一、系統(tǒng)概述

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)具有機(jī)組布置范圍廣闊，設(shè)備運(yùn)行的自然環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)專為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而設(shè)計(jì)，產(chǎn)品集成了當(dāng)代最先進(jìn)的電力電子、微電子、網(wǎng)絡(luò)和軟件技術(shù)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下：

風(fēng)電控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)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。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制單元（WPCU）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制單元（WPCU）是每臺(tái)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(chǎng)運(yùn)行環(huán)境惡劣，對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性要求非常高，而WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)是專門(mén)針對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行需求而設(shè)計(jì)，具有極高的環(huán)境適應(yīng)性和抗電磁干擾等特點(diǎn)。

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WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制站包括：塔座主控制器機(jī)架、機(jī)艙控制站機(jī)架、變槳距系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏站、以太網(wǎng)交換機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線通訊網(wǎng)絡(luò)、UPS電源、緊急停機(jī)后備系統(tǒng)等。

三、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（WPCM）

所有風(fēng)電機(jī)組通過(guò)光纖以太網(wǎng)連接至主控室的上位機(jī)操作員站，實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，上位機(jī)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(tái)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如每臺(tái)機(jī)組的瞬時(shí)發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量、發(fā)電小時(shí)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(lái)，必要時(shí)還可以用曲線或圖表的形式直觀地顯示出來(lái)。

③系統(tǒng)顯示各風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，如開(kāi)機(jī)、停車(chē)、調(diào)向、手/自動(dòng)控制以及大/小發(fā)電機(jī)工作等情況，通過(guò)各風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)了解整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行情況。

④ 系統(tǒng)能夠及時(shí)顯示各機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的故障。

⑤系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)集中控制。值班員在集中控制室內(nèi)，只需對(duì)標(biāo)明某種功能的相應(yīng)鍵進(jìn)行操作，就能對(duì)下位機(jī)進(jìn)行改變?cè)O(shè)置狀態(tài)和對(duì)其實(shí)施控制。

⑥系統(tǒng)管理。監(jiān)控軟件具有運(yùn)行數(shù)據(jù)的定時(shí)打印和人工即時(shí)打印以及故障自動(dòng)記錄的功能，以便隨時(shí)查看風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀況的歷史記錄情況。

四、WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)功能

WPCS風(fēng)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(jī)組運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(cè)：電網(wǎng)電壓閃變、過(guò)電壓、低電壓、電壓跌落、相序故障、三相不對(duì)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(cè)，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(dòng)、電纜扭轉(zhuǎn)、機(jī)艙溫度等。

2、機(jī)組啟停、發(fā)電控制

（1）主控系統(tǒng)檢測(cè)電網(wǎng)參數(shù)、氣象參數(shù)、機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)條件滿足時(shí)，啟動(dòng)偏航系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)解纜、對(duì)風(fēng)控制，釋放機(jī)組的剎車(chē)盤(pán)，調(diào)節(jié)槳距角度，風(fēng)車(chē)開(kāi)始自由轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

（2）當(dāng)外部氣象系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的風(fēng)速大于某一定值時(shí)，主控系統(tǒng)啟動(dòng)變流器系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，待發(fā)電機(jī)定子輸出電能與電網(wǎng)同頻、同相、同幅時(shí)，合閘出口斷路器實(shí)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(yùn)行時(shí)，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(yùn)行，但受實(shí)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(gè)運(yùn)行區(qū)域：即變速運(yùn)行區(qū)域、恒速運(yùn)行區(qū)域和恒功率運(yùn)行區(qū)。額定功率內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)包括：變速運(yùn)行區(qū)（最佳的λ）和恒速運(yùn)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(shí)，根據(jù)當(dāng)前實(shí)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)。

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(yùn)行參數(shù)，通過(guò)3臺(tái)冷卻風(fēng)扇和4臺(tái)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(dòng)冷卻風(fēng)扇，當(dāng)溫度降低到某設(shè)定值時(shí)，停止風(fēng)扇運(yùn)行；當(dāng)發(fā)電機(jī)溫度過(guò)高或過(guò)低并超限后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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(dòng)電加熱器，溫度升高至某設(shè)定值后時(shí)，停止加熱器運(yùn)行；同時(shí)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(chē)、機(jī)械剎車(chē)盤(pán)驅(qū)動(dòng)。機(jī)組正常時(shí)，需維持額定壓力區(qū)間運(yùn)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(dòng)油泵運(yùn)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(cè)量?jī)x器，通過(guò)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(cè)量系統(tǒng)的加熱器以防止結(jié)冰。
閃光障礙燈控制，每個(gè)葉片的末端安裝閃光障礙燈，在夜晚點(diǎn)亮。
機(jī)艙風(fēng)扇控制機(jī)艙內(nèi)環(huán)境溫度。

（4）電動(dòng)變槳距系統(tǒng)
變槳距系統(tǒng)包括每個(gè)葉片上的電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、以及主控制PLC等部件，該P(yáng)LC通過(guò)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。

五、結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)電作為綠色可再生能源近年來(lái)受到了國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的大力扶持，科遠(yuǎn)成立風(fēng)電事業(yè)部從事風(fēng)電控制系統(tǒng)的研究也正是在這個(gè)大背景下提出。我國(guó)目前在風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變速齒輪箱以及葉片等制造技術(shù)方面取得長(zhǎng)足進(jìn)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(fēng)電場(chǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)等在內(nèi)的控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與國(guó)外還存在較大的差距，目前幾乎全部從國(guó)外引進(jìn)，而且國(guó)外廠商對(duì)某些關(guān)鍵技術(shù)還進(jìn)行封鎖。因此從打破國(guó)外技術(shù)壟斷，保證國(guó)家電力安全和分享巨大的風(fēng)電市場(chǎng)角度考慮，WPCS風(fēng)電控制系統(tǒng)的研制成功將具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。