的远程控制
谢谢！
Ethernet 存储能力：日志（访问、故障、事件）、临
时数据 高可靠性及恶劣环境的适应能力
状态控制：启动、停机、偏航、液压、温控、故障处理等 发电控制：变距、功率闭环控制
状态控制
工作状态：运行、暂停、停机、紧急停机 每种状态是一个活动层次，运行状态层级 最高，急停状态最低，四种工作状态的主要 特征如下:
1. -20度- +90度的宽温度工作范围； 2. 集成互联网技术的开放式系统平台； 3. 99.96%以上无故障运行； 4. 完全集成的Matlab/Simulink 系统环境可以节约编程时间； 5. 接入Ethernet灵活可靠的网络化和互联网平台的可视化； 6. 风力应用箱（M-WAB Wind Application Box)
巴合曼的风力解决方案
硬件和软件方案
特点
系统开放性：系统可以使用符合IEC61131标准的的 PLC、C/C++或者JAVA进行编程。对扩展的控制任务 可以使用MATLAB/Simulink建模，并可以在系统中 在线测试和执行。支持所有通用网络和总线协议， 如TCP/IP, Profinet, CAN-Bus, ModBus，并开发了实时 光纤总线（LWL-Bus)实现机舱和塔底之间的网络通 信。远程控制则通过SSL加密技术进行访问保护。
障信息统计分析，风场风数据的统计
国际标准
国际标准IEC-61400-25系列标准定义了风电场 监测与控制的通讯方式，即定义了风电场内 智能电子设备信息交换模型的服务。
信息交换模型包括：所有能够访问信息的类的层次模型； 对于这些类的信息交换服务；与每项信息交换服务相关 的参数。
但是，该系列标准只涉及风电场构成之间的 通讯，比如风机与操作人员之间的SCADA系 统，而各部分内部的通讯不在标准涉及范围 之内。
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
耐压、电流冲击电气性能等 防护等级：IP54 环境要求：是否需要加热 设计寿命：7000万转 维护安装：接线、查线、观察、更换刷丝
传感器：
风速、风向、加速度、偏航、电能质量
安全保护系统
安全链保护：独立于控制系统之外的由硬件实现 的安全保护系统
一级安全链：紧急停机、切断辅助电源 二级安全链：紧急停机