一、系統(tǒng)概述

風力發(fā)電場具有機組布置范圍廣闊，設備運行的自然環(huán)境惡劣等特點，WPCS風電控制系統(tǒng)專為大型風力發(fā)電機組而設計，產(chǎn)品集成了當代最先進的電力電子、微電子、網(wǎng)絡和軟件技術，系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構如下：

風電控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

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

二、風力發(fā)電機組控制單元（WPCU）

風力發(fā)電機組控制單元（WPCU）是每臺風機的控制核心，分散布置在機組的塔筒和機艙內(nèi)。由于風電機組現(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WPCS風電控制系統(tǒng)是專門針對大型風電場的運行需求而設計，具有極高的環(huán)境適應性和抗電磁干擾等特點。

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WPCS風電控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站包括：塔座主控制器機架、機艙控制站機架、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、現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡、UPS電源、緊急停機后備系統(tǒng)等。

三、遠程監(jiān)控系統(tǒng)（WPCM）

所有風電機組通過光纖以太網(wǎng)連接至主控室的上位機操作員站，實現(xiàn)整個風場的遠程監(jiān)控，上位機監(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)顯示各臺機組的運行數(shù)據(jù)，如每臺機組的瞬時發(fā)電功率、累計發(fā)電量、發(fā)電小時數(shù)、風輪及電機的轉速和風速、風向等，將下位機的這些數(shù)據(jù)調(diào)入上位機，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)顯示各風電機組的運行狀態(tài)，如開機、停車、調(diào)向、手/自動控制以及大/小發(fā)電機工作等情況，通過各風電機組的狀態(tài)了解整個風電場的運行情況。

④ 系統(tǒng)能夠及時顯示各機組運行過程中發(fā)生的故障。

⑤系統(tǒng)能夠對風電機組實現(xiàn)集中控制。值班員在集中控制室內(nèi)，只需對標明某種功能的相應鍵進行操作，就能對下位機進行改變設置狀態(tài)和對其實施控制。

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，以便隨時查看風電場運行狀況的歷史記錄情況。

四、WPCS風電控制系統(tǒng)功能

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

機組運行過程中進行監(jiān)測的相關參數(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)，包括風速、風向、環(huán)境溫度等。
（3）機組狀態(tài)參數(shù)檢測，包括：風輪轉速、發(fā)電機轉速、發(fā)電機線圈溫度、發(fā)電機前后軸承溫度、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、機艙振動、電纜扭轉、機艙溫度等。

2、機組啟停、發(fā)電控制

（1）主控系統(tǒng)檢測電網(wǎng)參數(shù)、氣象參數(shù)、機組運行參數(shù)，當條件滿足時，啟動偏航系統(tǒng)執(zhí)行自動解纜、對風控制，釋放機組的剎車盤，調(diào)節(jié)槳距角度，風車開始自由轉動，進入待機狀態(tài)。

（2）當外部氣象系統(tǒng)監(jiān)測的風速大于某一定值時，主控系統(tǒng)啟動變流器系統(tǒng)開始進行轉子勵磁，待發(fā)電機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）風力機組功率、轉速調(diào)節(jié)
根據(jù)風力機特性，當機組處于最佳葉尖速比λ運行時，風機機組將捕獲得最大的能量，雖理論上機組轉速可在任意轉速下運行，但受實際機組轉速限制、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)。

當風機并網(wǎng)后，轉速小于極限轉速、功率低于額定功率時，根據(jù)當前實際風速，調(diào)節(jié)風輪的轉速，使機組工作在捕獲最大風能的狀態(tài)。

3、風電控制系統(tǒng)輔助設備邏輯

（1）發(fā)電機系統(tǒng)
監(jiān)控發(fā)電機運行參數(shù)，通過3臺冷卻風扇和4臺電加熱器，控制發(fā)電機線圈溫度、軸承溫度、滑環(huán)室溫度在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，相關邏輯如下：

當發(fā)電機溫度升高至某設定值后，起動冷卻風扇，當溫度降低到某設定值時，停止風扇運行；當發(fā)電機溫度過高或過低并超限后，發(fā)出報警信號，并執(zhí)行安全停機程序。

當溫度越低至某設定值后，起動電加熱器，溫度升高至某設定值后時，停止加熱器運行；同時電加熱器也用于控制發(fā)電機的溫度端差在合理的范圍內(nèi)。

（2）液壓系統(tǒng)
機組的液壓系統(tǒng)用于偏航系統(tǒng)剎車、機械剎車盤驅動。機組正常時，需維持額定壓力區(qū)間運行。
液壓泵控制液壓系統(tǒng)壓力，當壓力下降至設定值后，啟動油泵運行，當壓力升高至某設定值后，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口和控制器進行通訊，將機艙外的氣象參數(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。
機艙風扇控制機艙內(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、驅動器、以及主控制PLC等部件，該PLC通過CAN總線和機組的主控系統(tǒng)通訊，是風電控制系統(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。

五、結束語

風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，科遠成立風電事業(yè)部從事風電控制系統(tǒng)的研究也正是在這個大背景下提出。我國目前在風力發(fā)電機、變速齒輪箱以及葉片等制造技術方面取得長足進步，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)以及風電場綜合監(jiān)控系統(tǒng)等在內(nèi)的控制系統(tǒng)關鍵技術與國外還存在較大的差距，目前幾乎全部從國外引進，而且國外廠商對某些關鍵技術還進行封鎖。因此從打破國外技術壟斷，保證國家電力安全和分享巨大的風電市場角度考慮，WPCS風電控制系統(tǒng)的研制成功將具有極大的現(xiàn)實意義。