王 東 劉廣東 趙雙喜 時連斌 郝春霞

（保定天威風(fēng)電科技有限公司，河北 保定 071051）

風(fēng)電機組的主控系統(tǒng)是風(fēng)機控制系統(tǒng)的核心，它對外主要有三個接口系統(tǒng)：即監(jiān)控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)以及變流器系統(tǒng)；它與監(jiān)控系統(tǒng)接口完成風(fēng)機實時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制系統(tǒng)接口完成對葉片的控制，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及變速運行，與變流器系統(tǒng)接口實現(xiàn)對有功功率以及無功功率的自動調(diào)節(jié)。作為風(fēng)電機組“大腦”的主控系統(tǒng)對保證機組的發(fā)電量、提高機組的運行壽命、保證機組安全可靠運行起著至關(guān)重要的作用[1]。

1 控制系統(tǒng)基本組成

風(fēng)電機組控制系統(tǒng)主要由三部分組成：輪轂變槳控制系統(tǒng)、機艙控制系統(tǒng)、塔底柜主控制系統(tǒng)，圖1為整個機組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。

1）變槳距系統(tǒng)

變槳距控制系統(tǒng)用于機組的槳距控制，實現(xiàn)機組的故障剎車功能和高風(fēng)速狀態(tài)的有功功率的調(diào)節(jié)。是機組安全運行的保證和有功功率調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。

圖1 風(fēng)電制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2）機艙控制系統(tǒng)

機艙控制系統(tǒng)根據(jù)外圍傳感器（風(fēng)信號傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、振動監(jiān)測儀等）所檢測到的各種風(fēng)機狀態(tài)，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送命令，使風(fēng)機的相應(yīng)部件做出一些動作，或?qū)︼L(fēng)機采取一些措施。機艙控制系統(tǒng)與變槳系統(tǒng)和塔底控制系統(tǒng)通信，執(zhí)行相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測與命令執(zhí)行。

3）塔底柜主控制系統(tǒng)

塔底主控制系統(tǒng)接受來自塔上（包括機艙和輪轂）控制系統(tǒng)的監(jiān)測信息，根據(jù)相關(guān)信息發(fā)送相應(yīng)命令給機艙控制系統(tǒng)，使機組進(jìn)行相關(guān)動作；執(zhí)行塔底中的一些 I/O功能，主控系統(tǒng)實時計算風(fēng)機所需的力矩值和槳葉角值，實時與變流器、變槳系統(tǒng)進(jìn)行通信，通過對變流器和變槳系統(tǒng)的指令給定，來控制風(fēng)機的發(fā)電運行。

主控制系統(tǒng)通過對機組功率和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)發(fā)電機組的最優(yōu)發(fā)電狀態(tài)；機組故障時，通過控制機組預(yù)先設(shè)定的故障級別，對機組實現(xiàn)停機保護(hù)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計的基本目標(biāo)

主控系統(tǒng)協(xié)調(diào)變槳系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)，實現(xiàn)機組的發(fā)電控制，根據(jù)風(fēng)力機的特性，主控系統(tǒng)設(shè)計需實現(xiàn)以下幾方面的目標(biāo)。

1）根據(jù)風(fēng)力資源、機組狀況，控制機組生產(chǎn)滿足電網(wǎng)需求的電力，盡可能減少對電網(wǎng)的沖擊，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

2）發(fā)電過程控制，需保證機組本身各傳動系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，診斷相關(guān)故障信息，保證機組本身的安全運行。

3）風(fēng)機的載荷控制，盡量減緩載荷對機組壽命的影響。

4）跟蹤最大風(fēng)力資源，盡可能使機組處于最佳效率狀態(tài)。

兆瓦級風(fēng)電機組的控制涉及氣動力學(xué)、機械傳動學(xué)、電磁學(xué)、電器學(xué)、電子學(xué)等多個學(xué)科，控制特性復(fù)雜，控制系統(tǒng)的設(shè)計自由度大，設(shè)計難度大。設(shè)計時需要綜合各個控制指標(biāo)，以求在上述控制目標(biāo)之間達(dá)到平衡。

3 電控系統(tǒng)的整體控制策略

風(fēng)速太低時，葉輪轉(zhuǎn)子停止不動，留在等待旋轉(zhuǎn)的位置，達(dá)到切入風(fēng)速時，它會自動運轉(zhuǎn)起來。

風(fēng)機運行過程中，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，在這個負(fù)荷范圍內(nèi)，變流器會調(diào)整發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)矩，調(diào)整的方法是根據(jù)轉(zhuǎn)矩的特性曲線來優(yōu)化功率輸出。

風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，機組通過調(diào)整葉輪葉片角度的方式來限制發(fā)出的功率。在這個工作范圍里，變流器會把發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)矩一直保持在額定值。風(fēng)速繼續(xù)增加時，風(fēng)電機組會先以葉輪的加速來做反應(yīng)，同時通過變槳系統(tǒng)調(diào)整葉片角度的方式來調(diào)整轉(zhuǎn)速，使它達(dá)到額定時的轉(zhuǎn)速。機組在連接電網(wǎng)的發(fā)電狀態(tài)中，運行于變速變槳距狀態(tài)。

主控制系統(tǒng)是風(fēng)電機組的神經(jīng)中樞。它可根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境參數(shù)及機組自身的監(jiān)測參數(shù)對系統(tǒng)加以控制，在穩(wěn)定的電壓和頻率下運行，自動地并網(wǎng)和脫網(wǎng)，并監(jiān)視齒輪箱、發(fā)電機的運行溫度，液壓系統(tǒng)的油壓，對出現(xiàn)的任何異常進(jìn)行報警，必要時自動停機。保證風(fēng)電機組安全可靠運行，實現(xiàn)自然風(fēng)的最大利用率和最高的能量轉(zhuǎn)化率，向電網(wǎng)提供良好的電能。

主控制系統(tǒng)安裝在機組塔筒底部平臺，與機艙控制系統(tǒng)通過光纖進(jìn)行信號傳輸，應(yīng)用現(xiàn)場總線進(jìn)行通信；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和人機界面通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，對風(fēng)電機組整體運行進(jìn)行控制和監(jiān)測。

機艙控制系統(tǒng)以遠(yuǎn)程 I/O方式，通過現(xiàn)場總線與主控制器、變槳控制器進(jìn)行通信。機艙柜用于采集電網(wǎng)電量信息，記錄風(fēng)向、風(fēng)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速及溫度等數(shù)據(jù)，控制偏航、扭攬等。

人機界面安裝于風(fēng)電機組塔底和機艙兩個部分，用于完成系統(tǒng)運行狀態(tài)控制和顯示、風(fēng)電機組參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計、故障記錄的查詢等工作。通過設(shè)置用戶訪問權(quán)限，保證風(fēng)電機組操作的安全可靠。

以太網(wǎng)交換機將每臺風(fēng)電機組數(shù)據(jù)，通過光纖連接，發(fā)送到中央監(jiān)控系統(tǒng)中。風(fēng)電機組與風(fēng)電機組之間采用環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4 控制系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計特點

1）開放性

控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)支持多種現(xiàn)場總線協(xié)議，如Modbus、Profibus、Canopen等，同時提供多種接口方式選擇，增加開放性設(shè)計，開放性設(shè)計對控制系統(tǒng)軟硬件的選擇及控制系統(tǒng)的適應(yīng)性有重要意義。

2）高可靠性

塔底主控制柜與機艙控制部分采用光纖通信，光纖傳輸在干擾方面要優(yōu)于網(wǎng)線傳輸，有利于保護(hù)通信不受外部干擾；風(fēng)電主控制器應(yīng)根據(jù)GL（德國船級社）認(rèn)證要求設(shè)計，保證控制器的安全性、可靠性等。

3）環(huán)境適應(yīng)性

寬廣的溫度適應(yīng)性，控制系統(tǒng)在-30℃能順利啟動；-40℃能安全儲存；+40℃能穩(wěn)定運行；+50℃能安全儲存。對與沿海及海上機組，還需增加嚴(yán)格的三防工藝，即防鹽霧、防濕熱，防霉菌等。

4）電磁兼容性

電氣控制柜中所有印刷電路板，背板背面全部接地，有效抵抗脈沖群干擾，所有控制電纜選用帶屏蔽層的多芯電纜，增強抗干擾能力。

5）冗余和自診斷功能

控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)支持電源冗余、控制器CPU冗余、通信冗余等；應(yīng)擁有強大的自診斷功能，I/O模塊應(yīng)具有回讀比較自檢、掉電檢測和超量程報警等功能。

6）風(fēng)電專用專家系統(tǒng)模塊設(shè)計

對于一些重要的測量、采集信息的單元，采用專門針對風(fēng)電控制的專家系統(tǒng)，實行模塊化設(shè)計；提高整個控制系統(tǒng)的控制性能和減少故障率；例如：采用高速測頻模塊、光纖通信模塊、電量采集模塊等，用來完成風(fēng)電特殊信號的采集和通信。

4.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1）主控系統(tǒng)PLC控制模塊

天威風(fēng)電風(fēng)電機組采用奧地利巴赫曼PLC控制模塊，按模塊功能劃分，可分成若干子模塊，子模塊之間安裝簡便，通過總線連接，完成整個控制功能的實現(xiàn)。具體如下：

（1）NT250/NT255（電源模塊）

巴赫曼PLC電源模塊是DC/DC電源模塊，輸入24VDC，輸出24VDC，向控制器提供50W電源。

（2）MPC240（CPU控制模塊）

MPC240控制模塊是控制器的CPU模塊，是整個控制系統(tǒng)的核心，用于執(zhí)行用戶程序，處理本地I/O和過程數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場總線控制分布I/O口。內(nèi)置CANOPEN通信協(xié)議接口和以太網(wǎng)接口；溫度適應(yīng)性寬，支持-30～+60℃溫度范圍正常運行；程序執(zhí)行速度快，最小掃描周期可達(dá)10ms，支持多任務(wù)調(diào)用。

（3）PTAI216 （溫度、轉(zhuǎn)速測量模塊）

PATI216模塊用于機組所有溫度監(jiān)測信號的讀取，通過對機組中溫度信號的處理，處理器發(fā)出相應(yīng)的控制指令，控制執(zhí)行機構(gòu)的動作。另外，主軸低速計數(shù)也由該模塊中。

（4）CM202 CAN總線模塊

通信網(wǎng)絡(luò)的配置：8個撥碼盤：出廠時撥在左邊，表示每個CAN口帶不同的CAN網(wǎng)絡(luò)。CAN的終端要加120歐的終端電阻。

（5）DIO248數(shù)字輸入模塊和DIO280數(shù)字I/O模塊

這兩個I/O模塊用于DI/DO信號的處理，包括直流DI、繼電器/晶體管型DO等。

（6）AIO280 模擬輸入/輸出模塊

該模塊執(zhí)行 AI信號的處理，包括電流/熱電阻型AI信號等。

2）電網(wǎng)檢測模塊機組電量測量模塊采用 WOODWORD多功能繼電器，安裝于塔底控制柜中，通過CAN口與控制器連接（圖2中的電網(wǎng)檢測部分）電量采集模塊用于測量電量參數(shù)，包括電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)以及頻率等。

3）背板

背板用于安裝所有控制模塊，并提供CPU模塊與其他模塊之間的數(shù)據(jù)通信總線。包括本地背板和擴展背板，本地背板用于安裝CPU模塊、I/O模塊、通信接口模塊、CANOPEN主站模塊；擴展背板用于安裝通信接口模塊、I/O模塊、計數(shù)模塊和CANOPEN主站模塊。塔底控制站中使用主背板，機艙站使用擴展背板。

圖2為機組所有控制模塊連接結(jié)構(gòu)圖。

圖2 控制系統(tǒng)模塊連接

4.3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

風(fēng)機運行過程中，控制系統(tǒng)需要監(jiān)測的主要參數(shù)有如下幾個方面，風(fēng)機運行時控制器通過監(jiān)測這些參量，并作出相應(yīng)的控制指令。

1）電氣參數(shù)

電網(wǎng)三相電壓、發(fā)電機輸出的三相電流，電網(wǎng)頻率及發(fā)電機功率因數(shù)等。

2）氣象參數(shù)

氣象參數(shù)包括風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度等。

3）機組狀態(tài)參數(shù)

機組狀態(tài)參數(shù)包括風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)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、電纜紐轉(zhuǎn)、機械剎車狀況、機艙溫度等。

4）反饋信號

高速軸機械剎車松開，偏航剎車松開，發(fā)電機脫網(wǎng)及脫網(wǎng)后的轉(zhuǎn)速降低信號，低電壓穿越信號（變流器獨立完成，但告知主控正在穿越）。

控制系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)框圖如下圖3所示，對于風(fēng)電機組的運行，主要是兩個方面的控制，由兩大控制器組成：即轉(zhuǎn)矩控制器和變槳距控制器。

圖3 控制系統(tǒng)軟件控制策略框圖

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程如圖4所示。

5 高原環(huán)境風(fēng)電控制系統(tǒng)的設(shè)計原則

5.1 控制系統(tǒng)運行環(huán)境要求

高原環(huán)境一般具有以下特點：氣溫低、氣壓低、空氣密度低、干燥、日夜溫差大、日照強度大。

對于海拔在3500m及以上的風(fēng)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計時，對環(huán)境的基本要求如下：

1）生存溫度

高海拔環(huán)境條件一般伴隨著低氣溫，所以對機組生存溫度應(yīng)按低溫環(huán)境進(jìn)行設(shè)計，即生存溫度滿足：-40℃到+50℃

2）運行溫度

高原低溫環(huán)境，設(shè)計機組運行溫度一般為：-30℃到+40℃較為適宜，對應(yīng)的控制系統(tǒng)及其相關(guān)低壓器件也必須適合低溫環(huán)境要求。

圖4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

3）相對濕度

一般高原條件空氣密度較低，溫度低，所以濕度一般較小，設(shè)計要求濕度一般為：95%即可。

4）防護(hù)等級

由于海拔要求較高，空氣密度低、溫度低、濕度較小，所以對于控制柜柜體與相應(yīng)的電氣控制器件，防護(hù)等級要求達(dá)到IP54即可。

5.2 高海拔環(huán)境低壓電器元件的選擇

高原環(huán)境伴隨著低溫、低濕度、低空氣密度，空氣壓力或空氣密度對電氣設(shè)備性能有重要影響。

高原氣候?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機組電氣控制系統(tǒng)的影響主要有以下幾個方面[2]：

（1）高原環(huán)境使電氣設(shè)備的絕緣等級降低。

（2）高原環(huán)境使電子、電氣元件的容量降低。

（3）高原環(huán)境使機組的防雷保護(hù)要求增加。

（4）高原環(huán)境使電氣系統(tǒng)的接地要求增加。

針對高原環(huán)境對電氣控制系統(tǒng)的影響，對高海拔電氣控制系統(tǒng)應(yīng)做如下設(shè)計：

（1）加粗主設(shè)備（如發(fā)電機、液壓站、整機）接地導(dǎo)線線徑。

（2）增加控制電纜的線徑,尤其是安全鏈信號線（振動、扭纜、急停等）。

（3）電氣、電子元件的降容使用,如斷路器、繼電器、接觸器的容量等。

（4）對變流器控制器設(shè)置,如轉(zhuǎn)矩控制等。其中斷路器、繼電器、接觸器需做相應(yīng)的降容處理。

1）高海拔對外絕緣強度與電氣間隙的影響[3]

空氣壓力或空氣密度降低，會引起電氣間隙和外絕緣強度降低，其下降曲線（1）可用下式表示

式中，Uh為海拔高度h 處的擊穿電壓/V；Uo為零海拔處的擊穿電壓/V；h為海拔高度/km；b為系數(shù)(1.1078～0.138)。

根據(jù) GB/T11022－1999規(guī)定高海拔修正系數(shù)Ka，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對于安裝在海拔高于1000m處的電氣設(shè)備，外絕緣在標(biāo)準(zhǔn)參考大氣條件下的絕緣水平應(yīng)該將使用場所要求的絕緣耐受電壓乘以系數(shù) Ka來校正。系數(shù)Ka按標(biāo)準(zhǔn)中圖（圖5）的曲線選取，或按公式：em(H－1000)/8150核算Ka均為1.202。

圖5

2）高原環(huán)境下斷路器發(fā)熱與載流量的變化

（1）發(fā)熱與載流量的變化

受海拔高度變化的影響，微型斷路器工作時的散熱能力減弱。因此在相同的使用環(huán)境溫度下不同海拔高度下的微型斷器的載流能力也相應(yīng)下降，表1為對應(yīng)海拔載流量修正系數(shù)。

表1 不同海拔要求對斷路器載流量的修正系數(shù)

例如ABB微型斷路器：S261-C10

海拔2000m Ie: 10A

海拔4000m Ie: 9A

（2）電氣絕緣能力的變化

由于海拔高度增高，空氣密度降低，使產(chǎn)品外絕緣水平下降，因此標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的絕緣電壓、工頻耐壓、沖擊耐壓均需進(jìn)行相應(yīng)修正，表2為對應(yīng)不同海拔斷路器絕緣能力修正系數(shù)。

表2 不同海拔要求對斷路器絕緣能力的修正系數(shù)

例如ABB斷路器S260系列產(chǎn)品的絕緣能力如表3所示。

表3 ABB斷路器S260系列產(chǎn)品的絕緣能力修正

在高海拔環(huán)境，控制器的印制電路板必須涂有防護(hù)涂層以滿足絕緣要求，除此以外，還應(yīng)注意控制器的散熱問題。

在控制柜柜體內(nèi)元器件設(shè)計時，按照表3斷路器在同海拔的絕緣和耐壓要求，通過增大柜體內(nèi)導(dǎo)體的空氣絕緣距離，可以增大導(dǎo)體的絕緣能力，提高散熱能力[5]；以空氣為絕緣介質(zhì)的開關(guān)柜內(nèi)各相導(dǎo)體間電氣間隙修正系數(shù)如表4所示。

表4 不同海拔要求導(dǎo)體間電氣間隙修正系數(shù)

應(yīng)按照上述修正系數(shù)對器件之間的空間間距進(jìn)行修正，增大間距，

（3）動作特性、通斷能力與電氣壽命的變化

高原地區(qū)散熱的對流作用減弱，且最低氣溫較低，日溫差較大，會給一些低壓電器的動作特性帶來一定影響，如熱磁式低壓斷路器的動作特性、熱繼電器的動作特性均會發(fā)生一定變化[4]。

由于海拔高度增高，使以自由空氣為滅弧介質(zhì)的開關(guān)電器滅弧困難，會造成通斷能力下降和電器壽命縮短，表5為不同海拔要求電器元件通斷能力與電器壽命修正系數(shù)。

表5 不同海拔要求電器元件通斷能力與電器壽命修正系數(shù)

ABB斷路器S260系列斷路器通斷能力與電氣壽命修正如表6。

表6 ABB S260系列斷路器通斷能力與電氣壽命修正

（4）溫升

現(xiàn)有一般低壓電器產(chǎn)品，使用于高原地區(qū)時，其動、靜觸頭和導(dǎo)電體以及線圈等部分的溫度隨海拔高度的增加而遞增。其溫升遞增率為海拔每升高100m，溫升增加 0.1～0.5K，但大多數(shù)產(chǎn)品均小于0.4K。而高原地區(qū)氣溫隨海拔高度的增加而降低，其遞減率為海拔每升高100m，氣溫降低足夠補償由海拔升高對電器溫升的影響。因此，低壓電器的額定電流值可以保持不變，對于連續(xù)工作的大發(fā)熱量電器，可適當(dāng)降低電源等級使用。

（5）太陽輻射強度對電氣設(shè)備的影響及防護(hù)[6]

隨著海拔的升高，空氣密度也隨之降低，太陽光透過度愈大,到達(dá)地面的輻射越強。太陽輻射的數(shù)據(jù)一般是是統(tǒng)計夏季6～8月內(nèi)，太陽直接輻射最大強度值，表7為不同海拔要求太陽直接輻射照度值。

表7 不同海拔要求太陽直接輻射照度

由上表7可知，海拔高度增加1000m,太陽直接輻射強度增加約60W/m2，對機艙、塔筒和葉片等暴露于外的部分，圖層應(yīng)選用耐強烈太陽輻射的材料，如耐候性塑料、粉末涂料等。

6 結(jié)論

控制系統(tǒng)是風(fēng)電機組的關(guān)鍵部分，是風(fēng)電機組運行的“大腦”，是整個機組實現(xiàn)安全正常運行及實現(xiàn)最佳運行的保證；對于高原環(huán)境區(qū)域，控制系統(tǒng)的設(shè)計有其特殊性，由于空氣密度、溫度降低，對于風(fēng)電機組電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要考慮低壓電器設(shè)備設(shè)計選型問題，其中主要包括空氣密度的降低導(dǎo)致的電氣設(shè)備的散熱能力降低、電氣設(shè)備的絕緣強度降低、電氣設(shè)備的容量等電氣性能的降低。

因此，對于控制系統(tǒng)來說，高海拔問題關(guān)鍵是解決電氣設(shè)備的容量、動作特性、散熱、絕緣等問題。另外，高海拔環(huán)境的太陽輻射也應(yīng)有一定的考慮。充分考慮到上述問題，并采取相應(yīng)的措施，保證電氣設(shè)備的正常運行，才能保障機組的安全穩(wěn)定工作。

[1]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)[M]. 2版.北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[2]王富,王杰,徐學(xué)淵.高原風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計及改進(jìn).[J]電站輔機,2009(3):(19-22).

[3]正之.關(guān)于低壓電器耐壓試驗的海拔修正問題的探討[Z].上海:上海電器科學(xué)研究所,1984 .

[4]GBT 22580-2008 特殊環(huán)境條件,高原電氣設(shè)備技術(shù)要求低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備.

[5]GB/T20626.2-2006 特殊環(huán)境條件,高原電工電子產(chǎn)品第二部分:選型和檢驗規(guī)范.

[6]Global wind energy council,GWEC: Global wind 2008 report[EB/OL]. http://, 2009 - 02-18.