一种风力发电机组集成式控制方法及控制系统与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组集成式控制方法及控制系统。


背景技术：

2.随着平价上网的到来，对风电整机价格的敏感性越来越强，对零部件降成本提出了更高的要求，传统的技术路线和产品拓扑结构形式不能完全满足需要，在传统技术路线上的“小修小补”、“零敲碎打”的降成本方式已完全不能满足市场竞争的要求。电控系统虽然占整机设备的成本构成相对较低，但也必须深挖降成本的空间。
3.在传统的风电机组中，涉及到电控的主要包含主控系统、变桨系统、变流器（控制部分）这三个部分。其中，主控系统是风电机组的核心控制中心，执行机组整机及外围设备的控制，其控制器采用工业plc；变桨系统是执行风机叶片变桨控制的控制设备；变流器的控制部分包含机组涉网控制的相关控制执行。以上这些部分构成了风电机组电控系统，由于各设备是相互独立的，因此这些电控系统也是相对分散的。其中，塔基布置有变流器和塔基控制系统，机舱布置有机舱控制系统和变桨控制系统。
4.应用以工业plc为基础的、独立分散电控系统，由于plc的硬件成本、各独立系统的重复配置，其成本相对较高，因此，开发一种以低成本控制器为基础的，综合电控系统是非常有必要的。
5.现有的技术的不足：1）以工业plc为控制中心，器件成本较高，且分散独立的系统未充分利用plc的性能优势；2）电控系统各部分相互分散独立，各系统存在重复冗余配置，器件利用率不高，空间位置占用比较大；3）变流器、变桨作为独立的控制系统进行工作，主控系统只下发目标命令，具体控制由各自自行实现，由此带来电控系统各部分关联性较低，从而容易导致控制出错。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明提供的一种风力发电机组集成式控制方法及控制系统，以至少解决现有风力发电机组控制系统中，电控系统各部分相互分散独立，关联性较低的技术问题。
7.为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：本发明的第一方面，提供一种风力发电机组集成式控制方法，包括以下步骤：将主控系统、变桨系统和变流器控制部分整合成集成式电控系统，以用于实现风电机组的全部控制功能；采用pcb电路板，构建以fpga（现场可编程门阵列） dsp（数字信号处理器） arm（高级精简指令集处理器）为架构的集成式电控系统核心，以用于实现所述集成式电控系统的
通讯拓扑；其中，fpga主要用来进行逻辑运算、并行到串行转换的数据预处理，dsp主要用来进行数据运算，arm主要用来进行事务管理、上位机及外围交互接口的设计。
8.可选地，所述将主控系统、变桨系统和变流器控制部分整合成集成式电控系统，包括：将所述主控系统和变流器控制部分整合成塔基集成式电控系统，并使所述塔基集成式电控系统布置于塔基变流器柜内；将所述变桨系统整合为机舱集成式电控系统，并使所述机舱集成式电控系统布置于机舱控制柜内；其中，所述塔基集成式电控系统包含有风电机组的功率单元和塔基配电单元；所述机舱集成式电控系统包含有风电机组的核心控制单元、变桨控制单元和机舱外设采集控制单元。
9.可选地，所述将主控系统、变桨系统和变流器控制部分整合成集成式电控系统，包括：将所述集成式电控系统布置于机舱控制柜内；其中，所述集成式电控系统包含有风电机组的功率单元、塔基配电单元、核心控制单元、变桨控制单元和机舱外设采集控制单元。
10.可选地，包括：将用于接入电网的升压变压器设置于机舱内。
11.本发明的第二方面，提供一种风力发电机组集成式控制系统，包括集成式电控系统和集成式电控系统核心；所述集成式电控系统包括主控系统、变桨系统和变流器控制部分，以用于实现风电机组的全部控制功能；所述集成式电控系统核心包括如下架构形式：fpga（现场可编程门阵列） dsp（数字信号处理器） arm（高级精简指令集处理器），以用于实现所述集成式电控系统的通讯拓扑；其中，fpga主要用来进行逻辑运算、并行到串行转换的数据预处理，dsp主要用来进行数据运算，arm主要用来进行事务管理、上位机及外围交互接口的设计。
12.可选地，所述集成式电控系统包括布置于塔基变流器柜内的塔基集成式电控系统和布置于机舱控制柜内的机舱集成式电控系统；所述塔基集成式电控系统由主控系统和变流器控制部分整合而成，包含有风电机组的功率单元和塔基配电单元；所述机舱集成式电控系统包含有风电机组的核心控制单元、变桨控制单元和机舱外设采集控制单元。
13.可选地，所述集成式电控系统布置于机舱控制柜内，包含有风电机组的功率单元、塔基配电单元、核心控制单元、变桨控制单元和机舱外设采集控制单元。
14.可选地，所述机舱内还设有用于接入电网的升压变压器。
15.由上述技术方案可知，本发明的有益效果：本发明提供的一种风力发电机组集成式控制方法，将主控系统、变桨系统和变流器控制部分整合成集成式电控系统，以用于实现风电机组的全部控制功能；同时采用pcb电路板，构建以fpga（现场可编程门阵列） dsp（数字信号处理器） arm（高级精简指令集处理器）为架构的集成式电控系统核心，以用于实现所述集成式电控系统的通讯拓扑。采用本控制方法布设的风力发电机组集成式控制系统，将传统风电机组去plc化设计，采用了非plc架构的控制器，构建fpga dsp arm的控制中心结构形式，采用pcb电路板形式替代plc，大幅
降低控制器成本；空间布置更简洁，将分散独立的电控系统设备集成整合，减少了电控设备柜体数量，设备器件利用率高；电路拓扑更简单，将部分原本需要在外部交互的接口、信号变为了内部交互，接口非常简单，降低故障率、提升可靠性。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
17.图1为一种风力发电机组集成式控制系统的结构示意图；图2为一种风力发电机组集成式控制系统的通讯拓扑。
具体实施方式
18.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
19.本发明提供一种风力发电机组集成式控制方法，包括以下步骤：s1、将主控系统、变桨系统和变流器控制部分整合成集成式电控系统，以用于实现风电机组的全部控制功能；具体地，请参阅图1，所述集成式电控系统含冷却控制、液压控制、润滑控制、偏航控制、变桨控制、安全控制、功率速度控制、电网控制、环境控制和辅机控制等，其控制输出去控制变流器功率单元、变桨执行机构完成风电机组的正常并网发电工作，整个控制系统关联度高、控制一体化、可靠性高。
20.s2、采用pcb电路板，构建以fpga（现场可编程门阵列） dsp（数字信号处理器） arm（高级精简指令集处理器）为架构的集成式电控系统核心，以用于实现所述集成式电控系统的通讯拓扑；其中，fpga主要用来进行逻辑运算、并行到串行转换的数据预处理，dsp主要用来进行数据运算，arm主要用来进行事务管理、上位机及外围交互接口的设计。整个风力发电机组电控系统的通讯拓扑实现形式如图2所示。
21.须注意的是，设备布置在不同位置的情况，对控制系统集成式设计有重大影响的设备主要是变流器功率单元、箱变（风电机组用于接入电网的升压变压器），其放置位置的差异直接影响集成式控制系统的结构形式。本发明提供了如下三种集成式控制系统结构形式：第一种，箱变 变流器功率单元在塔基：将传统方案的主控系统、变流器整合成塔基集成式电控系统，具体可设置在塔基变流器柜内以节省柜体，缩短连接电缆，减少连接接口；机舱主控系统重新整合为机舱集成式电控系统，二者包含有风电机组控制的全部功能，其余设备只作为执行机构，轮毂变桨只含有电机驱动执行 塔基外设采集控制单元。塔基集成式电控系统包含的完整功能有：风电机组的功率单元 塔基配电单元；机舱集成式电控系统包含的完整功能有：风电机组的核心控制单元 变桨控制单元 机舱外设采集控制单元。柜体物理结构形式为：塔基集成式电控柜 机舱集成式电控柜；
第二种，箱变在塔基 变流器功率单元在机舱：将传统方案的主控系统、变桨系统、变流器控制部分整合成集成式电控系统，该电控系统包含有风电机组控制的全部功能，其余设备只作为执行机构，同时将变流器的整体功能整合到电控系统中，并将集成式电控系统布置于机舱，取消变流器作为一个独立设备。柜体物理结构形式为：机舱集成式电控柜 塔基配电柜；第三种，箱变在机舱：将传统方案的主控系统、变桨系统、变流器控制部分整合成集成式电控系统，该电控系统包含有风电机组控制的全部功能，其余设备只作为执行机构，同时将变流器的整体功能整合到电控系统中，将集成式电控系统布置于机舱，取消变流器作为一个独立设备，整个机组的电控系统只有机舱的一个集成式电控柜，同时，因箱变的上置，使塔基剩余的配电柜结构更为简单，设备高度集成化，器件利用率高。柜体物理结构形式为：机舱集成式电控柜 塔基配电柜。
22.集成式控制系统将所有控制电路集成于一个控制柜体中，从主回路中取配电经过配电变压器输出3
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400vac到集成式控制系统控制柜中，由其控制中心控制各外部设备，各外部设备配置独立的保护开关，全部的配电及其控制在该控制柜中完成，各外部设备只有执行机构，无控制单元，ups供电、24v直流供电等均包含在该控制柜中。
23.本发明设计了一种基于fpga dps arm控制器为基础的、将各分散控制功能高度融合的风电机组控制系统，将传统风电机组的主控系统、变桨系统、变流器（控制部分）的控制功能，用新架构控制器进行整合，形成控制高度一体化的风电机组集成式控制系统。具有以下有益效果：1）去除了风力发电机组电控系统中占较高成本的plc系统，采用pcb电路板形式替代plc，大幅降低控制器成本；2）空间布置更简洁，将分散独立的电控系统设备集成整合，减少了电控设备柜体数量，设备器件利用率高；3）电路拓扑更简单，将部分原本需要在外部交互的接口、信号变为了内部交互，接口非常简单，降低故障率、提升可靠性。
24.本发明还基于该控制方法，提供一种风力发电机组集成式控制系统，包括集成式电控系统和集成式电控系统核心；所述集成式电控系统包括主控系统、变桨系统和变流器控制部分，以用于实现风电机组的全部控制功能；所述集成式电控系统核心包括如下架构形式：fpga（现场可编程门阵列） dsp（数字信号处理器） arm（高级精简指令集处理器），以用于实现所述集成式电控系统的通讯拓扑；其中，fpga主要用来进行逻辑运算、并行到串行转换的数据预处理，dsp主要用来进行数据运算，arm主要用来进行事务管理、上位机及外围交互接口的设计。
25.本发明提供的一种风力发电机组集成式控制系统，包括一体化的空间柜体结构形式、一体化的控制拓扑形式、基于fpga dsp arm的非plc控制器形式、系统软件架构形式，共同构成了本方案描述的集成式控制系统。实现了风电机组电控系统的最优性价设计，减少了按照设备功能设计的独立重复配置，其功能中包含了传统风电机组主控系统的全部功能，又纳入了变流器控制、变桨控制的功能，实现了风电机组控制的综合一体化，控制架构简单、系统可靠性高。
26.一个实施例，所述集成式电控系统包括布置于塔基变流器柜内的塔基集成式电控
系统和布置于机舱控制柜内的机舱集成式电控系统；所述塔基集成式电控系统由主控系统和变流器控制部分整合而成，包含风电机组的功率单元和塔基配电单元；所述机舱集成式电控系统包含有风电机组的核心控制单元、变桨控制单元和机舱外设采集控制单元。二者包含有风电机组控制的全部功能，其余设备只作为执行机构，轮毂变桨只含有电机驱动执行 塔基外设采集控制单元。
27.另一个实施例，所述集成式电控系统布置于机舱控制柜内，包含有风电机组的功率单元、塔基配电单元、核心控制单元、变桨控制单元和机舱外设采集控制单元。该电控系统包含有风电机组控制的全部功能，其余设备只作为执行机构，同时将变流器的整体功能整合到电控系统中，并将集成式电控系统布置于机舱，取消变流器作为一个独立设备。优选地，所述机舱内还设有用于接入电网的升压变压器。因箱变的上置，使塔基剩余的配电柜结构更为简单，设备高度集成化，器件利用率高。
28.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。