风电主控系统：风力发电机的智慧大脑

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风电主控系统：风力发电机的智慧大脑

在风力发电领域，风电主控系统如同人类的大脑，指挥着风力发电机组的每一个动作。它不仅决定着机组的发电效率，更关系到设备的安全运行。随着风能作为清洁绿色能源的大规模开发利用，风电主控系统的重要性愈发凸显。

风电主控系统的定义与核心作用

风电控制系统是风机的重要组成部分，承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好电网兼容性等重要任务。它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统组成。

其中，主控系统是整个风力发电机组的核心部件，其作用相当于人的大脑。它主要完成机舱数据采集、判断和处理，检测每个部分传感器是否有故障，通过各类传感器对电网、风况及风机运行参数进行监控，并与变频系统、变桨系统保持数据通讯，根据各方面的数据做出综合分析，发出控制指令，实现系统的启动与停机控制、并网与脱网控制、开桨与收桨控制、偏航与解缆控制、运行数据的采集与统计、远程数据传输、风机远程控制等一系列关键操作。

简单来说，主控系统就像一个智能指挥官，接收风速、风向等外部环境数据以及机组内部状态监测信息，通过预设的控制算法计算出最优化的操作指令，以实现最大能量捕获和保护设备安全。

主控系统的组成：硬件与软件的完美协作

风力发电机组的主控系统通常分为硬件部分和软件部分，二者相互协作，共同保障主控系统的正常运行。

硬件部分：实体支撑

硬件部分是主控系统的实物载体，与风机中的各种外围设备如发电机、齿轮箱、液压站、变桨系统、变流器等之间形成电气连接，收集反馈信号，并根据相应的动作逻辑，确保主控系统良好地控制各种外围设备，使各设备能够相互协调配合运行。

控制器：作为负责数据处理和逻辑运算的核心部件，通常采用高性能的工业控制计算机或可编程逻辑控制器 (PLC)，是主控系统的 “运算中心”。
风速检测和测量设备：实时监测风速、风向和气象条件，为控制算法提供输入数据，以便调整风力涡轮机的工作参数，是主控系统的 “环境感知器”。
传感器和监测系统：监测风力涡轮机的温度、振动、电压等运行状态，及时检测潜在问题，支持故障诊断和维护，相当于主控系统的 “健康监测员”。
执行机构：包括变桨系统、偏航系统、刹车系统等，根据控制器的指令进行相应的动作，是主控系统的 “行动执行者”。
通信接口：实现主控系统与远程监控中心、其他风电机组或电网调度系统的数据交换，是主控系统的 “信息传递员”。

软件部分：智能灵魂

软件部分中，发电流程为主程序，设备及环境变量监控、故障处理、传感器通讯数据读取及数据存储为辅助程序。算法包括基本控制策略与优化控制策略的研发，程序的仿真调试、现场实验与应用、数据分析评估，从而再次改进控制策略。通过控制算法保证风力发电机组的发电量最大化的同时有效的抑制风机的振动、减小载荷、使风力发电机组平稳、有效的运行。

操作系统：提供基本的任务调度、文件管理、设备驱动等功能，确保控制软件的稳定运行，是软件部分的 “基础管理者”。
控制算法：根据传感器数据，通过复杂的算法计算出最优的控制策略，以实现最大功率跟踪、载荷优化等目标，是软件部分的 “智能决策核心”。
故障诊断与保护程序：监测机组运行状态，一旦发现异常，立即启动保护措施并发出警报，是软件部分的 “安全卫士”。
通信协议：定义主控系统与其他设备之间的通信规范，确保数据的准确传输，是软件部分的 “通信规则制定者”。

主控系统的分类与功能：多面手的不同角色

分类方式

风电主控系统按照不同的分类标准，可以分为多种类型：

按照控制策略：可分为最大功率跟踪控制、变桨控制、偏航控制等，不同的控制策略针对不同的运行需求。
按照应用场景：可分为陆上风电主控系统、海上风电主控系统等，适应不同的地理环境和气候条件。
按照系统结构：可分为集中式控制系统、分布式控制系统等，满足不同规模和复杂度的机组需求。

主要功能

风电机组主控系统具备多种重要功能，保障机组的安全高效运行：

状态监测：实时监测风电机组的各项参数，如风速、发电功率、转速、温度等，确保设备在正常范围内运行，及时发现潜在问题。
自动控制：根据风速和其他环境条件，自动调整风电机组的叶片角度 (变桨控制) 和发电机的输出，以最大化能量捕获和发电效率，实现智能发电。
故障诊断：通过数据分析和监测，及时发现设备故障或异常，并采取相应措施，如报警或停机保护，防止故障扩大。
数据记录与分析：记录运行数据，进行历史数据分析，以评估机组性能和优化维护策略，为机组的优化升级提供依据。
通信接口：与其他系统 (如 SCADA 系统) 进行数据交换，实现远程监控和控制，方便运维管理。
安全保护：确保风电机组在极端天气或其他危险情况下的安全运行，如过载保护、过温保护等，保障设备和人员安全。

主控系统的工作状态：从待机到故障处理的全流程

待机状态

当风速低于切入风速时，机组无法发电，主控系统将机组置于待机状态。在此状态，风电机组处于监测和准备状态，风速、风向传感器持续监测环境中的风速、风向变化。当风速达到预设的最小启动风速 (通常在 3 米 / 秒左右) 时，主控系统确认满足启动条件后进入启动状态。

启动状态

主控系统根据机组对风情况，发送指令给偏航系统，保证风电机组对风准确。同时，发送指令给变桨系统开始调整桨叶角度，按固定变桨速率开桨到初始角度 (通常是 20 到 40 度左右)。开桨后风电机组转速会逐渐加快，主控系统实时监测发电机转速，当发电机转速超过设定值 (比如 300rpm) 后，进入加速状态。

加速状态

进入加速阶段后，变桨系统不再按照固定速率开桨，主控系统按照给定转速采用 PID 控制策略自动调节桨叶角度，其中给定转速将从当前转速逐渐增加到风电机组的并网转速。在加速过程中，主控系统通过调节叶片角度和其他参数来保持转速稳定上升，确保机械转速部件平稳。当发电机转速达到并网转速后，进入并网状态。

并网状态

当风电机组的转速稳定在并网转速附近后，主控系统发送并网指令给变流器。变流器执行并网操作后，进入发电状态。

发电状态

并网成功后，风电机组进入发电运行状态，此时叶片捕捉风能，并将其转化为电能输送至电网。在发电阶段，给定转速逐渐增加到机组额定转速。主控系统根据实时风速和电网需求动态调整风电机组的功率输出，保证安全高效运行。

停机状态

当风速超出设定的最大允许值、电网调度中心发出停机指令，控制系统将执行停机程序。主控系统发送指令给变桨系统执行收桨动作。正常停机时当转速下降到脱网转速后，断开与电网的连接，完成解列操作。风电机组完全停止运转，进入待机模式等待下一次启动指令。

故障处理

检测到必须停机的故障后，主控系统根据故障情况执行正常停机或紧急停机策略。风电机组在启动、加速、并网过程中，检测到必须停机的故障后，会直接进入停机阶段。

受控设备分布：塔底与机舱的协同控制

风力发电机的控制系统主要集中在塔底和机舱两个地方。为了方便后期的维护，主控系统电气部分主要在塔底，远程 IO 从站有一个需要安装在机舱，塔筒一般有 80m 左右的高度，为了控制系统的实时性和稳定性和抗干扰性，塔底与机舱之间一般采用光纤通讯。

机舱柜受控设备

机舱柜受控设备包括偏航系统、发电机、齿轮箱、测速系统、气象站、液压站、制动系统、变桨系统、振动分析仪、UPS 电源、其他监控数据等。

偏航系统：包括偏航电机、偏航位置传感器、扭缆开关等，需要根据风速和风向的情况，决定偏航方向和角度，控制偏航电机抱闸、电机启停、液压刹车的开启与关闭，并协调好三者的启停顺序和延时，还要根据风速功率情况适时实施自动解缆程序。
发电机：控制部分包括发电机的散热风扇和加热器，根据发电机线圈温度和轴承温度启动加热和散热程序。
齿轮箱：对齿轮油温、轴承温度及压力进行实时监测，并根据温度条件自动启动油循环系统、散热风扇或加热器，确保齿轮箱处于良好润滑状态，减少机械磨损。
测速系统：分别对低速轴和高速轴速度进行精确测量，采用接近开关、编码器等设备获取准确的速度信号，为整个系统的控制决策提供依据。
气象站：包括风速、风向、户外温度的监测，有的控制系统加入了大气压力和空气密度的监测，通常采用机械式风速风向仪或超声波风速风向仪，个别机组采用激光测风仪以提高测风准确性。
液压站：为偏航系统和制动系统提供所需的压力，通过压力传感器或压力开关智能控制液压泵的工作状态，确保系统压力始终保持在预设范围内。
制动系统：液压制动系统是安装在齿轮箱高速轴的制动盘和刹车钳，刹车钳根据控制系统的指令动作，刹车钳的刹车和释放信号、刹车片的磨损信号接入机舱 IO 系统。
变桨系统：采用通讯方式与主控制器交互数据，一般采用 Can Open、RS485 或 Profibus 通讯协议。
振动分析仪：通常采用通讯方式与主控制器交互数据，一般采用 Modbus TCP 、RS485、Canopen 等通讯协议，监测塔筒的振动情况和主机架的振动情况，有的控制系统采用 4~20mA 等模拟量信号传输数据，有的还将振动分析仪的故障干接点串入风电机组安全链。
UPS 电源：机舱柜应配置 UPS 电源或从塔底接入 UPS 电源，在电网故障时，保证风电机组安全停机。
其他监控数据：主轴承温度、机舱温度及散热控制、控制柜温度及加热散热控制等监控点都会接入机舱远程 IO 模块。

塔底柜受控设备

塔底柜受控设备包括变流器、电能表、UPS 电源、塔底控制柜安装触摸屏等。

变流器：采用通讯方式与主控制器交互数据，一般采用 Can Open 或 Profibus 通讯协议。
电能表：采用通讯方式与主控制器交互数据，一般采用 Modbus TCP 、RS485、Profibus 等通讯协议，电能表的电流互感器安装在风电机组与箱式变压器的总出口处，以测得风机机组的净发电功率。
UPS 电源：塔底柜应配置 UPS 电源，在电网故障时，保证风电机组安全停机，保证主控制器可以记录相关的历史数据。UPS 电源通过通讯方式与主控制器交互，上报剩余电量，或者将 UPS 电源电量低的信号通过硬接线方式上传控制系统。
塔底控制柜安装触摸屏：用于人工交互，控制柜门设置手动停机、安全链停止、急停开关等按钮，塔底 IO 从站检测环境温度、柜内温度、柜内电气元件信号等，部分控制系统将箱式变压器的信号也接入塔底 IO 从站。

检查与维护：保障主控系统健康运行的关键

重要维护项目

检查塔架接地电阻：一般风力发电机组的整机接地电阻必须≤4 欧姆，必要时还需复检。接地电阻过大，会导致整机防雷能力降低，可能导致雷击过压器件损坏，接地不良还会导致电磁干扰，影响机组运行。
检查塔架照明设备：检查塔架灯开关是否正常使用，灯是否能点亮，若照明灯损坏需及时更换。检查塔架灯座固定与塔架灯电缆的固定是否牢固，电线有无破损。使用应急灯的，需定期测试其应急功能是否正常。
检查塔架内敷设的电缆：在定期和日常维护中对塔架内的电缆进行检查，包括主动力电缆、控制信号电缆等，主要检查电缆绝缘层有无磨损、有无烧灼、鼓包、龟裂，以及电缆有无下滑扭曲的现象。
检查塔架电缆夹板：塔架内主动力电缆经发电机出线后沿塔架壁至主控和变流柜内，在塔架壁上每隔几米距离有电缆夹板固定电缆。主要检查电缆夹板有无老化，固定螺栓是否紧固，电缆是否固定在电缆卡槽内，有无从夹板中滑脱、被挤压的情况。
检查机组软件版本号：打开人机交互界面，在控制面板上查看主控系统使用的软件和程序版本号，与厂家要求软件和程序版本号进行比对，确定该机组主控制器软件和程序是否为最新版本。
测试主控柜急停按钮功能：通过监控面板查看主控柜急停按钮报警指示。按下急停按钮后，面板应提示急停故障，旋开急停按钮后，按下复位按钮键，可解除急停故障，表明主控柜急停按钮功能正常。
主控柜加热器和散热器维护检查：温度控制器应能正常控制加热器的启动与停止。调整温度控制器，查看加热和散热器风扇开关是否打开，若风扇能正常运行，表明主控柜内加热和散热器功能正常。每半年清理散热器通风滤网上沉积的灰尘，保证柜体通风散热良好。
主柜 UPS 蓄电池维护：蓄电池的寿命一般在 3 年以上，由于现场环境恶劣，受温度、湿度等外界环境影响，会缩短其使用寿命。做好维护工作可延长蓄电池寿命。

主控柜的电气检查和维护

主控柜内线缆及接线端子维护检查。
检查柜门和柜门锁是否正常，柜体照明灯是否正常。
检查面板显示是否正常，查看数据有无异常。
检查柜体内是否有杂物，并清洁柜体。
检查各散热器过滤棉有无污损或破损，并及时清理或更换。
检查所有继电器、接触器、断路器、端子排接线是否松动。
检查柜内主要零部件接地及柜体接地与接地极的连接是否牢固、可靠。

主控系统在风电运维中的重要性：提升效率与可靠性的核心

故障停机分类

风电机组停机分为正常停机和保护停机。除小风停机和人为手动停机外，多数属于保护停机。保护停机可分为两种，一种是无需人为干预，在适当条件下，由主控发出复位命令，能自动复位并网的保护停机，如塔筒共振、一级振动、高风切除和电网故障等；另一种是需人为干预 (故障处理、维修或部件更换等) 的保护停机，如 “变桨驱动器故障”“充电器故障” 以及 “齿轮油冷却风扇故障” 等。停机后，及时、迅速地进行机组维修和复位启机，有利于提高机组利用率和发电量。

关键作用体现

主控系统报故障准确性：当外部不满足机组运行条件，或机组自身出现故障时，运行机组自动报故障停机。停机故障信息可通过人机界面，主控调试软件，或 SCADA 后台软件进行查看。现场维修人员主要根据主控所采集的各种信息分析、判断和排除机组故障。如果主控程序设计不完善，停机逻辑不够明晰、主控参数设置不合理，或主控硬件抗干扰能力弱等，会造成主控报故障不准确，出现误报故障，不仅降低利用率和发电量，增加分析、判断机组故障的时间，还会造成部件的错误更换，增加备件用量等。
主控数据采集与储存：机组维修维护时根据现场运维需要，可通过后台 SCADA 软件或运用主控调试软件，随时提取主控数据。例如，在机组定期维护检查发电效率是否变化时，可运用主控调试维修软件在机舱上从主控读取数据，形成功率曲线，再与这台机组上一年的历史功率曲线数据进行比较，以检查机组的叶片对零、风向标、风速仪及功率曲线控制参数是否存在问题。如果以不适当的方式在主控存储，在检查故障时，就很难知道机组故障时具体状况，给机组维修带来困难。如仅在 SCADA 后台软件中采集和存储这些信息，在机舱上进行机组维修和维护时，不能便捷查到机组信息，还可能因数据包的丢失，或通讯中断，丢失众多 “瞬间” 信息，增加故障分析难度。
远程故障诊断与机组容错运行：通过主控系统的多级权限管理，在风电场的集中监控室，或远程控制中心对机组进行远程操控，以适当的方式实现远程故障诊断和远程技术指导，实现 “集中监控，区域维修” 指挥现场，以容错运行的方式实现机组远程故障处理。这些功能和目标的实现均依赖于主控程序和后台软件，因此，主控系统在其中起着关键性的作用。在控制中心通过 SCADA 后台软件对机组主控系统的远程操控，可实现变桨系统、变频器和发电机等重要部件的远程故障诊断与技术指导，还可以修改主控参数与操作变频器的调试软件相结合，实现对双馈机组变频器的疑难故障诊断，进行远程技术指导，协助现场人员判断变频器故障和发电机故障等。