風能作為一種清潔的綠色能源，具有大規(guī)模開發(fā)利用前景，開發(fā)利用可再生能源已成為世界能源發(fā)展戰(zhàn)略的必然。

（資料圖：明陽集團）

風力發(fā)電機組由多個部分組成，而控制系統(tǒng)貫穿到其中各個環(huán)節(jié)，相當于風電系統(tǒng)的核心。控制的好壞直接關系到風力發(fā)電機的工作狀態(tài)、發(fā)電量的多少以及設備的安全。因此，發(fā)電效率和發(fā)電質量都和風電控制系統(tǒng)密切相關。

其中，主控系統(tǒng)就是風電機組的大腦，負責接收風速、風向等外部環(huán)境數(shù)據(jù)以及內部狀態(tài)監(jiān)測信息，通過預設的控制算法計算出最優(yōu)化的操作指令，以實現(xiàn)最大能量捕獲和保護設備安全。

定義

風電控制系統(tǒng)是風機的重要組成部分，它承擔著風機監(jiān)控、自動調節(jié)、實現(xiàn)最大風能捕獲以及保證良好的電網(wǎng)兼容性等重要任務，它主要由監(jiān)控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)（變頻器）幾部分組成。

主控系統(tǒng)：主控系統(tǒng)是整個風力發(fā)電機組的核心部件，它主要完成機艙數(shù)據(jù)采集、判斷和處理，檢測每個部分傳感器是否有故障，通過各類傳感器對電網(wǎng)、風況及風機運行參數(shù)進行監(jiān)控，并與變頻系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)保持數(shù)據(jù)通訊，根據(jù)各方面的數(shù)據(jù)做出綜合分析，發(fā)出控制指令，實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動與停機控制、并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制、開槳與收槳控制、偏航與解纜控制、運行數(shù)據(jù)的采集與統(tǒng)計、遠程數(shù)據(jù)傳輸、風機遠程控制等。

監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）：監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對全風場風機狀況的監(jiān)視與啟、停操作，它包括大型監(jiān)控軟件及完善的通訊網(wǎng)絡。

變槳控制系統(tǒng)：與主控系統(tǒng)配合，通過對葉片節(jié)距角的控制，實現(xiàn)最大風能捕獲以及恒速運行，提高了風力發(fā)電機組的運行靈活性。變槳控制系統(tǒng)的葉片驅動有液壓和電氣兩種方式，電氣驅動方式中又有采用交流電機和直流電機兩種不同方案。

變頻系統(tǒng)（變頻）器：與主控制系統(tǒng)接口，和發(fā)電機、電網(wǎng)連接，直接承擔著保證供電品質、提高功率因素，滿足電網(wǎng)兼容性標準等重要作用。

主控系統(tǒng)的組成

風力發(fā)電機組的主控系統(tǒng)通常分為硬件部分(電氣相關)和軟件部分(軟件和算法相關)。

電氣部分(即硬件組成部分)是主控系統(tǒng)的實物載體，與風機中的各種外圍設備如發(fā)電機、齒輪箱、液壓站、變槳系統(tǒng)、變流器等之間形成電氣連接，收集反饋信號，并根據(jù)相應的動作邏輯，確保主控系統(tǒng)良好地控制各種外圍設備，使各設備能夠相互諧調配合運行。

軟件部分(軟件和算法相關)：主控系統(tǒng)中發(fā)電流程為主程序，設備及環(huán)境變量監(jiān)控、故障處理、傳感器通訊數(shù)據(jù)讀取及數(shù)據(jù)存儲為輔助程序。算法包括基本控制策略與優(yōu)化控制策略的研發(fā)，程序的仿真調試、現(xiàn)場實驗與應用、數(shù)據(jù)分析評估，從而再次改進控制策略。通過控制算法保證風力發(fā)電機組的發(fā)電量最大化的同時有效的抑制風機的振動、減小載荷、使風力發(fā)電機組平穩(wěn)、有效的運行。

硬件部分：

控制器：負責數(shù)據(jù)處理和邏輯運算的核心部件，通常采用高性能的工業(yè)控制計算機或可編程邏輯控制器（PLC）。

風速檢測和測量設備：實時監(jiān)測風速、風向和氣象條件，為控制算法提供輸入數(shù)據(jù)，調整風力渦輪機的工作參數(shù)。

傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)：監(jiān)測風力渦輪機的溫度、振動、電壓等運行狀態(tài)，及時檢測潛在問題，支持故障診斷和維護。

執(zhí)行機構：包括變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等，根據(jù)控制器的指令進行相應的動作。

通信接口：實現(xiàn)主控系統(tǒng)與遠程監(jiān)控中心、其他風電機組或電網(wǎng)調度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

軟件部分：

操作系統(tǒng)：提供基本的任務調度、文件管理、設備驅動等功能，確保控制軟件的穩(wěn)定運行。根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，通過復雜的算法計算出最優(yōu)的控制策略，以實現(xiàn)最大功率跟蹤、載荷優(yōu)化等目標。

故障診斷與保護程序：監(jiān)測機組運行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即啟動保護措施并發(fā)出警報。

通信協(xié)議：定義主控系統(tǒng)與其他設備之間的通信規(guī)范，確保數(shù)據(jù)的準確傳輸。

控制算法：保證風力發(fā)電機組的發(fā)電量最大化的同時有效的抑制風機的振動、減小載荷、使風力發(fā)電機組平穩(wěn)、有效的運行。工作任務包括基本控制策略與優(yōu)化控制策略的研發(fā)，程序的仿真調試、現(xiàn)場實驗與應用、數(shù)據(jù)分析評估，從而再次改進控制策略。

主控系統(tǒng)的分類和功能

風電主控系統(tǒng)按照不同的分類標準，可以分為多種類型：

按照控制策略，可以分為最大功率跟蹤控制、變槳控制、偏航控制等；

按照應用場景，可以分為陸上風電主控系統(tǒng)、海上風電主控系統(tǒng)等；

按照系統(tǒng)結構，可以分為集中式控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)等。

（資料圖： 上海電氣風電集團）

風電機組主控系統(tǒng)的功能：

狀態(tài)監(jiān)測：實時監(jiān)測風電機組的各項參數(shù)，如風速、發(fā)電功率、轉速、溫度等，確保設備在正常范圍內運行。

自動控制：根據(jù)風速和其他環(huán)境條件，自動調整風電機組的葉片角度(變槳控制)和發(fā)電機的輸出，以最大化能量捕獲和發(fā)電效率。

故障診斷：通過數(shù)據(jù)分析和監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)設備故障或異常，并采取相應措施，如報警或停機保護。

數(shù)據(jù)記錄與分析：記錄運行數(shù)據(jù)，進行歷史數(shù)據(jù)分析，以評估機組性能和優(yōu)化維護策略。

通信接口：與其他系統(tǒng)(如SCADA系統(tǒng))進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制。

安全保護：確保風電機組在極端天氣或其他危險情況下的安全運行，如過載保護、過溫保護等。

主控系統(tǒng)的工作狀態(tài)

1.待機狀態(tài)

當風速低于切入風速時，機組無法發(fā)電，主控系統(tǒng)將機組置于待機狀態(tài)。在此狀態(tài)，風電機組處于監(jiān)測和準備狀態(tài)。風速、風向傳感器持續(xù)監(jiān)測環(huán)境中的風速、風向變化。

當風速達到預設的最小啟動風速（通常在3米/秒左右）時，主控系統(tǒng)確認滿足啟動條件后進入啟動狀態(tài)。

2.啟動

主控系統(tǒng)根據(jù)機組對風情況，發(fā)送指令給偏航系統(tǒng)，保證風電機組對風準確。主控系統(tǒng)發(fā)送指令給變槳系統(tǒng)開始調整槳葉角度，按固定變槳速率開槳到初始角度（通常是20到40度左右）。

開槳后風電機組轉速會逐漸加快，主控系統(tǒng)實時監(jiān)測發(fā)電機轉速，當發(fā)電機轉速超過設定值（比如300rpm）后，進入加速狀態(tài)。

3.加速

進入加速階段后，變槳系統(tǒng)不再按照固定速率開槳，主控系統(tǒng)按照給定轉速采用PID控制策略自動調節(jié)槳葉角度，其中給定轉速將從當前轉速逐漸增加到風電機組的并網(wǎng)轉速。

在加速過程中，主控系統(tǒng)通過調節(jié)葉片角度和其他參數(shù)來保持轉速穩(wěn)定上升，確保機械轉速部件平穩(wěn)。

當發(fā)電機轉速達到并網(wǎng)轉速后，進入并網(wǎng)狀態(tài)。

4.并網(wǎng)

當風電機組的轉速穩(wěn)定在并網(wǎng)轉速附近后，主控系統(tǒng)發(fā)送并網(wǎng)指令給變流器。變流器執(zhí)行并網(wǎng)操作后，進入發(fā)電狀態(tài)。

5.發(fā)電

并網(wǎng)成功后，風電機組進入發(fā)電運行狀態(tài)，此時葉片捕捉風能，并將其轉化為電能輸送至電網(wǎng)。

在發(fā)電階段，給定轉速逐漸增加到機組額定轉速。主控系統(tǒng)根據(jù)實時風速和電網(wǎng)需求動態(tài)調整風電機組的功率輸出，保證安全高效運行。

6.停機狀態(tài)

當風速超出設定的最大允許值、電網(wǎng)調度中心發(fā)出停機指令，控制系統(tǒng)將執(zhí)行停機程序。主控系統(tǒng)發(fā)送指令給變槳系統(tǒng)執(zhí)行收槳動作。

正常停機時當轉速下降到脫網(wǎng)轉速后，斷開與電網(wǎng)的連接，完成解列操作。風電機組完全停止運轉，進入待機模式等待下一次啟動指令。

7.故障處理

檢測到必須停機的故障后，主控系統(tǒng)根據(jù)故障情況執(zhí)行正常停機或緊急停機策略。

風電機組在啟動、加速、并網(wǎng)過程中，檢測到必須停機的故障后，會直接進入停機階段。

風電主控系統(tǒng)受控設備分布

風力發(fā)電機的控制系統(tǒng)主要集中在塔底和機艙兩個地方。為了方便后期的維護，主控系統(tǒng)電氣部分主要在塔底，遠程IO從站有一個需要安裝在機艙，塔筒一般有80m左右的高度，為了控制系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性和抗干擾性，塔底與機艙之間一般采用光纖通訊。

機艙柜受控設備：偏航系統(tǒng)、發(fā)電機、齒輪箱、測速系統(tǒng)、氣象站、液壓站、制動系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、振動分析儀、UPS電源、其他監(jiān)控數(shù)據(jù)等。

偏航系統(tǒng)：偏航系統(tǒng)包括偏航電機、偏航位置傳感器、扭纜開關等，偏航系統(tǒng)是相對復雜的部分，要根據(jù)風速和風向的情況，決定往哪個方向偏航、偏多少度，要控制偏航電機抱閘的開啟關閉、偏航電機的啟停、偏航液壓剎車的開啟與關閉，要協(xié)調好三者的啟停順序和延時。要根據(jù)風速功率情況適時實施自動解纜程序。

發(fā)電機：發(fā)電機控制部分包括發(fā)電機的散熱風扇和加熱器，根據(jù)發(fā)電機線圈溫度和軸承溫度啟動加熱和散熱程序。

齒輪箱：對齒輪油溫、軸承溫度及壓力進行實時監(jiān)測，并根據(jù)溫度條件自動啟動油循環(huán)系統(tǒng)、散熱風扇或加熱器，確保齒輪箱處于良好潤滑狀態(tài)，減少機械磨損。

測速系統(tǒng)：分別對低速軸和高速軸速度進行精確測量，采用接近開關、編碼器等設備獲取準確的速度信號，為整個系統(tǒng)的控制決策提供依據(jù)。

氣象站：氣象站包括風速、風向、戶外溫度的監(jiān)測，有的控制系統(tǒng)加入了大氣壓力和空氣密度的監(jiān)測，氣象站通常采用機械式風速風向儀或超聲波風速風向儀，目前有個別機組采用激光測風儀來提高測風的準確性。

液壓站：為偏航系統(tǒng)和制動系統(tǒng)提供所需的壓力，通過壓力傳感器或壓力開關智能控制液壓泵的工作狀態(tài)，確保系統(tǒng)壓力始終保持在預設范圍內。

制動系統(tǒng)：液壓制動系統(tǒng)是安裝在齒輪箱高速軸的制動盤和剎車鉗，剎車鉗根據(jù)控制系統(tǒng)的指令來動作，剎車鉗的剎車和釋放信號、剎車片的磨損信號接入機艙IO系統(tǒng)。

變槳系統(tǒng)：采用通訊方式與主控制器交互數(shù)據(jù)，一般采用Can Open、RS485或Profibus通訊協(xié)議。這里這是描述一下主控與變槳需要交互數(shù)據(jù)，不對變槳系統(tǒng)展開描述。

振動分析儀：通常采用通訊方式與主控制器交互數(shù)據(jù)，一般采用Modbus TCP 、RS485、Canopen等通訊協(xié)議，振動分析儀監(jiān)測塔筒的振動情況和主機架的振動情況，有的控制系統(tǒng)采用4~20mA等模擬量信號傳輸數(shù)據(jù)，有的控制系統(tǒng)還將振動分析儀的故障干接點串入風電機組安全鏈。

UPS電源：機艙柜應配置UPS電源或從塔底接入UPS電源，在電網(wǎng)故障時，保證風電機組安全停機。

其他監(jiān)控數(shù)據(jù)：主軸承溫度、機艙溫度及散熱控制、控制柜溫度及加熱散熱控制等監(jiān)控點都會接入機艙遠程IO模塊。

塔底柜：塔底柜受控設備：變流器、電能表、UPS電源、塔底控制柜安裝觸摸屏等。

變流器：采用通訊方式與主控制器交互數(shù)據(jù)，一般采用Can Open或Profibus通訊協(xié)議。

電能表：采用通訊方式與主控制器交互數(shù)據(jù)，一般采用Modbus TCP 、RS485、Profibus等通訊協(xié)議，電能表的電流互感器應該安裝在風電機組與箱式變壓器的總出口處，這樣可以測得風機機組的凈發(fā)電功率。

UPS電源：塔底柜應配置UPS電源，在電網(wǎng)故障時，保證風電機組安全停機，保證主控制器可以記錄相關的歷史數(shù)據(jù)。UPS電源應該通過通訊方式與主控制器交互，上報剩余電量，或者將UPS電源電量低的信號通過硬接線方式上傳控制系統(tǒng)。

塔底控制柜安裝觸摸屏：用于人工交互，控制柜門設置手動停機、安全鏈停止、急停開關等按鈕，塔底IO從站檢測環(huán)境溫度、柜內溫度、柜內電氣元件信號等，部分控制系統(tǒng)將箱式變壓器的信號也接入塔底IO從站。

風電主控系統(tǒng)檢查與維護

1、檢查塔架接地電阻

一般風力發(fā)電機組的整機接地電阻必須≤4歐姆，必要時還需復檢。接地電阻影響到整機的安全，如接地電阻過大，會導致整機防雷能力降低，可能會導致雷擊過壓器件損壞。接地不良還會導致電磁干擾，影響機組運行。

2、檢查塔架照明設備

應檢查塔架燈開關是否可以正常使用，燈是否可以點亮，如照明燈損壞，需要及時更換。檢查塔架燈座固定與塔架燈電纜的固定是否牢固，電線有無破損。如果使用應急燈，還需要定期測試其應急功能是否正常。

3、檢查塔架內敷設的電纜

需要在定期和日常維護中對塔架內的電纜進行檢查，包括主動力電纜、控制信號電纜等。主要檢查電纜絕緣層有無磨損、電纜絕緣層有無燒灼、鼓包、龜裂，以及電纜有無下滑扭曲的現(xiàn)象。

4、檢查塔架電纜夾板

塔架內主動力電纜經發(fā)電機出線后沿塔架壁至主控和變流柜內。在塔架壁上，每隔幾米距離便有電纜夾板固定電纜，能起到固定電纜的作用。主要檢查內容包括：電纜夾板有無老化，固定螺栓是否緊固；電纜固定在電纜卡槽內，無電纜從夾板中滑脫、被擠壓。

5、檢查機組軟件版本號

打開人機交互界面，在控制面板上查看主控系統(tǒng)使用的軟件和程序版本號，與廠家要求軟件和程序版本號進行比對，以確定該機組主控制器軟件和程序是否為最新版本。

6、測試主控柜急停按鈕功能

通過監(jiān)控面板查看主控柜急停按鈕報警指示。當按下急停按鈕后，面板提示急停故障，當旋開急停按鈕后，按下復位按鈕鍵，可以解除急停故障，表明主控柜急停按鈕的功能正常。

7、主控柜加熱器和散熱器維護檢查

溫度控制器能夠正常控制加熱器的啟動與停止。調整溫度控制器，查看加熱和散熱器風扇開關是否打開，如風扇可以正常運行，表明主控柜內加熱和散熱器功能正常。需要每半年清理散熱器通風濾網(wǎng)上沉積的灰塵，以保證柜體通風散熱良好。

8、主柜UPS蓄電池維護

蓄電池的壽命一般在3年以上，由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，受溫度、濕度等外界環(huán)境影響，會縮短蓄電池的使用壽命。如果維護工作做到位，就可延長蓄電池壽命。

主控柜的電氣檢查和維護還包括以下七項：

（1）主控柜內線纜及接線端子維護檢查。

（2）檢查柜門和柜門鎖是否正常，柜體照明燈是否正常。

（3）檢查面板顯示是否正常，查看數(shù)據(jù)有無異常

（4）檢查柜體內是否有雜物，并清潔柜體。

（5）檢查各散熱器過濾棉有無污損或破損，并及時清理或更換。

（6）檢查所有繼電器、接觸器、斷路器、端子排接線是否松動。

（7）檢查柜內主要零部件接地及柜體接地與接地極的連接是否牢固、可靠。

主控系統(tǒng)在風電運維中的重要性

風電機組停機分為兩種：正常停機和保護停機。除小風停機和人為手動停機外，多數(shù)屬于保護停機。保護停機可分為兩種，一種是無需人為干預，在適當條件下，由主控發(fā)出復位命令，能自動復位并網(wǎng)的保護停機。如：塔筒共振、一級振動、高風切除和電網(wǎng)故障等；另一種是需人為干預（故障處理、維修或部件更換等）的保護停機。如：“變槳驅動器故障”、“充電器故障”以及“齒輪油冷卻風扇故障”等等。停機后，及時、迅速地進行機組維修和復位啟機，有利于提高機組利用率和發(fā)電量。

1、主控系統(tǒng)報故障準確性

當外部不滿足機組運行條件，或機組自身出現(xiàn)故障時，運行機組自動報故障停機。停機故障信息可通過人機界面，主控調試軟件，或SCADA后臺軟件進行查看。

現(xiàn)場維修人員主要根據(jù)主控所采集的各種信息分析、判斷和排除機組故障。但是，如果主控程序設計夠不完善，停機邏輯不夠明晰、主控參數(shù)設置不合理，或主控硬件抗干擾能力弱等都會造成主控報故障不準確，出現(xiàn)誤報故障。不僅會降低利用率和發(fā)電量，增加分析、判斷機組故障的時間，還會造成部件的錯誤更換，增加備件用量等。

2、主控數(shù)據(jù)采集與儲存

機組維修維護時根據(jù)現(xiàn)場運維需要，可通過后臺SCADA軟件或運用主控調試軟件，隨時提取主控數(shù)據(jù)。例如：在機組定期維護檢查發(fā)電效率是否變化時，可運用主控調試維修軟件很方便地在機艙上從主控讀取數(shù)據(jù)，形成功率曲線，再與這臺機組上一年的歷史功率曲線數(shù)據(jù)進行比較，以檢查機組的葉片對零、風向標、風速儀及功率曲線控制參數(shù)是否存在問題。

如果以不適當?shù)姆绞皆谥骺卮鎯Γ跈z查故障時，就很難知道機組故障時具體狀況，給機組維修帶來困難。如僅在SCADA后臺軟件中采集和存儲這些信息，在機艙上進行機組維修和維護時，就不能便捷的查到機組信息，無疑給機組維修和維護帶來了困難。還可能因數(shù)據(jù)包的丟失，或通訊中斷，而丟失掉眾多的“瞬間”信息，這無形增加了故障分析的難度。

3、遠程故障診斷與機組容錯運行

通過主控系統(tǒng)的多級權限管理，在風電場的集中監(jiān)控室，或遠程控制中心對機組進行遠程操控，以適當?shù)姆绞綄崿F(xiàn)遠程故障診斷和遠程技術指導；實現(xiàn)“集中監(jiān)控，區(qū)域維修”指揮現(xiàn)場；以容錯運行的方式實現(xiàn)機組遠程故障處理。這些功能和目標的實現(xiàn)均依賴于主控程序和后臺軟件，因此，主控系統(tǒng)在其中起著關鍵性的作用。

在控制中心通過SCADA后臺軟件對機組主控系統(tǒng)的遠程操控，可實現(xiàn)變槳系統(tǒng)、變頻器和發(fā)電機等重要部件的遠程故障診斷與技術指導。

在風電場的集控室，或遠程控制中心，還可以修改主控參數(shù)與操作變頻器的調試軟件相結合，實現(xiàn)對雙饋機組變頻器的疑難故障診斷；進行遠程技術指導，協(xié)助現(xiàn)場人員判斷變頻器故障和發(fā)電機故障等。

風電主控系統(tǒng)市場

1、行業(yè)特點：

技術含量高：風電主控系統(tǒng)涉及控制理論、通信技術、電力電子技術等多個領域，技術含量高，對產品的研發(fā)和生產提出了較高要求。

定制化需求強：由于不同風電場的風資源條件、機組型號、并網(wǎng)要求等存在差異，風電主控系統(tǒng)需要具備高度的定制化能力，以滿足不同項目的實際需求。

可靠性要求高：風電主控系統(tǒng)直接關系到風力發(fā)電機組的運行安全和發(fā)電效率，因此對其可靠性要求極高。

2、行業(yè)現(xiàn)狀：

近年來，中國風電主控系統(tǒng)市場呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢。一方面，國內風電裝機容量的持續(xù)增長為風電主控系統(tǒng)市場提供了廣闊的市場空間；另一方面，隨著風電技術的不斷進步和市場競爭的加劇，風電主控系統(tǒng)的技術水平不斷提高，產品性能不斷提升。

但同時，中國風電主控系統(tǒng)市場也面臨著一些挑戰(zhàn)。一方面，隨著風電裝機容量的快速增長，風電主控系統(tǒng)的市場競爭日益激烈，企業(yè)需要不斷提高產品質量和技術水平，以應對市場競爭的壓力；另一方面，隨著風電技術的不斷發(fā)展和應用環(huán)境的不斷變化，風電主控系統(tǒng)需要不斷適應新的技術要求和市場需求，進行技術升級和產品迭代。

3、從市場趨勢來看，未來中國風電主控系統(tǒng)市場將呈現(xiàn)以下幾個特點：

一是市場規(guī)模將持續(xù)擴大，隨著國內風電裝機容量的不斷增長和風電技術的不斷進步，風電主控系統(tǒng)市場規(guī)模將繼續(xù)保持增長趨勢；

二是技術水平將不斷提高，隨著市場競爭的加劇和技術的進步，風電主控系統(tǒng)的技術水平將不斷提高，產品性能將不斷提升；

三是定制化需求將逐漸增強，隨著風電項目的多樣化和個性化需求的增加，風電主控系統(tǒng)的定制化需求將逐漸增強；

四是市場競爭將更加激烈，隨著市場規(guī)模的擴大和技術的進步，風電主控系統(tǒng)的市場競爭將更加激烈，企業(yè)需要不斷提高產品質量和技術水平以應對市場競爭的壓力。