風力發電機組由多個部分組成，而控制系統貫穿到其中各個環節，相當于風電系統的核心。控制的好壞直接關系到風力發電機的工作狀態、發電量的多少以及設備的安全。因此，發電效率和發電質量都和風電控制系統密切相關。

       其中，主控系統就是風電機組的大腦，負責接收風速、風向等外部環境數據以及內部狀態監測信息，通過預設的控制算法計算出最優化的操作指令，以實現最大能量捕獲和保護設備安全。


一、定義
       風電控制系統是風機的重要組成部分，它承擔著風機監控、自動調節、實現最大風能捕獲以及保證良好的電網兼容性等重要任務，它主要由監控系統、主控系統、變槳控制系統以及變頻系統（變頻器）幾部分組成。

主控系統：主控系統是整個風力發電機組的核心部件，它主要完成機艙數據采集、判斷和處理，檢測每個部分傳感器是否有故障，通過各類傳感器對電網、風況及風機運行參數進行監控，并與變頻系統、變槳系統保持數據通訊，根據各方面的數據做出綜合分析，發出控制指令，實現系統的啟動與停機控制、并網與脫網控制、開槳與收槳控制、偏航與解纜控制、運行數據的采集與統計、遠程數據傳輸、風機遠程控制等。

 

監控系統（SCADA）：監控系統實現對全風場風機狀況的監視與啟、停操作，它包括大型監控軟件及完善的通訊網絡。

變槳控制系統：與主控系統配合，通過對葉片節距角的控制，實現最大風能捕獲以及恒速運行，提高了風力發電機組的運行靈活性。變槳控制系統的葉片驅動有液壓和電氣兩種方式，電氣驅動方式中又有采用交流電機和直流電機兩種不同方案。

變頻系統（變頻）器：與主控制系統接口，和發電機、電網連接，直接承擔著保證供電品質、提高功率因素，滿足電網兼容性標準等重要作用。

二、主控系統的組成

       風力發電機組的主控系統通常分為硬件部分(電氣相關)和軟件部分(軟件和算法相關)。

       電氣部分(即硬件組成部分)是主控系統的實物載體，與風機中的各種外圍設備如發電機、齒輪箱、液壓站、變槳系統、變流器等之間形成電氣連接，收集反饋信號，并根據相應的動作邏輯，確保主控系統良好地控制各種外圍設備，使各設備能夠相互諧調配合運行。

軟件部分(軟件和算法相關)：主控系統中發電流程為主程序，設備及環境變量監控、故障處理、傳感器通訊數據讀取及數據存儲為輔助程序。算法包括基本控制策略與優化控制策略的研發，程序的仿真調試、現場實驗與應用、數據分析評估，從而再次改進控制策略。通過控制算法保證風力發電機組的發電量最大化的同時有效的抑制風機的振動、減小載荷、使風力發電機組平穩、有效的運行。

硬件部分：

控制器：負責數據處理和邏輯運算的核心部件，通常采用高性能的工業控制計算機或可編程邏輯控制器（PLC）。

風速檢測和測量設備：實時監測風速、風向和氣象條件，為控制算法提供輸入數據，調整風力渦輪機的工作參數。

傳感器和監測系統：監測風力渦輪機的溫度、振動、電壓等運行狀態，及時檢測潛在問題，支持故障診斷和維護。

執行機構：包括變槳系統、偏航系統、剎車系統等，根據控制器的指令進行相應的動作。

通信接口：實現主控系統與遠程監控中心、其他風電機組或電網調度系統的數據交換。

軟件部分：
 

操作系統：提供基本的任務調度、文件管理、設備驅動等功能，確保控制軟件的穩定運行。根據傳感器數據，通過復雜的算法計算出最優的控制策略，以實現最大功率跟蹤、載荷優化等目標。

故障診斷與保護程序：監測機組運行狀態，一旦發現異常，立即啟動保護措施并發出警報。

通信協議：定義主控系統與其他設備之間的通信規范，確保數據的準確傳輸。

控制算法：保證風力發電機組的發電量最大化的同時有效的抑制風機的振動、減小載荷、使風力發電機組平穩、有效的運行。工作任務包括基本控制策略與優化控制策略的研發，程序的仿真調試、現場實驗與應用、數據分析評估，從而再次改進控制策略。

三、主控系統的分類和功能

風電主控系統按照不同的分類標準，可以分為多種類型：
 

按照控制策略，可以分為最大功率跟蹤控制、變槳控制、偏航控制等；

按照應用場景，可以分為陸上風電主控系統、海上風電主控系統等；

按照系統結構，可以分為集中式控制系統、分布式控制系統等。

風電機組主控系統的功能：
 

狀態監測：實時監測風電機組的各項參數，如風速、發電功率、轉速、溫度等，確保設備在正常范圍內運行。

自動控制：根據風速和其他環境條件，自動調整風電機組的葉片角度(變槳控制)和發電機的輸出，以最大化能量捕獲和發電效率。

故障診斷：通過數據分析和監測，及時發現設備故障或異常，并采取相應措施，如報警或停機保護。

數據記錄與分析：記錄運行數據，進行歷史數據分析，以評估機組性能和優化維護策略。

通信接口：與其他系統(如SCADA系統)進行數據交換，實現遠程監控和控制。

安全保護：確保風電機組在極端天氣或其他危險情況下的安全運行，如過載保護、過溫保護等。

四、主控系統的工作狀態

1.待機狀態

       當風速低于切入風速時，機組無法發電，主控系統將機組置于待機狀態。在此狀態，風電機組處于監測和準備狀態。風速、風向傳感器持續監測環境中的風速、風向變化。

       當風速達到預設的最小啟動風速（通常在3米/秒左右）時，主控系統確認滿足啟動條件后進入啟動狀態。

2.啟動

       主控系統根據機組對風情況，發送指令給偏航系統，保證風電機組對風準確。主控系統發送指令給變槳系統開始調整槳葉角度，按固定變槳速率開槳到初始角度（通常是20到40度左右）。

       開槳后風電機組轉速會逐漸加快，主控系統實時監測發電機轉速，當發電機轉速超過設定值（比如300rpm）后，進入加速狀態。

3.加速

       進入加速階段后，變槳系統不再按照固定速率開槳，主控系統按照給定轉速采用PID控制策略自動調節槳葉角度，其中給定轉速將從當前轉速逐漸增加到風電機組的并網轉速。

       在加速過程中，主控系統通過調節葉片角度和其他參數來保持轉速穩定上升，確保機械轉速部件平穩。

       當發電機轉速達到并網轉速后，進入并網狀態。

4.并網

       當風電機組的轉速穩定在并網轉速附近后，主控系統發送并網指令給變流器。變流器執行并網操作后，進入發電狀態。

5.發電

       并網成功后，風電機組進入發電運行狀態，此時葉片捕捉風能，并將其轉化為電能輸送至電網。

       在發電階段，給定轉速逐漸增加到機組額定轉速。主控系統根據實時風速和電網需求動態調整風電機組的功率輸出，保證安全高效運行。

6.停機狀態

       當風速超出設定的最大允許值、電網調度中心發出停機指令，控制系統將執行停機程序。主控系統發送指令給變槳系統執行收槳動作。

       正常停機時當轉速下降到脫網轉速后，斷開與電網的連接，完成解列操作。風電機組完全停止運轉，進入待機模式等待下一次啟動指令。

7.故障處理

       檢測到必須停機的故障后，主控系統根據故障情況執行正常停機或緊急停機策略。

       風電機組在啟動、加速、并網過程中，檢測到必須停機的故障后，會直接進入停機階段。

五、風電主控系統受控設備分布

       風力發電機的控制系統主要集中在塔底和機艙兩個地方。為了方便后期的維護，主控系統電氣部分主要在塔底，遠程IO從站有一個需要安裝在機艙，塔筒一般有80m左右的高度，為了控制系統的實時性和穩定性和抗干擾性，塔底與機艙之間一般采用光纖通訊。

機艙柜受控設備：偏航系統、發電機、齒輪箱、測速系統、氣象站、液壓站、制動系統、變槳系統、振動分析儀、UPS電源、其他監控數據等。

偏航系統：偏航系統包括偏航電機、偏航位置傳感器、扭纜開關等，偏航系統是相對復雜的部分，要根據風速和風向的情況，決定往哪個方向偏航、偏多少度，要控制偏航電機抱閘的開啟關閉、偏航電機的啟停、偏航液壓剎車的開啟與關閉，要協調好三者的啟停順序和延時。要根據風速功率情況適時實施自動解纜程序。

發電機：發電機控制部分包括發電機的散熱風扇和加熱器，根據發電機線圈溫度和軸承溫度啟動加熱和散熱程序。

齒輪箱：對齒輪油溫、軸承溫度及壓力進行實時監測，并根據溫度條件自動啟動油循環系統、散熱風扇或加熱器，確保齒輪箱處于良好潤滑狀態，減少機械磨損。

測速系統：分別對低速軸和高速軸速度進行精確測量，采用接近開關、編碼器等設備獲取準確的速度信號，為整個系統的控制決策提供依據。

氣象站：氣象站包括風速、風向、戶外溫度的監測，有的控制系統加入了大氣壓力和空氣密度的監測，氣象站通常采用機械式風速風向儀或超聲波風速風向儀，目前有個別機組采用激光測風儀來提高測風的準確性。

液壓站：為偏航系統和制動系統提供所需的壓力，通過壓力傳感器或壓力開關智能控制液壓泵的工作狀態，確保系統壓力始終保持在預設范圍內。

制動系統：液壓制動系統是安裝在齒輪箱高速軸的制動盤和剎車鉗，剎車鉗根據控制系統的指令來動作，剎車鉗的剎車和釋放信號、剎車片的磨損信號接入機艙IO系統。

變槳系統：采用通訊方式與主控制器交互數據，一般采用Can Open、RS485或Profibus通訊協議。這里這是描述一下主控與變槳需要交互數據，不對變槳系統展開描述。

振動分析儀：通常采用通訊方式與主控制器交互數據，一般采用Modbus TCP 、RS485、Canopen等通訊協議，振動分析儀監測塔筒的振動情況和主機架的振動情況，有的控制系統采用4~20mA等模擬量信號傳輸數據，有的控制系統還將振動分析儀的故障干接點串入風電機組安全鏈。

UPS電源：機艙柜應配置UPS電源或從塔底接入UPS電源，在電網故障時，保證風電機組安全停機。

其他監控數據：主軸承溫度、機艙溫度及散熱控制、控制柜溫度及加熱散熱控制等監控點都會接入機艙遠程IO模塊。

塔底柜：塔底柜受控設備：變流器、電能表、UPS電源、塔底控制柜安裝觸摸屏等。

變流器：采用通訊方式與主控制器交互數據，一般采用Can Open或Profibus通訊協議。

電能表：采用通訊方式與主控制器交互數據，一般采用Modbus TCP 、RS485、Profibus等通訊協議，電能表的電流互感器應該安裝在風電機組與箱式變壓器的總出口處，這樣可以測得風機機組的凈發電功率。

UPS電源：塔底柜應配置UPS電源，在電網故障時，保證風電機組安全停機，保證主控制器可以記錄相關的歷史數據。UPS電源應該通過通訊方式與主控制器交互，上報剩余電量，或者將UPS電源電量低的信號通過硬接線方式上傳控制系統。

塔底控制柜安裝觸摸屏：用于人工交互，控制柜門設置手動停機、安全鏈停止、急停開關等按鈕，塔底IO從站檢測環境溫度、柜內溫度、柜內電氣元件信號等，部分控制系統將箱式變壓器的信號也接入塔底IO從站。

六、風電主控系統檢查與維護

1、檢查塔架接地電阻

       一般風力發電機組的整機接地電阻必須≤4歐姆，必要時還需復檢。接地電阻影響到整機的安全，如接地電阻過大，會導致整機防雷能力降低，可能會導致雷擊過壓器件損壞。接地不良還會導致電磁干擾，影響機組運行。

2、檢查塔架照明設備

       應檢查塔架燈開關是否可以正常使用，燈是否可以點亮，如照明燈損壞，需要及時更換。檢查塔架燈座固定與塔架燈電纜的固定是否牢固，電線有無破損。如果使用應急燈，還需要定期測試其應急功能是否正常。

3、檢查塔架內敷設的電纜

       需要在定期和日常維護中對塔架內的電纜進行檢查，包括主動力電纜、控制信號電纜等。主要檢查電纜絕緣層有無磨損、電纜絕緣層有無燒灼、鼓包、龜裂，以及電纜有無下滑扭曲的現象。

4、檢查塔架電纜夾板

       塔架內主動力電纜經發電機出線后沿塔架壁至主控和變流柜內。在塔架壁上，每隔幾米距離便有電纜夾板固定電纜，能起到固定電纜的作用。主要檢查內容包括：電纜夾板有無老化，固定螺栓是否緊固；電纜固定在電纜卡槽內，無電纜從夾板中滑脫、被擠壓。

5、檢查機組軟件版本號

       打開人機交互界面，在控制面板上查看主控系統使用的軟件和程序版本號，與廠家要求軟件和程序版本號進行比對，以確定該機組主控制器軟件和程序是否為最新版本。

6、測試主控柜急停按鈕功能

       通過監控面板查看主控柜急停按鈕報警指示。當按下急停按鈕后，面板提示急停故障，當旋開急停按鈕后，按下復位按鈕鍵，可以解除急停故障，表明主控柜急停按鈕的功能正常。

7、主控柜加熱器和散熱器維護檢查

       溫度控制器能夠正常控制加熱器的啟動與停止。調整溫度控制器，查看加熱和散熱器風扇開關是否打開，如風扇可以正常運行，表明主控柜內加熱和散熱器功能正常。需要每半年清理散熱器通風濾網上沉積的灰塵，以保證柜體通風散熱良好。

8、主柜UPS蓄電池維護

       蓄電池的壽命一般在3年以上，由于現場環境惡劣，受溫度、濕度等外界環境影響，會縮短蓄電池的使用壽命。如果維護工作做到位，就可延長蓄電池壽命。

主控柜的電氣檢查和維護還包括以下七項：
 

（1）主控柜內線纜及接線端子維護檢查。

（2）檢查柜門和柜門鎖是否正常，柜體照明燈是否正常。

（3）檢查面板顯示是否正常，查看數據有無異常

（4）檢查柜體內是否有雜物，并清潔柜體。

（5）檢查各散熱器過濾棉有無污損或破損，并及時清理或更換。

（6）檢查所有繼電器、接觸器、斷路器、端子排接線是否松動。

（7）檢查柜內主要零部件接地及柜體接地與接地極的連接是否牢固、可靠。

七、主控系統在風電運維中的重要性

       風電機組停機分為兩種：正常停機和保護停機。除小風停機和人為手動停機外，多數屬于保護停機。保護停機可分為兩種，一種是無需人為干預，在適當條件下，由主控發出復位命令，能自動復位并網的保護停機。如：塔筒共振、一級振動、高風切除和電網故障等；另一種是需人為干預（故障處理、維修或部件更換等）的保護停機。如：“變槳驅動器故障”、“充電器故障”以及“齒輪油冷卻風扇故障”等等。停機后，及時、迅速地進行機組維修和復位啟機，有利于提高機組利用率和發電量。

1、主控系統報故障準確性

       當外部不滿足機組運行條件，或機組自身出現故障時，運行機組自動報故障停機。停機故障信息可通過人機界面，主控調試軟件，或SCADA后臺軟件進行查看。

       現場維修人員主要根據主控所采集的各種信息分析、判斷和排除機組故障。但是，如果主控程序設計夠不完善，停機邏輯不夠明晰、主控參數設置不合理，或主控硬件抗干擾能力弱等都會造成主控報故障不準確，出現誤報故障。不僅會降低利用率和發電量，增加分析、判斷機組故障的時間，還會造成部件的錯誤更換，增加備件用量等。

2、主控數據采集與儲存

       機組維修維護時根據現場運維需要，可通過后臺SCADA軟件或運用主控調試軟件，隨時提取主控數據。例如：在機組定期維護檢查發電效率是否變化時，可運用主控調試維修軟件很方便地在機艙上從主控讀取數據，形成功率曲線，再與這臺機組上一年的歷史功率曲線數據進行比較，以檢查機組的葉片對零、風向標、風速儀及功率曲線控制參數是否存在問題。

       如果以不適當的方式在主控存儲，在檢查故障時，就很難知道機組故障時具體狀況，給機組維修帶來困難。如僅在SCADA后臺軟件中采集和存儲這些信息，在機艙上進行機組維修和維護時，就不能便捷的查到機組信息，無疑給機組維修和維護帶來了困難。還可能因數據包的丟失，或通訊中斷，而丟失掉眾多的“瞬間”信息，這無形增加了故障分析的難度。

3、遠程故障診斷與機組容錯運行

       通過主控系統的多級權限管理，在風電場的集中監控室，或遠程控制中心對機組進行遠程操控，以適當的方式實現遠程故障診斷和遠程技術指導；實現“集中監控，區域維修”指揮現場；以容錯運行的方式實現機組遠程故障處理。這些功能和目標的實現均依賴于主控程序和后臺軟件，因此，主控系統在其中起著關鍵性的作用。

       在控制中心通過SCADA后臺軟件對機組主控系統的遠程操控，可實現變槳系統、變頻器和發電機等重要部件的遠程故障診斷與技術指導。

       在風電場的集控室，或遠程控制中心，還可以修改主控參數與操作變頻器的調試軟件相結合，實現對雙饋機組變頻器的疑難故障診斷；進行遠程技術指導，協助現場人員判斷變頻器故障和發電機故障等。

八、風電主控系統市場

1、行業特點：
 

技術含量高：風電主控系統涉及控制理論、通信技術、電力電子技術等多個領域，技術含量高，對產品的研發和生產提出了較高要求。

定制化需求強：由于不同風電場的風資源條件、機組型號、并網要求等存在差異，風電主控系統需要具備高度的定制化能力，以滿足不同項目的實際需求。

可靠性要求高：風電主控系統直接關系到風力發電機組的運行安全和發電效率，因此對其可靠性要求極高。

2、行業現狀：

       近年來，中國風電主控系統市場呈現出快速發展的態勢。一方面，國內風電裝機容量的持續增長為風電主控系統市場提供了廣闊的市場空間；另一方面，隨著風電技術的不斷進步和市場競爭的加劇，風電主控系統的技術水平不斷提高，產品性能不斷提升。

       但同時，中國風電主控系統市場也面臨著一些挑戰。一方面，隨著風電裝機容量的快速增長，風電主控系統的市場競爭日益激烈，企業需要不斷提高產品質量和技術水平，以應對市場競爭的壓力；另一方面，隨著風電技術的不斷發展和應用環境的不斷變化，風電主控系統需要不斷適應新的技術要求和市場需求，進行技術升級和產品迭代。

3、從市場趨勢來看，未來中國風電主控系統市場將呈現以下幾個特點：
 

一是市場規模將持續擴大，隨著國內風電裝機容量的不斷增長和風電技術的不斷進步，風電主控系統市場規模將繼續保持增長趨勢；

二是技術水平將不斷提高，隨著市場競爭的加劇和技術的進步，風電主控系統的技術水平將不斷提高，產品性能將不斷提升；

三是定制化需求將逐漸增強，隨著風電項目的多樣化和個性化需求的增加，風電主控系統的定制化需求將逐漸增強；

四是市場競爭將更加激烈，隨著市場規模的擴大和技術的進步，風電主控系統的市場競爭將更加激烈，企業需要不斷提高產品質量和技術水平以應對市場競爭的壓力。