3.2 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，包括起动、停机、功率调解、变速控制和事故处理等方面的内容。

3.2.1 风力发电机组的控制思想

以前，我国风电场运行的机组多数以定桨距失速型机组为主，所谓失速型风力发电机组就是当风速超过风力发电机组额定风速时，为确保风力发电机组功率输出不再增加，导致风力发电机组过载，通过空气动力学的失速特性，使叶片发生失速，从而控制风力发电机组的功率输出。定桨距失速型风力发电机组控制系统控制思想和控制原则以安全运行控制技术要求为主，功率控制由叶片的失速特性来完成。风力发电机组的正常运行及安全性取决于先进的控制策略和优越的保护功能。控制系统应以主动或被动的方式控制机组的运行，使系统运行在安全允许的规定范围内，且各项参数保持在正常工作范围内。控制系统可以控制的功能和参数包括功率极限、风轮转速、电气负载的连接、起动及停机过程、电网或负载丢失时的停机、纽缆限制、机舱时风、运行时电量和温度参数的限制等。对于变桨距风力发电机组的控制方法与定桨距恒速型风力发电机组略有不同，即功率调节方式不同，它采用变桨距方式改变风轮能量的捕获，从而使风力发电机组的输出功率发生变化，最终达到限制功率输出的目的。

保护环节以失效保护为原则进行设计，当控制失败，内部或外部故障影响，导致出现危险情况引起机组不能正常运行时，系统安全保护装置动作，保护风力发电机组处于安全状态。当发生超速、发电机过载和故障、过振动、电网或负载丢失、脱网时的停机失败等情况时系统自动执行保护功能。保护环节为多级安全链互锁，在控制过程中具有逻辑“与”的功能，而在达到控制目标方面可实现逻辑“或”的结果。此外，系统还设计了防雷装置，对主电路和控制电路分别进行防雷保护。控制线路中每一电源和信号输入端均设有防高压元件，主控柜设有良好的接地并提供简单而有效的疏雷通道。

3.2.2 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作用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、振动等都直接威胁风力发电机组的安全运行。

1.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）风力发电机组硬件安全链运行正常。

（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起动前，应办理工作票终结手续。

2.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，超过额定风速时应作限制最大功率的控制，通常安全运行的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都会引起温升，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被监控，由压力开关设计额定值来确定，通常低于100MPa。

3.系统的接地保护安全要求

（1）配电设备接地，变压器、开关设备和互感器外壳、配电柜、控制保护盘、金属构架、防雷设施及电缆头等设备必须接地。

（2）塔筒与地基接地，接地体应水平敷设。塔内和地基的角钢基础及支架要用截面25mm×4mm的扁钢相连作接地干线，塔筒做一组，地基做一组，两者焊接相连形成接地网。

（3）接地网以闭合环型式为好，当接地电阻不满足要求时，可以附加外引式接地体。

（4）接地体的外缘应闭合，外缘各角要做成圆弧形，其半径不宜小于均压带间距的一半，埋设深度应不小于0.6m，并敷设水平均压带。

（5）变压器中性点的工作接地和保护地线，要分别与人工接地网连接。

（6）避雷线宜设单独的接地装置。

（7）整个接地网的接地电阻应小于4Ω。

（8）电缆线路的接地电缆绝缘损坏时，电缆的外皮、铠甲及接线头盒均可带电，要求必须接地。

（9）如果电缆在地下敷设，两端都应接地。低压电缆除在潮湿的环境须接地外，其他正常环境不必接地。高压电缆任何情况都应接地。

3.2.3 自动运行的控制要求

1.开机并网控制

当10min风速平均值在系统工作区域内，机械闸松开，叶尖复位，风力作用于风轮旋转平面上，风力发电机组慢慢起动；当发电机转速在20%～60%额定转速之间持续5min，转速仍未达到60%额定转速，发电机进入电网软拖动状态，软拖方式视机组型号而定。正常情况下，风力发电机组转速连续增高，不必软拖增速；当转速达到软切转速时，风力发电机组进入软切入状态；当转速升到发电机同步转速时，旁路主接触器动作，机组并入电网运行。对于有大、小发电机的失速型风力发电机组，按风速范围和功率的大小确定大、小电机的投入。大电机和小电机的发电工作转速不一致，通常为1500r/min和1000r/min，在小电机脱网，大电机并网的切换过程中，要求严格控制，通常必须在几秒内完成控制。

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，风力发电机组再投入并网运行。

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，即可能恢复正常开机。

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。

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。

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，20s 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。

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。用两种方法判定机舱与风向的偏离角度，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。

8.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自身的失速特性，发电机的功率不应超过额定功率的15%。一旦发生过载，机组必须脱网停机。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°。

9.软切入控制

风力发电机组在进入电网运行时，必须进行软切入控制，当机组脱离电网运行时，也必须进行软脱网控制。利用软并网装置可完成软切入和软切出的控制。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1.5倍。

3.2.4 控制保护要求

（1）主电路保护在变压器低压侧三相四线进线处设置低压配电低压断路器，以实现机组电气元件的操作安全和短路过载保护，该低压配电低压断路器还配有分动脱扣和辅动触点。发电机三相电缆线入口处也设有配电自动空气断路器，用来实现发电机的过电流、过载及短路保护。

（2）过电压、过电流保护主电路计算机电源进线端、控制变压器进线端和有关伺服电动机进线端，均设置过电压、过电流保护措施。如整流电源、液压控制电源、稳压电源、控制电源一次侧、调向系统、液压系统、机械闸系统、补偿控制电容都有相应的过电流、过电压保护控制装置。

（3）防雷设施及熔丝主避雷器与熔丝，合理可靠的接地线为系统主避雷保护，同时控制系统有专门设计的防雷保护装置。在计算机电源及直流电源变压器一次侧，所有信号的输入端均设有相应的瞬时超电压和过电流保护装置。

（4）热继电保护运行的所有输出运转机构如发电机、电动机、各传动机构的过热、过载保护控制装置。

（5）接地保护因绝缘破坏或其他原因可能出现危险电压的金属部分，均应实现保护接地。所有风力发电机组的零部件、传动装置、执行电动机、发电机、变压器、传感器、照明器具及其他电器的金属底座和外壳；电气设备的传动机构；塔架机舱配电装置的金属框架及金属门；配电、控制和保护用的盘（台、箱）的框架；交、直流电力电缆的接线盒和终端盒金属外壳及电缆的金属保护层；电流互感器和电压互感器的二次线圈；避雷器、保护间隙和电容器的底座、非金属护套信号线的屏蔽芯线都要求保护接地。

风力发电机组控制系统工作的安全可靠性已成为关系风力发电系统能否发挥作用，甚至风电场能否长期安全可靠运行的重大问题。在实际应用过程中，保障控制系统的可靠性远比实现控制系统功能更为重要，如果工作不可靠，经常出故障，而出现故障后对一般用户来说维修又十分困难。于是，这样一套控制系统可能发挥不了它应有的作用，造成不应有的损失。因此，对于一个风力发电机组控制系统的设计和使用者来说，系统的安全可靠性必须认真加以考虑，必须引起足够的重视。我们的目的是希望通过控制与安全系统设计，采取必要的手段，使我们的系统在规定的时间内不出故障或少出故障。并且，在出故障之后能够以最快的速度修复系统使之恢复正常工作。