风力发电机控制系统介绍控制系统概述第一部分•风力发电机组的控制系统由各种传感器、控制器以及各种执行机构等组成。
各种传感器包括：风速传感器、风向传感器、转速传感器、位置传感器、各种电量变送器、温度传感器、振动传感器、限位开关、压力传感器以及各种操作开关和按钮等。
这些传感器信号将传送至控制器进行运算处理。
第一部分控制系统基础主控制器一般以PLC为核心，包括其硬件系统和软件系统。
上述传感器信号表征了风力发电机组目前的运行状态。
当机组的运行状态与设定状态不相一致时，经过PLC的适当运算和处理后，由控制器发出控制指令，将系统调整到设定运行状态，从而完成各种控制功能。
这些控制功能主要有：机组的启动和停机、变速恒频控制、变桨距控制、偏航控制等。
控制的执行机构可以采用电动执行机构，也可采用液压执行机构等。
•目前，风力发电机组主要有两种系统控制方式，即恒速恒频控制方式和变速恒频控制方式。
前者采用“恒速风力机+感应发电机”，常采用定桨距失速调节或主动失速调节来实现功率控制。
后者采用“变速风力机+变速发电机”，在额定风速以下时，控制发电机的转矩，使系统转速跟踪风速变化，以保持最佳叶尖速比，最大限度地捕获风能；在额定风速以上时，采用变速与变桨距双重控制，以便限制风力机所获取的风能，保证风电机组恒功率（一般为额定功率）输出。
PLC的控制顺序主控制系统（PLC）•WP4051 WPL110 WP4000 WPL150 WPL351 WPL351•触摸屏电源(通信)模块CPU模块电量测量模块I/O模块I/O模块可给8个存储、处理数据实时DSP 2个RS-485接口模块供电2个串口、电量测量16个DO、26个DI、4个AO光纤通信1个以太网接口可测量三相：4个计数器输入、以太网接口编程环境C、电压电流8个PT100、IEC61131-3 有功无功4个AI（±10V）功率因数4个AI（0~20mA）2个热敏电阻输入•目前，风力发电机组主要有两种系统控制方式，即恒速恒频控制方式和变速恒频控制方式。
前者采用“恒速风力机+感应发电机”，常采用定桨距失速调节或主动失速调节来实现功率控制。
后者采用“变速风力机+变速发电机”，在额定风速以下时，控制发电机的转矩，使系统转速跟踪风速变化，以保持最佳叶尖速比，最大限度地捕获风能；在额定风速以上时，采用变速与变桨距双重控制，以便限制风力机所获取的风能，保证风电机组恒功率（一般为额定功率）输出。
•控制系统还应具有各种保护功能，使风力发电机组发生危险或故障时，能够快速报警并迅速转换为安全状态。
严重的危险和故障往往导致风电机组紧急停机。
2 控制功能•风力发电机组的控制系统应能完成机组的正常运行控制和对机组运行参数及运行状态的在线检测与监控。
后者已在第5.3节中作了详细介绍，这里主要介绍前者。
•控制系统的控制功能因机组类型的不同而有所区别，归纳起来主要包括：• a 机组的启动和停机程序；• b 发电机并网程序及软并网控制；• c 双速感应发电机的自动切换控制；• d 补偿电容器的分组投入和切换；• e 叶尖扰流器控制；• f 变桨距控制；•g 变速恒频控制；•h 偏航控制；•i 扭缆限制；•j 低电压穿越•k 紧急停机等。
2、机组发电运行要求的控制功能•风力发电机组的控制目标•基本控制功能•系统运行的各种传感器配置•机组运行工作状态划分及转换•机组的启/停功能•偏航系统的运行功能•液压系统控制功能•发电机的并网控制•机组发电运行控制主要功能机组运行时控制要求•1、大风情况下，当风速达到停机风速时，风机应叶尖限速脱网-抱液压机械闸停机，而且在脱网同时，风机偏航90°。
停机后待风速降低到大风开机风速时，风机又可自动并入电网运行。
•2、为了避免小风时发生频繁开、停机现象，在并网后10分钟内不能按风速自动停机。
同样，在小风自动脱网停机后，5分钟内不能再次并网。
•3、当风速小于停机风速时，为了避免风机长期逆功率运行，造成电网损耗，应自动脱网，使风机处于自由转动的待风状态。
•4、当风速大于开机风速，要求偏航机构始终能自动跟风。
跟风精度范围±15°。
•5、风机的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下应该松机械闸，其余状态下（大风停机、断电和故障等）均应抱闸。
•6、机朱运行时机械闸除非在脱网瞬间、超速和断电时释放，平时维修起稳定刹车作用。
机组运行要求•7、在大风停机和超速停机的情况下，风机除了应该脱网、抱闸和气动刹车停机外，还应该自动投入偏航控制，使风机的机舱轴心线与风向成一定的角度，增加风机脱网的安全度，待机舱转约90°后，机舱保持与风向偏90°跟风控制，跟风范围±15°。
•8、在电网中断、缺相和过压的情况下，风机应停止运行，此时控制系统不能供电。
如果正在运行时风机遇到这种情况，应能自动脱网、启动刹车和抱闸停机，此时偏航机构不会动作，风机的机械结构部分应能承受考验。
•9、风机塔架内的悬挂电缆只允许扭转±2.5圈，系统已设计了正/反向扭缆计数器，超过时自动停机解缆，达到要求后再自动开机，恢复运行发电。
•10、风机应具有手动控制功能（包括远程遥控手操），手动控制时“自动”功能应该解除，相反地投入自动控制时，有些“手动”功能自动屏蔽。
•11、控制系统应该保证风机的所有监控参数在正常允许的范围内，一旦超过极限并出现危险情况，应能自动处理并安全停机。
主控系统•控制系统是风电机组安全运行的大脑指挥中心，控制系统的安全运行就是机组安全运行的保证，各类机型中，变速变距型风电机组控制技术较复杂，其控制系统主要由三部分组成：主控制器、桨距调节器、功率控制器（转矩控制器）。
系统构成如图所示：变频器（ABB)电驱变桨结构液压驱动变桨结构•A 变桨系统可单独对每个叶片的变桨角度进行调整，在其中一个变桨系统出现故障时可•安全的停机。
变桨系统完成的功能如下：•当风速超过额定风速时，通过控制叶片角度来控制风机的速度和功率。
•当安全链被打开时，叶片作为空气动力制动装置安全停机（安全运行）。
•当风速低于额定风速时，通过调整叶片角度最大可能的从风中吸收更多的功率。
•通过衰减风旋转交互作用引起的振动使风机上的机械载荷极小化。
•3个叶片受三个独立的变桨系统控制，其中每个叶片通过变桨电机驱动变速箱、•小齿轮、变桨轴承内齿圈转动。
变桨变频器控制变桨电机的速度，使每个叶片在顺桨•位置、工作位置之间持续的自动的变桨。
PLC 根据功率控制给叶片角度的参考值，然•后变桨变频器控制叶片向参考位置变桨。
当安全链打开的情况下，叶片回到顺桨位置•以减慢轮毂的转动速度。
安全锁保护叶片只能往顺桨位置方向旋转，不能反转，保证•风机的安全停机。
•B 控制系统配备了电池柜，当电网掉电的情况下由电池供电给变桨变频器，使风机•安全停机。
变桨电机、带有变桨变频器的变桨控制柜位于轮毂内，而电池柜、供电电•源在机舱内。
利用滑环起到旋转信号和固定信号之间的连接。
利用顺桨位置的接近开•关检测顺桨位置、工作位置的接近开关检测工作位置。
检测叶片是否在工作区域之内、•是否超过了工作位置。
•C 齿轮箱是紧凑的，具有高的过载能力。
为了调制变桨，使叶片能够达到顺桨位置、工•作位置，变频器和变桨电机瞬时超载，大约以2倍的额定转矩驱动齿轮箱，这种情况一天•中可能会发生几次。
•偏航控制：通过转动风轮使其远离风向，减少功率吸收，它需要偏航驱动系统，轮毂要承受偏航回转力矩，总的来说控制有效、设计简单。
•驱动偏航、自由偏航或固定式偏航•下风向风机采用自由偏航方式，风机象一个大的风向标一样自动跟随风向摆动，不需要驱动装置，可以设计偏航阻尼限制偏航速率。
•上风向风机一般采用主动偏航方式，驱动系统包括偏航电机、减速机、偏航刹车机构等，这种驱动方式塔架需要承受偏航扭矩。
•大多数水平轴风机采用偏航机构旋转风轮顺风，限制功率输出。
但这种方法响应速度很慢，原因有：（1）机舱和风轮有很大的惯性力矩；•（2）垂直于风轮的风速与偏航角度的变化呈正弦关系，如果偏航角变化10度，功率下降只变化几个百分比，而如果桨距角变化10度，功率下降会很明显。
•在变速机组上应用主动偏航控制，振风引起的的超功率可以暂时储存在风轮动能里，如果继续超功率，再进行偏航动作，这种设计方法已在Gamma 60试验样机上获得成功，偏航最大速率8度/s。
•（1）恒定尖速比控制策略，控制风机最佳尖速比运行，获得最大能量吸收效率，风机的功率特性曲线存储在控制器的内存中，不断测量风速和风轮转速，计算出实际尖速比，并与最佳尖速比参考值比较，得到的误差信号反馈到控制器中，从而使控制器调节转速，最小化误差信号。
这种策略的缺点是由于上风向机组风速传感器在风轮后面，测量不准确，此外，特性曲线随叶片翼面的改变而改变，也不准确。
•（2）最大功率点跟踪控制策略，这种控制策略基于功率与速度的变化率来控制，即跟踪峰值，在机组运行时，风轮转速有微小的增加或减少时，测量功率变化，并观测的变化，如调节风轮转速增加，如果，调节风轮转速减小，最终，叶轮转速不再改变，达到最大功率捕获点。
这种控制策略对风速和叶片特性的改变不敏感。
二、机组电气控制系统主要形式•整体控制系统主要按机组型号分类•失速机型控制系统•双馈式变速恒频型•直驱永磁式变速控制系统•同步机励磁型•交流异步机全变流器型并网控制原理•双速风力发电机组中大小电机并网、切换控制技术，利用晶体管改变切入电阻的特性限制并网时的电流冲击•风速小于8m/s,软切并入小电机，大于时并入大电机。
•并网运行以后，风速增加达8m/s，切小，并大，从高风降到8m/s以下时，切大并小变距控制•变距叶轮的桨叶在静止时，节距角为90°，如图9-4所示，这时气流对桨叶不产生力矩，整个桨叶实际上是一块阻尼板。
当风速达到起动风速时，桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，叶轮开始起动。
•对于变距变速型风机，叶片在切入电网后到额定功率输出前，正常小风启动时，叶片节距角维持在0左右，基本不变化，这时主要调节风轮转速，使其跟随风速的变化保持最佳叶尖速比运行，从而达到额定风速下的最大能量捕获效率，额定风速之上，通过叶片节距角逐渐增大，减低Cp值，限制功率输出，达到切出风速时，节距角调整为90 °脱网停机。
控制技术简介•计算机控制‘•主从控制•偏航控制•变距控制额定风速以上的恒功率控制，常规的控制技术•最佳尖速比的功率优化控制——变速控制•工作点柔性协调控制—降温升的功率控制线性增益调度控制。
•抑制扰动的鲁棒控制•结构振动控制，激励源避开耦合谐振频率的控制•传动链载荷减缓的控制，即抑制扭动冲击力的控制计算机控制及其特点•计算机控制系统计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。