风力发电机组控制
第三章 风力发电机组控制系统
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风力发电机组控制系统的基本组成
控制系统对风力发电机组安全运行至关重要；
目前风力发电亟待研究解决的的两个问题：
发电效率
发电质量
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。
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风力发电机组控制系统组成：
传感器
执行机构
包括软/硬件处理器系统
风力发电机组控制系统的基本组成
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风力发电机组控制系统的基本组成
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风力发电机组控制系统的基本组成
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电控系统各部分之间的关系
风力发电机组控制系统的基本组成
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控制系统实际的物理分布及通信连接
风力发电机组控制系统的基本组成
传感器一般包括如下装置:
风速仪
风向标
转速传感器
电量采集传感器
桨距角位置传感器
各种限位开关
振动传感器
温度和油位指示器
液压系统压力传感器
操作开关、按钮等
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风力发电机组控制系统的基本组成
执行机构和处理系统
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。
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。
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风力发电机组控制系统的基本组成
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控制系统分布图
风力发电机组控制系统的基本组成
风力发电系统的基本控制目标：
风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：
保证风力发电机组安全可靠运行；
获取最大能量；
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、
通讯接口电路、监控单元。
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风力发电机组控制系统的基本组成
风电机组的电控系统
风力发电机组控制系统的基本组成
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风力发电机组控制系统的基本组成
控制系统的发展：
142025/11/28
计算机控制系统
直接数字控制系统DDC
分布式控制系统DCS
网络化控制系统NCS
（计算机直接控制）
（联网计算机共同分担工作负荷）
（网络配备传感器和执行
器成为独立的结点）
（性能单一不可靠，计算
机应用局限于监控模式）
风力发电机组控制系统的基本组成
目前绝大多数风力发电机组的控制系统都采用集散型
或称分布式控制系统（DCS）工业控制计算机。采用分布
式控制最大优点是：
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及在机组运行时
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。
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风力发电机组控制系统的基本组成
风力发电机组的基本控制要求
控制与安全系统是风力发电机组安全运行的大脑
指挥中心，控制系统的安全运行就是保证了机组安全
运行，通常风力发电机组运行所涉及的内容相当广泛，
就运行工况而言，包括
启动;
停机;
功率控制;
转速控制;
事故处理。
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具体控制内容
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。
当然对于不同类型的风力发电机控制单元会不相同。控制系统结
构示意图如图所示：
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风力发电机组的基本控制要求
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制动系统的工作原理
制动装置：
机械制动
空气动力制动
风力发电机组的基本控制要求
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盘式制动器
风力发电机组的基本控制要求
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制动器安装在低速轴上
风力发电机组的基本控制要求
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风力发电机组的基本控制要求
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风力发电机组的基本控制要求
风力发电机组安全运行的基本条件
风力发电机组在启停过程中，机组各部件将受到剧烈的机械应
力的变化，而对安全运行起决定因素是风速变化引起的转速的变化，
所以转速的控制是机组安全运行的关键。风力发电机组组的运行是
一项复杂的操作，涉及的问题很多，如
风速的变化；
转速的变化；
温度的变化；
振动等。
这些都是直接威胁风力发电机组的安全运行。
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风力发电机组的基本控制要求
风力发电机组安全运行的基本条件
控制系统安全运行的必备条件
1、风力发电机组的开关出线侧相序必须与并网电网相序一致，电压标称值相等，
三相电压平衡。
2、风力发电机组安全链系统硬件运行正常。
3、调向系统处于正常状态，风速仪和风向标处于正常运行的状态。
4、制动和控制系统液压装置的油压、油温和油位在规定范围内。
5、齿轮箱油位和油温在正常范围内。
6、各项保护装置均在正常位置，并且保护值均与批准设定的值相符。
7、各控制电源处于接通位置。
8、监控系统显示正常运行状态。
9、在寒冷和潮湿地区，停止运行一个月以上的风力发电机组投入运行前应检查
绝缘装置，合格后才允许起动。
10、经维修的风力发电机组的控制系统在投入启动前，应办理工作票终结手续。
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风力发电机组的基本控制要求
风力发电机组工作参数的安全运行范围
1、风速
自然界风的变化是随机的没有规律的，当风速在3～25m/s 的规定工作范围时，只对风力发电机组
的发电有影响，当风速变化率较大且风速超过25m/s 以上时，则会对机组的安全性产生威胁。
2、转速
风力发电机组的风轮转速通常低于40r/min，发电机的最高转速不超过额定转速的30%，不同型号
的机组数字不同。当风力发电机组超速时，对机组的安全性将产生严重威胁。
3、功率
在额定风速以下时，不作功率调节控制，只有在额定风速以上应作限制最大功率的控制，通常运
行安全最大功率不允许超过设计值的20%。
4、温度
运行中风机的各部件运转将会引起温升，通常控制器环境温度应为0～30℃，齿轮箱油温小于
120℃，发电机温度小于150℃，传动等环节温度小于70℃。
5、电压
发电电压允许的范围在设计值的10%，当瞬间值超过额定值的30%时，视为系统故障。
6、频率
风力机组的发电频率应限制在50Hz±1Hz，否则视为系统故障。
7、压力
机组的许多执行机构由液压执行机构完成，所以各液压站系统的压力必须监控，由压力开关设计
额定值来确定，通常低于100Mpa
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风力发电机组的基本控制要求
自动运行的控制要求
1．开机并网控制;
2．小风和逆功率脱网;
3.普通故障脱网停机;
4.紧急故障脱网停机;
5. 安全链动作停机;
6.大风脱网控制;
7.对风控制;
8. 偏转90°背风控制;
9. 转速、功率调节;
10. 软切入控制.
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风力发电机组的基本控制要求
自动运行的控制要求
1．开机并网控制：
定桨距机组
传统变桨距机组
变速机组
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风力发电机组的基本控制要求
自动运行的控制要求
• 2．小风和逆功率脱网：小风和逆功率脱网是将风力发电
机组停在待风状态，当10min平均风速小于小风脱网风速
或发电机输出功率负到一定值后，风力发电机组不允许长
期在电网运行，必须脱网，处于自由状态，风力发电机组
靠自身的摩擦阻力缓慢停机，进入待风状态。当风速再次
上升，风力发电机组又可自动旋转起来，达到并网转速，
风力发电机组又投入并网运行。
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风力发电机组的基本控制要求
• 3.普通故障脱网停机：机组运行时发生参数越限、状态异
常等普通故障后，风力发电机组进入普通停机程序，机组
投入气动刹车，软脱网，待低速轴转速低于一定值后，再
抱机械闸，如果是由于内部因素产生的可恢复故障，计算
机可自行处理，无需维护人员到现场，即可恢复正常开机。
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自动运行的控制要求
风力发电机组的基本控制要求
• 4.紧急故障脱网停机：当系统发生紧急故障如风力发电机
组发生飞车、超速、振动及负载丢失等故障时，风力发电
机组进入紧急停机程序，机组投入气动刹车的同时执行
90°偏航控制，机舱旋转偏离主风向，转速达到一定限制
后脱网，低速轴转速小于一定值后，抱机械闸。
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自动运行的控制要求
风力发电机组的基本控制要求
• 5. 安全链动作停机：安全链动作停机指电控制系统软保护
控制失败时，为安全起见所采取的硬性停机，叶尖气动刹
车、机械刹车和脱网同时动作，风力发电机组在几秒内停
下来。
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自动运行的控制要求
风力发电机组的基本控制要求
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风力发电机组的基本控制要求
6.大风脱网控制：当风速10min 平均值大于25m/s 时，风力发
电机组可能出现超速和过载，为了机组的安全，这时风力发
电机组必须进行大风脱网停机。风力发电机组先投入气动刹
车，同时偏航90°，等功率下降后脱网，一段时间 后或者低
速轴转速小于一定值时，抱机械闸，风力发电机组完全停止。
当风速回到工作风速区后，风力发电机组开始恢复自动对风，
待转速上升后，风力发电机组又重新开始自动并网运行。
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自动运行的控制要求
风力发电机组的基本控制要求
7.对风控制：风力发电机组在工作风速区时，应根据机舱的
控制灵敏度，确定每次偏航的调整角度。根据偏离的程度
和风向传感器的灵敏度，时刻调整机舱偏左和偏右的角度。
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自动运行的控制要求
风力发电机组的基本控制要求
• 8. 偏转90°背风控制：风力发电机组在大风速或超转速工
作时，为了风力发电机组的安全停机，必须降低风力发电
机组的功率，释放风轮的能量。当10min平均风速大于
25m/s或风力发电机组转速大于转速超速上限时，风力发
电机组作偏转90°控制，同时投入气动刹车，脱网，转速
降下来后，抱机械闸停机。在大风期间实行90°跟风控制，
以保证机组大风期间的安全。
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自动运行的控制要求
风力发电机组的基本控制要求
• 9. 功率调节：当风力发电机组在额定风速以上并网运行时，
对于失速型风力发电机组由于叶片的失速特性，发电机的
功率不会超过额定功率的15%。一旦发生过载，必须脱网
停机。对于变桨距风力发电机组，必须进行变距调节，以
减小风轮的捕风能力，以便达到调节功率的目的，通常桨
距角的调节范围在 -2°—86°。
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自动运行的控制要求
风力发电机组的基本控制要求
10. 软切入控制：通常软并网装置主要由大功率晶闸管和有
关控制驱动电路组成。控制目的就是通过不断监测机组的
三相电流和发电机的运行状态，限制软切入装置通过控制
主回路晶闸管的导通角，以控制发电机的端电压，达到限
制起动电流的目的。在电机转速接近同步转速时，旁路接
触器动作，将主回路晶闸管断开，软切入过程结束，软并
网成功。通常限制软切入电流为额定电流的 倍。
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自动运行的控制要求
风力发电机组的基本控制要求
控制保护要求
• 1. 主电路保护
• 2. 过电压、过电流保护
• 3.防雷设施
• 4. 热继电保护
• 5.接地保护
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风力发电机组的基本控制要求
40
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叶片防雷结构图
风力发电机组的基本控制要求
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机舱底板与上段塔架之间、塔架各段之间的防雷装置
风力发电机组的基本控制要求
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机舱顶部防雷装置
风力发电机组的基本控制要求
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风向标风速仪防雷模块
风力发电机组的基本控制要求
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变压器输出端防雷 电网逆变器防雷
风力发电机组的基本控制要求
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轮毂雷电保护装置
风力发电机组的基本控制要求
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轮毂防雷示意图
风力发电机组的基本控制要求
• 在随机扰动大、不确定因素多、非线性严重。
• 模糊逻辑控制、神经网络智能控制、鲁棒控制等。
• 使风机控制向更加智能化方向发展。
• 随着对风力机技术的不断研究与开发，风力机系统逐渐
大型化和商品化，反过来，对风力机关键技术的研究也
越来越深入。
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风力发电机组控制技术的发展趋势
滑模变结构控制
鲁棒控制
最优控制
自适应控制
人工神经网络
模糊控制理论
专家系统
微分几何控制
模型预测控制
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风力发电机组控制技术的发展趋势
滑模变结构控制本质上是一种不连续的开关型控制, 它要求频繁、快速地切换系
统的控制状态, 具有快速响应、对系统参数变化不敏感、设计简单、易于实现,
为风能转换系统提供了一种较为有效的控制方法。
转速控制、功率控制。
最优控制是现代控制理论的核心，它研究的主要问题是：在满足一定约束条
件下，寻求最优控制策略，使得性能指标取极大值或极小值。基于最大功率
点跟踪的风速估计器和最大效率点跟踪的模型基础上的最优性能控制器, 可
以优化机组的输出功率。
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风力机控制技术的发展趋势
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模型预测控制：由于风力发电系统是个典型的多变量、强耦合、非线性
系统，不易进行精确的数学建模，这样一来，通过常规方法进行风电机
组控制系统设计的可行性与有效性大大降低。然而，模型预测控制技术
恰恰是针对这一类问题而提出的，它可以通过数学算法对系统模型进行
估计，得到预测模型，再通过预测模型设计控制算法，对风电机组实施
合理、有效的控制，以便改善运行可靠性、提高运行效率。
微分几何控制：微分几何控制的核心问题是反馈精确线性化，它通过局
部微分同胚映射对仿射型非线性系统在满足可控性、矢量场生成、对合
性和凸性四个条件下，将非线性系统在大范围内甚至全局范围内进行线
性化处理，使其化为线性控制问题。
风力机控制技术的发展趋势
输入e 输出u
模糊推理
规则库R
D/A
执行器被控对象传感器A/D
期望值
＋ －
e
u
模糊值 模糊值
精确值
精确值
模糊化 去模糊化
模糊控制是根据操作人员手动控制的经验，总结出一套完整的控制规
则，再根据系统当前的运行状态，经过模糊推理、模糊判决等运算，
求出控制量，实现对被控对象的控制。
转速控制、功率控制。
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风力机控制技术的发展趋势
神经网络控制是将神经网络与控制理论相结合而发展起来的智能控
制方法。它已成为智能控制的一个新的分支，为解决复杂的非线性、
不确定、未知系统的控制问题开辟了新途径。目前神经网络模型的
种类相当丰富，已有数十种神经网络模型。典型的神经网络有多层
前向传播网络 （BP网络）、Hopfield网络、CMAC小脑模型、ART网
络、BAM双向联想记忆网络、SOM自组织网络、Blotzman机网络和
Madaline网络等。风速预测、风功率预测、风电机组故障诊断。
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风力机控制技术的发展趋势
专家系统采用计算机分布式控制系统, 嵌入专家系统智能控制策略, 实
现并网风电机组无人值守全自动运行: 并网、脱网、运行及保护控制。
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风力机控制技术的发展趋势
ym
模型参考自适应系统
控制器 被控对象
自适应机构
参考模型
＋
＋
－
－
y
u
内环
外环
控制器参数
自适应控制的目标是使控制系统对过程参数的变化、以及对未建模部分
的动态过程不敏感。当过程动态变化时, 自适应控制系统试图感受这一
变化并实时地调节控制器参数或控制策略, 使得指定的性能指标尽可能
接近最优和保持最优。
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风力机控制技术的发展趋势
鲁棒控制控制问题：给定一受控对象的集合（族），设计控制器，使
得对该集合中的任意受控对象，闭环系统均满足要求的性能指标。可
实现在有建模不确定性条件下的最大风能捕获。
给定一个受控对象
控制器
控制性能
P C S
给定一个受控对象族
控制器
控制性能
C
传统控制方法 鲁棒控制方法 56
风力机控制技术的发展趋势
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风力机控制技术的发展趋势
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变速恒频风力发电方案
目前变速恒频风力发电方案主要有以下几种：
1．双绕组双速异步发电机系统
2．RCC异步发电机系统
3．采用变流器 ——异步发电机变速恒频系统
4．交流励磁双馈发电机变速恒频系统
5. 直驱永磁风力发电系统
6. 直驱电励磁风力发电系统
7. 半直驱风力发电系统
变桨变速双馈式异步风电机组控制
主要运行区域
一般按照风速和机组运行特性分为五大运行区域：
并网区
MPPT区
转速限制区（过渡区）
功率限制区
切出停机区
各运行区域的控制目标
并网区
控制发电机端
电压符合并网
条件并网
并网控制
额定风速切入风速 切出风速
追踪风速变化，保
持最佳叶尖速比，
实现最大风能追踪
MPPT区
MPPT控制
转速限制区
限制机组转速不超
过额定转速
限制极限转速
限制机组输出功率
保持机组额定功率
限制额定功率
功率限制区
输出功率降
为零并切出
停机
切出停机
切出停机区
变桨变速双馈式异步风电机组控制
方案一
并网区
调节机组转速；
发电机控制空
载电压，符合
并网条件时并
入电网
并网控制
额定风速切入风速 切出风速
桨距角保持在0度附
近；发电机控制功
率实现MPPT
MPPT区
MPPT控制
转速限制区
通过变桨控制机组
转速；发电机控制
功率输出
限制极限转速
变桨控制机组转速；
发电机控制功率实
现额定功率输出
限制额定功率
功率限制区
变桨控制顺
桨实现启动
刹车，发电
机控制离网
切出停机
切出停机区
变桨变速双馈式异步风电机组控制
方案二
并网区
通过变桨控制
调节转速；发
电机控制空载
电压，符合并
网条件
并网控制
额定风速切入风速 切出风速
桨距角保持在0度附
近；发电机控制转
矩实现MPPT
MPPT区
MPPT控制
转速限制区
变桨控制限制极限
转速；发电机控制
功率（或转矩）输
出
限制极限转速
变桨控制合适转速；
发电机控制功率实
现额定功率输出
限制额定功率
功率限制区
变桨控制顺
桨实现启动
刹车，发电
机控制离网
切出停机
切出停机区
变桨变速双馈式异步风电机组控制
方案三
并网区
变桨控制机组
转速；发电机
控制空载电压，
符合并网条件
时并入电网
并网控制
额定风速切入风速 切出风速
桨距角保持在0度附
近；发电机控制转
速实现MPPT(检测
风速)
MPPT区
MPPT控制
转速限制区
桨距角保持在0度附
近； 发电机控制转
速限制转速越限
限制极限转速
变桨控制功率实现
机组额定功率输出；
发电机控制合适转
速
限制额定功率
功率限制区
变桨控制顺
桨实现启动
刹车，发电
机控制离网
切出停机
切出停机区
变桨变速双馈式异步风电机组控制
方案四
并网区
变桨控制机组
转速；发电机
控制空载电压，
符合并网条件
时并入电网
并网控制
额定风速切入风速 切出风速
桨距角保持在0度附
近；发电机控制转
速实现MPPT(不检
测风速)
MPPT区
MPPT控制
转速限制区
桨距角保持在0度附
近； 发电机控制转
速限制转速越限
限制极限转速
变桨控制功率实现
机组额定功率输出；
发电机控制合适转
速
限制额定功率
功率限制区
变桨控制顺
桨实现启动
刹车，发电
机控制离网
切出停机
切出停机区
变桨变速双馈式异步风电机组控制
基于风力机功率曲线的最大功率点跟踪控制
基于最佳叶尖速比的最大功率点跟踪控制方案
基于最优转矩的最大功率点跟踪控制方案
