變槳定速風機系統控制器設計

王 淼 趙志強 焦翠坪 景崇友

（保定天威集團有限公司技術中心，河北 保定 071056）

1 引言

能源是現代社會賴以生存和發展的基礎。人類能源消費的劇增、化石燃料的匱乏甚至枯竭以及生態環境的日趨惡化，迫使人們不得不思考人類社會的能源問題。因此，開發潔凈可再生能源已成為緊迫的課題。

風能是一個非常重要和巨大的資源，它安全、清潔、充裕而且無限，能提供源源不斷的能源，而風電產業是世界上發展得最快的能源行業，它為全球經濟開始向以可再生能源為基礎的轉型提供了最好的機會。根據測算，世界風能資源極其巨大，是已知水能資源的10倍，而且分布在幾乎所有的國家和地區，技術上可以轉換成電力的風能資源每年約53萬億kW·h(53000TW·h)。

目前國外的大型風電機組已經實現商品化。歐洲風能協會和綠色和平組織簽署《風力12——關于2020年風電達到世界電力總容量的12%的藍圖》的報告[1]，期望并預測2020年全球的風力發電裝機將達到12.31億kW，年安裝量達到1.5億kW，風力發電量將占全球發電總量的12%[2]。據相關資料報道，到2020年，預計我國將新增發電能力500GW，其中121GW為可再生能源。2010年以前，我國計劃新建20座風力發電場，每座風場的發電能力達到100MW，達到4000MW的風力發電總目標，在此基礎上國家要求風力發電裝備要實現本土化[3]。

2 系統控制器的功能介紹

風力發電機組的安全、穩定運行是由系統控制器保證的，系統控制器的主要功能如圖1。

（1）在機組的各運行狀態之間進行切換[4]。

（2）檢測并在本地和遠程的界面上顯示機組的各項狀態參數，通過界面設定機組的運行參數。

（3）對機組的故障進行診斷并采取合理的保護措施。

（4）給與機組運行相關的各執行機構發動作命令。

1）根據偏航、解纜的要求給機組的偏航系統發動作指令。

2）給機組的剎車系統發動作指令。

3）給機組的液壓系統發動作指令。

4）（變槳距定速機組）給機組的無功補償裝置（電容器）發投入和切出的指令。

5）給機組的軟并網裝置發并網指令。

（5）和機組其他部分（遠程界面、本地界面、變槳控制器）的通信。

圖1 風力發電機組控制系統結構

3 系統控制器的軟件設計

系統控制器實現的是多任務、多故障的系統控制。下面就將系統控制的軟件設計分為總體流程和各功能模塊的軟件實現來分別介紹。

3.1 總體流程

系統控制器對風力發電機組的運動過程進行控制。上電后，系統控制器的軟件運行可以分為以下幾個階段。

（1）初始化：系統控制器首先初始化內部的各芯片，確保主芯片的正常工作。而后，將機組置于待機狀態，同時加載主運行參數及系統保護限值，運行各個測量單元和傳感器，丟棄測量單元剛開始工作時的錯誤數據，幾秒鐘后，各測量單元即可以實現準確測量。

（2）自檢：系統控制器將機組置于待機狀態，運行各個測量單元及故障檢測單元，如果測得故障，則進行故障保護，待故障消除后，可以進入下一階段的運行。

（3）正式運行：系統控制器在自檢結束確認沒有故障后，將機組置于自動運行狀態，然后循環運行各個測量單元、故障檢測單元、手動命令的讀取子程序、保護動作的綜合決定子程序、各種動作機構（包括偏航機構、變槳機構、液壓泵、剎車機構、電容器、軟并網控制器、發電機加熱器）的控制命令發出子程序，從而實現對機組的控制。

圖2 主程序的流程圖

主程序的流程如圖2所示。系統控制器的軟件使用的是分散檢測、綜合判斷、集中控制的策略。以巡檢的方式完成模擬量和脈沖量的測量。在主程序中查詢開關信號，并通過對各測量值的分析進行故障診斷，故障診斷的同時針對各個故障提出保護方法，并接受來自操作界面的手動控制（手動控制被賦以較高的優先級，對同一機構進行手動控制時，與該機構相關的系統自動控制功能被屏蔽），最后對前面的各種保護方法及手動控制要求進行綜合，按最嚴重的故障進行最有效的保護，并兼顧手動控制命令。

3.2 故障處理

故障的診斷一是根據機組電氣部分測量值的大小，二是根據安裝在風機各主要部件的傳感器反饋的開關信號。在檢測完各種故障并確定了各自的處理方案后，下面要對它們進行綜合處理。處理過程分為以下幾步。

（1）對故障狀態進行更新

收到手動操作的復位要求，或者軟待機故障消除后持續30min內都沒有故障，清除系統當前的故障狀態為自動運行狀態，否則保持原來的狀態不變。

然后根據當前故障狀態以及據本次檢測獲得的故障狀態對當前的故障狀態進行判斷：①如果處在硬停機狀態或者新的檢測要求硬停機，那么將狀態更新為硬停機故障狀態；②如果處在硬待機狀態或者新的檢測要求硬待機，那么將狀態更新為硬待機故障狀態；③如果處在軟待機狀態或者新的檢測要求軟待機，那么將狀態更新為軟待機故障狀態。如果新的檢測不要求軟待機、硬待機、硬停機，那么保持當前的狀態不變。

（2）確定各種故障狀態的處理方案

硬停機：緊急順槳、硬剎車需要動作、發電機不允許并網并偏航90°。

硬待機：緊急順槳、軟剎車需要動作、發電機不允許并網。

軟待機：緊急順槳、發電機不允許并網。

（3）確定手動操作所需要的動作狀態

如果手動要求停機：如果沒有故障，只是手動要求停機，則根據發電機特征在轉速低于某一值后硬剎車；發電機不允許并網。

如果手動要求待機：軟剎車需要動作；發電機不允許并網。

（4）對需要的機械剎車進行綜合判定

根據故障和手動命令，確定需要機械剎車的三種狀態（硬剎車、軟剎車、無剎車）中的一種。需要硬剎車或軟剎車的時候要進行機械剎車的時序控制。

（5）判斷當前的機組狀態

如果是硬停機狀態或者手動要求停機則是停機狀態；如果是硬待機或軟待機狀態或者手動要求待機則是待機狀態；其他則是自動運行狀態。

3.3 對各種動作機構的實現

（1）偏航功能的實現

偏航功能的執行機構是偏航電機，偏航電機的動作命令由系統控制器發出。

圖3 故障處理的流程圖

偏航控制分為手動控制和自動偏航兩部分，其中系統控制器自動偏航的前提條件是：

1）沒有手動偏航命令（禁止偏航命令、左偏航命令、右偏航命令）。

2）風速穩定地不低于一定值（如3m/s），風速太低的時候，即使風力機處于正對的迎風方向，風力機也不可能并網發電的，這個時候偏航不但沒有意義，而且會因為偏航電機的動作而消耗電網的電力。

3）未處于解纜的過程中，由于纏繞故障危害巨大，所以解纜比偏航更重要；另外，解纜的時候，機艙是要轉過至少20min，所以這過程中肯定會出現風向不對正的信號，而這時候系統正處于停機故障狀態根本沒有并網發電，偏航也沒必要。

自動左旋轉指令發出之后，機艙向左旋轉，直到自動左轉條件不成立且風向偏差小于1°，自動左旋轉指令置0。

自動右旋轉指令發出之后，機艙向右旋轉，直到自動右轉條件不成立且風向偏差小于-1°，自動右旋轉指令置0。

圖4 自動偏航的流程圖

（2）解纜功能的實現

解纜動作的執行機構也是偏航電機，解纜動作的條件是：

1）沒有關于偏航的手動命令（禁止偏航命令、左偏航命令、右偏航命令）。

2）發生了過纏繞故障，或在風速不超過一定值（如30m/s）時發生了纏繞故障。

纏繞故障是根據機艙方向角作為判定依據。如在風速小于10m/s，機艙方向角大于430°或小于-430°時；或在風速大于10m/s，機艙方向角大于530°或小于-530°時。

由于處于過纏繞時，如再纏繞下去就會造成重大事故。所以一旦檢測到過纏繞故障，就要將偏航失敗繼電器YFC斷開。偏航失敗繼電器串聯在偏航電機的回路中，正常情況下，它閉合，偏航電機得以正常供電，一旦它斷開，偏航電機回路斷電，接下來的偏航動作被禁止，從而防止了電纜進一步纏繞。

過纏繞是一個硬停機的故障，必須手動復位才能進行解纜。此時解纜的過程是：檢測到手動復位信號后，將過纏繞繼電器（CotRelay）合上1min。過纏繞繼電器是和過纏繞故障繼電器并聯的，過纏繞繼電器的閉合，相當于將斷開的過纏繞故障繼電器短接上，因此在一分鐘內系統控制器將檢測不到過纏繞故障，而將偏航失敗繼電器重新合上，從而使得偏航電機回路恢復供電，解纜動作得以執行。解纜了一分鐘后，此時過纏繞故障已經消失、過纏繞故障繼電器已經合上，偏航失敗繼電器也就不會再斷開，解纜動作得以持續進行，直到機艙方位重新回到0°附近，停止偏航電機工作，完成此次解纜動作。

（3）液壓泵控制功能的實現

液壓泵控制的執行機構是液壓泵，對液壓泵的控制也分為手動控制和系統控制器自動控制兩部分。其中系統控制器的自動控制在沒有手動控制（即手動打壓）的情況下執行。

系統控制器自動控制液壓泵控制內容包括：

1）當液壓油的溫度小于2℃時，泵不許起動。

2）當液壓油的溫度大于2℃，小于5℃時，泵要進行打壓加熱，具體方法是：泵起動，壓力大于2400psi后泵停下6s，然后泵繼續工作直到溫度大于5℃（這過程中，一旦液壓油壓力達到2500psi，則溢流閥打開，使得液壓油在管道內循環流動，最終回到齒輪箱，起到加熱的作用）。

3）當液壓油的溫度大于5℃，則進行如下的正常打壓控制：①當壓力2低于其下限，或者壓力1低于其下限時，液壓泵進行打壓；②當壓力2高于其上限，或者壓力1高于其上限時，液壓泵停止工作。

4）在泵進行打壓的過程中，工作時間一旦超過9min，就要停下來休息1min。

（4）變槳功能的實現

控制器依據風力發電機組的需要，控制槳距角的大小和槳距角的變化速度，因而變槳距風力機的起動風速較定槳距風力機低，停機時對傳動機械的沖擊應力相對緩和。風機正常工作時，主要采用功率控制，功率調節的響應速度取決于風機槳距調節系統的靈敏度。在額定風速以下時，葉片攻角處于零度附近，此時葉片角度受槳距控制環節精度的影響，變化范圍很小，可等同于定槳距風機,發電機的功率根據葉片的氣動特性隨著風速的變化而變化。在額定風速以上時，變槳距機構發揮作用，調整槳距角，保證發電機的輸出功率在允許范圍內。

圖5 自動變槳的流程圖

（5）剎車功能的實現

剎車控制也分為手動控制和系統控制器自動控制兩部分。在沒有手動剎車的情況下才執行系統控制器的自動剎車控制。自動剎車控制的依據是當前的故障情況。

為了保護剎車機構，減少剎車時的機械沖擊，機械剎車需要滿足以下時序：

1）硬剎車超過7s而轉速仍然大于同步速，則硬剎車無效，不管是需要硬剎車還是軟剎車，機械剎車停止動作。

2）軟剎車超過7s而轉速仍然大于同步速，則軟剎車無效，如果需要軟剎車，則改用硬剎車。

（6）電容器投切功能的實現

對于變槳距變速恒頻雙饋異步風力發電機組，無功補償可以由勵磁控制器完成；而對于變槳距定速風力發電機組，無功補償由兩組或三組電容器的分步投切來實現。

在發電機實現軟并網，并接通旁路接觸器后，通過信號采集計算出當前的無功量，當無功大于補償電容容量時，則投入一組電容器；延時10s后如不足再繼續投入一組電容器，直到滿足功率因數要求。在發電機脫網前先全部切除電容器，再進行脫網動作。

（7）并網功能的實現

變槳距定速風力發電機組，并網的指令由系統控制器發出，并網指令執行者是軟并網控制器。

定速機組的并網控制也包括測試時的手動并網脫網控制和正常投入運行后系統控制器的自動并網脫網控制。在沒有手動并網命令時系統控制器自動控制并網脫網。其具體內容是：

如果機組無故障但未并網，若轉速達同步速且正常，則系統控制器發并網指令。

如果機組無故障且已經并網，如果轉速太低，則系統控制器立即發出脫網指令。

如果機組無故障且已經并網但轉速稍低，則該狀態保持4s后系統控制器發出脫網指令。

在故障或手動暫停、停止等狀態下，如果需要脫網，則應該等到電機轉速小于同步速后脫網。這樣是因為并網時的電磁轉矩是制動轉矩，這時保持并網有利于制動。等速度降到同步速以下電磁轉矩成了驅動轉矩后再脫網。

圖6 軟并網控制的流程圖

圖7 脫網控制的流程圖

（8）發電機加熱功能的實現

如果發電機溫度低于15℃，則打開加熱繼電器。

如果發電機溫度高于23℃，并且發電機溫度高于環境溫度8℃以上，則關閉加熱繼電器。

4 結論

本文介紹的系統控制器適用于變槳距定速風力發電機組，主要從軟件實現方面介紹控制器的功能。具備機組參數測量、機組故障診斷及保護、機組運行狀態切換、偏航控制、液壓泵控制、剎車控制等各項功能。

[1]歐洲風能協會/國際綠色和平(著),中國資源綜合利用協會可再生能源專業委員會/綠色和平中國(譯).風力12——關于2020年風電達到世界電力總容量的12%的藍圖.北京∶中國環境科學出版社,2004.

[2]何祚庥,王亦喃. 風力風電“救濟”電荒——風力風電是我國能源和電力可持續發展戰略的最現實選擇.中國能源發展與投資峰會,2004.

[3]張曉明. 全球風力發電市場現狀與發展前景.中國建材報,2005.

[4]W.E.Leitheadt, D. J.Leitht.The Importance of Implementation Issues In Achieving Control Goals.The Institution of Electrical Engineers,1997.