核心提示：　　被譽(yù)為“藍(lán)天白煤”的風(fēng)能作為取之不盡、清潔無(wú)污染的可再生能源，其良好的開發(fā)利用前景受到了世界各國(guó)的普遍重視。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電領(lǐng)域，使風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)制造技術(shù)日趨完鷴，迅速

　　被譽(yù)為“藍(lán)天白煤”的風(fēng)能作為取之不盡、清潔無(wú)污染的可再生能源，其良好的開發(fā)利用前景受到了世界各國(guó)的普遍重視。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電領(lǐng)域，使風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)制造技術(shù)日趨完鷴，迅速進(jìn)人了商品化、產(chǎn)業(yè)化。作為風(fēng)力資源豐富的國(guó)家之一，我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化方面取得了較快的進(jìn)展。“八五”期間成功開發(fā)了200kW/250kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和“九五”期間開發(fā)了600kW失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并成功開發(fā)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)這一關(guān)鍵技術(shù)。“十五”期間，600kW失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始產(chǎn)業(yè)化，兆瓦級(jí)失速型、兆瓦級(jí)變速恒頻已列人國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目。本文介紹的就是“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目600kW失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。在介紹控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的這一關(guān)鍵技術(shù)研究的幾個(gè)主要方面。

　　2控制系統(tǒng)組成與功能控制系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的核心，其控制技術(shù)是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一，與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的其他部分密切相關(guān)，其精確的控制、完善的功能將直接影響機(jī)組的安全與效率。因此，控制系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)組正常可靠運(yùn)行以及實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行的可靠保證。控制系統(tǒng)的組成主要包括：主電路、控制電路、傳感器及接口電路。

　　2.1系統(tǒng)組成2.1.1主電路主電路是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主配電系統(tǒng)，主要完成發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)、無(wú)功功率補(bǔ)償裝置、軟并網(wǎng)控制裝置以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制回路的連接。主電路提供了較多的電源等級(jí)（如690VAC，400VAC，動(dòng)機(jī)、供電電源等機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)或反饋信號(hào)送到中心控制器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

　　2.1.2控制電路控制電路是由中心控制器及其功能擴(kuò)展部分組成。主要實(shí)現(xiàn)輸人、輸出信號(hào)處理、邏輯功能判定，對(duì)外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令，根據(jù)信號(hào)的處理和邏輯判斷以保障機(jī)組各部分的可靠運(yùn)行，同時(shí)通過(guò)配置的人機(jī)界面看數(shù)據(jù)記錄，修改運(yùn)行參數(shù)以及人工操作，配置的通訊接口與中央監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊傳遞信息。

　　2.1.3傳感器及接口電路傳感器主要包括用于監(jiān)測(cè)電力參數(shù)的電流互感器、電壓互感器；風(fēng)力參數(shù)的風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)以及霍爾式接近開關(guān)、鉑熱電阻、振動(dòng)加速度傳感器、偏航計(jì)數(shù)傳感器、行程開關(guān)、液位開關(guān)以及壓力開關(guān)等監(jiān)測(cè)機(jī)組狀態(tài)參數(shù)的傳感器。

　　接口電路是把部分傳感器采集的信號(hào)通過(guò)接口電路轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)或采用通訊方式送由中心控制器處理。

　　2.2系統(tǒng)功能控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行控制、參數(shù)監(jiān)測(cè)及監(jiān)控以及安全保護(hù)及處理等三大功能。

　　正常的運(yùn)行控制包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)自動(dòng)起動(dòng)軟并網(wǎng)，大/小發(fā)電機(jī)自動(dòng)切換，發(fā)電機(jī)加熱，自動(dòng)偏航對(duì)風(fēng)，液壓油泵自動(dòng)啟停，齒輪油泵自動(dòng)啟停、齒輪油加熱器、冷卻器啟停，自動(dòng)偏航解纜，電容補(bǔ)償自動(dòng)分組投切以及負(fù)功率自動(dòng)停機(jī)。

　　參數(shù)監(jiān)測(cè)及監(jiān)控包括電力、風(fēng)力參數(shù)以及液壓系統(tǒng)狀況，偏航系統(tǒng)狀況，軟并網(wǎng)等環(huán)節(jié)工作狀況；配置通訊接口進(jìn)行中央控制室監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控，監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)和故障情況，收集風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)出的控制指令。

　　安全保護(hù)及處理系統(tǒng)是確保運(yùn)行過(guò)程的安全性與可靠性，主要包括機(jī)組發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行制動(dòng)保護(hù)、獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的安全鏈保護(hù)、器件本身的保護(hù)、接地保護(hù)以及防雷擊保護(hù)等。

　　3控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，而且還要根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)向的變化，對(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制。因此，控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)主要方面：軟并網(wǎng)控制、偏航系統(tǒng)控制、無(wú)功功率補(bǔ)償控制、制動(dòng)與安全保護(hù)、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)、就地監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控等。

　　3.1軟并網(wǎng)控制軟并網(wǎng)控制技術(shù)是控制系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

　　由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用鼠籠式雙繞組異步發(fā)電機(jī)，并人電網(wǎng)時(shí)，若不采取限流措施將會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)造成強(qiáng)大的沖擊，沖擊嚴(yán)重時(shí)不僅引起系統(tǒng)電壓的下降，而且可能對(duì)發(fā)電機(jī)和機(jī)械部件（如塔架、齒輪箱）造成損壞。因此，采用軟并網(wǎng)控制可以限制發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)時(shí)和大/小電機(jī)切換的瞬變電流，以免對(duì)電網(wǎng)造成過(guò)大的沖擊。

　　軟并網(wǎng)控制裝置采用雙向晶閘管或晶閘管反并聯(lián)方式，其控制方法是采取電壓斜坡軟并網(wǎng)控制方式。該方式是由降壓?jiǎn)?dòng)演化而來(lái)的，通過(guò)晶閘管移相觸發(fā)控制，改變晶閘管的導(dǎo)通角，使加在電機(jī)定子上的電壓按階梯波的形式從某一較小的初值逐漸增加到全壓狀態(tài)，達(dá)到調(diào)壓限流的目的。具體的方法是當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，與電網(wǎng)直接相連的雙向可控硅在門極觸發(fā)脈沖的控制下按°，步打開，將并網(wǎng)沖擊電流限制在2倍電機(jī)額定電流以內(nèi)。可控硅完全導(dǎo)通后，轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速進(jìn)人發(fā)電狀態(tài)，旁路接觸器將雙向可控硅短路，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)人穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段。

　　軟并網(wǎng)控制主要包括小電機(jī)軟并網(wǎng)、大電機(jī)軟并網(wǎng)、小電機(jī)向大電機(jī)切換、大電機(jī)向小電機(jī)切換、小電機(jī)靜止電動(dòng)啟動(dòng)并網(wǎng)。

　　3.2偏航系統(tǒng)控制偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特有的控制系統(tǒng)。偏航控制系統(tǒng)主要由偏航測(cè)量、偏航驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)部分、紐纜保護(hù)裝置三大部分組成。主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是使機(jī)艙跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向；二是由于偏航的作用導(dǎo)致機(jī)艙內(nèi)部電纜發(fā)生纏繞而自動(dòng)解除纏繞。

　　由風(fēng)向標(biāo)跟蹤風(fēng)向的變化來(lái)設(shè)計(jì)自動(dòng)偏航以及根據(jù)具體的控制要求設(shè)計(jì)90*側(cè)風(fēng)、中央控制室控制偏航、控制面板偏航和頂部機(jī)艙偏航等。偏航控制設(shè)定了優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)從小到大依次為：風(fēng)向標(biāo)控制的自動(dòng)偏航、中央控制室控制偏航、控制面板偏航和頂部機(jī)艙偏航。

　　解纜系統(tǒng)是當(dāng)電纜發(fā)生纏繞時(shí)根據(jù)紐纜傳感器的信號(hào)自動(dòng)解纜。解纜系統(tǒng)分為紐纜傳感器控制的自動(dòng)解纜和紐纜開關(guān)控制的安全鏈保護(hù)兩種。當(dāng)電纜纏繞達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)紐纜傳感器發(fā)出的信號(hào)控制偏航系統(tǒng)進(jìn)行電纜解繞。若控制系統(tǒng)沒(méi)有自動(dòng)進(jìn)行解纜，當(dāng)電纜纏繞達(dá)到允許的極限時(shí)，觸發(fā)紐纜開關(guān)的安全鏈保護(hù)，機(jī)組緊急停機(jī)，等待人工處理。

　　3.3無(wú)功功率補(bǔ)償控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用的是異步發(fā)電機(jī)，必須從電網(wǎng)吸收落后的無(wú)功功率進(jìn)行勵(lì)磁，同時(shí)定子和轉(zhuǎn)子漏磁也要消耗無(wú)功功率。對(duì)電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)功功率主要影響電網(wǎng)電壓，增加線路損耗。當(dāng)電網(wǎng)提供的無(wú)功功率不足時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的質(zhì)量造成影響。因此，進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償可以提高功率因數(shù)，改善風(fēng)電機(jī)組供電質(zhì)量具有重要的意義。

　　具體控制思路是：采用并聯(lián)電容器的方法進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。分四級(jí)進(jìn)行補(bǔ)償，四級(jí)容量分別為：87.5kvar、50kvar、25kvar和12.5kvar.電容的投切可根據(jù)發(fā)電機(jī)所發(fā)出的有功功率情況進(jìn)行投切控制，同時(shí)為了防止補(bǔ)償電容的頻繁投切，在投切的過(guò)程中進(jìn)行延時(shí)設(shè)置，同時(shí)對(duì)投入和切出的功率值設(shè)置一定的回差值。

　　3.4制動(dòng)與安全保護(hù)制動(dòng)系統(tǒng)與安全保護(hù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的保證。制動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)械上主要由葉尖氣動(dòng)剎車和盤式高速剎車兩部分構(gòu)成。

　　控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障的種類判斷分別進(jìn)行報(bào)警、正常停機(jī)、安全停機(jī)以及緊急停機(jī)等處理，同時(shí)針對(duì)可自復(fù)位故障和不可自復(fù)位故障實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組重新自動(dòng)啟動(dòng)或人工啟動(dòng)，達(dá)到保護(hù)機(jī)組安全和提高機(jī)組可利用率的雙重功效；k獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的安全鏈?zhǔn)遣捎梅催壿嬙O(shè)計(jì)，將可能對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組造成致命傷害的超常故障如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)失控等串聯(lián)成一個(gè)回路，一旦其中一個(gè)動(dòng)作，將引起緊急停機(jī)，系統(tǒng)失電。緊急停機(jī)發(fā)生后，需人工復(fù)位操作后才能重新啟動(dòng)。

　　器件本身的保護(hù)措施主要采取硬件保護(hù)措施，如線圈兩端加RC吸收回路、硬件互鎖電路以及過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)等；接地保護(hù)主要將控制柜以及屏蔽電纜層直接接地處理；防雷擊保護(hù)主要對(duì)主電路輸出端、電子電路輸人端、通信線路分別采取防雷措施，一般采用瞬時(shí)吸收電路加以保護(hù)。

　　3.S運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)涮采集和監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的各種運(yùn)行參數(shù)包括電力參數(shù)、風(fēng)力參數(shù)以及狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)等。

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要持續(xù)監(jiān)測(cè)的電力參數(shù)主要包括電網(wǎng)三相電壓、發(fā)電機(jī)輸出的三相電流、電網(wǎng)頻率、發(fā)電機(jī)功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率。在測(cè)量電壓時(shí)主要檢測(cè)電網(wǎng)沖擊、過(guò)電壓、過(guò)電流、電網(wǎng)掉電壓等情況，在測(cè)量電流時(shí)主要檢測(cè)電流跌落、三相不平衡等情況；風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要監(jiān)測(cè)的風(fēng)力參數(shù)主要是風(fēng)速和風(fēng)向》需要監(jiān)測(cè)狀態(tài)參數(shù)主要有溫度、機(jī)艙振動(dòng)、紐纜、系統(tǒng)壓力、葉尖壓力、齒輪油壓力、齒輪油過(guò)濾器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋信號(hào)；其中轉(zhuǎn)速包括轉(zhuǎn)速包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和葉輪轉(zhuǎn)速；溫度主要包括齒輪箱油溫度、大發(fā)電機(jī)溫度、小發(fā)電機(jī)溫度、前軸承溫度、后軸承溫度、環(huán)境溫度以及控制柜溫度。

　　3.6就地監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控由中央控制室PC機(jī)作上位機(jī)，將多臺(tái)下位機(jī)控制系統(tǒng)（中心控制器）進(jìn)行組網(wǎng)，通過(guò)專用的通信裝置和接口電路與PC機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、累計(jì)數(shù)據(jù)存放、記錄故障情況，統(tǒng)計(jì)打印報(bào)表，也可以進(jìn)行偏航、復(fù)位、啟動(dòng)、停機(jī)等操作。

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控是通過(guò)Modem方式或工業(yè)以太網(wǎng)方式，與中央控制室PC機(jī)進(jìn)行通信，收集中央控制室PC機(jī)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在異地（如風(fēng)機(jī)生產(chǎn)商）對(duì)多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　4系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)風(fēng)力資源豐富的地區(qū)通常都是邊遠(yuǎn)地區(qū)或海島甚至是海上，自然環(huán)境較惡劣，需要無(wú)人值守和遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性和安全性要求較高。因此，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，中心控制器一般選擇在工業(yè)控制領(lǐng)域使用較多，特別是適應(yīng)在惡劣的自然環(huán)境下工作，同時(shí)具備較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和抗干擾能力；在對(duì)采集信號(hào)的處理方面應(yīng)當(dāng)采取信號(hào)隔離措施和屏蔽保護(hù)；對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)上采用硬件互鎖、瞬時(shí)感應(yīng)過(guò)電壓等保護(hù)措施；在軟件設(shè)計(jì)方面，對(duì)軟件的權(quán)限設(shè)計(jì)、任務(wù)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、容錯(cuò)性設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)以及程序死循環(huán)等需要重點(diǎn)考慮。