科远WPCS风电主控系统（解决方案）

1、自然界的风力具有随机变化的特点，机组需实时捕获风力的大小、方向信息，调整机组的运行参数，尽可能使机组在最佳效率工作状态运行。

2、大型风电机组的塔架、轴承、齿轮箱、叶片等关键部件的载荷受力情况复杂，主控系统需综合考虑机组的运行情况，尽量减缓各类载荷对机组长期运行的寿命影响。

3、风电机组在运行过程中需监视电网、风况、机组运行的参数，对机组的并网、脱网进行精确控制，确保运行过程的安全性和可靠性。

1、根据风力资源、机组状况，控制机组生产满足电网需求的电力，尽可能减少对电网的冲击，保证电网的稳定运行。

2、在发电过程中，需保证机组本身各传动系统的安全稳定运行，诊断相关故障信息，保证机组本身的安全运行。

3、风机的载荷控制，尽量减缓载荷对机组寿命的影响。

4、跟踪最大风力资源，尽可能使机组工作在最佳效率状态。

MW级风电机组的控制特性复杂，控制系统需仔细设计，以求在上述目标之间平衡。

2.1 机组自动启停控制
      主控根据风力参数、电网参数以及机组各系统相关的运行状况，自动在各过程之间切换，完成机组的发电控制，系统的各状态之间切换状态图如下：

图1.1，机组运行状态切换简图

当系统上电后，主控系统首先进入“开机”状态，检测各参数正常后，系统进入“待机”状态，如检测的状态不正常，则根据级别进入其他各类停机状态；

在“待机”状态，系统开始执行机组的各单元的控制程序，如偏航系统、齿轮箱系统、变桨系统、变流器系统等等，同时检测机组自身参数、电网条件、风况条件，满足条件要求，切换至“启动升速”状态；在“待机”状态，机组可通过操作盘上的按钮切换至“手动”状态，完成偏航、变桨系统的手动控制。

在“启动升速”状态，系统会根据不同的风速条件选择启动方式，控制变桨角度，让风轮开始旋转，开始最初的转速开环控制，当转速满足最低要求后，系统开始启动变流器执行“启励”、“并网”等控制任务，进入“发电运行”状态。

2.2主控故障保护
　　主控系统根据实时运行的诊断数据和预先设置的故障级别，将系统的故障停机分为如下三类：

1、正常停机：主控控制变桨系统、变流器系统，按照设定减负荷速度控制转速、转矩，实现机组的正常停机。

2、快速停机：由于发生了危害机组安全的故障，主控直接控制变桨系统顺桨，快速降低机组负荷，实现安全停机。

3、安全链停机：独立于主控的后备保护回路，采用“失电动作”设计，有效保护机组的安全，停机条件包括塔座、机舱急停按钮，塔座、机舱控制系统看门狗，变流器故障，电网保护装置动作，机组超速，振动保护动作，扭缆越限等条件。

2.3机组在线诊断
风电机组自动化程度高、运行环境恶劣，主控程序需实现各类运行参数的诊断和统计，包括风况参数、电网参数、变桨系统、变流器系统、偏航系统、齿轮箱、发电机、液压系统、润滑系统等等。

      主控系统实时监视机组的运行状况，控制机组的各类辅机运行，根据各类诊断结果的不同级别，执行包括纪录、报警、正常停机、快速停机、安全链动作等各类不同的机组保护方式，同时主控将机组信息实时传送至远端的监控中心。

2.4机组变速、变桨距控制
　　大型风力机通过控制发电机转速和变桨系统的桨距角度实现发电控制，运行曲线（如下图）分为功率优化区和功率限制区两个部分。

1、当低于额定功率时，通过控制发电机转速实现在小于额定功率情况下的最佳叶尖速比运行。如图转速点A’以下的范围为开环控制区（机组启动过程）；B~C’为最佳叶尖比运行区；C’点为机组的额定转速区，当机组运行达到C’点后，机组进入恒转速运行。

2、当机组功率达到E点时，进入功率限制运行区，通过调节变桨距角度，限制机组输入功率为额定功率。常规调节方法由于变桨角执行的响应速度很难完全跟踪风速的能量变化，会导致功率的波动，在这里可通过特殊的恒功率算法，使机组在阵风模式依然可获得稳定的功率输出。

图1.2，转速、转矩运行曲线

如图1.3功率曲线图所示，将此功率曲线分成四个工作区域，即恒速运行工作区A、最佳Cp追踪工作区、恒速运行工作区B、额定点以上运行工作区。

在图1.2中恒速运行工作区A对应于A’-B段；最佳Cp追踪工作区对应于B-C’段、恒速运行工作区B对应于C’-E段、额定点以上运行工作区对应于E点。

图1.3，功率曲线

在额定风速以下运行区，控制器控制风机最大化的捕获风能提高发电量。在额定风速以上运行区，控制器控制风机卸掉多余的机械能，维持机组工作在额定点附近。恒速工作区A：风机自启动到转速达到最小并网转速，则进入恒速工作区A，控制器控制风机并网，并随着风速的增加控制机组的输出功率增大，直到达到最佳Cp曲线（图1.2中的B点）；最佳Cp最佳追踪工作区：控制器控制风机运行于最佳Cp曲线之上，动态调整风力发电几组的输出功率实现最大风能捕获；恒速工作区B：此时风力发电几组的发电机转速已经达到额定转速，但是输出功率尚未达到额定值，随着风能的增加调节机组输出功率增大，直到输出功率到达额定值，如此可以有效地防止在几组达到额定之前由于大阵风的影响而出现机组超速的现象；额定风速以上运行区，控制器控制风机卸掉多余的机械能，维持机组工作在额定点附近。

2.5机组载荷优化
      风力发电机组在运行过程中载荷情况复杂，控制系统的动作也不可避免对机组的载荷产生影响，在各种工况下风力机组疲劳载荷、极限载荷对机组的运行效率、使用寿命都有非常至关重要的影响，系统设计时需仔细分析风机主要部件包括叶轮、传动系统、塔架的各阶振动模态以及相互的作用， 充分考虑了各类复杂的动力学问题，通过发电机转矩控制、叶片变桨角度控制，尽可能减缓载荷对机组长期运行寿命的影响。

Cmapbell图常用于机组振动模态的分析，下图是某1.5MW机型经BLADED软件模态线性化分析后得到的机组各部件的振动模态图，图中列出了塔架、叶片等机组各部件的振动模态，机组在设计阶段就应开展固有频率、阻尼率和可能引起的谐振问题的分析，以及引起谐振工作区域的分析，如机组的运行频率应尽可能辟开塔架的固有频率，以免引起共振。主控软件需针对机组的相关特征频率进行优化和控制，常规载荷优化括：风轮-塔架耦合振动控制、机组传动链扭振控制。

图1.4 风电机组坎贝尔图

风轮-塔架耦合振动控制

对于大型变桨距风力机组，叶片变桨角度变化直接影响塔架的振动幅度和载荷，机组塔架一阶前后振动模态为主要模态，如果风轮的启动阻尼较小，小激励就可能引起很大的载荷相应，所以需在变桨距调节中适当增加阻尼，以进行塔架的载荷优化控制。

通过塔架的运动模型分析可知，塔架前后振动速度与风力作用在叶片上的△F呈反比。常规的处理方法为：通过机舱的加速度传感器可很容易得到塔架的前后振动加速度，积分后即得到塔架前后振动的速度，在变桨调节的叶片开度指令加入一定分量的该阻尼信号，即可获得很好的机组塔架振动控制效果，同时对速度和功率调节的效果没有影响。

传动链扭振控制

双馈机组在额定功率以上运行时，转矩指令不再随风速变化而变化，使得机组传动链的阻尼很小，容易引起传动链的扭转振动，从而引起齿轮箱的转矩波动加速齿轮箱的损坏，因此在控制器设计中进行传动链加阻非常有必要。

根据模态线形化分析，机组传动链扭转振动与叶片面内一阶模态、塔架左右二阶模态直接相关，通过带通滤波器在转速测量值上将该特征频率取出，经增益、移相处理后，加入转矩指令，从而抵消扭振的谐振，有效增加阻尼效果，控制传动链扭转振动。

图1.5 转矩控制器框图

转矩控制器：变速风力发电机组的变速运行主要是靠WPCS控制系统向变流器发送转矩指令，由变流器在发电机气隙中产生一个要求的转矩，引导风电机组加速或减速从而使机组运行在期望的转速附近。在转矩控制器中引入了传动链扭振控制器和塔筒左右摆振抑制控制器，通过测得的发电机转速和塔筒左右振动加速度，传动链扭振控制器和塔筒左右摆振抑制控制器在原有的转矩指令上叠加一些转矩的波动以实现机组载荷的优化。

图1.6 变桨距控制器框图

变桨距控制器：当发电机转矩达到最大值以后，变桨距控制器就要投入工作。根据发电机的转速确定桨距角度，以维持机组工作在额定点。由于塔架的前后振动是很弱的阻尼振荡，为了抑制这一振动，在桨距控制器中引入了塔筒前后摆振抑制控制器，通过测得的塔筒前后振动加速度，改变桨距角指令，增加该模式下的有效阻尼，从而抑制塔架的前后振动。

这两大控制器并联运行，进行有机的结合，采取协调控制策略，实现勿扰切换，完成整机的动态控制。

WPCS系统的PLC基于新一代高性能的双核PowerPC处理器和高实时性能的VxWorks操作系统，CPU具有强大的运算能力、代码执行效率和高实时性的任务调度处理能力，完全能够满足风电主控控制策略复杂、计算运算量大的需求，同时与采用X86、赛扬处理器和WinCE操作系统的“PC核”软PLC相比，在控制器的稳定性、功耗、指令效率都有明显的优势。

用户编程组态方式灵活，可选择IEC61131标的编程环境包括：梯形图、功能块、指令表、ST语言等完全中文的编程界面上完成主控程序代码编写。

图1.8 软件编程环境截图

WPCS风电主控系统包括塔座控制柜和机舱控制柜，两机柜之间采用光纤通讯连接。塔座柜布置UPS电源、PLC的主控制器及部分I/O模件、HMI触摸屏、SCADA系统通讯接口等等，主控通过CANopen通讯接口和变流器系统、电网保护装置通讯。

机舱柜布置有主控系统的扩展I/O模件，采集机舱各类数字量、模拟量信号，并控制机组的各类辅助设备的运行，通过另一独立的CANopen通讯接口和变桨系统通讯。

系统具有各类成熟的现场通讯接口，如CANopen、Profibus、RS485等等，在本方案中，与变流器、变桨系统采用CANopen方案。与远程控制中心采用光纤以太网方案。如外围智能产品采用其他通讯接口，本方案可很方便配置选择其它通讯接口模件。

风电电控设备的运行环境相对比较恶劣，需考虑宽温运行环境、防雷击保护、振动冲击等环境运行条件， WPCS系统的所有电子部件均选用宽温工业级元器件，系统各部件在生产、组装、测试过程中，都经过了各类严格的试验，系统的设计和制造完全符合相关温度、防雷、振动标准要求。

五、风电机组实时仿真试验平台

与常规发电机组（如火电、水电）相比，风力发电机组的突出特点是输入能量不受控制，这一特点导致风力发电机组在构成上与常规发电机组有着很大的不同且呈现出多样化。需要根据风力发电机组的特点针对性的开发仿真模型软件。科远与东南大学共同的努力下完成了本风电机组实时仿真试验平台的开发工作。

图1.10 风电机组实时仿真试验平台网络架构示意图

该试验平台包含除了主控系统之外的风电机组的所有机械传动系统、风仿真模型、发电机、变流器、变桨系统等风电机组各个部件的实时仿真模型，真正的实现了风机整机对象的实时仿真。此实时仿真试验平台与运行有风电机组控制策略的PLC通过以太网进行实时通讯，实现主控PLC对风电机组实时仿真对象的闭环控制。风电机组实时仿真试验平台的结构框图如图1.11所示：

图1.11 风电机组实时仿真试验平台框图

该风电机组实时仿真试验平台的原型机为国内目前的主力机型：1.5MW变桨变速双馈恒频风力发电机组。其各个部件的数学模型均依据该风机的实际情况精心设计。