科普 | 什么是风电主控系统？

       风力发电机组由多个部分组成，而控制系统贯穿到其中各个环节，相当于风电系统的核心。控制的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。因此，发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。

       其中，主控系统就是风电机组的大脑，负责接收风速、风向等外部环境数据以及内部状态监测信息，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。

一、定义
       风电控制系统是风机的重要组成部分，它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的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（变频器）几部分组成。

主控系统：主控系统是整个风力发电机组的核心部件，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。

 

监控系统（SCADA）：监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、停操作，它包括大型监控软件及完善的通讯网络。

变桨控制系统：与主控系统配合，通过对叶片节距角的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式，电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。

变频系统（变频）器：与主控制系统接口，和发电机、电网连接，直接承担着保证供电品质、提高功率因素，满足电网兼容性标准等重要作用。

二、主控系统的组成

       风力发电机组的主控系统通常分为硬件部分(电气相关)和软件部分(软件和算法相关)。

       电气部分(即硬件组成部分)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，使各设备能够相互谐调配合运行。

软件部分(软件和算法相关)：主控系统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。

硬件部分：
 

控制器：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）。

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，调整风力涡轮机的工作参数。

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。

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。

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。

软件部分：
 

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。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。

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。

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。

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。工作任务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。

三、主控系统的分类和功能

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，可以分为最大功率跟踪控制、变桨控制、偏航控制等；

按照应用场景，可以分为陆上风电主控系统、海上风电主控系统等；

按照系统结构，可以分为集中式控制系统、分布式控制系统等。

风电机组主控系统的功能：
 

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。

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。

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。

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。

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。

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。

四、主控系统的工作状态

1.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。

2.启动

       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。主控系统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。

3.加速

       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。

4.并网

       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。

5.发电

       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。

6.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。

7.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。

五、风电主控系统受控设备分布

       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：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：偏航系统包括偏航电机、偏航位置传感器、扭缆开关等，偏航系统是相对复杂的部分，要根据风速和风向的情况，决定往哪个方向偏航、偏多少度，要控制偏航电机抱闸的开启关闭、偏航电机的启停、偏航液压刹车的开启与关闭，要协调好三者的启停顺序和延时。要根据风速功率情况适时实施自动解缆程序。

发电机：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：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，气象站通常采用机械式风速风向仪或超声波风速风向仪，目前有个别机组采用激光测风仪来提高测风的准确性。

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来动作，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。这里这是描述一下主控与变桨需要交互数据，不对变桨系统展开描述。

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，振动分析仪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，有的控制系统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：塔底柜受控设备：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应该安装在风电机组与箱式变压器的总出口处，这样可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电源应该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。

六、风电主控系统检查与维护

1、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。接地电阻影响到整机的安全，如接地电阻过大，会导致整机防雷能力降低，可能会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。

2、检查塔架照明设备

       应检查塔架灯开关是否可以正常使用，灯是否可以点亮，如照明灯损坏，需要及时更换。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。如果使用应急灯，还需要定期测试其应急功能是否正常。

3、检查塔架内敷设的电缆

       需要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、电缆绝缘层有无烧灼、鼓包、龟裂，以及电缆有无下滑扭曲的现象。

4、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，每隔几米距离便有电缆夹板固定电缆，能起到固定电缆的作用。主要检查内容包括：电缆夹板有无老化，固定螺栓是否紧固；电缆固定在电缆卡槽内，无电缆从夹板中滑脱、被挤压。

5、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，以确定该机组主控制器软件和程序是否为最新版本。

6、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。当按下急停按钮后，面板提示急停故障，当旋开急停按钮后，按下复位按钮键，可以解除急停故障，表明主控柜急停按钮的功能正常。

7、主控柜加热器和散热器维护检查

       温度控制器能够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，如风扇可以正常运行，表明主控柜内加热和散热器功能正常。需要每半年清理散热器通风滤网上沉积的灰尘，以保证柜体通风散热良好。

8、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，会缩短蓄电池的使用寿命。如果维护工作做到位，就可延长蓄电池寿命。

主控柜的电气检查和维护还包括以下七项：
 

（1）主控柜内线缆及接线端子维护检查。

（2）检查柜门和柜门锁是否正常，柜体照明灯是否正常。

（3）检查面板显示是否正常，查看数据有无异常

（4）检查柜体内是否有杂物，并清洁柜体。

（5）检查各散热器过滤棉有无污损或破损，并及时清理或更换。

（6）检查所有继电器、接触器、断路器、端子排接线是否松动。

（7）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。

七、主控系统在风电运维中的重要性

       风电机组停机分为两种：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。

1、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。但是，如果主控程序设计够不完善，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都会造成主控报故障不准确，出现误报故障。不仅会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。

2、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很方便地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，就不能便捷的查到机组信息，无疑给机组维修和维护带来了困难。还可能因数据包的丢失，或通讯中断，而丢失掉众多的“瞬间”信息，这无形增加了故障分析的难度。

3、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。

       在风电场的集控室，或远程控制中心，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。

八、风电主控系统市场

1、行业特点：
 

技术含量高：风电主控系统涉及控制理论、通信技术、电力电子技术等多个领域，技术含量高，对产品的研发和生产提出了较高要求。

定制化需求强：由于不同风电场的风资源条件、机组型号、并网要求等存在差异，风电主控系统需要具备高度的定制化能力，以满足不同项目的实际需求。

可靠性要求高：风电主控系统直接关系到风力发电机组的运行安全和发电效率，因此对其可靠性要求极高。

2、行业现状：

       近年来，中国风电主控系统市场呈现出快速发展的态势。一方面，国内风电装机容量的持续增长为风电主控系统市场提供了广阔的市场空间；另一方面，随着风电技术的不断进步和市场竞争的加剧，风电主控系统的技术水平不断提高，产品性能不断提升。

       但同时，中国风电主控系统市场也面临着一些挑战。一方面，随着风电装机容量的快速增长，风电主控系统的市场竞争日益激烈，企业需要不断提高产品质量和技术水平，以应对市场竞争的压力；另一方面，随着风电技术的不断发展和应用环境的不断变化，风电主控系统需要不断适应新的技术要求和市场需求，进行技术升级和产品迭代。

3、从市场趋势来看，未来中国风电主控系统市场将呈现以下几个特点：
 

一是市场规模将持续扩大，随着国内风电装机容量的不断增长和风电技术的不断进步，风电主控系统市场规模将继续保持增长趋势；

二是技术水平将不断提高，随着市场竞争的加剧和技术的进步，风电主控系统的技术水平将不断提高，产品性能将不断提升；

三是定制化需求将逐渐增强，随着风电项目的多样化和个性化需求的增加，风电主控系统的定制化需求将逐渐增强；

四是市场竞争将更加激烈，随着市场规模的扩大和技术的进步，风电主控系统的市场竞争将更加激烈，企业需要不断提高产品质量和技术水平以应对市场竞争的压力。