风力发电机组控制系统（风电机组课件）

1机组控制系统的基本组成2控制系统的功能

3典型机组的控制系统4机组控制的运行维护风力发电机组控制系统

1控制系统的基本组成

风力发电机组控制(DCS)系统组成主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。将微处理器作为核心的集中分散控制系统。利用控制技术、计算机技术和通信技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的新型控制系统。DistributedControlSystem(DCS)又称分布式控制系统。主要特点：集中管理、分散控制。用户界面输入用户指令，变更参数显示系统运行状态、数据及故障状况主控制器运行监控，机组起/停电网、风况监测无功补偿根据无功功率信号分组切入或切出补偿电容发电机控制软并网变频器励磁调节制动系统机械刹车机构气动刹车机构变距系统转速控制功率控制调向系统偏航自动解除电缆缠绕液压系统刹车机构压力保持变距机构压力保持1控制系统的基本组成

2控制系统的功能

风力发电机组控制系统的作用是对整个风力发电机组实施正常操作、调节和保护。

启动控制

并/脱网控制

偏航与解缆

限速及刹车

当检测系统在一段时间内测得风速平均值达到切入风速，系统自检无故障时，机组由待风状态进入低风速起动。当风力发电机转速达到同步转速时，执行并网操作。当风速低于切入风速时，脱离电网。根据风向自动跟风。并具有解缆功能控制系统还应具有以下功能：转速和功率控制；补偿电容；对电网、风况和机组运行状况进行检测和记录，对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施。3机组安全运行的必备条件控制系统安全运行的必备条件机组的开关出线侧相序必须与并网电网相序一致。机组安全链系统硬件运行正常。调向系统处于正常状态。制动和控制系统液压装置的油压、油温和油位在规定范围内。齿轮箱油位和油温在正常范围内。保护装置均在正常位置，并且保护值均与批准设定的值相符。各控制电源处于接通位置。监控系统显示正常运行状态。停止运行一个月以上的机组投入运行前应检查合格后起动。经维修的机组控制系统在投入起动前，应办理手续。

2）转速：风轮转速通常低于40r/min，发电机的最高转速不超过额定转速的30%。3）功率：通常运行安全最大功率不允许超过设计值的20%。4）温度：通常控制器环境温度应为0～30℃，齿轮箱油温小于120℃，发电机温度小于150℃，传动等环节温度小于70℃。1）风速：风速在3～25m/s为规定工作范围。5）电压：发电电压允许的范围在设计值的10%。6）频率：发电频率应限制在50Hz±1Hz。7）压力：通常低于100Mpa。机组工作参数的安全运行范围3机组安全运行的参数范围4自动运行的控制要求

开机并网控制

小风和逆功率脱网

普通故障脱网停机紧急故障脱网停机当风速10min平均值在系统工作区域内，机械闸松开，叶尖复位，风力作用于风轮旋转平面上，机组慢慢起动，当发电机转速大于20%的额定转速持续5%，转速仍达不到额定转速60%，发电机进入电网软拖动状态，软拖方式视机组型号而定。小风和逆功率脱网是将风力发电机组停在待风状态。机组运行时发生参数越限、状态异常等普通故障后，机组进入普通停机程序。当系统发生紧急故障，机组进入紧急停机程序。4自动运行的控制要求

安全链动作停机大风脱网控制对风控制偏转90°对风控制安全链动作停机指电控制系统软保护控制失败时，为安全起见所采取的硬性停机。当风速平均值大于25m/s达到10min时，机组可能出现超速和过载，为了机组的安全，必须进行大风脱网停机。机组在工作风速区时，确定每次偏航的调整角度。在大风期间实行90°跟风控制，以保证机组大风期间的安全。功率调节当机组在额定风速以上并网运行时，对机组进行功率调节。软切入控制利用软并网装置可完成软切入/软切出的控制。5控制保护要求主电路保护在变压器低压侧三相四线进线处设置低压配电低压断路器，以实现机组电气元件的维护操作安全和短路过载保护。过电压、过电流保护主电路计算机电源进线端、控制变压器进线端和有关伺服电动机进线端，均设置过电压、过电流保护措施。防雷设施及熔丝控制系统有专门设计的防雷保护装置。

热继电保护所有输出运转机构的过热、过载保护控制装置。接地保护1定桨距风力发电机组控制系统2变桨距风力发电机组控制系统典型风力发电机组控制系统3变速风力发电机组控制系统1定桨距风力机的特点一、风轮结构叶片与轮毂的连接是固定的，叶片的迎风角度不随风速变化而变化。主要特点：需解决的问题高于额定风速时叶片需自动将功率限制在额定功率附近（自动失速特性）。脱网（突甩负荷）时叶片自身具备制动能力。添加了叶尖扰流器，降低机械刹车结构强度。风向uw1定桨距风力机的特点小发电机功率曲线大发电机功率曲线切换点P1P2二、双速发电机风速功率

在整个运行风速范围内(3m/s＜v＜25m/s)由于气流的速度是在不断变化的，如果风力机的转速不能随风速的变化而调整，这就必然要使风轮在低风速时的效率降低。

双速发电机：分别设计成4极和6极。一般6极发电机的额定功率设计成4极发电机的1/4到1/5。

风力发电机组在低风速段进行时，不仅叶片具有较高的气功效率，发电机的效率也能保持在较高水平。

1定桨距风力机的特点三、功率输出风力发电机组的设计一般在额定功率时风轮的风能利用系数在最佳区段。当风速超过额定风速时，为了保持发电机输出功率恒定，必须通过叶片失速效应特性来降低值，以维持输出功率的恒定。

定桨距风力发电机组风轮的功率调节是完全依靠叶片的气动特性，因此，风轮吸收的功率随风速不停地变化，发电机工作于同步转速附近。大功率高转速的异步发电机工作于高风速区，小功率低转速的异步发电机则工作于低风速区，由此来调整尖速比，实现追求最大下的整体运行控制。功率的输出主要决定于风速，叶片的失速特性功率曲线是在标准空气密度ρ=1.225kg/m3测出的，一般温度变化±10℃，空气密度变化±4%。因此气温升高，密度下降，输出功率减少。750kW机组可能会出现30~50kW的偏差。1定桨距风力机的特点主动失速型定桨距风力发电机组

风力机开机时，将叶片节距推进到可获得最大功率位置；当风力发电机组超过额定功率后，叶片节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值上。

1定桨距风力机的特点节距角的改变对功率的影响如下图，它主要改变了叶片对气流的失速点，这是随空气密度调整节距角的依据。在低风速区，不同的节距角所对应的功率曲线几乎是重合的；在高风速区，节距角的变化，对其最大输出功率的影响是十分明显的。由于机组的叶片节距角和转速都是固定不变的，使机组功率曲线上只有一点有最大功率系数。02468101214161810008006004002000.10.20.30.40.5功率输出/kW风速/(m/s)功率/kW1定桨距风力机的特点四、节距角与额定转速的设定对功率输出的影响设计的最大功率系数并不出现在额定功率上，因风力发电机并不经常工作在额定风速点。额定转速低的机组，低风速下有较高的功率系数；额定转速高的机组，高风速下有较高的功率系数。即为双速电机依据。定桨距风力发电机应尽量提高低风速的功率系数和考虑高风速的失速性能。2机组的基本运行过程叶尖阻尼板已收回；一、待机状态风速v＞3m/s但没达到切入转速或机组从小功率切出，没有并网的自由转动状态。控制系统做好切入电网的准备；机械刹车已松开；液压系统压力保持在设定值；风轮处于迎风状态；风况、电网和机组的所有状态参数检测正常，一旦风速增大，转速升高，即可并网。2机组的基本运行过程机组在自然风作用下升速、并网的过程。需具备的条件为：二、风力发电机组的自启动及启动条件电网：连续10分钟没有出现过电压、低电压；

0.1秒内电压跌落小于设定值；电网频率在设定范围内；没有出现三相不平衡等现象。机组：发电机温度、增速器油温在设定值范围以内；

液压系统各部位压力在设定值以内；液压油位和齿轮润滑油位正常；

制动器摩擦片正常；扭缆开关复位；

控制系统DC24V、AC24V、DC5V、DC±15V电源正常；非正常停机故障显示均已排除；

维护开关在运行位置。风况：连续10分钟风速在机组运行范围内(3.0m/s~25m/s)。2机组的基本运行过程三、风轮对风偏航角度通过风向测定仪测定。10分钟调整一次，调整中释放偏航刹车。启动条件满足后，控制叶尖扰流器的电磁阀打开，压力油进入叶片液压缸，扰流器被收回与叶片主体合为一体。四、制动解除控制器收到扰流器回收信号后，压力油进入机械盘式制动器液压缸，松开盘式制动器。

当转速接近同步转速时，三相主电路上的晶闸管被触发开始导通，导通角随与同步转速的接近而增大，发电机转速的加速度减少。2机组的基本运行过程五、风力发电机组的并网当发电机达到同步转速时晶闸管完全导通，转速超过同步转速进入发电状态1秒后旁路接触器闭合，电流被旁路，如一切正常，晶闸管停止触发。2机组的基本运行过程五、风力发电机组的并网大小发电机的软并网程序发电机转速已达到预置的切入点，该点的设定应低于发电机同步转速。连接在发电机与电网之间的开关元件晶闸管被触发导通。当发电机达到同步转速时，晶闸管导通角完全打开，转速超过同步转速进入发电状态。进入发电状态后，晶闸管导通角继续完全导通。2机组的基本运行过程五、风力发电机组的并网小发电机向大发电机切换的控制，一般以平均功率或瞬时功率参数为预置切换点。首先断开小发电机接触器，再断开旁路接触器。此时，发电机脱网，风力将带动发电机转速迅速上升，在到达同步转速1500r/min附近时，再次执行大发电机的软并网程序。小发电机向大发电机的切换2机组的基本运行过程五、风力发电机组的并网大发电机向小发电机的切换首先断开大发电机接触器，再断开旁路接触器。由于发电机在此之前仍处于出力状态，转速在1500r/min以上，脱网后转速将进一步上升。迅速投入小发电机接触器，执行软并网，由电网负荷将发电机转速拖到小发电机额定转速附近。只要转速不超过超速保护的设定值，就允许执行小发电机软并网。3机组的基本控制要求一、控制系统的基本功能根据风速信号自动进行启动、并网或从电网切出。根据风向信号自动对风。根据功率因数及输出电功率大小自动进行电容切换补偿。脱网时保证机组安全停机。运行中对电网、风况和机组状态进行监测、分析与记录，异常情况判断及处理。机组还应具备远程通讯的功能。根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制。3机组的基本控制要求二、控制系统的工作原理定桨距风力发电机组控制系统的组成3机组的基本控制要求控制目标控制系统保持风力发电机组安全可靠运行，同时高质量地将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电送入电网。控制系统采用计算机控制技术实现对风力发电机组的运行参数、状态监控显示及故障处理，完成机组的最佳运行状态管理和控制利用计算机智能控制实现机组的功率优化控制，定桨距恒速机组主要进行软切入、软切出及功率因数补偿控制，对变桨距风力发电机组主要进行最佳尖速比和额定风速以上的恒功率控制。大于开机风速并且转速达到并网转速的条件下，风力发电机组能软启动自动并网，保证电流冲击小于额定电流。4定桨距风力发电机组控制系统金风S43/600kW风力发电机组控制结构图4定桨距风力发电机组控制系统金风S43/600kW风力发电机组控制结构图4定桨距风力发电机组控制系统金风S43/600kW风力发电机组控制结构图1机组的特点2基本运行过程3机组控制技术变桨距风力发电机组控制系统4变桨距控制系统5功率控制1变桨距风力机组的特点一、机组特点风向uw高于额定风速调整节距保持功率恒定控制转速启动时控制驱动转矩改善机组的受力，优化功率输出（与发电机转差率调节配合）特点比定桨距风力机额定风速低、效率高；且不存在高于额定风速的功率下降问题功率反馈控制使额定功率不受海拔、湿度、温度等空气密度变化影响启动时控制气动转矩易于并网；停机气动转矩回零避免突甩负荷改变攻角1变桨距风力机的特点二、功率输出变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。当功率在额定功率以下时，控制器将叶片节距角置于0°附近，不作变化，可认为等同于定桨距风力发电机组，发电机的功率根据叶片的气功性能随风速的变化而变化。当功率越过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片节距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。

1变桨距风力机的特点三、在额定点具有较高的风能利用系数叶片节距可以控制，使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。由于变桨距风力发电机组的叶片节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的，它不受气流密度变化的影响，使之获得额定功率输出。

四、确保高风速段的额定功率五、启动性能和制动性能变桨距风力发电机组比定桨距风力发电机组更容易启动。脱离电网时，变桨距系统可以先转动叶片使之减小功率，在发电机与电网断开之前，功率减小至0。

当输出功率小于额定功率时，使节距角保持在0°位置不变。

当机组达到运行条件时，调节节距角：第一步将节距角调到45°，当转速达到一定时，再调节到0°，直到机组达到额定转速并网发电。

当发电机输出功率达到额定后，调节系统即投入运行，当输出功率变化时，及时调节距角的大小，使发电机的输出功率基本保持不变。1变桨距风力机的特点六、机组的变距系统变桨距系统能够起到主动调节(保持额定功率)和优化(在小于额定风速时优化功率)的作用。

变桨距调节方法可以分为三个阶段

开机阶段

节距角保持阶段

输出功率保持阶段

2变桨距风力机组的基本运行

启动状态——转速反馈控制，速度给定加升速率限制有利于并网欠功率状态——发电机在额定功率以下的低功率状态运行

（变速机组可通过追求最佳叶尖速比提高风机效率）额定功率状态——功率控制，为了解决变桨对风速相应慢问题，可通过调节电机转差率调速，用风轮蓄能特性吸收风波动造成的功率波动，维持功率恒定3变桨距控制系统一、变桨距风力发电系统3变桨距控制系统二、变桨距执行系统在发电机并入电网时前，发电机转速由速度控制器A根据发电机转速反馈信号与给定信号直接控制

发电机并入电网后，速度控制B与功率控制器起作用

3变桨距控制系统二、变桨距执行系统变桨距执行系统是一个随动系统，即桨距角位置跟随变桨指令变化。校正环节是一个非线性控制器，具有死区补偿和变桨限制功能。死区用来补偿液压及变距机构的不灵敏区，变桨限制防止超调。液压系统由液压比例伺服阀、液压回路、液压缸活塞等组成。位置传感器给出实际变桨角度。3变桨距控制系统三、变桨距控制(并网前)

转速控制器A控制从启动到并网的转速控制，达到同步转速的±

10r/min内1s并网。进入启动状态，前馈通道将桨距角快速提高到45º，500r/min减小到5º，达到快速启动目的；非线性环节使增益随节距角增加而减小，补偿转矩变化。

速度控制器A在风力发电机组进入待机状态或从待机状态重新起动时投入工作，在此过程中通过对节距角的控制，转速以一定的变化率上升。速度控制器A实际为转速控制器。

由于控制器包含着常规的PID控制器和节距角的非线性化环节，因此当功率不变时，转矩对节距角的比是随节距角的增加而增加的。3变桨距控制系统三、变桨距控制(并网后)

速度控制器B受发电机转速和风速的双重控制。在达到额定值前，速度给定值随功率给定值按比例增加。

节距控制将根据风速调整到最佳状态，以优化叶尖速比。

与速度控制器A的结构相比，速度控制器B增加了速度非线性化环节，以便控制节距角加速趋近于0°。3变桨距控制系统三、变桨距控制(并网后的功率控制)功率控制器A并网后执行变桨到最大攻角，低于额定功率时攻角最大；高于额定风速后进入恒功率控制。功率控制器B:低于额定风速调节转差率“实现”最佳叶尖速比调节；高于额定风速时配合功率控制器A维持功率恒定。4变桨距控制器的设计一、系统的硬件构成功率控制器A并网后执行变桨到最大攻角，低于额定功率（额定风速）时控制器输出饱和，攻角最大；高于额定风速后进入恒功率控制；引入风速前馈通道，超过额定风速后，当风速变化时起到快速补偿作用。4变桨距控制器的设计二、系统的软件构成风力机启动时变桨控制程序流程

4变桨距控制器的设计二、系统的软件构成变桨距功率调节部分的梯形图程序5功率控制高于额定风速调整节距保持功率恒定改变攻角一、功率控制系统外环通过测量转速产生功率参考曲线内环是一个功率伺服环，它通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制，使发电机功率跟踪功率给定值

5功率控制根据给定的电流值，通过改变转子电路和电阻来改变发电机的转差率。二、转子电流控制器原理

在额定功率时，发电机的转差率能够从1%到10%(1515到1650r/min)变化，相应的转子平均电阻从0到100%变化。当功率变化即转子电流变化时，PID调节器迅速调整转子电阻，使转子电流跟踪给定值，如果从主控制器传出的电流给定值是恒定的，它将保持转子电流恒定，从而使功率输出保持不变。

6典型变桨距风力发电机组

金风77/1500风力发电机组控制系统6典型变桨距风力发电机组

变桨距电控系统主电路采用交流-直流-交流回路，变桨电机采用交流异步电机。二、变桨距系统1机组的特点2基本运行过程3液压系统变速风力发电机组控制系统4变桨距控制系统变速风力发电机组一、变速风力发电机组的特点1、风力机在不同风速下的叶尖速比—功率系数曲线风速的变化范围可以很宽，叶尖速比可以在很宽范围内变化，因此它只有很小的机会运行在Cpmax点。变速风力发电机组一、变速风力发电机组的特点2、追踪最大风能的过程由于风力机功率突然增大，将导致发电机的转矩失衡，于是发电机机械转速开始上升，风力机将沿着BC曲线增速。假设在风速v3下原风力机稳定运行在曲线上的A点，转速为ω1。如果某时刻风速升高至v2，因为风力机的转速不能突变，所以其运行点就会由A点跳变至B点，风力机输出功率由PA突增至PB。当到达风力机功率曲线与其最佳功率曲线相交的C点时，功率再一次平衡，转速稳定为ω2，就是对应于风速的最佳转速。此过程实现条件是机组转速可调，定速（同步发电机）机组的转速由电网决定；异步发电机（转子电流可调）的转速调节范围很小，难于实现大范围；双馈型机组的转差率约为±30%，因此，效率较高。变速风力发电机组二、变速发电机及其控制方式1.变速变距机组控制系统构成

控制系统主要由三部分组成：主控制器、桨距调节器、功率控制器(转矩控制器)。变速风力发电机组二、变速发电机及其控制方式2.变速变距机组的并网系统

在低于额定风速时，通过整流器及逆变器来控制双馈异步发电机的电磁转矩，实现对机组的转速控制；

在高于额定风速时，考虑传动系统对变化负荷的承受能力，一般采用节距调节的方法将多余的能量除去。

变速风力发电机组三、双馈型风电机组的控制双馈感应发电机（Doubly-FedInductionGenerator，简称DFIG）是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。特点是通过变频器给转子加入交流励磁。交流励磁电流的幅值、频率、相位是可调的。1.励磁电流幅值—可以调节发电功率（与风力机功率相匹配）。2.励磁电流频率—可以调节发电机转速。3.励磁电流相位—可以改变电机的功率角，不仅可以调节无功功率，也可以调节有功功率。变速风力发电机组四、变速风力发电系统运行原理1.启动阶段切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风力作用下作机械转动，因而并不涉及发电机变速控制。2.额定风速切入电网运行

机组切入电网：不需对节距角进行调节，变速系统的控制作用是使机组运行在Cpmax处。

3.功率恒定区通过变桨距系统通过改变桨距角，降低风能利用率保证机组输出的转速不变，即输出功率恒定。Cp恒定区：机组受到给定的功率-转速曲线控测。

转速恒定区：随着风速增大，发电机转速保持恒定，功率在达到极值之前一直增大。

变速风力发电机组五、变速发电机及并网方式双馈型风力发电并网系统

双馈发电机在结构上与绕线型感应电动机相似，即定子、转子均为三相对称，转子绕组电流由滑环引入。发电机的定子通过接触器投入电网，转子通过四象限交直交变换器与电网连接。

1机组通信基础知识2机组远程监控系统机组的通信和远程监控系统控制系统结构用户界面输入用户指令，变更参数显示系统运行状态、数据及故障状况主控制器运行监控，机组起/停电网、风况监测无功补偿根据无功功率信号分组切入或切出补偿电容发电机控制软并网变频器励磁调节制动系统机械刹车机构气动刹车机构变距系统转速控制功率控制液压系统刹车机构压力保持变距机构压力保持偏航系统偏航自动解除电缆缠绕机组的通信和远程监控系统风电场监控系统

风电场计算机监控系统分中央监控系统和远程监控系统，系统主要由监控计算机、数据传输介质、信号转换模块、监控软件等组成。监控系统中央监控室机组的通信和远程监控系统机组的通信和远程监控系统风电场监控系统风电场计算机监控系统分中央监控系统和远程监控系统，系统主要由监控计算机、数据传输介质、信号转换模块、监控软件等组成。1.中央监控系统中央监控系统一般运行在位于中央控制室的一台通用PC机或工控机上，通过与分散在