WPCS風(fēng)電主控系統(tǒng)方案

1、自然界的風(fēng)力具有隨機(jī)變化的特點(diǎn)，機(jī)組需實(shí)時(shí)捕獲風(fēng)力的大小、方向信息，調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，盡可能使機(jī)組在最佳效率工作狀態(tài)運(yùn)行。

2、大型風(fēng)電機(jī)組的塔架、軸承、齒輪箱、葉片等關(guān)鍵部件的載荷受力情況復(fù)雜，主控系統(tǒng)需綜合考慮機(jī)組的運(yùn)行情況，盡量減緩各類載荷對(duì)機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的壽命影響。

3、風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中需監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況、機(jī)組運(yùn)行的參數(shù)，對(duì)機(jī)組的并網(wǎng)、脫網(wǎng)進(jìn)行精確控制，確保運(yùn)行過(guò)程的安全性和可靠性。

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

2、在發(fā)電過(guò)程中，需保證機(jī)組本身各傳動(dòng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，診斷相關(guān)故障信息，保證機(jī)組本身的安全運(yùn)行。

3、風(fēng)機(jī)的載荷控制，盡量減緩載荷對(duì)機(jī)組壽命的影響。

4、跟蹤最大風(fēng)力資源，盡可能使機(jī)組工作在最佳效率狀態(tài)。

MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組的控制特性復(fù)雜，控制系統(tǒng)需仔細(xì)設(shè)計(jì)，以求在上述目標(biāo)之間平衡。

2.1 機(jī)組自動(dòng)啟停控制
主控根據(jù)風(fēng)力參數(shù)、電網(wǎng)參數(shù)以及機(jī)組各系統(tǒng)相關(guān)的運(yùn)行狀況，自動(dòng)在各過(guò)程之間切換，完成機(jī)組的發(fā)電控制，系統(tǒng)的各狀態(tài)之間切換狀態(tài)圖如下：

圖1.1，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)切換簡(jiǎn)圖

當(dāng)系統(tǒng)上電后，主控系統(tǒng)首先進(jìn)入“開(kāi)機(jī)”狀態(tài)，檢測(cè)各參數(shù)正常后，系統(tǒng)進(jìn)入“待機(jī)”狀態(tài)，如檢測(cè)的狀態(tài)不正常，則根據(jù)級(jí)別進(jìn)入其他各類停機(jī)狀態(tài)；

在“待機(jī)”狀態(tài)，系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行機(jī)組的各單元的控制程序，如偏航系統(tǒng)、齒輪箱系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)等等，同時(shí)檢測(cè)機(jī)組自身參數(shù)、電網(wǎng)條件、風(fēng)況條件，滿足條件要求，切換至“啟動(dòng)升速”狀態(tài)；在“待機(jī)”狀態(tài)，機(jī)組可通過(guò)操作盤上的按鈕切換至“手動(dòng)”狀態(tài)，完成偏航、變槳系統(tǒng)的手動(dòng)控制。

在“啟動(dòng)升速”狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的風(fēng)速條件選擇啟動(dòng)方式，控制變槳角度，讓風(fēng)輪開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，開(kāi)始最初的轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制，當(dāng)轉(zhuǎn)速滿足最低要求后，系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)變流器執(zhí)行“啟勵(lì)”、“并網(wǎng)”等控制任務(wù)，進(jìn)入“發(fā)電運(yùn)行”狀態(tài)。

2.2主控故障保護(hù)
主控系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行的診斷數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)置的故障級(jí)別，將系統(tǒng)的故障停機(jī)分為如下三類：

1、正常停機(jī)：主控控制變槳系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)，按照設(shè)定減負(fù)荷速度控制轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的正常停機(jī)。

2、快速停機(jī)：由于發(fā)生了危害機(jī)組安全的故障，主控直接控制變槳系統(tǒng)順槳，快速降低機(jī)組負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)安全停機(jī)。

3、安全鏈停機(jī)：獨(dú)立于主控的后備保護(hù)回路，采用“失電動(dòng)作”設(shè)計(jì)，有效保護(hù)機(jī)組的安全，停機(jī)條件包括塔座、機(jī)艙急停按鈕，塔座、機(jī)艙控制系統(tǒng)看門狗，變流器故障，電網(wǎng)保護(hù)裝置動(dòng)作，機(jī)組超速，振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，扭纜越限等條件。

2.3機(jī)組在線診斷
風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)化程度高、運(yùn)行環(huán)境惡劣，主控程序需實(shí)現(xiàn)各類運(yùn)行參數(shù)的診斷和統(tǒng)計(jì)，包括風(fēng)況參數(shù)、電網(wǎng)參數(shù)、變槳系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等等。

主控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視機(jī)組的運(yùn)行狀況，控制機(jī)組的各類輔機(jī)運(yùn)行，根據(jù)各類診斷結(jié)果的不同級(jí)別，執(zhí)行包括紀(jì)錄、報(bào)警、正常停機(jī)、快速停機(jī)、安全鏈動(dòng)作等各類不同的機(jī)組保護(hù)方式，同時(shí)主控將機(jī)組信息實(shí)時(shí)傳送至遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心。

2.4機(jī)組變速、變槳距控制
大型風(fēng)力機(jī)通過(guò)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和變槳系統(tǒng)的槳距角度實(shí)現(xiàn)發(fā)電控制，運(yùn)行曲線（如下圖）分為功率優(yōu)化區(qū)和功率限制區(qū)兩個(gè)部分。

1、當(dāng)?shù)陀陬~定功率時(shí)，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)在小于額定功率情況下的最佳葉尖速比運(yùn)行。如圖轉(zhuǎn)速點(diǎn)A’以下的范圍為開(kāi)環(huán)控制區(qū)（機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程）；B~C’為最佳葉尖比運(yùn)行區(qū)；C’點(diǎn)為機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速區(qū)，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行達(dá)到C’點(diǎn)后，機(jī)組進(jìn)入恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

2、當(dāng)機(jī)組功率達(dá)到E點(diǎn)時(shí)，進(jìn)入功率限制運(yùn)行區(qū)，通過(guò)調(diào)節(jié)變槳距角度，限制機(jī)組輸入功率為額定功率。常規(guī)調(diào)節(jié)方法由于變槳角執(zhí)行的響應(yīng)速度很難完全跟蹤風(fēng)速的能量變化，會(huì)導(dǎo)致功率的波動(dòng)，在這里可通過(guò)特殊的恒功率算法，使機(jī)組在陣風(fēng)模式依然可獲得穩(wěn)定的功率輸出。

圖1.2，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩運(yùn)行曲線

如圖1.3功率曲線圖所示，將此功率曲線分成四個(gè)工作區(qū)域，即恒速運(yùn)行工作區(qū)A、最佳Cp追蹤工作區(qū)、恒速運(yùn)行工作區(qū)B、額定點(diǎn)以上運(yùn)行工作區(qū)。

在圖1.2中恒速運(yùn)行工作區(qū)A對(duì)應(yīng)于A’-B段；最佳Cp追蹤工作區(qū)對(duì)應(yīng)于B-C’段、恒速運(yùn)行工作區(qū)B對(duì)應(yīng)于C’-E段、額定點(diǎn)以上運(yùn)行工作區(qū)對(duì)應(yīng)于E點(diǎn)。

圖1.3，功率曲線

在額定風(fēng)速以下運(yùn)行區(qū)，控制器控制風(fēng)機(jī)最大化的捕獲風(fēng)能提高發(fā)電量。在額定風(fēng)速以上運(yùn)行區(qū)，控制器控制風(fēng)機(jī)卸掉多余的機(jī)械能，維持機(jī)組工作在額定點(diǎn)附近。恒速工作區(qū)A：風(fēng)機(jī)自啟動(dòng)到轉(zhuǎn)速達(dá)到最小并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，則進(jìn)入恒速工作區(qū)A，控制器控制風(fēng)機(jī)并網(wǎng)，并隨著風(fēng)速的增加控制機(jī)組的輸出功率增大，直到達(dá)到最佳Cp曲線（圖1.2中的B點(diǎn)）；最佳Cp最佳追蹤工作區(qū)：控制器控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行于最佳Cp曲線之上，動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)力發(fā)電幾組的輸出功率實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；恒速工作區(qū)B：此時(shí)風(fēng)力發(fā)電幾組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，但是輸出功率尚未達(dá)到額定值，隨著風(fēng)能的增加調(diào)節(jié)機(jī)組輸出功率增大，直到輸出功率到達(dá)額定值，如此可以有效地防止在幾組達(dá)到額定之前由于大陣風(fēng)的影響而出現(xiàn)機(jī)組超速的現(xiàn)象；額定風(fēng)速以上運(yùn)行區(qū)，控制器控制風(fēng)機(jī)卸掉多余的機(jī)械能，維持機(jī)組工作在額定點(diǎn)附近。

2.5機(jī)組載荷優(yōu)化
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中載荷情況復(fù)雜，控制系統(tǒng)的動(dòng)作也不可避免對(duì)機(jī)組的載荷產(chǎn)生影響，在各種工況下風(fēng)力機(jī)組疲勞載荷、極限載荷對(duì)機(jī)組的運(yùn)行效率、使用壽命都有非常至關(guān)重要的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需仔細(xì)分析風(fēng)機(jī)主要部件包括葉輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、塔架的各階振動(dòng)模態(tài)以及相互的作用， 充分考慮了各類復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制、葉片變槳角度控制，盡可能減緩載荷對(duì)機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行壽命的影響。

Cmapbell圖常用于機(jī)組振動(dòng)模態(tài)的分析，下圖是某1.5MW機(jī)型經(jīng)BLADED軟件模態(tài)線性化分析后得到的機(jī)組各部件的振動(dòng)模態(tài)圖，圖中列出了塔架、葉片等機(jī)組各部件的振動(dòng)模態(tài)，機(jī)組在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)開(kāi)展固有頻率、阻尼率和可能引起的諧振問(wèn)題的分析，以及引起諧振工作區(qū)域的分析，如機(jī)組的運(yùn)行頻率應(yīng)盡可能辟開(kāi)塔架的固有頻率，以免引起共振。主控軟件需針對(duì)機(jī)組的相關(guān)特征頻率進(jìn)行優(yōu)化和控制，常規(guī)載荷優(yōu)化括：風(fēng)輪-塔架耦合振動(dòng)控制、機(jī)組傳動(dòng)鏈扭振控制。

圖1.4 風(fēng)電機(jī)組坎貝爾圖

風(fēng)輪-塔架耦合振動(dòng)控制

對(duì)于大型變槳距風(fēng)力機(jī)組，葉片變槳角度變化直接影響塔架的振動(dòng)幅度和載荷，機(jī)組塔架一階前后振動(dòng)模態(tài)為主要模態(tài)，如果風(fēng)輪的啟動(dòng)阻尼較小，小激勵(lì)就可能引起很大的載荷相應(yīng)，所以需在變槳距調(diào)節(jié)中適當(dāng)增加阻尼，以進(jìn)行塔架的載荷優(yōu)化控制。

通過(guò)塔架的運(yùn)動(dòng)模型分析可知，塔架前后振動(dòng)速度與風(fēng)力作用在葉片上的△F呈反比。常規(guī)的處理方法為：通過(guò)機(jī)艙的加速度傳感器可很容易得到塔架的前后振動(dòng)加速度，積分后即得到塔架前后振動(dòng)的速度，在變槳調(diào)節(jié)的葉片開(kāi)度指令加入一定分量的該阻尼信號(hào)，即可獲得很好的機(jī)組塔架振動(dòng)控制效果，同時(shí)對(duì)速度和功率調(diào)節(jié)的效果沒(méi)有影響。

傳動(dòng)鏈扭振控制

雙饋機(jī)組在額定功率以上運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩指令不再隨風(fēng)速變化而變化，使得機(jī)組傳動(dòng)鏈的阻尼很小，容易引起傳動(dòng)鏈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而引起齒輪箱的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)加速齒輪箱的損壞，因此在控制器設(shè)計(jì)中進(jìn)行傳動(dòng)鏈加阻非常有必要。

根據(jù)模態(tài)線形化分析，機(jī)組傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)振動(dòng)與葉片面內(nèi)一階模態(tài)、塔架左右二階模態(tài)直接相關(guān)，通過(guò)帶通濾波器在轉(zhuǎn)速測(cè)量值上將該特征頻率取出，經(jīng)增益、移相處理后，加入轉(zhuǎn)矩指令，從而抵消扭振的諧振，有效增加阻尼效果，控制傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

圖1.5 轉(zhuǎn)矩控制器框圖