风力发电机组控制系统及风力发电机组控制系统及 20KW20KW 试验平台试验平台总体方案总体方案目目 录录第一部分第一部分 主机控制器平台子项目设计方案主机控制器平台子项目设计方案第二部分第二部分 监控系统子项目设计方案监控系统子项目设计方案第三部分第三部分 变频励磁器子项目设计方案变频励磁器子项目设计方案第四部分第四部分 试验平台设计方案试验平台设计方案第一部分第一部分 主机控制器平台子项目设计方案主机控制器平台子项目设计方案一、一、设计方案以及应达到的功能和关键技术指标设计方案以及应达到的功能和关键技术指标1.1. 设计方案简述设计方案简述风电主机控制器平台为大中型风电机组主控制系统提供软硬件支撑，项目包括面向兆瓦级双馈风力发电系统设计的完整主控软件，实现机组并网发电，同时也可以通过硬件配置和软件调整适用于其它容量的风机主控系统主控硬件采用模块化可配架构，并具有分布式特点，主控可以安装在机舱，也可以分别布置在机舱和塔底中控制器具有符合 IEC 61131-3 标准的编程语言功能，以实现主控逻辑编程主控支持光纤以太网接口，并支持 IEC 61400-25 和 Modbus/TCP协议与监控系统通讯。
控制器主 CPU 通过总线与各种智能 IO 模块或分布式装置通讯，控制器平台提供多种 IO 接口模块，支持交流电流电压信号采集、直流模拟量信号采集、RTD 温度采集、开关量输入信号采集、高速脉冲信号采集、开关量光藕和继电器输出、以及模拟量输出等功能IO 模块的种类以及每个模块的 IO 数量需要根据不同机组和控制系统需求总结归纳，按合理数量配置设计主控的软件算法在低风速下最大功率跟踪主要采用以下两种方法：跟踪最佳 Cp值的比例系数（Kopt）和模糊算法高风速下主要采用比例积分（PI）算法，通过改变浆叶节距角来调节风力机的功率系数，将功率的输出限制在允许范围内2.功能和关键技术参数功能和关键技术参数风力发电主控制器通过各类安装在现场的模块，对电网、风况及发电机组运行等参数进行监控，并与其他功能模块保持通信，对各方面的情况综合分析后，发出各种控制指令风力发电系统主控器控制与监控功能框图参见图 1主控除了图 1 描述的总体功能外，还包括以下主要功能：自检，高、低风速下的控制策略和算法，故障处理，通信，人机接口，安全链设计，温度控制，机械振动控制以及其它辅助信号采集与控制等主控制器需正确控制风机在运行、暂停、停机和急停四种工作状态之间转换。
主控软件根据机组所处的状态，按设定的控制策略对调向系统、液压系统、变浆距系统、制动系统以及逆变系统等进行操作和控制，实现状态之间的转换图 2 所示为风机在4 种状态之间的转换顺序图，提高工作状态层次只能一层一层地升，降低则可以是一层或多层逆变系统1.发电机启动、并网等 2.控制发电机有功、无 功输出 3.控制输出恒压、恒频变距系统1.功率控制2.转速控制主控制器其他状态信息1.发电机、风轮、变 速箱转速2.机舱振动频率液压系统1.刹车机构压力保持2.变距系统压力保持制动系统1.机械刹车机构2.气动刹车机构调向系统1.根据风向调向2.自动解除电缆缠绕电网参数电网电压、电网频率、 功率因素等人机界面和监控系统1.输入用户命令，变更参数 2.显示系统运行状态，数据和 故障情况 3.远程控制系统运行环境参数1.风速、风向2.环境温度图图 1 主主控控功功能能框框图图运行暂停停机急停图图 2 风风机机工工作作状状态态转转换换图图关键技术指标：1)运行温度范围：-30℃～55℃;2)交流测量精度：电流、电压 0.5%；有功、无功、功率因素 1%；3)直流模拟量测量精度：0.2%；4)直流模拟量输出精度：0.5%；5)RTD 测量精度：0.5%；6)电磁兼容性能：标准等级GB/T 17626.2-2006 静电放电抗扰度试验4GB/T 17626.3-2006 射频电磁场辐射抗扰度试验X(20V/m）GB/T 17626.4-1998 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验4GB/T 17626.5-1999 浪涌（冲击）抗扰度试验4GB/T 17626.6-1998 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验3GB/T 17626.8-2006 工频磁场抗扰度试验5GB/T 17626.9-1998 脉冲磁场抗扰度试验5GB/T 17626.10-1998 阻尼振荡磁场抗扰度试验5GB/T 17626.12-1998 振荡波抗扰度试验4GB9254-1998 辐射发射限值试验A 类7)振动（正弦）响应、耐久：满足 GB/T 11287-2000 的 2 级；8)冲击响应、耐受，碰撞：满足 GB/T 14537-1993 的 2 级；9)使用寿命：20 年；10) 平均无故障工作时间（MTBF）：≥50000h。
3.关键技术及难点：1)主控制器能正确控制风机在运性、暂停、停机和紧停四种工作状态之间转换特别是在外部环境恶化、电网故障或者风机内部故障等情况下，主控制器能安全保护风机正常运行或者安全停机、紧急停机要正确控制风机状态的转换，需要首先界定每个状态，对应每个状态下风机各部件的工作情况；其次要研究状态之间转换的条件；最后需要研究转换过程中的控制策略2)低风速下的最大功率跟踪控制策略通常对转速的控制是通过对发电机转矩的控制来实现的，其控制策略有两种，分别是间接速度控制（ISC）和直接速度控制（DSC） 理论上 DSC 优于 ISC，但是这两种控制策略以及模糊逻辑控制等策略在实际应用中的效果和优劣还需要加以研究3)在风速到达和超过额定风速时，在保证转矩和功率不超限值的前提下，保证功率输出稳定，减少波动通常采用两个方法控制风轮的功率：一是控制变速发电机的反力矩，通过改变发电机转速来改变风轮的叶尖速比，使风轮工作在较低的功率系数点上；二是改变浆叶节距角，使叶片主动失速以改变空气动力转矩这两种方法都是可行的，且都对应了比例积分控制和干扰调节控制等控制策略这些控制策略都需要建立在模型分析的基础上，理论性较强，是该项目开发研制中的一大难点。
4)偏航和扭缆限制方面需要考虑较优的控制策略，防止风向波动造成的偏航频繁启动5)抑制可能引起机械共振的频率6)电力参数检测的快速故障判别7)控制系统的安全链设计8)控制策略和参数便于配置，能适应不同的主机9)主控制器与其它部件的接口软硬件需具备足够的灵活性，可接入多种型号的其它部件10) 风机参数辨识技术11) 主控制器需小型化和轻量化，满足机舱的安装要求12) 主控制器硬件需适应风电机组内的温度、湿度、电磁和振动等环境，并能达到 20 年使用寿命同时应具有很高的可靠性，运行维护简单，满足无人值守的要求13) 主控制器的电磁兼容等级比较高，需要在电磁兼容方面有更多的考虑二、项目内容和实施方案1.项目研究内容1)主控硬件架构主控制器的硬件体系采用模块化灵活可配的多层次架构，最底层硬件为 IO 模块，装置级有两种层次，较低层次的是 IO 扩展装置，最高层次的是主控装置，具体参见图 32)主控逻辑总框图主控逻辑软件主要用 IEC 61131-3 语言编程实现，主体流程参见 4各主要功能研究内容如下：背板总线通信模块IO模块IO模块Hub背板总线通信模块IO模块通信接口Nacelle人机接口背板总线主控CPU IO模块通信接口Tower base人机接口I/0I/0监控系统图图 3 主主控控制制器器硬硬件件构构架架a)停机风机处于不运行的状态，其主要的浆距系统、偏航系统、液压系统等都处于停止状态；浆叶处于制动固定状态。
风机由停机状态到开机状态的转换条件为接收到开机指令b)开机启动风机的温控和液压系统并工作一定时间；当主控检测到各部分（变浆系统、液压系统、温控系统、润滑系统、系统监控、逆变系统）没有故障、电网正常，且风速情况满足一定条件并持续相当时间后，风机将松开刹车；当风机松开刹车后，开机状态进入到自检状态停机开机自检N A099待机励磁并网低风速关机高风速切出关机完成N A098N A100N A101N A102N A106N A103N A104N A105有开机令开机完成自检完成待机完成励磁完成并网完成关机2N A004待机不能完成关机2完成风速过低低风速切出完成N A108进入高风速飓风 进入低风速图图 4 主主控控逻逻辑辑主主流流程程c)自检自检过程包括，检查偏航系统的各个位置开关；检查变浆系统的各个位置开关完成自检后，逻辑转入待机状态d)待机待机状态开始，浆距角将转向 45 度角，以提高启动转矩；且随着转速的提高，不断减小浆距角，使得风轮转速稳定在同步转速的 70%~90%。
该状态下风机各部分都已就绪，但双馈电机励磁尚未建立，定子还未建立三相电压当发电机转速处于所整定的励磁转速窗内一段时间后，逻辑由待机状态转为励磁状态；当风机处于带机状态持续一定时间，且始终不能满足切入条件时，风机转入关机状态e)励磁主控制器对逆变控制器下达起励指令，逆变控制器开始转子励磁，并通过转子励磁的矢量控制调整，使得定子三相电压的幅值、频率和相位逼近电网；当定子电压和电网完成同步后，逆变系统将励磁完成指令反馈给主控制器当主控制器接收到反馈指令后，状态转为并网f)并网主控制器接到励磁反馈后，将下令逆变控制器投同期，逆变控制器开出投同期装置，合主断路器，完成风机并网并网完成后逆变控制器反馈给主控制器并网成功节点信号，逻辑转为低风速状态g)低风速低风速下，主控制器执行最大功率曲线跟踪的控制根据环境和风机自身状态确定最大功率点，并向逆变控制器下达执行命令由低风速向高风速转换的条件为特定风速点或者特定转速由低风速向切出转换的条件为风速长时间低于某个数值或者发电量长时间低于某个功率下限h)切出切出过程中主控制器将给逆变控制器下达有功无功调到接近零的指令，并在合适的转速条件下下达脱网指令，使主断路器跳开，逆变控制器反馈切出成功的信号。
当逆变控制器反馈切出成功的信号后，逻辑状态转为待机状态，重新等待切入并网的时机i)关机 2主控制器向逆变控制器下达灭磁指令，并投入刹车系统，当转速为零后投入刹车固定系统最终关闭温控、液压等系统，使得风机进入停止状态当相应需要关闭的系统都成功反馈关闭后，逻辑进入关机状态j)高风速高风速下，主控制器执行变浆控制，且通过改变风轮功率曲线的工作点，来控制风机保持额定功率运行，防止风机过负荷主控制器对浆距控制器下达变浆指令，并对逆变控制器下达功率或者转速的指令当风速大于某个上限或者转速大于某个上限时，风机将脱网切出，状态转换为关机 1当风速小于某个值或者转速小于某个值时，状态转换为低风速k)关机 1主控制器将给逆变控制器下达有功无功调到接近零的指令，并同时变浆刹车在合适的转速条件下下达脱网指令，使主断路器跳开，逆变控制器反馈切出成功的信号而后主控制器向逆变控制器下达灭磁指令，并投入盘式刹车系统，当转速为零后投入刹车固定系统最终关闭温控、液压等系统，使得风机进入停止状态当相应需要关闭的系统都成功反馈关闭后，逻辑进入关机状态3)低风速控制策略由风轮机的功率输出特性可知，一定风速情况下只有一个对应的风轮转速，能使风轮机的输出功率达到最大。
当在低风速下，风轮机的最大输出功率不会超过发电机额定功率如果能通过控制将风轮机的转速调整到这个最优的转速，并且能随着风速的变化而跟随着变化，则风机将始终保持最大的功率输出，这也就是低风速下最大功率跟踪的问题最大功率跟踪的实现方式基本可以总结为以下两种，此两种方式当前都有实际的运用：a)传统的基于 Kopt参数的最大功率跟踪b)基于模糊算法的最大功率跟踪4)高风速控制策略风力发电机组变速运行可使机组在风速大范围内变化时增加能量获得，但是在高。