變槳定速風(fēng)機系統(tǒng)控制器設(shè)計

王 淼 趙志強 焦翠坪 景崇友

（保定天威集團有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071056）

1 引言

能源是現(xiàn)代社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。人類能源消費的劇增、化石燃料的匱乏甚至枯竭以及生態(tài)環(huán)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(fā)潔凈可再生能源已成為緊迫的課題。

風(fēng)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(fēng)電產(chǎn)業(yè)是世界上發(fā)展得最快的能源行業(yè)，它為全球經(jīng)濟開始向以可再生能源為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)型提供了最好的機會。根據(jù)測算，世界風(fēng)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(qū)，技術(shù)上可以轉(zhuǎn)換成電力的風(fēng)能資源每年約53萬億kW·h(53000TW·h)。

目前國外的大型風(fēng)電機組已經(jīng)實現(xiàn)商品化。歐洲風(fēng)能協(xié)會和綠色和平組織簽署《風(fēng)力12——關(guān)于2020年風(fēng)電達到世界電力總?cè)萘康?2%的藍圖》的報告[1]，期望并預(yù)測2020年全球的風(fēng)力發(fā)電裝機將達到12.31億kW，年安裝量達到1.5億kW，風(fēng)力發(fā)電量將占全球發(fā)電總量的12%[2]。據(jù)相關(guān)資料報道，到2020年，預(yù)計我國將新增發(fā)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(fēng)力發(fā)電場，每座風(fēng)場的發(fā)電能力達到100MW，達到4000MW的風(fēng)力發(fā)電總目標，在此基礎(chǔ)上國家要求風(fēng)力發(fā)電裝備要實現(xiàn)本土化[3]。

2 系統(tǒng)控制器的功能介紹

風(fēng)力發(fā)電機組的安全、穩(wěn)定運行是由系統(tǒng)控制器保證的，系統(tǒng)控制器的主要功能如圖1。

（1）在機組的各運行狀態(tài)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(tài)參數(shù)，通過界面設(shè)定機組的運行參數(shù)。

（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(guān)的各執(zhí)行機構(gòu)發(fā)動作命令。

1）根據(jù)偏航、解纜的要求給機組的偏航系統(tǒng)發(fā)動作指令。

2）給機組的剎車系統(tǒng)發(fā)動作指令。

3）給機組的液壓系統(tǒng)發(fā)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(fā)投入和切出的指令。

5）給機組的軟并網(wǎng)裝置發(fā)并網(wǎng)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(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)控制器的軟件設(shè)計

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

3.1 總體流程

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

（1）初始化：系統(tǒng)控制器首先初始化內(nèi)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(tài)，同時加載主運行參數(shù)及系統(tǒng)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(shù)據(jù)，幾秒鐘后，各測量單元即可以實現(xiàn)準確測量。

（2）自檢：系統(tǒng)控制器將機組置于待機狀態(tài)，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(tǒng)控制器在自檢結(jié)束確認沒有故障后，將機組置于自動運行狀態(tài)，然后循環(huán)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(gòu)（包括偏航機構(gòu)、變槳機構(gòu)、液壓泵、剎車機構(gòu)、電容器、軟并網(wǎng)控制器、發(fā)電機加熱器）的控制命令發(fā)出子程序，從而實現(xiàn)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(tǒng)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(guān)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(yōu)先級，對同一機構(gòu)進行手動控制時，與該機構(gòu)相關(guān)的系統(tǒng)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(jù)機組電氣部分測量值的大小，二是根據(jù)安裝在風(fēng)機各主要部件的傳感器反饋的開關(guān)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(tài)進行更新

收到手動操作的復(fù)位要求，或者軟待機故障消除后持續(xù)30min內(nèi)都沒有故障，清除系統(tǒng)當前的故障狀態(tài)為自動運行狀態(tài)，否則保持原來的狀態(tài)不變。

然后根據(jù)當前故障狀態(tài)以及據(jù)本次檢測獲得的故障狀態(tài)對當前的故障狀態(tài)進行判斷：①如果處在硬停機狀態(tài)或者新的檢測要求硬停機，那么將狀態(tài)更新為硬停機故障狀態(tài)；②如果處在硬待機狀態(tài)或者新的檢測要求硬待機，那么將狀態(tài)更新為硬待機故障狀態(tài)；③如果處在軟待機狀態(tài)或者新的檢測要求軟待機，那么將狀態(tài)更新為軟待機故障狀態(tài)。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(tài)不變。

（2）確定各種故障狀態(tài)的處理方案

硬停機：緊急順槳、硬剎車需要動作、發(fā)電機不允許并網(wǎng)并偏航90°。

硬待機：緊急順槳、軟剎車需要動作、發(fā)電機不允許并網(wǎng)。

軟待機：緊急順槳、發(fā)電機不允許并網(wǎng)。

（3）確定手動操作所需要的動作狀態(tài)

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(jù)發(fā)電機特征在轉(zhuǎn)速低于某一值后硬剎車；發(fā)電機不允許并網(wǎng)。

如果手動要求待機：軟剎車需要動作；發(fā)電機不允許并網(wǎng)。

（4）對需要的機械剎車進行綜合判定

根據(jù)故障和手動命令，確定需要機械剎車的三種狀態(tài)（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(tài)

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

3.3 對各種動作機構(gòu)的實現(xiàn)

（1）偏航功能的實現(xiàn)

偏航功能的執(zhí)行機構(gòu)是偏航電機，偏航電機的動作命令由系統(tǒng)控制器發(fā)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(tǒng)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(fēng)速穩(wěn)定地不低于一定值（如3m/s），風(fēng)速太低的時候，即使風(fēng)力機處于正對的迎風(fēng)方向，風(fēng)力機也不可能并網(wǎng)發(fā)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(wǎng)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(zhuǎn)過至少20min，所以這過程中肯定會出現(xiàn)風(fēng)向不對正的信號，而這時候系統(tǒng)正處于停機故障狀態(tài)根本沒有并網(wǎng)發(fā)電，偏航也沒必要。

自動左旋轉(zhuǎn)指令發(fā)出之后，機艙向左旋轉(zhuǎn)，直到自動左轉(zhuǎn)條件不成立且風(fēng)向偏差小于1°，自動左旋轉(zhuǎn)指令置0。

自動右旋轉(zhuǎn)指令發(fā)出之后，機艙向右旋轉(zhuǎn)，直到自動右轉(zhuǎn)條件不成立且風(fēng)向偏差小于-1°，自動右旋轉(zhuǎn)指令置0。

圖4 自動偏航的流程圖

（2）解纜功能的實現(xiàn)

解纜動作的執(zhí)行機構(gòu)也是偏航電機，解纜動作的條件是：

1）沒有關(guān)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(fā)生了過纏繞故障，或在風(fēng)速不超過一定值（如30m/s）時發(fā)生了纏繞故障。

纏繞故障是根據(jù)機艙方向角作為判定依據(jù)。如在風(fēng)速小于10m/s，機艙方向角大于430°或小于-430°時；或在風(fēng)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(lián)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(fù)位才能進行解纜。此時解纜的過程是：檢測到手動復(fù)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(lián)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(nèi)系統(tǒng)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(fù)供電，解纜動作得以執(zhí)行。解纜了一分鐘后，此時過纏繞故障已經(jīng)消失、過纏繞故障繼電器已經(jīng)合上，偏航失敗繼電器也就不會再斷開，解纜動作得以持續(xù)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(xiàn)

液壓泵控制的執(zhí)行機構(gòu)是液壓泵，對液壓泵的控制也分為手動控制和系統(tǒng)控制器自動控制兩部分。其中系統(tǒng)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(zhí)行。

系統(tǒng)控制器自動控制液壓泵控制內(nèi)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(xù)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(nèi)循環(huán)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(xiàn)

控制器依據(jù)風(fēng)力發(fā)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(fēng)力機的起動風(fēng)速較定槳距風(fēng)力機低，停機時對傳動機械的沖擊應(yīng)力相對緩和。風(fēng)機正常工作時，主要采用功率控制，功率調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度取決于風(fēng)機槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。在額定風(fēng)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(huán)節(jié)精度的影響，變化范圍很小，可等同于定槳距風(fēng)機,發(fā)電機的功率根據(jù)葉片的氣動特性隨著風(fēng)速的變化而變化。在額定風(fēng)速以上時，變槳距機構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整槳距角，保證發(fā)電機的輸出功率在允許范圍內(nèi)。

圖5 自動變槳的流程圖

（5）剎車功能的實現(xiàn)

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

為了保護剎車機構(gòu)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)

對于變槳距變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)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(fēng)力發(fā)電機組，無功補償由兩組或三組電容器的分步投切來實現(xiàn)。

在發(fā)電機實現(xiàn)軟并網(wǎng)，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(xù)投入一組電容器，直到滿足功率因數(shù)要求。在發(fā)電機脫網(wǎng)前先全部切除電容器，再進行脫網(wǎng)動作。

（7）并網(wǎng)功能的實現(xiàn)

變槳距定速風(fēng)力發(fā)電機組，并網(wǎng)的指令由系統(tǒng)控制器發(fā)出，并網(wǎng)指令執(zhí)行者是軟并網(wǎng)控制器。

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

如果機組無故障但未并網(wǎng)，若轉(zhuǎn)速達同步速且正常，則系統(tǒng)控制器發(fā)并網(wǎng)指令。

如果機組無故障且已經(jīng)并網(wǎng)，如果轉(zhuǎn)速太低，則系統(tǒng)控制器立即發(fā)出脫網(wǎng)指令。

如果機組無故障且已經(jīng)并網(wǎng)但轉(zhuǎn)速稍低，則該狀態(tài)保持4s后系統(tǒng)控制器發(fā)出脫網(wǎng)指令。

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

圖6 軟并網(wǎng)控制的流程圖

圖7 脫網(wǎng)控制的流程圖

（8）發(fā)電機加熱功能的實現(xiàn)

如果發(fā)電機溫度低于15℃，則打開加熱繼電器。

如果發(fā)電機溫度高于23℃，并且發(fā)電機溫度高于環(huán)境溫度8℃以上，則關(guān)閉加熱繼電器。

4 結(jié)論

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

[1]歐洲風(fēng)能協(xié)會/國際綠色和平(著),中國資源綜合利用協(xié)會可再生能源專業(yè)委員會/綠色和平中國(譯).風(fēng)力12——關(guān)于2020年風(fēng)電達到世界電力總?cè)萘康?2%的藍圖.北京∶中國環(huán)境科學(xué)出版社,2004.

[2]何祚庥,王亦喃. 風(fēng)力風(fēng)電“救濟”電荒——風(fēng)力風(fēng)電是我國能源和電力可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的最現(xiàn)實選擇.中國能源發(fā)展與投資峰會,2004.

[3]張曉明. 全球風(fēng)力發(fā)電市場現(xiàn)狀與發(fā)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.