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一、MW級風(fēng)力發(fā)電機組控制特性
隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，機組容量逐步大型化，現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)是關(guān)鍵，其具有以下幾方面的特點：
1、自然界的風(fēng)力具有隨機變化的特點，機組需實時捕獲風(fēng)力的大小、方向信息，調(diào)整機組的運行參數(shù)，盡可能使機組在最佳效率工作狀態(tài)運行。
2、大型風(fēng)電機組的塔架、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)需綜合考慮機組的運行情況，盡量減緩各類載荷對機組長期運行的壽命影響。
3、風(fēng)電機組在運行過程中需監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況、機組運行的參數(shù)，對機組的并網(wǎng)、脫網(wǎng)進行精確控制，確保運行過程的安全性和可靠性。
4、風(fēng)電機組往往安裝在風(fēng)力資源豐富的沙漠、海島等場合，需通過遠程監(jiān)控實現(xiàn)無人值守，對控制產(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)，實現(xiàn)機組的發(fā)電控制，是風(fēng)機控制的核心，針對上述風(fēng)力機的特性，主控系統(tǒng)設(shè)計需實現(xiàn)以下四方面的目標(biāo)：
1、根據(jù)風(fēng)力資源、機組狀況，控制機組生產(chǎn)滿足電網(wǎng)需求的電力，盡可能減少對電網(wǎng)的沖擊，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。
2、在發(fā)電過程中，需保證機組本身各傳動系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，診斷相關(guān)故障信息，保證機組本身的安全運行。
3、風(fēng)機的載荷控制，盡量減緩載荷對機組壽命的影響。
4、跟蹤最大風(fēng)力資源，盡可能使機組工作在最佳效率狀態(tài)。
MW級風(fēng)電機組的控制特性復(fù)雜，控制系統(tǒng)需仔細設(shè)計，以求在上述目標(biāo)之間平衡。
2.1 機組自動啟�？刂�
主控根據(jù)風(fēng)力參數(shù)、電網(wǎng)參數(shù)以及機組各系統(tǒng)相關(guān)的運行狀況，自動在各過程之間切換，完成機組的發(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，機組運行狀態(tài)切換簡圖 當(dāng)系統(tǒng)上電后，主控系統(tǒng)首先進入“開機”狀態(tài)，檢測各參數(shù)正常后，系統(tǒng)進入“待機”狀態(tài)，如檢測的狀態(tài)不正常，則根據(jù)級別進入其他各類停機狀態(tài)；
在“待機”狀態(tài)，系統(tǒng)開始執(zhí)行機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，同時檢測機組自身參數(shù)、電網(wǎng)條件、風(fēng)況條件，滿足條件要求，切換至“啟動升速”狀態(tài)；在“待機”狀態(tài)，機組可通過操作盤上的按鈕切換至“手動”狀態(tài)，完成偏航、變槳系統(tǒng)的手動控制。
在“啟動升速”狀態(tài)，系統(tǒng)會根據(jù)不同的風(fēng)速條件選擇啟動方式，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)開始啟動變流器執(zhí)行“啟勵”、“并網(wǎng)”等控制任務(wù)，進入“發(fā)電運行”狀態(tài)。
2.2主控故障保護
主控系統(tǒng)根據(jù)實時運行的診斷數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)置的故障級別，將系統(tǒng)的故障停機分為如下三類：
1、正常停機：主控控制變槳系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)，按照設(shè)定減負荷速度控制轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機組的正常停機。
2、快速停機：由于發(fā)生了危害機組安全的故障，主控直接控制變槳系統(tǒng)順槳，快速降低機組負荷，實現(xiàn)安全停機。
3、安全鏈停機：獨立于主控的后備保護回路，采用“失電動作”設(shè)計，有效保護機組的安全，停機條件包括塔座、機艙急停按鈕，塔座、機艙控制系統(tǒng)看門狗，變流器故障，電網(wǎng)保護裝置動作，機組超速，振動保護動作，扭纜越限等條件。
2.3機組在線診斷
風(fēng)電機組自動化程度高、運行環(huán)境惡劣，主控程序需實現(xiàn)各類運行參數(shù)的診斷和統(tǒng)計，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、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等等。
主控系統(tǒng)實時監(jiān)視機組的運行狀況，控制機組的各類輔機運行，根據(jù)各類診斷結(jié)果的不同級別，執(zhí)行包括紀(jì)錄、報警、正常停機、快速停機、安全鏈動作等各類不同的機組保護方式，同時主控將機組信息實時傳送至遠端的監(jiān)控中心。
2.4機組變速、變槳距控制
大型風(fēng)力機通過控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速和變槳系統(tǒng)的槳距角度實現(xiàn)發(fā)電控制，運行曲線（如下圖）分為功率優(yōu)化區(qū)和功率限制區(qū)兩個部分。
1、當(dāng)?shù)陀陬~定功率時，通過控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)在小于額定功率情況下的最佳葉尖速比運行。如圖轉(zhuǎn)速點A’以下的范圍為開環(huán)控制區(qū)（機組啟動過程）；B~C’為最佳葉尖比運行區(qū)；C’點為機組的額定轉(zhuǎn)速區(qū)，當(dāng)機組運行達到C’點后，機組進入恒轉(zhuǎn)速運行。
2、當(dāng)機組功率達到E點時，進入功率限制運行區(qū)，通過調(diào)節(jié)變槳距角度，限制機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，會導(dǎo)致功率的波動，在這里可通過特殊的恒功率算法，使機組在陣風(fēng)模式依然可獲得穩(wěn)定的功率輸出。
圖1.2，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩運行曲線
如圖1.3功率曲線圖所示，將此功率曲線分成四個工作區(qū)域，即恒速運行工作區(qū)A、最佳Cp追蹤工作區(qū)、恒速運行工作區(qū)B、額定點以上運行工作區(qū)。
在圖1.2中恒速運行工作區(qū)A對應(yīng)于A’-B段；最佳Cp追蹤工作區(qū)對應(yīng)于B-C’段、恒速運行工作區(qū)B對應(yīng)于C’-E段、額定點以上運行工作區(qū)對應(yīng)于E點。
圖1.3，功率曲線
在額定風(fēng)速以下運行區(qū)，控制器控制風(fēng)機最大化的捕獲風(fēng)能提高發(fā)電量。在額定風(fēng)速以上運行區(qū)，控制器控制風(fēng)機卸掉多余的機械能，維持機組工作在額定點附近。恒速工作區(qū)A：風(fēng)機自啟動到轉(zhuǎn)速達到最小并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，則進入恒速工作區(qū)A，控制器控制風(fēng)機并網(wǎng)，并隨著風(fēng)速的增加控制機組的輸出功率增大，直到達到最佳Cp曲線（圖1.2中的B點）；最佳Cp最佳追蹤工作區(qū)：控制器控制風(fēng)機運行于最佳Cp曲線之上，動態(tài)調(diào)整風(fēng)力發(fā)電幾組的輸出功率實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；恒速工作區(qū)B：此時風(fēng)力發(fā)電幾組的發(fā)電機轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到額定轉(zhuǎn)速，但是輸出功率尚未達到額定值，隨著風(fēng)能的增加調(diào)節(jié)機組輸出功率增大，直到輸出功率到達額定值，如此可以有效地防止在幾組達到額定之前由于大陣風(fēng)的影響而出現(xiàn)機組超速的現(xiàn)象；額定風(fēng)速以上運行區(qū)，控制器控制風(fēng)機卸掉多余的機械能，維持機組工作在額定點附近。
2.5機組載荷優(yōu)化
風(fēng)力發(fā)電機組在運行過程中載荷情況復(fù)雜，控制系統(tǒng)的動作也不可避免對機組的載荷產(chǎn)生影響，在各種工況下風(fēng)力機組疲勞載荷、極限載荷對機組的運行效率、使用壽命都有非常至關(guān)重要的影響，系統(tǒng)設(shè)計時需仔細分析風(fēng)機主要部件包括葉輪、傳動系統(tǒng)、塔架的各階振動模態(tài)以及相互的作用， 充分考慮了各類復(fù)雜的動力學(xué)問題，通過發(fā)電機轉(zhuǎn)矩控制、葉片變槳角度控制，盡可能減緩載荷對機組長期運行壽命的影響。
Cmapbell圖常用于機組振動模態(tài)的分析，下圖是某1.5MW機型經(jīng)BLADED軟件模態(tài)線性化分析后得到的機組各部件的振動模態(tài)圖，圖中列出了塔架、葉片等機組各部件的振動模態(tài)，機組在設(shè)計階段就應(yīng)開展固有頻率、阻尼率和可能引起的諧振問題的分析，以及引起諧振工作區(qū)域的分析，如機組的運行頻率應(yīng)盡可能辟開塔架的固有頻率，以免引起共振。主控軟件需針對機組的相關(guān)特征頻率進行優(yōu)化和控制，常規(guī)載荷優(yōu)化括：風(fēng)輪-塔架耦合振動控制、機組傳動鏈扭振控制。
圖1.4 風(fēng)電機組坎貝爾圖
風(fēng)輪-塔架耦合振動控制
對于大型變槳距風(fēng)力機組，葉片變槳角度變化直接影響塔架的振動幅度和載荷，機組塔架一階前后振動模態(tài)為主要模態(tài)，如果風(fēng)輪的啟動阻尼較小，小激勵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，以進行塔架的載荷優(yōu)化控制。
通過塔架的運動模型分析可知，塔架前后振動速度與風(fēng)力作用在葉片上的△F呈反比。常規(guī)的處理方法為：通過機艙的加速度傳感器可很容易得到塔架的前后振動加速度，積分后即得到塔架前后振動的速度，在變槳調(diào)節(jié)的葉片開度指令加入一定分量的該阻尼信號，即可獲得很好的機組塔架振動控制效果，同時對速度和功率調(diào)節(jié)的效果沒有影響。
傳動鏈扭振控制
雙饋機組在額定功率以上運行時，轉(zhuǎn)矩指令不再隨風(fēng)速變化而變化，使得機組傳動鏈的阻尼很小，容易引起傳動鏈的扭轉(zhuǎn)振動，從而引起齒輪箱的轉(zhuǎn)矩波動加速齒輪箱的損壞，因此在控制器設(shè)計中進行傳動鏈加阻非常有必要。
根據(jù)模態(tài)線形化分析，機組傳動鏈扭轉(zhuǎn)振動與葉片面內(nèi)一階模態(tài)、塔架左右二階模態(tài)直接相關(guān)，通過帶通濾波器在轉(zhuǎn)速測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，控制傳動鏈扭轉(zhuǎn)振動。
另外，控制器設(shè)計時，須對葉片的穿越頻率進行陷波濾波處理，減少其對機組變槳調(diào)節(jié)，變轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的影響。
三、WPCS軟件結(jié)構(gòu)
WPCS風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.5所示，其組成主要有兩大控制器：轉(zhuǎn)矩控制器和變槳距控制器。
圖1.5 轉(zhuǎn)矩控制器框圖
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