3.1 控制系统的基本组成

风力发电机组由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于风力发电系统的神经。因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机组的工作状态、发电效率及电能质量以及设备的安全。目前风力发电有亟待研究解决的两个问题：发电效率和电能质量。这两个问题都和风力机组控制系统密切相关。现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的研究提供了技术基础。风力发电机组子系统分布如图3-1所示。

从整体上看，风力发电机组可分为风轮、机舱、塔架和基础等部分。风轮由叶片和轮毂组成。叶片具有空气动力外形，在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过轮毂将转矩输入到主传动系统。机舱由底盘、导流罩和机舱罩组成，底盘上安装除主控制器以外的主要部件。机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音和通风装置等，底部与塔架连接。塔架支撑机舱达到所需的要求，其上安置发电机和主控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，还装有供操作人员上下机舱的扶梯。基础为钢筋混凝土结构，根据当地地质情况设计成不同的形式。其中心预埋与塔架连接的基础部件，保证将风力发电机组牢牢地固定在基础上，基础周围还要设置预防雷击的接地装置。

对于不同类型的风力发电机，控制单元会有所不同，但主要是因为发电机的结构或类型不同造成的控制方法不同以及定桨距和变桨距的差别，从而形成多种结构和控制方案。在大多数情况下，风力发电机组控制系统由传感器、执行机构和软/硬件处理器系统组成，其中处理器系统负责处理传感器输入信号，并发出输出信号控制执行机构的动作。

图3-1 风力发电机组子系统分布图（单位：m）

（1）传感器一般包括以下装置：

1）风速仪。

2）风向标。

3）转速传感器。

4）电量采集传感器。

5）桨距角位置传感器。

6）各种限位开关。

7）振动传感器。

8）温度和油位指示器。

9）液压系统压力传感器。

10）操作开关、按钮等。

（2）执行机构。执行机构一般包括液压驱动装置或电动变桨距执行机构、发电机转矩控制器、发电机接触器、刹车装置和偏航电机等。

（3）软/硬件处理器系统。处理器系统通常由计算机或微型控制器和可靠性高的硬件安全链组成，以实现风机运行过程中的各种控制功能，同时必须满足当严重故障发生时，能够保障风电机组处于安全的状态。

风力发电控制系统的基本目标就是保证风力发电机组安全可靠运行、获取最大能量和提供高质量的电能。控制系统组成主要包括各种传感器、变距系统、主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通信接口电路、监控单元等。具体控制内容有信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控等。对于不同类型的风力发电机控制单元也有所不同。风力发电机组的控制系统结构示意图如图3-2所示。

图3-2 风力机组控制系统结构示意图

针对上述结构，目前绝大多数风力发电机组的控制系统都采用分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）工业控制计算机。采用分布式控制的最大优点是许多控制功能模块可以直接布置在控制对象的位置。就地进行采集、控制、处理，避免了各类传感器、信号线与主控制器之间的连接。同时DCS现场适应性强，便于控制程序现场调试，另外在机组运行时可随时修改控制参数，并与其他功能模块保持通信，发出各种控制指令。随着计算机技术突飞猛进，更多新的技术已被应用到了DCS之中。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，近些年来功能上有较大提高。很多厂家也开始采用PLC构成控制系统。现场总线技术（FCS）在进入20世纪90年代中期以后发展也十分迅猛，以至于有些人已做出预测：现场总线控制系统将取代DCS成为控制系统的主角。