高原型兆瓦级风电机组控制系统的设计

王 东 刘广东 赵双喜 时连斌 郝春霞

（保定天威风电科技有限公司，河北 保定 071051）

风电机组的主控系统是风机控制系统的核心，它对外主要有三个接口系统：即监控系统、变桨系统以及变流器系统；它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及变速运行，与变流器系统接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。作为风电机组“大脑”的主控系统对保证机组的发电量、提高机组的运行寿命、保证机组安全可靠运行起着至关重要的作用[1]。

1 控制系统基本组成

风电机组控制系统主要由三部分组成：轮毂变桨控制系统、机舱控制系统、塔底柜主控制系统，图1为整个机组控制系统结构原理图。

1）变桨距系统

变桨距控制系统用于机组的桨距控制，实现机组的故障刹车功能和高风速状态的有功功率的调节。是机组安全运行的保证和有功功率调节的基础。

图1 风电制系统结构原理图

2）机舱控制系统

机舱控制系统根据外围传感器（风信号传感器、温度传感器、湿度传感器、振动监测仪等）所检测到的各种风机状态，向执行机构发送命令，使风机的相应部件做出一些动作，或对风机采取一些措施。机舱控制系统与变桨系统和塔底控制系统通信，执行相应的状态监测与命令执行。

3）塔底柜主控制系统

塔底主控制系统接受来自塔上（包括机舱和轮毂）控制系统的监测信息，根据相关信息发送相应命令给机舱控制系统，使机组进行相关动作；执行塔底中的一些 I/O功能，主控系统实时计算风机所需的力矩值和桨叶角值，实时与变流器、变桨系统进行通信，通过对变流器和变桨系统的指令给定，来控制风机的发电运行。

主控制系统通过对机组功率和转速的调节，以实现发电机组的最优发电状态；机组故障时，通过控制机组预先设定的故障级别，对机组实现停机保护。

2 控制系统设计的基本目标

主控系统协调变桨系统、变流器系统，实现机组的发电控制，根据风力机的特性，主控系统设计需实现以下几方面的目标。

1）根据风力资源、机组状况，控制机组生产满足电网需求的电力，尽可能减少对电网的冲击，保证电网的稳定运行。

2）发电过程控制，需保证机组本身各传动系统的安全稳定，诊断相关故障信息，保证机组本身的安全运行。

3）风机的载荷控制，尽量减缓载荷对机组寿命的影响。

4）跟踪最大风力资源，尽可能使机组处于最佳效率状态。

兆瓦级风电机组的控制涉及气动力学、机械传动学、电磁学、电器学、电子学等多个学科，控制特性复杂，控制系统的设计自由度大，设计难度大。设计时需要综合各个控制指标，以求在上述控制目标之间达到平衡。

3 电控系统的整体控制策略

风速太低时，叶轮转子停止不动，留在等待旋转的位置，达到切入风速时，它会自动运转起来。

风机运行过程中，当风速低于额定风速时，在这个负荷范围内，变流器会调整发电机的输入转矩，调整的方法是根据转矩的特性曲线来优化功率输出。

风速高于额定风速时，机组通过调整叶轮叶片角度的方式来限制发出的功率。在这个工作范围里，变流器会把发电机的输入转矩一直保持在额定值。风速继续增加时，风电机组会先以叶轮的加速来做反应，同时通过变桨系统调整叶片角度的方式来调整转速，使它达到额定时的转速。机组在连接电网的发电状态中，运行于变速变桨距状态。

主控制系统是风电机组的神经中枢。它可根据风速、风向等环境参数及机组自身的监测参数对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网，并监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。保证风电机组安全可靠运行，实现自然风的最大利用率和最高的能量转化率，向电网提供良好的电能。

主控制系统安装在机组塔筒底部平台，与机舱控制系统通过光纤进行信号传输，应用现场总线进行通信；远程监控系统和人机界面通过工业以太网进行通信，对风电机组整体运行进行控制和监测。

机舱控制系统以远程 I/O方式，通过现场总线与主控制器、变桨控制器进行通信。机舱柜用于采集电网电量信息，记录风向、风速、发电机转速及温度等数据，控制偏航、扭揽等。

人机界面安装于风电机组塔底和机舱两个部分，用于完成系统运行状态控制和显示、风电机组参数设置、历史数据的查询和统计、故障记录的查询等工作。通过设置用户访问权限，保证风电机组操作的安全可靠。

以太网交换机将每台风电机组数据，通过光纤连接，发送到中央监控系统中。风电机组与风电机组之间采用环网拓扑结构。

4 控制系统的设计

4.1 控制系统的设计特点

1）开放性

控制系统的设计应支持多种现场总线协议，如Modbus、Profibus、Canopen等，同时提供多种接口方式选择，增加开放性设计，开放性设计对控制系统软硬件的选择及控制系统的适应性有重要意义。

2）高可靠性

塔底主控制柜与机舱控制部分采用光纤通信，光纤传输在干扰方面要优于网线传输，有利于保护通信不受外部干扰；风电主控制器应根据GL（德国船级社）认证要求设计，保证控制器的安全性、可靠性等。

3）环境适应性

宽广的温度适应性，控制系统在-30℃能顺利启动；-40℃能安全储存；+40℃能稳定运行；+50℃能安全储存。对与沿海及海上机组，还需增加严格的三防工艺，即防盐雾、防湿热，防霉菌等。

4）电磁兼容性

电气控制柜中所有印刷电路板，背板背面全部接地，有效抵抗脉冲群干扰，所有控制电缆选用带屏蔽层的多芯电缆，增强抗干扰能力。

5）冗余和自诊断功能

控制系统的设计应支持电源冗余、控制器CPU冗余、通信冗余等；应拥有强大的自诊断功能，I/O模块应具有回读比较自检、掉电检测和超量程报警等功能。

6）风电专用专家系统模块设计

对于一些重要的测量、采集信息的单元，采用专门针对风电控制的专家系统，实行模块化设计；提高整个控制系统的控制性能和减少故障率；例如：采用高速测频模块、光纤通信模块、电量采集模块等，用来完成风电特殊信号的采集和通信。

4.2 控制系统的硬件设计

1）主控系统PLC控制模块

天威风电风电机组采用奥地利巴赫曼PLC控制模块，按模块功能划分，可分成若干子模块，子模块之间安装简便，通过总线连接，完成整个控制功能的实现。具体如下：

（1）NT250/NT255（电源模块）

巴赫曼PLC电源模块是DC/DC电源模块，输入24VDC，输出24VDC，向控制器提供50W电源。

（2）MPC240（CPU控制模块）

MPC240控制模块是控制器的CPU模块，是整个控制系统的核心，用于执行用户程序，处理本地I/O和过程数据，通过现场总线控制分布I/O口。内置CANOPEN通信协议接口和以太网接口；温度适应性宽，支持-30～+60℃温度范围正常运行；程序执行速度快，最小扫描周期可达10ms，支持多任务调用。

（3）PTAI216 （温度、转速测量模块）

PATI216模块用于机组所有温度监测信号的读取，通过对机组中温度信号的处理，处理器发出相应的控制指令，控制执行机构的动作。另外，主轴低速计数也由该模块中。

（4）CM202 CAN总线模块

通信网络的配置：8个拨码盘：出厂时拨在左边，表示每个CAN口带不同的CAN网络。CAN的终端要加120欧的终端电阻。

（5）DIO248数字输入模块和DIO280数字I/O模块

这两个I/O模块用于DI/DO信号的处理，包括直流DI、继电器/晶体管型DO等。

（6）AIO280 模拟输入/输出模块

该模块执行 AI信号的处理，包括电流/热电阻型AI信号等。

2）电网检测模块机组电量测量模块采用 WOODWORD多功能继电器，安装于塔底控制柜中，通过CAN口与控制器连接（图2中的电网检测部分）电量采集模块用于测量电量参数，包括电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数以及频率等。

3）背板

背板用于安装所有控制模块，并提供CPU模块与其他模块之间的数据通信总线。包括本地背板和扩展背板，本地背板用于安装CPU模块、I/O模块、通信接口模块、CANOPEN主站模块；扩展背板用于安装通信接口模块、I/O模块、计数模块和CANOPEN主站模块。塔底控制站中使用主背板，机舱站使用扩展背板。

图2为机组所有控制模块连接结构图。

图2 控制系统模块连接

4.3 控制系统的软件设计

风机运行过程中，控制系统需要监测的主要参数有如下几个方面，风机运行时控制器通过监测这些参量，并作出相应的控制指令。

1）电气参数

电网三相电压、发电机输出的三相电流，电网频率及发电机功率因数等。

2）气象参数

气象参数包括风速、风向、环境温度等。

3）机组状态参数

机组状态参数包括风轮转速、发电机转速、发电机线圈温度、发电机前后轴承温度、齿轮箱油温度、齿轮箱前后轴承温度、液压系统油温、油压、油位、机舱振动、电缆纽转、机械刹车状况、机舱温度等。

4）反馈信号

高速轴机械刹车松开，偏航刹车松开，发电机脱网及脱网后的转速降低信号，低电压穿越信号（变流器独立完成，但告知主控正在穿越）。

控制系统软件的结构框图如下图3所示，对于风电机组的运行，主要是两个方面的控制，由两大控制器组成：即转矩控制器和变桨距控制器。

图3 控制系统软件控制策略框图

控制系统的软件设计流程如图4所示。

5 高原环境风电控制系统的设计原则

5.1 控制系统运行环境要求

高原环境一般具有以下特点：气温低、气压低、空气密度低、干燥、日夜温差大、日照强度大。

对于海拔在3500m及以上的风电机组控制系统设计时，对环境的基本要求如下：

1）生存温度

高海拔环境条件一般伴随着低气温，所以对机组生存温度应按低温环境进行设计，即生存温度满足：-40℃到+50℃

2）运行温度

高原低温环境，设计机组运行温度一般为：-30℃到+40℃较为适宜，对应的控制系统及其相关低压器件也必须适合低温环境要求。

图4 控制系统软件设计流程图

3）相对湿度

一般高原条件空气密度较低，温度低，所以湿度一般较小，设计要求湿度一般为：95%即可。

4）防护等级

由于海拔要求较高，空气密度低、温度低、湿度较小，所以对于控制柜柜体与相应的电气控制器件，防护等级要求达到IP54即可。

5.2 高海拔环境低压电器元件的选择

高原环境伴随着低温、低湿度、低空气密度，空气压力或空气密度对电气设备性能有重要影响。

高原气候对风力发电机组电气控制系统的影响主要有以下几个方面[2]：

（1）高原环境使电气设备的绝缘等级降低。

（2）高原环境使电子、电气元件的容量降低。

（3）高原环境使机组的防雷保护要求增加。

（4）高原环境使电气系统的接地要求增加。

针对高原环境对电气控制系统的影响，对高海拔电气控制系统应做如下设计：

（1）加粗主设备（如发电机、液压站、整机）接地导线线径。

（2）增加控制电缆的线径,尤其是安全链信号线（振动、扭缆、急停等）。

（3）电气、电子元件的降容使用,如断路器、继电器、接触器的容量等。

（4）对变流器控制器设置,如转矩控制等。其中断路器、继电器、接触器需做相应的降容处理。

1）高海拔对外绝缘强度与电气间隙的影响[3]

空气压力或空气密度降低，会引起电气间隙和外绝缘强度降低，其下降曲线（1）可用下式表示

式中，Uh为海拔高度h 处的击穿电压/V；Uo为零海拔处的击穿电压/V；h为海拔高度/km；b为系数(1.1078～0.138)。

根据 GB/T11022－1999规定高海拔修正系数Ka，该标准规定对于安装在海拔高于1000m处的电气设备，外绝缘在标准参考大气条件下的绝缘水平应该将使用场所要求的绝缘耐受电压乘以系数 Ka来校正。系数Ka按标准中图（图5）的曲线选取，或按公式：em(H－1000)/8150核算Ka均为1.202。

图5

2）高原环境下断路器发热与载流量的变化

（1）发热与载流量的变化

受海拔高度变化的影响，微型断路器工作时的散热能力减弱。因此在相同的使用环境温度下不同海拔高度下的微型断器的载流能力也相应下降，表1为对应海拔载流量修正系数。

表1 不同海拔要求对断路器载流量的修正系数

例如ABB微型断路器：S261-C10

海拔2000m Ie: 10A

海拔4000m Ie: 9A

（2）电气绝缘能力的变化

由于海拔高度增高，空气密度降低，使产品外绝缘水平下降，因此标准产品的绝缘电压、工频耐压、冲击耐压均需进行相应修正，表2为对应不同海拔断路器绝缘能力修正系数。

表2 不同海拔要求对断路器绝缘能力的修正系数

例如ABB断路器S260系列产品的绝缘能力如表3所示。

表3 ABB断路器S260系列产品的绝缘能力修正

在高海拔环境，控制器的印制电路板必须涂有防护涂层以满足绝缘要求，除此以外，还应注意控制器的散热问题。

在控制柜柜体内元器件设计时，按照表3断路器在同海拔的绝缘和耐压要求，通过增大柜体内导体的空气绝缘距离，可以增大导体的绝缘能力，提高散热能力[5]；以空气为绝缘介质的开关柜内各相导体间电气间隙修正系数如表4所示。

表4 不同海拔要求导体间电气间隙修正系数

应按照上述修正系数对器件之间的空间间距进行修正，增大间距，

（3）动作特性、通断能力与电气寿命的变化

高原地区散热的对流作用减弱，且最低气温较低，日温差较大，会给一些低压电器的动作特性带来一定影响，如热磁式低压断路器的动作特性、热继电器的动作特性均会发生一定变化[4]。

由于海拔高度增高，使以自由空气为灭弧介质的开关电器灭弧困难，会造成通断能力下降和电器寿命缩短，表5为不同海拔要求电器元件通断能力与电器寿命修正系数。

表5 不同海拔要求电器元件通断能力与电器寿命修正系数

ABB断路器S260系列断路器通断能力与电气寿命修正如表6。

表6 ABB S260系列断路器通断能力与电气寿命修正

（4）温升

现有一般低压电器产品，使用于高原地区时，其动、静触头和导电体以及线圈等部分的温度随海拔高度的增加而递增。其温升递增率为海拔每升高100m，温升增加 0.1～0.5K，但大多数产品均小于0.4K。而高原地区气温随海拔高度的增加而降低，其递减率为海拔每升高100m，气温降低足够补偿由海拔升高对电器温升的影响。因此，低压电器的额定电流值可以保持不变，对于连续工作的大发热量电器，可适当降低电源等级使用。

（5）太阳辐射强度对电气设备的影响及防护[6]

随着海拔的升高，空气密度也随之降低，太阳光透过度愈大,到达地面的辐射越强。太阳辐射的数据一般是是统计夏季6～8月内，太阳直接辐射最大强度值，表7为不同海拔要求太阳直接辐射照度值。

表7 不同海拔要求太阳直接辐射照度

由上表7可知，海拔高度增加1000m,太阳直接辐射强度增加约60W/m2，对机舱、塔筒和叶片等暴露于外的部分，图层应选用耐强烈太阳辐射的材料，如耐候性塑料、粉末涂料等。

6 结论

控制系统是风电机组的关键部分，是风电机组运行的“大脑”，是整个机组实现安全正常运行及实现最佳运行的保证；对于高原环境区域，控制系统的设计有其特殊性，由于空气密度、温度降低，对于风电机组电气控制系统的设计，主要考虑低压电器设备设计选型问题，其中主要包括空气密度的降低导致的电气设备的散热能力降低、电气设备的绝缘强度降低、电气设备的容量等电气性能的降低。

因此，对于控制系统来说，高海拔问题关键是解决电气设备的容量、动作特性、散热、绝缘等问题。另外，高海拔环境的太阳辐射也应有一定的考虑。充分考虑到上述问题，并采取相应的措施，保证电气设备的正常运行，才能保障机组的安全稳定工作。

[1]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M]. 2版.北京:机械工业出版社,2006.

[2]王富,王杰,徐学渊.高原风力发电机组的设计及改进.[J]电站辅机,2009(3):(19-22).

[3]正之.关于低压电器耐压试验的海拔修正问题的探讨[Z].上海:上海电器科学研究所,1984 .

[4]GBT 22580-2008 特殊环境条件,高原电气设备技术要求低压成套开关设备和控制设备.

[5]GB/T20626.2-2006 特殊环境条件,高原电工电子产品第二部分:选型和检验规范.

[6]Global wind energy council,GWEC: Global wind 2008 report[EB/OL]. http://, 2009 - 02-18.