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[摘 要]在大力倡导绿色环保的现代社会，新能源的使用已经成为了这个社会发展的主旋律，而风力发电作为其中的重要一部分，已经有越来越多的人投入风力发电的研究中。控制系统是风力发电的只要一环，设计者必须对其有足够的了解。本文主要介绍风力发电控制系统的概况、以及风力发电控制系统目前的使用状况和未来的发展趋势。
[关键词]风力发电；控制系统；应用现状
中图分类号：TL503.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）07-0050-01
一、概述
从能源利用的角度来讲，虽然其具有清洁、无污染的优点，但是风能的能量密度低、稳定性差的缺点也不可忽视。所以在风能的利用中引入控制系统，其主要目标是保证风力发电整个运行过程的可靠性和安全性、提高风力发电的质量和效率、延长风力发电机组的使用寿命。
风力发电控制系统主要由现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等几个部分组成。其中现场风力发电机组控制单元是每台控制系统的核心，主要是为了实现风力发电过程中的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能；为了这一功能的实现，一般会为每台风力发电机组配备HDMI人机接口，这样可以更加方便的进行机组设备的调试、运作和维护。高速环型冗余光纤以太网是系统传输数据的重要通道，这一部分的存在可以将机组的实时数据送至上位机界面。上位机操作员站主要负责风力发电厂的正常运作，需要配备完善的机组状态监视、参数报警，记录实时数据和存储历史数据，操作员仅需要在控制室内就可实现对整个风力发电厂的正常运行进行监控。
二、风力发电控制系统的组成
风力发电机组控制单元（WPCU）是每台风机的控制核心，主要位于机组的塔筒和发电机舱内。风力发电机组通常会位于较为恶劣的环境中，且运行过程中受到的外界环境也会有较大的影响，因此，可靠的控制系统就显得十分重要。通常，风力发电控制系统往往出现于大型风力发电场，并且其控制系统的运行通常会有特殊的设计要求，同时还需要适应各种各样的恶劣环境和抗电磁干扰等能力。通常，风力发电控制系统的主要包含以下几部分内容：
1、塔座控制站
塔座控制站即主控制器机柜是风力发电机组设备控制的核心，主要包括控制器、I/O模件等。
2、机舱控制站
机舱控制站采集机组传感器测量的温度、压力、转速以及环境参数等信号，通过现场总线和机组主控制站通讯，主控制器通过机舱控制机架以实现机组的偏航、解缆等功能，此外还对机舱内各类辅助电机、油泵、风扇进行控制以使机组工作在最佳状态。
3、变桨距系统
大型MW级以上风力发电机组通常采用液压变桨系统或电动变桨系统。变桨系统有后备电源系统和安全链保护，保证在危急工况下紧急停机。
4、变流器系统
大型风力发电机组目前普遍采用大功率的变流器以实现发电能源的变换，变流器系统通过现场总线与主控制器进行通讯，实现机组的转速、有功功率和无功功率的调节。
5、现场触摸屏站
现场触摸屏站是机组监控的就地操作站，实现风力机组的就地参数设置、设备调试、维护等功能，是机组控制系统的现场上位机操作员站。
6、以太网交换机（HUB）
系统采用工业级以太网交换机，以实现单台机组的控制器、现场触摸屏和远端控制中心网络的连接。现场机柜内采用普通双绞线连接，和远程控制室上位机采用光缆连接。
7、现场通讯网络
主控制器具有CANOPEN、PROFIBUS、MODBUS、以太网等多种类型的现场总线接口，可根据项目的实际需求进行配置。
8、UPS电源
UPS电源用于保证系统在外部电源断电的情况下，机组控制系统、危急保护系统以及相关执行单元的供电。
9、后备危急安全链系统
后备危急安全链系统独立于计算机系统的硬件保护措施，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。安全链是将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串联成一个回路，当安全链动作后将引起紧急停机，机组脱网，从而最大限度地保证机组的安全。
三、风力发电控制系统的分类应用
对于风力发电的控制系统，不同的风力发电机类型会有所差别。但造成其控制方案的差异主要是因为发电机组的内部结构，以及定桨距和变桨距的影响。其中，按照桨叶的差别，可以分为以下三种：
1.定桨距失速调节型风力发电机组
定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，也就是当风速变化时，桨叶不会随着风的角度变化而变化。失速则是指桨叶本身的一种特性，当风速超过额定风速之后，风在桨叶表面流动时会产生涡流现象，从而降低风力发电机组的发电效率，从而达到限制发电机功率输出的功能。在设计中考虑到风速较低时的发电效率，通常会采用双速发电机（即一大一小发电机的形式）来提高风力发电机组的发电效率。当风速较低时，采用小电机保证的气动效率，进而提高发电机的运行效率。
这种方式的优点是桨叶本身即可完成速度的调节工作完成，设计和使用中较为简单可靠，当风速变化导致的输出功率的变化时，系统可以仅仅通过桨叶的被动失速调节来完成，这就保证了系统的极度优化。
2.变桨距调节型风力发电机组
变桨距是指安装在轮毂上的叶片可以通过风角度的变化改变桨距角的大小。在风机正常运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置；当发电机输出功率达到额定功率时，调节系统将根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。这样的方式可以保证风能源最大程度上的利用。
3.主动失速调节型风力发电机组
主动失速调节型风力发电机组是将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分利用被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速肘，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值上。由于功率曲线在失速范围的变化率比失速前要低得多，控制相对容易，输出功率也更加平稳。
四、风力发电控制系统的发展趋势
1.风力发电系统智能控制
风力发电机组是一种十分复杂的非线性系统，在建立模型时，通常难以采用精确的数学模型，并且采用基于数学模型的传统控制中，通常不容易得到机组系统在不同运行状态下的模拟结果。在智能控制系统越来越先进的今天，将基于数学模型的传统控制方式转型为基于数学模型的智能控制，并将其引入风力发电控制技术中也必定会逐渐成为新的发展方向。
综合当前的研究可以得出，人们对于风力发电机组控制技术大多几种在仿真模拟阶段，而在实际工程应用中还较为欠缺。另外，模糊控制和人工神经网络具有互补性，而在风力发电控制技术中，关于两者相结合的神经网络模糊控制较少，并且在基于数据驱动的机器学习方法与风能转换系统控制相结合的研究也有待进一步深入。
2.风力发电系统低电压穿越技术
在风力发电技术越来越成熟的今天，风力发电机组装机容量越来越大，人们在关注风力发电系统稳定性的同时还关注了装机容量增大对现存电网稳定性的影响，除此之外，研究电网电压瞬间跌落情况下风力发电机组对电力系统的影响。在电网电压瞬间跌落时，通常要求风力发电机组依然可以正常工作，并能与现有电网系统并网，这就要求风力发电机组需要具有一定的低电压穿越（LVRT）运行能力。在当前的研究中，相关的研究还较少，而装机容量的增加又是风力发电技术发展的必然趋势，所以未来关于此方面的研究一定会更加深入。
参考文献
[1] 叶杭冶，风力发电机组的控制技术，[M]北京：机械工业出版社，第2版，2008.
[2] 顾鑫、惠晶，风力发电机组控制系统的研究分析，[J]華东电力，2007：64-68.
[3] 杨勇、阮毅，基于单神经元控制器的2.3kW变速恒频风力发电控制系统研究，[J]微电机，2009：60-64.
[关键词]风力发电；控制系统；应用现状
中图分类号：TL503.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）07-0050-01
一、概述
从能源利用的角度来讲，虽然其具有清洁、无污染的优点，但是风能的能量密度低、稳定性差的缺点也不可忽视。所以在风能的利用中引入控制系统，其主要目标是保证风力发电整个运行过程的可靠性和安全性、提高风力发电的质量和效率、延长风力发电机组的使用寿命。
风力发电控制系统主要由现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等几个部分组成。其中现场风力发电机组控制单元是每台控制系统的核心，主要是为了实现风力发电过程中的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能；为了这一功能的实现，一般会为每台风力发电机组配备HDMI人机接口，这样可以更加方便的进行机组设备的调试、运作和维护。高速环型冗余光纤以太网是系统传输数据的重要通道，这一部分的存在可以将机组的实时数据送至上位机界面。上位机操作员站主要负责风力发电厂的正常运作，需要配备完善的机组状态监视、参数报警，记录实时数据和存储历史数据，操作员仅需要在控制室内就可实现对整个风力发电厂的正常运行进行监控。
二、风力发电控制系统的组成
风力发电机组控制单元（WPCU）是每台风机的控制核心，主要位于机组的塔筒和发电机舱内。风力发电机组通常会位于较为恶劣的环境中，且运行过程中受到的外界环境也会有较大的影响，因此，可靠的控制系统就显得十分重要。通常，风力发电控制系统往往出现于大型风力发电场，并且其控制系统的运行通常会有特殊的设计要求，同时还需要适应各种各样的恶劣环境和抗电磁干扰等能力。通常，风力发电控制系统的主要包含以下几部分内容：
1、塔座控制站
塔座控制站即主控制器机柜是风力发电机组设备控制的核心，主要包括控制器、I/O模件等。
2、机舱控制站
机舱控制站采集机组传感器测量的温度、压力、转速以及环境参数等信号，通过现场总线和机组主控制站通讯，主控制器通过机舱控制机架以实现机组的偏航、解缆等功能，此外还对机舱内各类辅助电机、油泵、风扇进行控制以使机组工作在最佳状态。
3、变桨距系统
大型MW级以上风力发电机组通常采用液压变桨系统或电动变桨系统。变桨系统有后备电源系统和安全链保护，保证在危急工况下紧急停机。
4、变流器系统
大型风力发电机组目前普遍采用大功率的变流器以实现发电能源的变换，变流器系统通过现场总线与主控制器进行通讯，实现机组的转速、有功功率和无功功率的调节。
5、现场触摸屏站
现场触摸屏站是机组监控的就地操作站，实现风力机组的就地参数设置、设备调试、维护等功能，是机组控制系统的现场上位机操作员站。
6、以太网交换机（HUB）
系统采用工业级以太网交换机，以实现单台机组的控制器、现场触摸屏和远端控制中心网络的连接。现场机柜内采用普通双绞线连接，和远程控制室上位机采用光缆连接。
7、现场通讯网络
主控制器具有CANOPEN、PROFIBUS、MODBUS、以太网等多种类型的现场总线接口，可根据项目的实际需求进行配置。
8、UPS电源
UPS电源用于保证系统在外部电源断电的情况下，机组控制系统、危急保护系统以及相关执行单元的供电。
9、后备危急安全链系统
后备危急安全链系统独立于计算机系统的硬件保护措施，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。安全链是将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串联成一个回路，当安全链动作后将引起紧急停机，机组脱网，从而最大限度地保证机组的安全。
三、风力发电控制系统的分类应用
对于风力发电的控制系统，不同的风力发电机类型会有所差别。但造成其控制方案的差异主要是因为发电机组的内部结构，以及定桨距和变桨距的影响。其中，按照桨叶的差别，可以分为以下三种：
1.定桨距失速调节型风力发电机组
定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，也就是当风速变化时，桨叶不会随着风的角度变化而变化。失速则是指桨叶本身的一种特性，当风速超过额定风速之后，风在桨叶表面流动时会产生涡流现象，从而降低风力发电机组的发电效率，从而达到限制发电机功率输出的功能。在设计中考虑到风速较低时的发电效率，通常会采用双速发电机（即一大一小发电机的形式）来提高风力发电机组的发电效率。当风速较低时，采用小电机保证的气动效率，进而提高发电机的运行效率。
这种方式的优点是桨叶本身即可完成速度的调节工作完成，设计和使用中较为简单可靠，当风速变化导致的输出功率的变化时，系统可以仅仅通过桨叶的被动失速调节来完成，这就保证了系统的极度优化。
2.变桨距调节型风力发电机组
变桨距是指安装在轮毂上的叶片可以通过风角度的变化改变桨距角的大小。在风机正常运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置；当发电机输出功率达到额定功率时，调节系统将根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。这样的方式可以保证风能源最大程度上的利用。
3.主动失速调节型风力发电机组
主动失速调节型风力发电机组是将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分利用被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速肘，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值上。由于功率曲线在失速范围的变化率比失速前要低得多，控制相对容易，输出功率也更加平稳。
四、风力发电控制系统的发展趋势
1.风力发电系统智能控制
风力发电机组是一种十分复杂的非线性系统，在建立模型时，通常难以采用精确的数学模型，并且采用基于数学模型的传统控制中，通常不容易得到机组系统在不同运行状态下的模拟结果。在智能控制系统越来越先进的今天，将基于数学模型的传统控制方式转型为基于数学模型的智能控制，并将其引入风力发电控制技术中也必定会逐渐成为新的发展方向。
综合当前的研究可以得出，人们对于风力发电机组控制技术大多几种在仿真模拟阶段，而在实际工程应用中还较为欠缺。另外，模糊控制和人工神经网络具有互补性，而在风力发电控制技术中，关于两者相结合的神经网络模糊控制较少，并且在基于数据驱动的机器学习方法与风能转换系统控制相结合的研究也有待进一步深入。
2.风力发电系统低电压穿越技术
在风力发电技术越来越成熟的今天，风力发电机组装机容量越来越大，人们在关注风力发电系统稳定性的同时还关注了装机容量增大对现存电网稳定性的影响，除此之外，研究电网电压瞬间跌落情况下风力发电机组对电力系统的影响。在电网电压瞬间跌落时，通常要求风力发电机组依然可以正常工作，并能与现有电网系统并网，这就要求风力发电机组需要具有一定的低电压穿越（LVRT）运行能力。在当前的研究中，相关的研究还较少，而装机容量的增加又是风力发电技术发展的必然趋势，所以未来关于此方面的研究一定会更加深入。
参考文献
[1] 叶杭冶，风力发电机组的控制技术，[M]北京：机械工业出版社，第2版，2008.
[2] 顾鑫、惠晶，风力发电机组控制系统的研究分析，[J]華东电力，2007：64-68.
[3] 杨勇、阮毅，基于单神经元控制器的2.3kW变速恒频风力发电控制系统研究，[J]微电机，2009：60-64.