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一、MW級風力發電機組控制特性
隨著風力發電技術的發展，機組容量逐步大型化，現代大型風力發電機組的控制技術是關鍵，其具有以下幾方面的特點：
1、自然界的風力具有隨機變化的特點，機組需實時捕獲風力的大小、方向信息，調整機組的運行參數，盡可能使機組在最佳效率工作狀態運行。
2、大型風電機組的塔架、軸承、齒輪箱、葉片等關鍵部件的載荷受力情況復雜，主控系統需綜合考慮機組的運行情況，盡量減緩各類載荷對機組長期運行的壽命影響。
3、風電機組在運行過程中需監視電網、風況、機組運行的參數，對機組的并網、脫網進行精確控制，確保運行過程的安全性和可靠性。
4、風電機組往往安裝在風力資源豐富的沙漠、海島等場合，需通過遠程監控實現無人值守，對控制產品的可靠性提出非常高的要求。
二、WPCS主控系統基本功能
主控系統協調變槳系統、變流器系統，實現機組的發電控制，是風機控制的核心，針對上述風力機的特性，主控系統設計需實現以下四方面的目標：
1、根據風力資源、機組狀況，控制機組生產滿足電網需求的電力，盡可能減少對電網的沖擊，保證電網的穩定運行。
2、在發電過程中，需保證機組本身各傳動系統的安全穩定運行，診斷相關故障信息，保證機組本身的安全運行。
3、風機的載荷控制，盡量減緩載荷對機組壽命的影響。
4、跟蹤最大風力資源，盡可能使機組工作在最佳效率狀態。
MW級風電機組的控制特性復雜，控制系統需仔細設計，以求在上述目標之間平衡。
2.1 機組自動啟�？刂�
主控根據風力參數、電網參數以及機組各系統相關的運行狀況，自動在各過程之間切換，完成機組的發電控制，系統的各狀態之間切換狀態圖如下：
 圖1.1，機組運行狀態切換簡圖 當系統上電后，主控系統首先進入“開機”狀態，檢測各參數正常后，系統進入“待機”狀態，如檢測的狀態不正常，則根據級別進入其他各類停機狀態；
在“待機”狀態，系統開始執行機組的各單元的控制程序，如偏航系統、齒輪箱系統、變槳系統、變流器系統等等，同時檢測機組自身參數、電網條件、風況條件，滿足條件要求，切換至“啟動升速”狀態；在“待機”狀態，機組可通過操作盤上的按鈕切換至“手動”狀態，完成偏航、變槳系統的手動控制。
在“啟動升速”狀態，系統會根據不同的風速條件選擇啟動方式，控制變槳角度，讓風輪開始旋轉，開始最初的轉速開環控制，當轉速滿足最低要求后，系統開始啟動變流器執行“啟勵”、“并網”等控制任務，進入“發電運行”狀態。
2.2主控故障保護
主控系統根據實時運行的診斷數據和預先設置的故障級別，將系統的故障停機分為如下三類：
1、正常停機：主控控制變槳系統、變流器系統，按照設定減負荷速度控制轉速、轉矩，實現機組的正常停機。
2、快速停機：由于發生了危害機組安全的故障，主控直接控制變槳系統順槳，快速降低機組負荷，實現安全停機。
3、安全鏈停機：獨立于主控的后備保護回路，采用“失電動作”設計，有效保護機組的安全，停機條件包括塔座、機艙急停按鈕，塔座、機艙控制系統看門狗，變流器故障，電網保護裝置動作，機組超速，振動保護動作，扭纜越限等條件。
2.3機組在線診斷
風電機組自動化程度高、運行環境惡劣，主控程序需實現各類運行參數的診斷和統計，包括風況參數、電網參數、變槳系統、變流器系統、偏航系統、齒輪箱、發電機、液壓系統、潤滑系統等等。
主控系統實時監視機組的運行狀況，控制機組的各類輔機運行，根據各類診斷結果的不同級別，執行包括紀錄、報警、正常停機、快速停機、安全鏈動作等各類不同的機組保護方式，同時主控將機組信息實時傳送至遠端的監控中心。
2.4機組變速、變槳距控制
大型風力機通過控制發電機轉速和變槳系統的槳距角度實現發電控制，運行曲線（如下圖）分為功率優化區和功率限制區兩個部分。
1、當低于額定功率時，通過控制發電機轉速實現在小于額定功率情況下的最佳葉尖速比運行。如圖轉速點A’以下的范圍為開環控制區（機組啟動過程）；B~C’為最佳葉尖比運行區；C’點為機組的額定轉速區，當機組運行達到C’點后，機組進入恒轉速運行。
2、當機組功率達到E點時，進入功率限制運行區，通過調節變槳距角度，限制機組輸入功率為額定功率。常規調節方法由于變槳角執行的響應速度很難完全跟蹤風速的能量變化，會導致功率的波動，在這里可通過特殊的恒功率算法，使機組在陣風模式依然可獲得穩定的功率輸出。
圖1.2，轉速、轉矩運行曲線
如圖1.3功率曲線圖所示，將此功率曲線分成四個工作區域，即恒速運行工作區A、最佳Cp追蹤工作區、恒速運行工作區B、額定點以上運行工作區。
在圖1.2中恒速運行工作區A對應于A’-B段；最佳Cp追蹤工作區對應于B-C’段、恒速運行工作區B對應于C’-E段、額定點以上運行工作區對應于E點。
圖1.3，功率曲線
在額定風速以下運行區，控制器控制風機最大化的捕獲風能提高發電量。在額定風速以上運行區，控制器控制風機卸掉多余的機械能，維持機組工作在額定點附近。恒速工作區A：風機自啟動到轉速達到最小并網轉速，則進入恒速工作區A，控制器控制風機并網，并隨著風速的增加控制機組的輸出功率增大，直到達到最佳Cp曲線（圖1.2中的B點）；最佳Cp最佳追蹤工作區：控制器控制風機運行于最佳Cp曲線之上，動態調整風力發電幾組的輸出功率實現最大風能捕獲；恒速工作區B：此時風力發電幾組的發電機轉速已經達到額定轉速，但是輸出功率尚未達到額定值，隨著風能的增加調節機組輸出功率增大，直到輸出功率到達額定值，如此可以有效地防止在幾組達到額定之前由于大陣風的影響而出現機組超速的現象；額定風速以上運行區，控制器控制風機卸掉多余的機械能，維持機組工作在額定點附近。
2.5機組載荷優化
風力發電機組在運行過程中載荷情況復雜，控制系統的動作也不可避免對機組的載荷產生影響，在各種工況下風力機組疲勞載荷、極限載荷對機組的運行效率、使用壽命都有非常至關重要的影響，系統設計時需仔細分析風機主要部件包括葉輪、傳動系統、塔架的各階振動模態以及相互的作用， 充分考慮了各類復雜的動力學問題，通過發電機轉矩控制、葉片變槳角度控制，盡可能減緩載荷對機組長期運行壽命的影響。
Cmapbell圖常用于機組振動模態的分析，下圖是某1.5MW機型經BLADED軟件模態線性化分析后得到的機組各部件的振動模態圖，圖中列出了塔架、葉片等機組各部件的振動模態，機組在設計階段就應開展固有頻率、阻尼率和可能引起的諧振問題的分析，以及引起諧振工作區域的分析，如機組的運行頻率應盡可能辟開塔架的固有頻率，以免引起共振。主控軟件需針對機組的相關特征頻率進行優化和控制，常規載荷優化括：風輪-塔架耦合振動控制、機組傳動鏈扭振控制。
圖1.4 風電機組坎貝爾圖
風輪-塔架耦合振動控制
對于大型變槳距風力機組，葉片變槳角度變化直接影響塔架的振動幅度和載荷，機組塔架一階前后振動模態為主要模態，如果風輪的啟動阻尼較小，小激勵就可能引起很大的載荷相應，所以需在變槳距調節中適當增加阻尼，以進行塔架的載荷優化控制。
通過塔架的運動模型分析可知，塔架前后振動速度與風力作用在葉片上的△F呈反比。常規的處理方法為：通過機艙的加速度傳感器可很容易得到塔架的前后振動加速度，積分后即得到塔架前后振動的速度，在變槳調節的葉片開度指令加入一定分量的該阻尼信號，即可獲得很好的機組塔架振動控制效果，同時對速度和功率調節的效果沒有影響。
傳動鏈扭振控制
雙饋機組在額定功率以上運行時，轉矩指令不再隨風速變化而變化，使得機組傳動鏈的阻尼很小，容易引起傳動鏈的扭轉振動，從而引起齒輪箱的轉矩波動加速齒輪箱的損壞，因此在控制器設計中進行傳動鏈加阻非常有必要。
根據模態線形化分析，機組傳動鏈扭轉振動與葉片面內一階模態、塔架左右二階模態直接相關，通過帶通濾波器在轉速測量值上將該特征頻率取出，經增益、移相處理后，加入轉矩指令，從而抵消扭振的諧振，有效增加阻尼效果，控制傳動鏈扭轉振動。
另外，控制器設計時，須對葉片的穿越頻率進行陷波濾波處理，減少其對機組變槳調節，變轉矩調節的影響。
三、WPCS軟件結構
WPCS風力發電機組控制系統軟件的結構框圖如圖1.5所示，其組成主要有兩大控制器：轉矩控制器和變槳距控制器。
圖1.5 轉矩控制器框圖
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