一、MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制特性
隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，機(jī)組容量逐步大型化，現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)是關(guān)鍵，其具有以下幾方面的特點(diǎn)：
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)行過程的安全性和可靠性。
4、風(fēng)電機(jī)組往往安裝在風(fēng)力資源豐富的沙漠、海島等場(chǎng)合，需通過遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)無人值守，對(duì)控制產(chǎn)品的可靠性提出非常高的要求。
二、WPCS主控系統(tǒng)基本功能
主控系統(tǒng)協(xié)調(diào)變槳系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的發(fā)電控制，是風(fēng)機(jī)控制的核心，針對(duì)上述風(fēng)力機(jī)的特性，主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)以下四方面的目標(biāo)：
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)輪開始旋轉(zhuǎn)，開始最初的轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，當(dāng)轉(zhuǎn)速滿足最低要求后，系統(tǒng)開始啟動(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’以下的范圍為開環(huán)控制區(qū)（機(jī)組啟動(dòng)過程）；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
