3.3.3.1 控制系统的基本功能
并网运行的风力发电机组的控制系统必须具备以下功能：
（2）根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制。
（3）根据风向信号自动对风。
（4）根据功率因素自动投入（或切出）相应的补偿电容。
（5）当发电机脱网时，能确保机组安全停机。
（6）在机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行监测和记录，对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，并能够根据记录的数据，生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标。
（7）对在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信的功能。
3.3.3.2 运行过程中的主要参数监测
1.电力参数监测
风力发电机组需要持续监测的电力参数包括电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率、发电机功率因数等。这些参数无论风力发电机组是处于并网状态还是脱网状态都被监测，用于判断风力发电机组的起动条件、工作状态及故障情况，还用于统计风力发电机组的有功功率、无功功率和总发电量。此外，还根据电力参数，主要是发电机有功功率和功率因数来确定补偿电容的投入与切出。
（1）电压测量。电压测量主要检测故障：①电网冲击相电压超过450V，持续0.2s；②过电压相电压超过433V，持续50s；③低电压相电压低于329V，持续50s；④电网电压跌落相电压低于260V，持续0.1s；⑤相序故障。
对电压故障要求反应较快。在主电路中设有过电压保护，其动作设定值可参考冲击电压整定保护值。发生电压故障时风力发电机组必须退出电网，一般采取正常停机，而后根据情况进行处理。
电压测量值经平均值算法处理后可用于计算机组的功率和发电量的计算。
（2）电流测量。关于电流的故障有：①电流跌落0.1s内一相电流跌落80%；②三相不对称，三相中有一相电流与其他两相相差过大，相电流相差25%，或在平均电流低于50A时，相电流相差50%；③晶闸管故障软起动期间，某相电流大于额定电流或者触发脉冲发出后电流连续0.1s为0。
对电流故障同样要求反应迅速。通常控制系统带有两个电流保护，即电流短路保护和过电流保护。电流短路保护采用断路器，动作电流按照发电机内部相间短路电流整定，动作时间0～0.05s。过电流保护由软件控制，动作电流按照额定电流的2倍整定，动作时间1～3s。
电流测量值经平均值算法处理后与电压、功率因数合成为有功功率、无功功率及其他电力参数。
电流是风力发电机组并网时需要持续监视的参量，如果切入电流不小于允许极限，则晶闸管导通角不再增大，当电流开始下降后，导通角逐渐打开直至完全开启。并网期间，通过电流测量可检测发电机或晶闸管的短路及三相电流不平衡信号。如果三相电流不平衡超出允许范围，控制系统将发出故障停机指令，风力发电机组退出电网。
（3）频率。电网频率被持续测量。测量值经平均值算法处理与电网上、下限频率进行比较，超出时风力发电机组退出电网。
电网频率直接影响发电机的同步转速，进而影响发电机的瞬时出力。
（4）功率因数。功率因数通过分别测量电压相角和电流相角获得，经过移相补偿算法和平均值算法处理后，用于统计发电机有功功率和无功功率。
由于无功功率导致电网的电流增加，线损增大，且占用系统容量。因而送入电网的功率，感性无功分量越少越好，一般要求功率因数保持在0.95以上。为此，风力发电机组使用了电容器补偿无功功率。考虑到风力发电机组的输出功率常在大范围内变化，补偿电容器一般按不同容量分成若干组，根据发电机输出功率的大小来投入与切出。这种方式投入补偿电容时，可能造成过补偿。此时会向电网输入容性无功。
电容补偿并未改变发电机运行状况。补偿后，发电机接触器上电流应大于主接触器电流。
（5）功率。功率可通过测得的电压、电流、功率因数计算得出，用于统计风力发电机组的发电量。
风力发电机组的功率与风速有固定函数关系，如测得功率与风速不符，可以作为风力发电机组故障判断的依据。当风力发电机组功率过高或过低时，可以作为风力发电机组退出电网的依据。
2.风力参数监测
（1）风速。风速通过机舱外的数字式风速仪测得。计算机每秒采集一次来自于风速仪的风速数据；每10min计算一次平均值，用于判别起动风速（风速v＞3m/s时，起动小发电机，v＞8m/s时起动大发电机）和停机风速（v＞25m/s）。安装在机舱顶上的风速仪处于风轮的下风向，本身并不精确，一般不用来产生功率曲线。
（2）风向。风向标安装在机舱顶部两侧，主要测量风向与机舱中心线的偏差角。一般采用两个风向标，以便互相校验，排除可能产生的误信号。控制器根据风向信号，起动偏航系统。当两个风向标不一致时，偏航会自动中断。当风速低于3m/s时，偏航系统不会起动。
3.机组状态参数检测
（1）转速。风力发电机组转速的测量点有两个，即发电机转速和风轮转速。
转速测量信号用于控制风力发电机组并网和脱网，还可用于起动超速保护系统，当风轮转速超过设定值n1或发电机转速超过设定值n2时，超速保护动作，风力发电机组停机。
风轮转速和发电机转速可以相互校验。如果不符，则提示风力发电机组故障。
（2）温度。有8个点的温度被测量，用于反映风力发电机组系统的工作状况。这8个点包括：①增速器油温；②高速轴承温度；③大发电机温度；④小发电机温度；⑤前主轴承温度；⑥后主轴承温度；⑦控制盘温度（主要是晶闸管的温度）；⑧控制器环境温度。
由于温度过高引起风力发电机组退出运行，在温度降至允许值时，仍可自动起动风力发电机组运行。
（3）机舱振动。为了检测机组的异常振动，在机舱上应安装振动传感器。传感器由一个与微动开关相连的钢球及其支撑组成。异常振动时，钢球从支撑它的圆环上落下，拉动微动开关，引起安全停机。重新起动时，必须重新安装好钢球。
机舱后部还设有桨叶振动探测器。过振动时将引起正常停机。
（4）电缆扭转。由于发电机电缆及所有电气、通信电缆均从机舱直接引入塔筒，直到地面控制柜。如果机舱经常向一个方向偏航，会引起电缆严重扭转。因此，偏航系统还应具备扭缆保护的功能。偏航齿轮上安有一个独立的记数传感器，以记录相对初始方位所转过的齿数。当风力机向一个方向持续偏航达到设定值时，表示电缆已被扭转到危险的程度，控制器将发出停机指令并显示故障。风力发电机组停机并执行顺或逆时针解缆操作。为了提高可靠性，在电缆引入塔筒处（即塔筒顶部），还安装了行程开关，行程开关触点与电缆相连，当电缆扭转到一定程度时可直接拉动行程开关，引起安全停机。
为了便于了解偏航系统的当前状态，控制器可根据偏航记数传感器的报告，以记录相对初始方位所转过的齿数显示机舱当前方位与初始方位的偏转角度及正在偏航的方向。
（5）机械刹车状况。在机械刹车系统中装有刹车片磨损指示器，如果刹车片磨损到一定程度，控制器将显示故障信号，这时必须更换刹车片后才能起动风力发电机组。
在连续两次动作之间，有一个预置的时间间隔，使刹车装置有足够的冷却时间，以免重复使用使刹车盘过热。根据不同型号的风力发电机组，也可用温度传感器来取代设置延时程序。这时刹车盘的温度必须低于预置的温度才能起动风力发电机组。
4.各种反馈信号的检测
控制器在以下指令发出后的设定时间内应收到动作已执行的反馈信号：
（1）回收叶尖扰流器。
（2）松开机械刹车。
（3）松开偏航制动器。
（4）发电机脱网及脱网后的转速降落信号。
否则将出现相应的故障信号，执行安全停机。
5.增速器油温的控制
增速器箱体内一侧装有温度传感器。运行前，保证齿轮油温高于0℃（根据润滑油的要求设定），否则加热至10℃再运行。正常运行时，润滑油泵始终工作，对齿轮和轴承进行强制喷射润滑。当油温高于60℃时，油冷却系统起动，油被送入增速器外的热交换器进行自然风冷或强制水冷。油温低于45℃时，冷却油回路切断，停止冷却。
目前大型风力发电机组增速器均带有强制润滑冷却系统和加热器。但油温加热器与箱外冷却系统并非缺一不可。例如对于我国南方，如广东省的沿海地区，气温很少低于0℃，可不用考虑加热器，对一些气温不高的地区，也可不用设置箱外冷却系统。
6.发电机温升控制(www.xing528.com)
通常在发电机的三相绕组及前后轴承里面各装有温度传感器，发电机在额定状态下的温度为130～140℃，一般在额定功率状态下运行5～6h后达到这一温度。当温度高于150～155℃时，风力发电机组将会因温度过高而停机。当温度降落到100℃以下时，风力发电机组又会重新起动并入电网（如果自起动条件仍然满足）。发电机温度的控制点可根据当地情况进行现场调整。对在安装在湿度和温差较大地点的风力发电机组，发电机内部可安装电加热器。以防止大温差引起发电机绕组表面的冷凝。
一般用于风力发电机组的发电机均采取强制风冷。目前推出的风力发电机组已开始设置水冷系统，如图3-11所示。冷却水管道布置在定子绕组周围，通过水泵与外部散热器进行循环热交换。冷却系统不仅直接带走发电机内部的热量，同时通过热交换器带走齿轮润滑油的热量从而使风力发电机组的机舱可以设计成密封型。采用强制水冷，大大提高了发电机的冷却效果，提高了发电机的工作效率。并且由于密封良好，避免了舱内风沙雨水的侵入，给机组创造了有利的工作环境。
图3-11 发电机增速器循环冷却系统图
7.功率过高或过低的处理
（1）功率过低。如果发电机功率持续（一般设置30～60s）出现逆功率，其值小于预置值Ps，风力发电机组将退出电网，处于待机状态。脱网动作过程如下：断开发电机接触器，断开旁路接触器，不释放叶尖扰流器，不投入机械刹车。重新切入可考虑将切入预置点自动提高0.5%，但转速下降到预置点以下后升起再并网时，预置值自动恢复到初始状态值。
重新并网动作过程如下：合发电机接触器，软启动后晶闸管完全导通。当输出功率超过Ps3s时，投入旁路接触器，转速切入点变为原定值。功率低于Ps时由晶闸管通路向电网供电，这时输出电流不大，晶闸管可连续工作。
这一过程是在风速较低时进行的。发电机出力为负功率时，吸收电网有功，风力发电机组几乎不做功。如果不提高切入设置点，起动后仍然可能是电动机运行状态。
（2）功率过高。一般说来，功率过高现象由两种情况引起：一是由于电网频率波动引起的。电网频率降低时，同步转速下降，而发电机转速短时间不会降低，转差较大；各项损耗及风力转换机械能瞬时不突变，因而功率瞬时会变得很大。二是由于气候变化、空气密度的增加引起的。功率过高如持续一定时间，控制系统应作出反应。可设置为：当发电机出力持续10min大于额定功率的15%时，正常停机；当功率持续2s大于额定功率的50%时，安全停机。
8.风力发电机组退出电网
风力发电机组各部件受其物理性能的限制，当风速超过一定的限度时，必需脱网停机。例如风速过高将导致叶片大部分严重失速，受剪切力矩超出承受限度而导致过早损坏。因而在风速超出允许值时，风力发电机组应退出电网。
由于风速过高引起的风力发电机组退出电网的情况如下：
（1）风速高于25m/s，持续10min。一般来说，由于受叶片失速性能限制，在风速超出额定值时发电机转速不会因此上升。但当电网频率上升时，发电机同步转速上升，要维持发电机出力基本不变，只有在原有转速的基础上进一步上升，可能超出预置值。这种情况通过转速检测和电网频率监测可以做出迅速反应。如果过转速，释放叶尖扰流器后还应使风力发电机组侧风90°，以便转速迅速降下来。当然，只要转速没有超出允许限额，只需执行正常停机。
（2）风速高于33m/s，持续2s，正常停机。
（3）风速高于50m/s，持续1s，安全停机，侧风90°。
3.3.3.3 风力发电机组的基本控制策略
1.风力发电机组的工作状态
风力发电机组的工作状态有：①运行状态；②暂停状态；③停机状态；④紧急停机状态。
每种工作状态都可看作风力发电机组的一个活动层次，运行状态处在最高层次，紧急停机状态处在最低层次。控制软件根据机组不同的工作状态，按设定的控制策略对调向系统、液压系统、变桨距系统、制动系统、晶闸管等进行操作，实现状态之间的转换。
风力发电机组工作状态的主要特征如下：
（1）运行状态：①机械刹车松开；②允许机组并网发电；③机组自动调向；④液压系统保持工作压力；⑤叶尖阻尼板回收或变桨距系统选择最佳工作状态。
（2）暂停状态：①机械刹车松开；②液压泵保持工作压力；③自动调向保持工作状态；④叶尖阻尼板回收或变距系统调整桨叶节距角向90°方向；⑤风力发电机组空转。
这个工作状态在调试风力发电机组时非常有用，因为调试风力机的目的是要求机组的各种功能正常，而不一定要求发电运行。
（3）停机状态：①机械刹车松开；②液压系统打开电磁阀使叶尖阻尼板弹出，或变距系统失去压力而实现机械旁路；③液压系统保持工作压力；④调向系统停止工作。
（4）紧急停机状态：①机械刹车与气动刹车同时动作；②紧急电路（安全链）开启；③计算机所有输出信号无效；④计算机仍在运行和测量所有输入信号。
当紧停电路动作时，所有接触器断开，计算机输出信号被旁路，使计算机没有可能去激活任何机构。
2.工作状态之间的转变
风力发电机组的四种工作状态对应四种不同的活动层次，各种工作状态之间及运行层次之间可以实现转换，如图3-12所示。
工作状态及运行层次的转换原则：提高工作状态及运行层次时必须一层一层地上升，这种过程确定系统的每个故障是否被检测；降低工作状态及运行层次时可以一次一层或多层，当系统在状态转变过程中检测到故障则自动进入停机状态。这种工作状态之间转变方法是基本的控制策略，它主要出发点是确保机组的安全运行。
当系统在运行状态中检测到故障，并且判定这种故障是致命的，那么风力发电机组不得不从运行的工作状态直接到紧急停机状态，即可以立即实现而不需要通过暂停状态和停止状态。
下面我们进一步说明当工作状态转换时，系统的动作过程如下：
（1）工作状态层次上升。
1）紧停→停机。
如果停机状态的条件满足，则：①关闭紧停电路；②建立液压工作压力；③松开机械刹车。
2）停机→暂停。
如果暂停的条件满足，则：①起动偏航系统；②对变桨距风力发电机组，接通变桨距系统压力阀。
图3-12 工作状态转换图
3）暂停→运行。
如果运行的条件满足，则：①核对风力发电机组是否处于上风向；②叶尖阻尼板回收或变桨距系统投入工作；③根据所测转速，发电机是否可以切入电网。
（2）工作状态层次下降。工作状态层次下降包括3种情况：
1）紧急停机。紧急停机也包含了三种情况，即停止→紧停、暂停→紧停和运行→紧停。其主要控制指令为：①打开紧停电路；②置所有输出信号于无效；③机械刹车作用；④逻辑电路复位。
2）停机。停机操作包含了两种情况，即暂停→停机和运行→停机。
暂停→停机的主要控制指令为：①停止自动调向；②打开气动刹车或变桨距机构回油阀。
运行→停机。其主要控制指令为：①变桨距系统停止自动调节；②打开气动刹车或变桨距机构回油阀；③发电机脱网。
3）暂停。其主要控制指令为：①如果发电机并网，调节功率降到0后通过晶闸管切出发电机；②如果发电机没有并入电网，则降低风轮转速至0。
3.故障处理
图3-12所示的工作状态转换过程实际上还包含着一个重要的内容：当故障发生时，风力发电机组将自动地从较高的工作状态转换到较低的工作状态。故障处理实际上是针对风力发电机组从某一工作状态转换到较低的状态层次可能产生的问题，因此检测的范围是限定的。
针对不同的故障类型，对每个故障定义信息如下：①故障名称；②故障被检测的描述；③当故障存在或没有恢复时工作状态层次；④故障复位情况（能自动或手动复位，在机上或远程控制复位）。
1）故障检测。控制系统设在顶部和地面的处理器都能够扫描传感器信号以检测故障，故障由故障处理器分类，每次只能有一个故障通过，只有能够引起机组从较高工作状态转入较低工作状态的故障才能通过。
2）故障记录。故障处理器将故障存储在运行记录表和报警表中。
3）对故障的反应。对故障的反应应是三种情况之一：①降为暂停状态；②降为停机状态；③降为紧急停机状态。④故障处理后的重新起动。在故障信息已被接受之前，工作状态层不可能任意上升。
故障被接受的方式：如果外部条件良好，此外部原因引起的故障状态可能自动复位，一般故障可以通过远程控制复位，如果操作者发现该故障可接受并允许起动风力发电机组，则复位故障；不允许自动复位或远程控制复位的平重故障，必须有工作人员到机组工作现场检查，这些故障必须在风力发电机组内的控制面板上得到复位。故障状态被自动复位后10min将自动重新起动。但每天发生的次数应有限定，并记录显示在控制面板上。如果控制器出错可通过自检（看门狗WATCHDOG）重新起动。
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