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1、双馈风电机组电控系统华北电力大学2010.4概述l基于分散控制 系统理念，针对直 驱和双馈风力发电 机组设计控制系统 。l右图为双馈风 电机组示意图概述l整个机组控制系统基于CAN总线设计。l主控系统采用基于微控制器ARM的工控主板， 主板具有CAN总线通讯功能。主板具有液晶屏/触 摸屏接口，可以外接三菱等品牌液晶屏作为人机 接口。l机组各类数据选用具有CAN接口的数据采集模 块采集。l机组各类输出信号通过具有CAN接口的模块输 出。系统设计方案l系统总体结构如图所示。机组网络拓扑结构网络连接系统设计方案电控系统各部分的关系系统设计方案l各控制模块直接布置在控制对象的工作点，数 据采集系统由各
2、种CAN接口采集卡组成，分散在 机组不同部位。l主控系统及各子系统之间的通讯采用现场总线 CAN总线。l主控制器以基于ARM处理器的工控主板为硬件 平台，以嵌入式Linux为操作系统。同时外接带触 摸屏的LCD显示器。系统设计方案主控制系统主要功能：l与机舱柜偏航控制系统通讯，接收机舱信号，并根据实 时情况进行判断发出偏航或液压站的工作信号；l与变桨系统通信，接收变桨信号，并对变桨系统发送实 时控制信号，控制变桨动作；l对变流系统进行实时的检测，根据不同的风况和电网状 况，进行双馈电机交流励磁控制，使风机的发电功率保持最 佳；另一方面，控制机组输出电压的相位，频率等，进行并 网控制。l与中央监
3、控系统通讯、传递信息，接收中央监控中心的 指令，如机组的启停、复位等，同时发送机组现场运行参数 至中央控制计算机。主控制器设计-硬件结构l控制器硬件选用 EPC8980系列工控 主板，该主板具有 必要的外围电路， 其硬件结构如图。数据通讯系统l数据通讯系统由各种基于CAN总线接口的I/O 模块组成，分散在机组不同部位，包括：数字量 输入/输出、模拟量输入/输出，脉冲输入等。lI/O模块选用基于CAN总线的工业级分布式I/O 模块-iCAN数据通讯模块，该模块在单个设备中 集成了现场总线CAN接口，并提供可靠的iCAN高 层协议。中央监控 w中央监控的功能控制功能：实现远程停机、复位、启动、偏航
4、的命 令数据收集功能：实时读取就地控制系统的数据数据管理并制成相应表格功能：形成各种曲线，制作日报表、月报表、年报表，并 通过数据对风机运行状况进行分析中央监控的实现方式数据通讯接口：TCP/IP网络接口数据通讯方式：中央监控为主站，就地控制器为从 站。主轮询方式读取数据方式 通讯介质：风机和风机之间，风机到中央监控之间 均采用光纤介质数据采集监控w监测电网的电压、频率，发电机输出电流、功 率、功率因数，风速，风向，叶轮转速，发电机 转速，液压系统状况，偏航系统状况，软启动环 节工作状况，风力发电机组内部的关键设备和关 键点的温度，监测风力发电机组运行状态和故障 情况，收集风力发电机组运行数据
5、。 变流器单元变流器单元MW级变流系统先进的控制策略和特殊设 计的制动单元使风机系统具有很好的低电压穿越 能力（LVRT Capability），以适应电网故障状态 ，在一定时间内保持与电网的联接和不脱网。变流器单元MW级变流系统变流器单元MW级变流系统变流器单元MW级变流系统变流器单元目前变流器有两种选择：1. 进口国外厂商的变流器，包括ABB， Verteco，Freqcon等品牌都有满足要求的变流器 。2. 自主研发的基于双DSP的变流器系统。可以根据客户需求灵活选择。变桨单元风机控制方式的选择 定速定桨控制 (FSFP)成本低、功率曲线较差 定速变桨控制 (FSVP)叶轮转速基本保持不
6、变、额定风速以上可以实现恒功率 变速失速控制 (VSFP)额定风速以下可以实现最优Cp、但额定风速以上功率曲线较差 变速变桨控制 (VSVP)额定风速以下通过控制发电机的转速使其跟踪风速，这样可以 跟踪最优Cp；额定风速以上通过扭矩控制器及变桨控制器共同作用，使得功 率、扭矩相对平稳；功率曲线较好。变桨单元系统硬件支持电机变桨及液压变桨系统风机的功率曲线 为MW级风机理想功率曲线图.一般来说，可以将其分 为三段:l风机启动过程l额定风速以下l额定风速以上变桨单元变桨单元变桨距控制的目： 使叶片的攻角在一定范围（0度-90度）变化 ，以便调节输出功率，避免了定桨距机组在确定 攻角后，有可能夏季发
7、电低，而冬季又朝发的问 题。在低风速段，功率得到优化，能更好的将风 能转化电能。 变桨机组的控制策略为： a额定风速以下通过控制发电机的转速使其跟 踪风速，这样可以跟踪最优Cp； b额定风速以上通过扭矩控制器及变桨控制器 共同作用，使得功率、扭矩相对平稳；功率曲线 较好。变桨单元额定风速以下阶段要实现的主要目标就是让叶轮尽可 能多的吸收风能. 因此,Cp越大,吸收的风能越多.由于额定风速以下风速较小，因此，此时没有 必要变桨，我们只需要此时将叶片角度设置为规定 的最小桨矩角。而每个最小桨矩角同时对应了一组最优的Cp及.因此, 额定风速以下设计的控制器就是要使 其能够控制叶轮的转速,使其跟踪最优
8、的Cp及.变桨单元除了额定风速以下阶段以外,还包括过渡阶段和 额定风速以上阶段. 其中,过渡阶段的设计尤其要 注意,设计的控制器最好能够实现拐点处平滑的过 渡.额定风速以上阶段,变速控制器（扭矩控制器 ）和变桨控制器也是同时发挥作用的。通过变速控制器即控制发电机的扭矩使其恒 定,从而恒定功率. 通过变桨调整发电机的转速, 使得其始终跟踪转速设置点。变桨单元本变桨系统可支持电变桨和液压变桨，具有灵活稳定 的特点：l高风速下限制功率，同时防止功率波动； l低风速下尽可能多的吸收风能，跟踪最优Cp；l避免过多或频繁的变桨，即最小化变桨系统的载荷；l避免扭矩波动；l最小化塔架底部载荷；最小化轮毂及叶根
9、的载荷；l避免塔架振动过大；l在几个过渡点实现平滑的过渡；l减轻叶轮的重量；l最小化风机的设计成本；l保证系统安全、平稳的运行；偏航系统1.5兆瓦风机的偏航系统（除液压站外）一般采 用的机构：偏航电机、偏航减速器、机舱位置传 感器、偏航加脂器、毛毡齿润滑器、偏航轴承、 偏航刹车闸、偏航刹车盘。偏航系统1偏航电机 2偏航减速器3偏航轴承4偏航刹车盘 5偏航制动器12345偏航系统偏航策略偏航系统解缆安全链安全系统也叫做安全链，它是独立于计算机系统的软 硬件保护措施。采用反逻辑设计，将可能对风力机组造成 严重损害的故障节点串联成一个回路：紧急停机按钮（塔 底主控制柜）、发电机过速模块1和2、扭缆开
10、关、来自变 桨系统安全链的信号、紧急停机按钮（机舱控制柜）、振 动开关、过速信号、到变桨系统的安全链信号、总线OK信 号。一旦其中一个节点动作，将引起整条回路断电，机组 进入紧急停机过程，并使主控系统和变流系统处于闭锁状 态。如果故障节点得不到恢复，整个机组的正常的运行操 作都不能实现。同时，安全链也是整个机组的最后一道保 护，它处于机组的软件保护之后。安全系统由符合国际标 准的逻辑控制模块和硬件开关节点组成。安全链安全链安全链系统保护分三层结构：微机系统（控制器） 、独立于控制器的紧急停机链和个体硬件保护措施。 微机保护涉及到风电机组整机及零部件的各个方面； 紧急停机链保护用于整机严重故障及
11、人为需要时，个 体硬件保护则主要用于发电机和各电气负载的保护。 当主控系统的安全链上一个节点动作断开时，安全 链到变桨的继电器线圈失电，其触点断开，系统进入 到紧急停机的模式，变桨系统迅速向90度顺桨。机组故障报警及安全保护系统 l控制系统具有故障处理功能。l对于可自恢复故障(如发电机温度过高等)，待 这些故障自动消除后，可重新自动启动机组。l对于不可自恢复故障，则应人工排除故障并复 位后才可以重新启动机组。l控制系统扫描传感器信号以检测故障，并进行 分类，根据不同类型故障进行报警、停机或紧急 停机处理，故障处理并复位后重新启动机组。控制软件l主控制器以基于ARM处理器的工控主板为硬件 平台，
12、以嵌入式Linux为操作系统。监控界面利用 嵌入式QT设计，对整个机组实时监控。l实时监控程序负责机组状态的逻辑判断和流程 控制，实时数据显示，故障报警，历史数据查询 等。主软件结构l在嵌入式工控行业一般有Linux、WinCE、 VxWorks等几种操作系统。ARM高端应用平台又 以Linux、WinCE为主流。嵌入式Linux是一种适 用于嵌入式系统的源码开放的占先式实时多任务 操作系统。嵌入式的Linux跟桌面Linux的差别并 不大，其内核保持了统一，软件也可以通过交叉 编译后相互用，并且系统开源，在嵌入式系统中 常选择Linux操作系统。软件结构l主控制器实时监控系统程序利用Linu
13、x系统下 的Qt/E（嵌入式Qt）设计，Qt/E不仅继承了 Linux系统出色的稳定性，而且鉴于Qt面向对象 的思想，通过组件编程模式，方便快捷的实现 监控系统的界面设计。l利用Qt/Embedded在嵌入式Linux下构建中 文化的人机环境，不仅可以继承Linux系统出色 的稳定性，满足易用性及美观性等诸多要求， 而且鉴于QT面向对象的思想，真正的组件编程 模式，界面开发人员完全可以专注于界面设计 。软件结构l另外，由于Qt/E基于C+语言，可以很方便 的利用C/C+来实现控制流程的编程，监控程序 配合高分辨率彩色液晶屏实现了对风电机组的 实时监控。软件结构l实时监控程序负责机组状态的逻辑判
14、断和流程控制 ，实时数据显示，故障报警，历史数据查询等。l为了提高系统的响应，应用程序采用多线程机制， 本系统中设计三个独立线程来处理不同的任务。主线程 负责机组实时监控及历史数据查询等。l由于数据库的读写是对磁盘文件的直接操作，速度 较慢，因此在一独立线程中实现历史数据的写操作，以 防止对主线程控制程序的影响；而对于历史数据的查询 ，现场只在特定情况下用到，仍在主线程中实现。lCAN总线数据的交互比较频繁，为了避免数据的丢 失，在一独立线程中完成数据的接收；而控制指令只是 在必要时才发送，因此在主线程中处理。软件结构风力发电机组运行过程 l控制流程可分为以下几个阶段：l第一阶段：初始化阶段。
15、 l第二阶段：待机阶段。 l第三阶段：启动/并网阶段。 l第四阶段：发电阶段。 l第五阶段：停机阶段。 l在高风速下，双馈发电机和变桨系统将风力机的输出 功率保持在额定功率。l在低风速条件下，双馈发电机和变桨系统通过选择风 轮转子的转速和叶片角度的最佳结合使风力机的输出功率 最大。风力发电机组运行过程 历史数据库系统l主控系统中要除了实时监控整个机组外，还要 保存历史数据，以备查询。系统采用精小的 sqlite3数据库。l需要记录的历史数据包括两部分，一是机组的 实时运行数据，生成机组运行记录表；二是机组 运行过程中的故障信息，生成故障报警表。l每个故障记录的信息有：1)故障名称；2)故障 被检测的描述；3)故障复位情况。监控系统每天 生成一个数据库文件。谢 谢 ！
