風電機組控制系統(tǒng)

風電機組控制系統(tǒng)摘要：風電機組控制系統(tǒng)作為風電機組的重要組成部分，我們有必要對其進行詳細的研究論述。本文主要介紹風電機組控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和風電機組在運行時不同區(qū)域的基本控制策略，以及不同廠家在風電機組主要系統(tǒng)的實現(xiàn)上對軟硬件采用情況。風電機組控制系統(tǒng)構(gòu)成一、風電機組控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)從實現(xiàn)功能的角度可以將控制系統(tǒng)分為：主控系統(tǒng)、變流控制系統(tǒng)、變槳距控制系統(tǒng)、偏航控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)及安全鏈保護。這些控制系統(tǒng)通常采用分布式控制系統(tǒng)，主控制器只有一個，且位于地面的塔筒柜里，而從控制器有好幾個，這些從控制器之間是通過光纖、工業(yè)以太網(wǎng)、profibus、CANbus等進行通信的。為了能夠更直觀更清晰地了解控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，以下將展示其結(jié)構(gòu)圖，具體如圖1： 人機界面 輸入用戶命令、變更參數(shù)顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和故障圖1控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖二、風電機組在運行時不同區(qū)域的基本控制策略根據(jù)風速情況以及風力機功率特性，變速恒頻風力發(fā)電機組的運行可以劃分成很多區(qū)域，分別為：待機區(qū)、啟動并網(wǎng)區(qū)、最大風能追蹤區(qū)、轉(zhuǎn)速限制區(qū)、功率限制區(qū)、切出保護區(qū)。（1）待機區(qū)：控制系統(tǒng)的帶電工作，保證所有執(zhí)行機構(gòu)和信號均處于正常狀態(tài)。2）啟動并網(wǎng)區(qū)：當風速達到切入風速時，風電機組起動，通過變槳距機構(gòu)調(diào)節(jié)槳距角使風力機升速，達到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時，執(zhí)行并網(wǎng)程序，使發(fā)電機組順利切入電網(wǎng)，并帶上初負荷。待發(fā)電機出口三相電壓的電網(wǎng)電壓滿足同期條件時，接觸器合閘，發(fā)電機并入電網(wǎng)。（3）最大風能追蹤區(qū)：風力發(fā)電機組運行在額定風速以下時，發(fā)電機輸出功率未達到額定功率，此時控制目標為保持最佳葉尖速比，快速穩(wěn)定的電機變速控制，盡可能將風能轉(zhuǎn)化為輸出的電能，實現(xiàn)風能最大捕獲。（4）轉(zhuǎn)速恒定區(qū)：這一區(qū)域內(nèi)發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到最大值，并保持恒定，風速逐步增大，機組功率因為發(fā)電機扭矩的增大而增加。而這個階段，為了保護機組的安全運行，不再進行最大風能追蹤，該區(qū)域的轉(zhuǎn)速限制主要是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)的，功率曲線也較前一階段平滑。（5）功率恒定區(qū)：如果風速繼續(xù)增大，發(fā)電機和變流器將達到其功率額定值，此時，只能減小風輪吸收的能量才能保障機組的安全，于是加入變槳距控制，增大槳距角，繼續(xù)減小風能利用系數(shù)Cp,以維持機組的輸出功率穩(wěn)定在額定值。（6）切出保護區(qū)：當風速繼續(xù)增大，超過切出風速時，從保護機組的角度出發(fā)要將風力機葉片調(diào)至順槳狀態(tài)，風力發(fā)電機組切出電網(wǎng)，實現(xiàn)安全停機。三、不同廠家在風電機組主要系統(tǒng)的實現(xiàn)上對軟硬件采用情況（1） 關(guān)于主控系統(tǒng)主控制器是電控系統(tǒng)的核心，要完成對機組運行參數(shù)和狀態(tài)的檢測和監(jiān)控，同時要建立良好的人機交互界面和遠程通訊的功能。在主控系統(tǒng)的硬件上，幾乎所有的廠家都選擇PLC作為主控制器PLC系統(tǒng)因為構(gòu)成靈活，擴展容易，以開關(guān)量控制為其特長，也能進行連續(xù)過程的PID回路控制，并能與上位機構(gòu)成復雜的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的綜合自動化；使用方便，編程簡單，開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易；能適應風電場惡劣的運行環(huán)境，可靠性強，所以完全適用于風電領(lǐng)域。（2） 關(guān)于變槳系統(tǒng)變槳距是指風電機組安裝在輪轂上的葉片借助控制技術(shù)和動力系統(tǒng)改變槳距角的大小從而改變?nèi)~片氣動特性，使槳葉和整機的受力情況大為改善。作為變槳系統(tǒng)，主要有兩大技術(shù)路線，如下：電動變槳方式：幾乎所有的國內(nèi)風機制造商以及GE、Enercon、Suzlon、Siemens都是采用該種變槳方式，驅(qū)動電機有直流電機和交流電機之分，傳動方式有齒輪齒圈傳動和齒形皮帶傳動（僅有金風一家）之分。液壓變槳方式：以Vestas和Gamesa兩大國際風機巨頭為代表。兩種變槳方式各有優(yōu)缺點，兩種系統(tǒng)在基本功能方面幾乎是一致的，而在細節(jié)方面各有利弊，目前在電動型應用領(lǐng)域更為廣泛。（3） 關(guān)于變流系統(tǒng)電力電子變流器作為風力發(fā)電與電網(wǎng)的接口，要滿足風電機組控制、配合實現(xiàn)風能的最大捕獲、向電網(wǎng)輸送優(yōu)質(zhì)電能等要求。近來低電壓穿越功能的提出，使得變流器愈顯重要。在變流器方面，除金風風機采用全功率變流器以外，其余廠家采用的基本都是雙饋型機組，變流器的容量為機組額定容量的1/3，在變流器的產(chǎn)品中也存在著兩種不同的技術(shù)路線?；诖艌龆ㄏ蛟淼氖噶靠刂谱兞髌鳎嚎奇诘?、GE變流器、Gamesa變流器、深圳禾望等，國內(nèi)外廠家都采用該種控制方法的變流器。基于直接轉(zhuǎn)矩控制原理