浅析通用型风电机组控制系统平台的开发与应用

摘要：由于各生产现场风力发电机组的机型不同，导致风机技术研究及培训等工作始终受到风机机型的限制，技术开发效果不是特别理想，为使风电研发技术更贴近现场实际，满足各风电企业现场的实际需求，打破风机机型的限制，解决风机相关技术研究及试验需要，使在实验室的环境中对风机的设计、开发及风电机组提效技术进行研究，特研究开发本通用型风电机组控制系统平台，该平台的设计、研制全过程执行严格标准，全部参照风电场现场安装的风力发电机组真实机型使用标准，以及风力发电机组生产厂家对于整机及部件的各项标准，最终实现通用型平台应用。

关键词：风力发电机组；通用型；控制系统平台

1 技术参数

该通用型风力发电机组控制系统开发平台，采用市电380V进行供电，直接从降压变压器出口取电，并单独敷设动力电缆，保证了供电的可靠性。并使用3+1专用电缆，提供可靠接地。380V市电经专用双绕组变压器，转换为480V、690V两种电压等级，满足该平台动力电源需求。整体平台使用交流690V、480V、230V，直流24V等多种电压等级。发电机并网运行满足平台本身及电网要求，电压输出690V±10%，频率输出50Hz±1Hz，功率输出限定最大30kW。

2 技术指标

以现有的Vestas公司V80仿真机为基础，自主研制开发主控、变桨控制系统，以及多种硬件设备，从而实现对风机原有及新增系统的控制功能，在满足原有设备的性能基础上，大幅提升该平台的通用性能。自行编制开发风机控制程序，安装通用性较强的巴赫曼PLC模块及相应电气元件。新增主控PLC采用定制的航空插头方式与现有V80仿真机主控PLC进行切换，从而实现对原有设备的运行控制。同时，新增主控PLC与新增加的变流器、电动变桨系统、偏航仿真系统进行控制连接，实现相关系统及部件的运行控制。搭建一套新的SCADA监控平台，使自行开发的风机控制程序运行时，相应的发电机并网时的变量曲线能够实现时时显示。

3 经济指标

以不超过50万的总资金投入，实现该平台各项设计功能，努力创造效益最大化。通过该平台的科研、试验、培训等功能，在满足本单位相关工作需求的同时，也会给各风电公司带来极大的经济效益。通过该平台，大力培养风电场现场检修维护人员，全面提升检修维护技能水平，确保风力发电机组稳定运行，减少因故障停机时间，避免大量的电量损失。

（1）通过本平台对风机控制策略进行了优化试验，并在一个5万容量的风场进行了控制策略的优化。该5万风场平均年利用小时数为1700小时，年发电量50000×1700=8500万kwh。通过控制策略优化后，该风场年发电量提高3%，即增发8500×0.03=255万kwh。按电价0.5元计算，增加发电利润255×0.5=127.5万。

（2）通过本平台打开了风电技术培训的内部及外部培训市场，培训人数增加500人次，按照每人次培训费用1000元计算，培训收入增加1000×500=50万。

（3）由于本试验平台属于通用型试验平台，避免了试验研究人员去多个生产现场进行不同机型的试验，降低了对生产现场发电量的影响及试验人员的差旅费用。试验人员每年平均去现场5个生产现场对5种机型风机进行试验，大约每台风机按照影响发电10天计算大约造成240×5=1200小时小时的发电量损失，1台1.5MW风机按照平均每小时发电300KW进行估算，1200小时影响发电36万kwh，影响发电利润18万，差旅费用每年可节约2万。

4 设计思路

本通用型风电机组控制系统平台由V80及科诺伟业分别生产的两套主控柜、变流柜，SSB电变桨、Vestas液压变桨系统、偏航系统、刹车系统、双馈异步发电机、巴赫曼PLC等硬件及系统组成。拥有由中国大唐集团新能源股份有限公司完全自主开发的风机主控程序，控制风电机组组成的变桨系统、偏航系统、刹车系统等所用风电机组系统，最终实现在没有风机叶片、塔筒、齿轮箱的实验室环境下发电机的并网发电。

本通用型风电机组控制系统平台通过拖动电机代替风轮和齿轮箱，拖动发电机进行旋转。在启动运行时，同时启动拖动电机，主控系统进行自测，检测系统无故障后，液压变桨机构进行变桨，同时，启动预充电回路，通过网测变流器给直流母排预充压，当预充压达到设定值时，切除预充电回路，投入励磁回路，拖动电机带动发电机旋转，当发电机转速达到励磁转速时转子侧变流器给发电机转子提供励磁电流，定子发电，当定子出线处的电压电流互感器测量定子出线电压的幅值、相位、频率与校网一致时，风机并网发电。

本通用型风电机组控制系统平台可在各种不同风机机型及液压变桨、电变桨等不同系统间进行自由切换，部分信号如轮毂、风速信号、齿轮箱等传感器信号通过电脑模拟，最终使所有系统工作达到和现场实际运行状态完全一致。控制器模块采用通用型较强的巴赫曼PLC模块（主控、轮毂控制器），实现风机控制程序对不同机型的硬件控制需求进行修改及控制运行。

主控柜内含主控、变桨控制器、相应电气元件及控制操作面板等主控PLC采用定制的航空插头方式实现与不同风机机型主控PLC进行自由切换，达到快速控制不同风机机型的目的。

自行开发一套通用新的SCADA监控平台，使自行开发的风机控制程序运行时，相应的发电机并网时的变量曲线能够实现时时显示。温度、压力、振动等信号通过传感器进行实际信号采集，轮毂、风速变化、齿轮箱等传感器，发电机转矩等相关数据信号，通过电脑软件信号模拟，反馈给风机主控程序，最终实现所有主控面板显示的数据信号与现场实际风机并网信号的完全一致。

5 技术优势

现有国内同类风电机组试验平台均为针对专有机型开发研制，而针对所有机型均可应用的实验平台尚属首例，本平台的研发成功可使风电技术试验研发人员不必针对不同机型分别进行试验，大大缩短了试验周期，降低了风电技术研发成本，在风电试验平台的开发与应用市场竞争优势明显。

同时通过通用型风电机组控制系统平台的研制，拥有了自主开发的风机控制程序，突破了风机制造厂家对风机核心技术的封锁与控制，对风电机组的设计研发、风电技术的研究及试验将产生重大意义，在风电行业的技术研发平台领域具有极强的市场竞争力。

在本平台上可针对现场所有机型并针对不同现场环境、有针对性的进行控制策略的优化及风机提效试验，可大大提高设备的发电量，给企业带来巨大的经济效益。

而在风电技术培训领域，由于通用型风电机组控制系统平台可实现所有风机机型的实操培训，大大增加了培训效果及风电技术人员的技能提升，打破了风电仿真实训的瓶颈，使培训的实效性大大增强，提高了现场人员的故障处理能力及工作效率，隐形效益极高，在风电培训市场竞争优势明显。

6 总结

本通用型风力发电机组控制系统开发平台不受风机机型限制，可模拟实现风电行业任何风机机型的动作过程及工作原理，在风电行业风机试验平台及仿真教学领域中尚属首例。其在风电领域将具有广泛的应用前景，也会给各风电公司带来极大的经济效益。

通过该平台，大力培养风电场现场检修维护人员，全面提升检修维护技能水平，确保风力发电机组稳定运行，减少因故障停机时间，避免大量的电量损失。本平台可提供对所有机型的相关技术进行研究及试验，在试验平台开发领域尚属首例，为平台开发领域提供了新的研发思路，带来的社会效益巨大。本平台打破了风电行业实操培训领域机型限制的瓶颈问题，解决了长期困扰风电培训领域的难题，社会效益明显。

作者简介：

张舒翔（1985—），男，内蒙古赤峰，本科，工程师，主要研究：风力发电相关技术。