風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)探討

緒論：寫作既是個人情感的抒發(fā)，也是對學術真理的探索，歡迎閱讀由發(fā)表云整理的1篇風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)探討范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發(fā)。

風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)探討:選兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)

摘 要

在新常態(tài)經(jīng)濟發(fā)展的新形勢下，我國的各大產(chǎn)業(yè)都進行了結構上的調(diào)整、優(yōu)化，并且我國的相關政策也明確要求要大力發(fā)展環(huán)保經(jīng)濟，構建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會。本文圍繞兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的組成成分和其所具備的優(yōu)勢特點展開，對兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的工作原理和工作過程進行詳細的分析、論述，以促進我國新能源資源的快速開發(fā)。

【關鍵詞】變速恒頻 風力發(fā)電機組 控制 系統(tǒng)

隨著科學技術、經(jīng)濟、社會的進一步發(fā)展，我國的各大產(chǎn)業(yè)都進行了結構上的調(diào)整，我國政策也明確的要求要大力發(fā)展環(huán)保經(jīng)濟，構建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會。科學技術的飛速發(fā)展，國家經(jīng)濟實力的提升，為我國新能源――風能的開發(fā)提供了技術支撐和雄厚的物質(zhì)保障。眾所周知，風能資源是大自然饋贈于人類豐厚的禮物，這種資源取之不盡、用之不竭，是人類社會發(fā)展中一大綠色能源資源。為了有效地促進風能資源的開發(fā)、利用，降低其使用成本，加大對兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)進行深入的研究力度是有效地方法之一。

1 兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的構成

風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)在機組進行運轉的過程中扮演著至關重要的角色，如果將這一系統(tǒng)比作生物人的話，那么其控制系統(tǒng)就相當于生物人的神經(jīng)指揮、控制中樞，其重要地位不言而喻。在這一系統(tǒng)中，各個部分之間在功能上既相互獨立又相互聯(lián)系，共同影響著發(fā)電機組的工作狀況，控制系統(tǒng)、傳感器、總控制器、風輪、增速機構以及電網(wǎng)等都是其重要的組成部分，具體的示意圖如圖1所示。

2 兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的優(yōu)勢特點分析

由于兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)研發(fā)面世的時間比較晚，其主要是在整合失速型風力發(fā)電機組的相關原理與技能的基礎之上而問世的，對失速型風力發(fā)電機組進行了取其精華棄其糟粕的加工處理后具備的主要優(yōu)勢、特點有：

（1）兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)輸出的功率要更平穩(wěn)一些，對功率進行平穩(wěn)的輸出是為了保證發(fā)電機組在穩(wěn)定的狀態(tài)下進行持續(xù)性的工作；

（2）變速恒頻風力發(fā)電機組系統(tǒng)可以最大限度地捕獲風能，在額定的風速以上進行作業(yè)，這樣既能充分地利用風能資源，又能增添其作業(yè)時的安全性；

（3）變速恒頻風力發(fā)電機組系統(tǒng)具有更好的柔性，其控制系統(tǒng)擁有更加完善的保護功能裝置。兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)所具備的這些優(yōu)勢和特點，既對我國的新能源資源開發(fā)、利用技術進行了大力的傳承、發(fā)揚，同時又為我國清潔能源――風能的開發(fā)提供了性能更優(yōu)的技術、設備支撐，有力的促進了我國經(jīng)濟、社會、環(huán)境的生態(tài)化、和諧化、環(huán)保化發(fā)展。

3 對兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)的分析、研究

我國變速恒頻風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)組成圖如圖2所示。

3.1 變速恒頻風力發(fā)電機組系統(tǒng)的控制原理依據(jù)分析

在兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組系統(tǒng)控制中，其原理的主要依據(jù)是貝茲證明：

Pr=0.5 δ π R2 Cp （1，λ，β） V3

在這一公式中，δ：空氣的密度；

V：風的速度；

R：風輪的半徑；

Cp（λ，β）：風力機的功率系數(shù)；

λ：葉尖速比；

β：槳葉節(jié)距角；

3.2 對兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組系統(tǒng)的控制過程分析

一般的，兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)在進行運轉作業(yè)時，其主要的運作過程有以下五部分：

（1）當外界的自然風力的速度大于變速恒頻風力發(fā)電機組啟動時的風速，并持續(xù)達到十分鐘的時間時，風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)就會驅動整個機艙，其主要是根據(jù)風向傳感器所指示的方向來進行的自動對風，并使葉輪自動處于迎風位置，即迎風口。

（2）當外界的自然風力的速度持續(xù)達到第一步中的切入風的速度十分鐘時，控制系統(tǒng)中的制動器松閘，此時，風力機會由最開始的待機狀態(tài)進入到比較低的風速啟動狀態(tài)，這時候，葉輪就能夠吸收風能，齒輪箱的運轉速度也能夠在短時間內(nèi)得到極快的提升并帶動變速恒頻風力發(fā)機的轉動，進行相關的作業(yè)。

（3）當變速恒頻風力發(fā)電機的轉速達到小電機并網(wǎng)的要求時，并在相關的工作人員對其設備進行檢查確保沒有故障問題之后，將小發(fā)電機并入電網(wǎng)。

（4）當變速恒頻風力發(fā)電機的轉速達到大電機的并網(wǎng)要求時，在相關的工作人員對其設備進行檢查確保沒有故障問題之后，將大發(fā)電機并入電網(wǎng)。

（5）相關的工作人員要對大發(fā)電機和小發(fā)電機同時進行功率的補償和速度功率以及發(fā)電功率的優(yōu)化。

在分析、闡述的過程之中，我們可以明顯發(fā)現(xiàn)這一裝置系統(tǒng)還需要進行優(yōu)化升級，以此來增強其性能，擴大其用途，經(jīng)過相關學者和專家研發(fā)的網(wǎng)側變換器控制策略就是一種不錯的改進策略。至于其具體的工作原理和裝配設置，筆者在此就不一一贅言了。

4 結束語

在新常態(tài)經(jīng)濟發(fā)展的新形勢下，為了有效地促進我國清潔能源資源――風能資源的開發(fā)利用，加大兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的研究力度，改進其控制技術、策略，是當前我國開發(fā)新能源資源的一項有效方法和技術。在我國的未來發(fā)展中，應該投入更多的時間、經(jīng)歷和物資在這一領域的開發(fā)、應用，以促進我國清潔能源資源的進一步開發(fā)、利用、發(fā)展。

作者單位

北京京能新能源有限公司輝騰錫勒風電分公司 北京市 013550

風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)探討:基于ATMEGA16垂直軸風力發(fā)電機電壓控制系統(tǒng)設計

摘要：本文介紹了基于Atmega16的電壓控制系統(tǒng)設計，該控制系統(tǒng)主要用于同軸型直驅式永磁風力發(fā)電機的電壓控制，該設計主要分為主電路和控制電路。其中主電路包括：采用二極管和濾波電容組成的整流濾波電路，采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關功率管的穩(wěn)壓電路，以及蓄電池充電電路。控制電路采用ATMEGA16單片機經(jīng)過軟件編程生成PWM波，作為IGBT驅動電路的輸入信號，從而對IGBT的導通關斷進行控制，穩(wěn)定風力發(fā)電機的輸出電壓。同時，在PWM脈寬調(diào)制的過程中加入軟開關技術，提高了IGBT的頻率，減小了損耗。

關鍵詞：垂直軸風力發(fā)電：PWM脈寬調(diào)制：IGBT開關功率管；ATMEGA16單片機；軟開關技術

0　概述

風能作為一種清潔的可再生能源，是新能源開發(fā)中重要的項目。風力發(fā)電的基本原理是空氣流動的動能作用在葉輪上，將動能轉換成機械能，從而推動葉輪旋轉，通過葉輪旋轉帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能。垂直軸風力發(fā)電機采用葉輪通過轉軸直接連接與發(fā)電機轉子的連接方式，不需要迎風調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以接受360度方位中任何方向來風，主軸永遠向設計方向轉動，提高了風能的利用率，且結構簡單、體積小、成本低、并便于維護。然而風力并不穩(wěn)定，即單位時間內(nèi)通過葉輪的風量并不恒定，造成葉輪轉速變化較大，也就無法保證風力發(fā)電機的穩(wěn)定運行，其輸出的電壓、頻率都有較大變化難以使用。為了使風力發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能能夠應用，需要采用一定的控制系統(tǒng)對風力發(fā)電機輸出電壓和頻率進行控制。

本設計是針對同軸型直驅式永磁風力發(fā)電機(已獲專利，專利申請?zhí)枺?00810049517)的電壓控制系統(tǒng)。其核心是利用單片機的計算和控制能力對采樣數(shù)據(jù)進行各種計算，從而排除和減少由于騷擾信號和模擬電路引起的誤差，大大提高了輸出電壓的穩(wěn)定性，降低了對模擬電路的要求。

1　垂直軸風力發(fā)電電壓控制系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成，其中主電路包括整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、充電電路；控制電路包括Atmega16、檢測保護電路、顯示電路等。如圖1所示：

1.1　主電路設計

主電路的輸入端采用二極管搭建的三相橋式不可控整流電路，將發(fā)電機輸出24V～100V的不穩(wěn)定交流電轉化為不穩(wěn)定的近似直流電，再經(jīng)電容濾波獲得平滑的直流電；穩(wěn)壓電路將近似直流電通過閉環(huán)控制電路轉化為穩(wěn)定的直流電壓向蓄電池充電。如圖2所示：

(1)BUCK電路

穩(wěn)壓電路是采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關功率管的降壓斬波電路，當IGBT接通時，經(jīng)電容濾波獲得平滑的直流電通過LL平波和CS濾波后向蓄電池充電；當IGBT關斷時，LL通過二極管D7續(xù)流，保持充電電流連續(xù)。

1.2　控制電路設計

垂直軸發(fā)電機的電壓穩(wěn)定控制電路如圖3所示，由單片機Atmega16、驅動電路、顯示屏等組成，完成控制和驅動輸出兩部分。同時在PWM脈寬調(diào)制的過程中采用軟開關技術。

(1)Atmega16

Atmega16是ATMEL公司設計研發(fā)的高速低功耗8位單片機，其I／O口功能強，具有2路PWM直接輸出，可以驅動開關管，8路10位高速A／D轉換功能，能夠采樣得到蓄電池充電數(shù)據(jù)進行實時分析，從而精確控制充電電壓，且

使用方便快捷。

在本系統(tǒng)中，Atmega16主要用于產(chǎn)生一定脈寬的PWM波，作為IGBT驅動電路的輸入信號，根據(jù)基準電壓與檢測到穩(wěn)壓電路的輸出反饋電壓的比較，調(diào)整脈寬。改變占空比，控制發(fā)電機輸出電壓，并對充電電壓進行實時監(jiān)控；同時，風輪轉速和充電電壓等模擬信號經(jīng)單片機內(nèi)部A／D轉換為數(shù)字信號，再經(jīng)單片機處理后由顯示屏以數(shù)字方式顯示。

(2)驅動電路

本設計中采用惠普公司的成品驅動模塊HCPL316J來驅動IGBT，可以大大提高設備的可靠性。該芯片為光耦隔離，COMS／TTL電平兼容，過流軟關斷，最大開關速度為500ns，工作電壓15V～30V，欠壓保護，可以驅動150A／1200V的IGBT。

驅動電路如圖4所示，由單片機產(chǎn)生的PWM波信號加在HCPL316J的第1腳，輸入部分需要1個5V電源，RESET腳低電平有效，故障信號輸出由HCPL316J的第6腳送至單片機的PD0口關閉PWM波信號，在發(fā)生過流情況時及時關閉PWM輸出。輸出部分采用+15V和-5V雙電源供電，用于產(chǎn)生正負脈沖輸出，HCPL316J的14腳為過流檢測端，通過二極管VD檢測IGBT集電極電壓，在IGBT導通時，如果集電極電壓超過7V，則認為是發(fā)生了過流現(xiàn)象，HCPL316J慢速關斷IGBT，同時由第6腳送出過流信號。

(3)軟開關技術

軟開關技術是在脈沖調(diào)制電路中，加入L、C諧振電路，使開關器件中的電流或電壓按正弦或準正弦規(guī)律變化。當電流過零時，使器件關斷，當電壓過零時，使器件開通，實現(xiàn)開關的近似零損耗。同時，有助于提高頻率，提高開關的容量，減小噪聲。

本設計中增加了帶有輔助開關控制的零電流開關變換，如圖5所示。當S1、S2導通時，在LR的作用下，S1零電流導通，ILR=I0o當S1、S2導通一關斷時，CR開始產(chǎn)生電壓，D7在零電流下自然關斷；之后，LR與CR開始諧振，經(jīng)過半個諧振周期，ILR再次諧振到I0，UCR上升到最大值，而ICR為零，S2關斷，UCR和ILR將被保持。當S1導通、S2關斷時，Uin正常向負載I0供電。當S1導通一關斷、S2導通時，在LR作用下，S2電流為0，諧振再次開始，當1LR反向諧振到0時，S1完成

關斷。當S1關斷、S2導通時，UCR在I0作用下，衰減到0。當S1關斷、S2導通一關斷時，D7自然導通開始續(xù)流。由于D7的短路作用，S2可在此后至下一周期到來前完成關斷。S1、S2均由單片機進行控制，其中S1在前四個階段均導通，恢復及續(xù)流時關斷，S2的作用主要是隔斷諧振產(chǎn)生保持階段。S1、S2的有效控制產(chǎn)生了PWM的效果，并利用諧振實現(xiàn)了自身的軟開關。

2　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件的設計是實現(xiàn)垂直軸風力發(fā)電電壓控制系統(tǒng)正常運行的主要條件，采用模塊化設計增強了程序的可移植性。整個軟件系統(tǒng)主要分為四大模塊組成：初始化模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、中斷模塊、顯示模塊。

系統(tǒng)的主程序設計主要實現(xiàn)的是各模塊程序的鏈接，如圖6所示。系統(tǒng)上電后，首先進入初始化模塊，對單片機內(nèi)部的AD、中斷、顯示等各參數(shù)進行初始化；接下來進入數(shù)據(jù)采集與處理模塊，單片機通過傳感器和充電電路的采樣電阻分別循環(huán)采樣垂直軸發(fā)電機的風輪轉速和充電電壓，然后將采樣值經(jīng)AD轉化處理后進入顯示模塊，將采樣值顯示在液晶屏上；同時在中斷模塊中，將系統(tǒng)輸出反饋電壓與預先設置的基準電壓按一定比例進行比較，調(diào)整脈寬，改變占空比，控制發(fā)電機輸出電壓。

系統(tǒng)軟件設計重點是中斷模塊。在程序中將單片機的PD4口設置為輸出PWM波，同時設置基準電壓U0和輸出的PWM波頻率。單片機將系統(tǒng)輸出反饋電壓U和U0進行比較；當U與U0不相等時，程序產(chǎn)生中斷，單片機根據(jù)q=U*q0／U0計算出所需要的占空比，從而改變PD4口輸出的高低電平的持續(xù)時間，產(chǎn)生PWM驅動信號，控制IGBT的通斷時間，調(diào)整充電電壓。

3　總結

本設計采用單片機控制，能夠解決風力發(fā)電輸出電壓和頻率范圍過大。無法給蓄電池充電的問題，且具有穩(wěn)壓精度高、安全可靠、結構簡單、成本低廉、高效率、可維護性好且能自動調(diào)節(jié)等特性，可廣泛應用于垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)。

風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)探討:風力發(fā)電機組電動變槳控制系統(tǒng)論述

【摘要】在風力發(fā)電機組中，變槳機組已經(jīng)取代定槳機組成為風機商業(yè)化發(fā)展的主流。變槳系統(tǒng)是風電機組功率控制和平穩(wěn)運行的重要執(zhí)行部分，在其運行中發(fā)揮著主導作用。本文主要討論風力機組功率控制方法，研究了模糊PID 統(tǒng)一變槳距功率控制系統(tǒng)、基于來流角預測的獨立變槳距功率控制策略。

【關鍵詞】變槳機構；獨立變槳；

一、變槳系統(tǒng)控制原理

本系統(tǒng)采用變速變槳距調(diào)節(jié)的控制方式，通過頻率轉換器耦合發(fā)電機與電網(wǎng)，允許通過控制發(fā)電機的反作用力矩來改變轉速，在高風速時，轉矩被保持在額定水平，變槳距控制用于調(diào)節(jié)轉速及功率，

二、控制器及仿真模型建立

針對本系統(tǒng)，將模糊控制與PID控制算法相結合設計了一種通過模糊規(guī)則切換兩種控制規(guī)律的無觸點的切換方式，優(yōu)化了控制器的設計，彌補了常規(guī)算法的不足，采用這種方法的Fuzzy-PID分段復合控制器和仿真模型

三、風電機組控制系統(tǒng)概述

隨著風電機組單機容量的不斷加大，塔架高度和葉輪直徑也隨之不斷擴大，兆瓦級風力發(fā)電機組在額定風速的情況下，槳葉在旋轉過程中其最高端和最低端垂直高度上的功率吸收相差20% 以上，這使得普通葉輪統(tǒng)一變槳距控制在大型機組上無任何優(yōu)勢可言。變槳距控制系統(tǒng)作為兆瓦級風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的核心部分之一，對機組高效、穩(wěn)定、安全的運行具有非常重要的作用。而獨立槳葉變距系統(tǒng)的每只槳葉都有一套獨立的變距伺服驅動系統(tǒng)，采用獨立槳葉變槳距控制方法可以減少傳動系統(tǒng)的故障率，減輕輸出力矩脈動，提高系統(tǒng)運行可靠性和穩(wěn)定性，提高機組運行壽命。同時獨立槳葉變距控制不僅擁有普通葉輪整體變距控制的優(yōu)點，還能很好地解決垂直高度上風速變化對風機的影響這一不利因素。但是如果采用液壓伺服驅動，其系統(tǒng)結構過于復雜，會給維護和修理造成一定難度。因此，獨立變槳距控制系統(tǒng)現(xiàn)在通常都采用電動機驅動方式。

本文在分析風電機組變槳距控制研究現(xiàn)狀的基礎上，提出優(yōu)化的變槳距控制策略，利用Matlab/Simulink對其進行仿真，設計了基于模糊控制的變槳距控制器，使控制效果得到了提高。下面的實例，是以典型的獨立變槳控制系統(tǒng)來說明變槳控制系統(tǒng)的基本構成。一般的獨立電動變槳控制，主要是由3套獨立的變槳裝置組成，不但提高了風力機的輸出功率，還可以允許3個槳葉獨立變槳，即使在其中一個槳葉剎車制動失敗時，其他2個槳葉也可以實現(xiàn)安全剎車的過程，提高了整個系統(tǒng)的安全性，能全面滿足其剎車制動需要。

電控變槳系統(tǒng)構成

變槳距控制（Active Pitch Control）技術，簡單來說就是通過調(diào)節(jié)槳葉的節(jié)距角，改變氣流對槳葉的攻角，從而控制風輪捕獲的氣動功率和氣動轉矩。近年來國內(nèi)外在變槳距控制上，主要采用液壓變槳控制和電控變槳控制，以及目前正處在研制階段的電液比列變槳控制。其中電變槳距主要采用了兩種控制方法，即統(tǒng)一變槳距控制（Collective Pitch Control）和獨立變槳距控制（Individual Pitch Control）。統(tǒng)一變槳距控制指風力機全部葉片的節(jié)距角都同時改變相同的角度，是目前使用最廣泛、應用最為成熟的控制技術；獨立變槳距控制是指風力機的每支葉片根據(jù)自己的控制規(guī)律獨立地變化節(jié)距角，是在統(tǒng)一變槳距的基礎上發(fā)展起來的新型變槳距控制理論和方法，具有較高的前導性。

四、統(tǒng)一變槳距的功率控制與仿真

PID控制器根據(jù)PID控制原理，對整個控制系統(tǒng)進行偏差調(diào)節(jié)，以其算法簡單、應用性好、可靠性高等優(yōu)點，廣泛用于工業(yè)自動控制領域。根據(jù)有關實驗證明，基于模糊邏輯的參數(shù)自整定PID控制器，在解決線性控制問題的同時，也能很好地應用于非線性系統(tǒng)。在功率控制過程中，模糊控制器根據(jù)功率偏差信號e及其變化率e調(diào)節(jié)比例系數(shù)Kp、微分系數(shù)Kd和的積分系數(shù)Ki數(shù)值，因此模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心算法。從實際控制經(jīng)驗和PID算法中各環(huán)節(jié)的不同作用，設計者可以總結出參數(shù)整定規(guī)則，這些規(guī)則為制定模糊控制規(guī)則提供了依據(jù)和算法基礎。

五、獨立變槳距功率控制與仿真

風速在風輪平面內(nèi)沿高度的分布具有極高的持續(xù)性和規(guī)律性，因此我們可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡技術對其進行預測。其預測方法為，預先測量塔影效應和風切對風速分布的影響，之后使用大量觀測數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，使用訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡去估算不同高度的風速。考慮到在統(tǒng)一變槳的基礎上，用特定式對每個槳葉指定位置的來流角進行實時預測，并利用其變化量分別修正每個槳葉的節(jié)距角，則得各槳葉的節(jié)距角變化量，最后以特定式實現(xiàn)對來流角的預測。

六、統(tǒng)一變槳與獨立變槳的系統(tǒng)分析

在風力機槳葉氣動力分析中我們得知，槳葉在劇烈變化的軸向氣動力下將產(chǎn)生“揮舞”型震顫。鑒于此，通過節(jié)距角跟隨來流角變化式來完成獨立變槳控制。預測段來流角的變化能被各槳葉的節(jié)距角迅速跟蹤，可以很好地限制攻角周期性變化幅值，減輕了槳葉的氣動疲勞載荷，同時也控制了軸向氣動力變化的幅值，對于延長槳葉的使用壽命起到了重要作用。

獨立變槳和統(tǒng)一變槳在功率控制效果上，獨立變槳比統(tǒng)一變槳更合理。在大型風力機中，槳葉會因氣流發(fā)生“揮舞”型震顫，通過分析和仿真，我們提出基于來流角預測的獨立變槳距控制策略，應用于統(tǒng)一變槳的模糊PID 參數(shù)自整定控制器設計，這就能使統(tǒng)一變槳距控制較好地實現(xiàn)大型風電機組對功率控制的要求。由于風速在風輪平面上分布不均勻，獨立變槳可以使節(jié)距角在風速低的位置時較小，風速高的位置時較大，這樣可以減少槳葉在風輪不同位置的氣動扭矩波動，使輸出功率更平穩(wěn)。仿真結果表明，獨立變槳距控制可有效減輕槳葉的氣動疲勞載荷，減小因風速沿高度分布不均勻產(chǎn)生的氣動軸向力的周期性變化，因此獨立變槳距控制比統(tǒng)一變槳距控制所輸出功率更加穩(wěn)定。本文僅對變槳距控制的方法和控制結果進行分析，尚待在生產(chǎn)實踐中進行驗證。

風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)探討:風力發(fā)電機組電氣與控制系統(tǒng)快速檢修思路探索

【摘 要】風電機組檢修是發(fā)電設備管理中必不可少的一環(huán)，筆者結合現(xiàn)場工作經(jīng)驗，闡述了對機組控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)故障檢查工作的思路，并進行了歸納和總結，為風電場檢修新員工快速理解風電機組功能原理，掌握設備檢修方法提供了參考。

【關鍵詞】風電機組；設備檢修；電氣檢修；控制系統(tǒng)；故障診斷；風力發(fā)電；清潔能源

0 引言

在風電場組建檢修隊伍開始，往往不乏剛從學校走向崗位的畢業(yè)生，沒有見過風電設備，同時更不具備對設備的檢修經(jīng)驗。如何在短期內(nèi)完成對新員工的安全和檢修技能培訓，使其短時間內(nèi)具備分析故障、處理故障的能力，是擺在檢修部門面前的一道難題。由于新機組運行較穩(wěn)定，故障率較低，除了在實習期內(nèi)由師傅帶徒弟上機維護外，基本沒有更好的辦法讓新員工快速積累檢修經(jīng)驗。

因此，為解決這個問題，檢修部門往往編制出自己的檢修作業(yè)指導書或故障處理手冊，檢修班長也需要將自己的檢修經(jīng)驗的精華總結出來，從理論上向新員工進行灌輸。但是只有文字、圖片還是不夠的，為提高新員工的實際操作水平，筆者認為在保證安全的情況下，設置一些故障讓新員工進行實際操作，是十分有必要的，并且，應將設備檢修過程條理化。本文主要從控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)闡述給新員工進行故障分析和實際操作培訓的一些思路，使其建立對設備功能的系統(tǒng)認識和檢修操作能力。

1 風電機組電氣和控制系統(tǒng)檢修的總體框架

控制系統(tǒng)是風電機組的大腦和神經(jīng)，感知和控制風電機組所有系統(tǒng)的設備，并使其正常運行。

風電機組控制系統(tǒng)主要由PLC主機，PLC通訊模塊，安全鏈模塊、數(shù)字輸入DI、數(shù)字輸出DO模塊和模擬輸入模塊AI等專用模塊組成。通信模塊通過某種通訊協(xié)議將PLC主機的指令和設備狀態(tài)信息進行傳輸，使相應的電氣設備工作在要求的狀態(tài)下。

風電機組安全鏈回路是保障機組安全運行的重要回路，由多個節(jié)點采取串聯(lián)回路連接而成，只要回路中有一個節(jié)點斷開，安全鏈便發(fā)出指令讓風電機組馬上緊急停機，避免發(fā)生安全事故，從邏輯上看，安全鏈的各個環(huán)節(jié)是邏輯與的關系，只有安全鏈各個邏輯量是1，機組才允許正常運行。安全鏈回路監(jiān)控的項目有：超速，振動，變槳，偏航扭纜，緊急停機按鈕，PLC主機等。

在風電機組報故障后，現(xiàn)場檢查的方法往往是頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳，沒有對設備進行系統(tǒng)的檢查。對于新員工來說，對設備的認知也經(jīng)常是局部的，沒有連貫性和系統(tǒng)性的認識。同時，故障報警列表中，往往不能直觀看出故障的先后順序，且故障總數(shù)有時可能達到5～10條，如此情況對于新員工來說，無疑加大了學習和實踐的難度。為使其系統(tǒng)化的理解和扎實的掌握檢修技能，根據(jù)現(xiàn)場的檢修經(jīng)驗，總結出如下的檢修思路。

2 風電機組電氣和控制系統(tǒng)檢修的具體步驟

2.1 PLC檢查

由于PLC是控制的核心，所以要首先檢查PLC的工作是否正常。通過檢查操作界面，確認PLC的軟件版本、工作狀態(tài)是否正確，不存在死機的現(xiàn)象。之后，外部檢查PLC的狀態(tài)顯示是否正常，同時感知PLC外殼，確定設備工作沒有過熱現(xiàn)象。

2.2 通訊檢查

PLC工作正常后第二步檢查通訊功能，如果控制系統(tǒng)通訊存在問題，則風電機組所有的設備狀態(tài)包括安全鏈的信號都無法檢測到。通訊模塊檢查項目主要包括：通訊模塊的電源供電模塊是否正常工作，通訊模塊的接頭和接線是否正確，設置的通訊波特率是否合適，通訊地址是否正確，通訊光纖的信號強度是否充足，接線是否正確。

2.3 安全鏈檢查

在通訊功能正常后，第三步檢查安全鏈回路。根據(jù)風電機組的控制邏輯，如果安全鏈回路不閉合，機組的主要設備都是不能開始工作的。安全連回路檢查流程中，首先要確認安全鏈模塊的工作狀態(tài)正常，安全鏈的軟件工作正常，如果安全鏈模塊已經(jīng)發(fā)生損壞，則在更換新模塊之前，后面一切檢查都是徒勞的。如果安全鏈軟件有問題，則需要重新下載或灌裝安全鏈程序。

排除軟硬件故障后，在根據(jù)電路圖紙接線原理，根據(jù)回路檢查各安全節(jié)點的功能是否正常，檢查過程中要分清故障原因。有的情況是安全鏈信號傳輸過程中存在干擾或故障，而非發(fā)生了不安全事件。而有的故障原因是設備運行狀態(tài)確實達到了觸發(fā)安全報警的極限。如發(fā)生了嚴重的扭纜狀態(tài)，機艙振動超限等。當所有安全連回路閉合，且狀態(tài)正常后，主設備開始工作，之后就可以進行各分系統(tǒng)的檢查和故障排除。

2.4 各分系統(tǒng)設備檢查

風電機組各分系統(tǒng)設備包括變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。在檢查這些系統(tǒng)設備時，要嚴格按照電路圖所指示的回路進行檢查。而檢查電氣回路的類別主要分為控制回路和動力回路。

控制回路主要有測量、控制和反饋三種功能。測量功能主要是將各類型傳感器如溫度、壓力、轉速、位置、加速度、風速、風向、電壓、電流等信號轉換成特定范圍的電壓信號以供PLC卡件測量來判斷設備的工作狀態(tài)。傳感器的電壓一般較低，但是也有例外情況，如有些電壓互感器的電壓值就在230V，如不小心，會有觸電的危險。這些測量信號有的是電壓信號，有的是電流信號轉換成電壓信號。因此，檢查和更換傳感器時，要注意電流傳感器回路中的分壓電阻的好壞，更換新的傳感器后也要注意安裝正確的分壓電阻。

控制功能主要是由PLC卡件發(fā)出24V控制信號，用弱電控制接觸器吸合和斷開以實現(xiàn)接通或斷開動力電源的目的，達到自動啟停電氣設備的作用。接觸器常見的損壞形式有，觸頭粘連，電磁線圈失效等，其結果均造成不能有效控制電氣設備，直至設備狀態(tài)參數(shù)超出正常的范圍而被測量信號檢測出來，報出故障。

反饋功能回路是對于一些帶有輔助觸點、漏電保護或過流保護的開關和接觸器，用來監(jiān)視、檢測這些設備的狀態(tài)，從而判定是否有過流、漏電等故障，這些信號一般是與PLC數(shù)字輸入的DI卡件形成的回路，通過常開、常閉邏輯判定被監(jiān)控設備的工作狀態(tài)。DI模塊及回路使用相同的0V和24V的直流電壓而不是動力電壓380V，如當空開跳開后，連帶的輔助開關也跳開了，PLC的DI模塊由閉合變成斷開，使PLC捕捉到這些信號，并報出故障。

動力回路主要有三相回路和單相回路，單相電壓主要有230V和380V兩種。不論是檢查接觸器還是接線端子檢查，在檢修過程中都要注意斷電和驗電的安全事項。同時在上電前要注意檢查設備的相間及對地絕緣狀況，以免上電出現(xiàn)短路，損壞設備。在電機維修后，還要驗明相序是否正確，避免電機反轉。

電氣設備故障的檢查應首先根據(jù)故障類型對照圖紙找到相應的電氣回路，觀察回路中有無明顯的故障現(xiàn)象，如跳閘、過熱、燒損或接線松脫等，以判定是否出現(xiàn)過流現(xiàn)象或電氣元件的機械零件失效，進行更換。如沒有明顯故障現(xiàn)象，通過控制界面查看是哪個反饋信號或測量信號不正常，檢查對應的設備工作狀態(tài)是否存在問題。如設備狀態(tài)正常且無損壞，檢查測量回路和反饋回路是否正常。如無問題，檢查控制回路及控制元件，之后是動力回路和電氣設備。按照上述檢測方法，不但使檢查思路變得較為清晰，同時也加深了新員工對控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的認識。

3 結束語

總之，隨著風電機組的不斷發(fā)展，機組的故障診斷技術也在不斷發(fā)展，各種診斷技術的相互融合，優(yōu)勢互補是保證故障診斷準確有效的方向，成熟良好的診斷技術應用在風電機組中，必將推動風電事業(yè)的進一步發(fā)展。