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作者簡介：范廣輝（1983-），工程師，本科，研究方向為實時數(shù)據(jù)庫OEE算法。
摘 要：風力發(fā)電是將風能轉(zhuǎn)換成電能，風能推動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪帶動轉(zhuǎn)動軸和增速機，增速機帶動發(fā)電機，發(fā)電機通過輸電電纜將電能輸送地面控制系統(tǒng)和負荷。風力發(fā)電技術(shù)是一項多學科的，可持續(xù)發(fā)展的，綠色環(huán)保的綜合技術(shù)。在信息化與自動化融合的今天，風力電廠的自動監(jiān)控平臺自然離不開軟件的支撐，基于此，本文提出了基于紫金橋軟件的風電機組監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，實現(xiàn)了對風電機組及電力傳輸?shù)淖詣颖O(jiān)控。
關(guān)鍵詞：風電監(jiān)控；自動調(diào)節(jié)；電力傳輸
Abstract：The wind power transforms wind energy into electrical energy.Wind drives the impeller revolving，the impeller leads the rotating axis and the speed increaser，the speed increaser leads the generator，and then the generator transports electricity through the electric transmission cable to the ground-control system and load.The wind power generation technology is one comprehensive technology that involves multi-disciplinary，is sustainable and environmental protection.In the present，the automatic monitoring platform in wind power plant cannot leave the support from software.Based on this，we propose a software-based solution of Real’s wind turbine monitoring system.It realizes the windward electrical machinery and the automatic power transmission monitoring.
Key words：Wind power monitoring；automatic regulation；power transmission
隨著地球常規(guī)資源的日益匱乏，新能源逐漸被各國政府列為了未來重點建設(shè)內(nèi)容，新能源主要包括水能、風能、核能、地熱和生物能源。在2008年底，為了應(yīng)對金融危機，中國政府提出了新增4萬億投資及十大行業(yè)的振興計劃，特別將加強新能源建設(shè)。作為新能源的代表風電將在今后五到十年里被重點扶植。我國風能資源豐富，儲量32億千瓦，可開發(fā)的裝機容量約253億千瓦，居世界首位，相信不久的將來，風力發(fā)電將成為中國主要的供電來源之一。
在信息化與自動化融合的今天，風力電廠的自動監(jiān)控平臺自然離不開軟件的支撐，基于此，紫金橋軟件技術(shù)有限公司提出了基于紫金橋?qū)崟r數(shù)據(jù)庫的風電機組監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，實現(xiàn)了對風電機組及電力傳輸?shù)淖詣颖O(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造過程中，機組物理距離、現(xiàn)場電磁干擾等該行業(yè)獨有的特點成為了考驗不同廠商工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備性能的關(guān)鍵。
1 系統(tǒng)組成
1.1 風力發(fā)電機組系統(tǒng)
一般來說，整個風電場包括眾多風力發(fā)電機組，分布在發(fā)電田中。發(fā)電機組頂部的渦輪發(fā)電機負責發(fā)電，前端是可調(diào)整角度的風葉，系統(tǒng)可以根據(jù)不同的風力狀況來調(diào)整風葉的傾斜度。風葉的軸與一個齒輪箱相連，齒輪箱完成提升轉(zhuǎn)速來驅(qū)動發(fā)電機。每臺發(fā)電機組都配備一個由工控機和PLC組成的控制箱。PLC負責采集風速、風向及與此相關(guān)的空氣壓力、空氣溫度和空氣濕度，軸轉(zhuǎn)速和其他相關(guān)數(shù)據(jù)。通過偵測風向，控制系統(tǒng)便會調(diào)整齒輪，使風葉轉(zhuǎn)向適當角度以充分利用風能進行發(fā)電。如圖1所示。
發(fā)電田中的所有的渦輪發(fā)電機組都連接在同一個局域網(wǎng)中，各個發(fā)電機組頂端的控制箱均使用以太網(wǎng)和塔底部的光纖網(wǎng)絡(luò)連接。該環(huán)網(wǎng)與遠程控制站相連形成一個冗余環(huán)網(wǎng)。遠程控制站采用紫金橋前置數(shù)據(jù)采集軟件RealScada實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，并分析搜集到的數(shù)據(jù)，從而調(diào)整發(fā)電機組參數(shù)，并向操作人員和維護人員提供報警信息。同時負責將搜集到的數(shù)據(jù)向上傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心服務(wù)器，實現(xiàn)對全局數(shù)據(jù)的管理和上層應(yīng)用。
圖1 風力發(fā)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.2 風力發(fā)電配電系統(tǒng)
與火電和水電相比，風力發(fā)電站的配套設(shè)施較少，用電設(shè)備也少，所以一般很少給風力發(fā)電站提供專用的配電電源，特別是在風力發(fā)電的塔筒內(nèi)，都是由塔筒內(nèi)部690V母線經(jīng)過降壓變壓器降壓后得到配電電源，供照明以及監(jiān)測設(shè)備等一些用電器使用。
另外隨著技術(shù)的發(fā)展，無人值班風電場的推出，遠程監(jiān)控系統(tǒng)將發(fā)揮更大作用。
1.3 風力發(fā)電電能傳輸系統(tǒng)
整體解決方案還包括風電機組將電力系統(tǒng)傳輸?shù)诫娏偩€上的傳輸監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)報表、趨勢分析等。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)功能
基于紫金橋軟件的風電機組監(jiān)控解決方案實現(xiàn)了設(shè)備層數(shù)據(jù)的采集并通過光纖以太網(wǎng)傳輸至主控室的上位機操作員站（紫金橋數(shù)據(jù)采集控制計算機，以下簡稱控制站），實現(xiàn)整個風場某風田區(qū)域的監(jiān)控，并能為中心服務(wù)器提供數(shù)據(jù)支持，系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件部分實現(xiàn)如下功能：
（1）數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)遠程控制站可提取PLC采集到的數(shù)據(jù)，包括風速、風向及與此相關(guān)的空氣壓力、空氣溫度和空氣濕度，軸轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)運行時間和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，并保存留檔。這部分工作主要在控制站完成。
（2）圖形界面：系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行實時顯示（各機組的運行數(shù)據(jù)，如每臺機組的瞬時發(fā)電功率、累計發(fā)電量、發(fā)電小時數(shù)、風輪及電機的轉(zhuǎn)速和風速、風向等），顯示方式有圖形界面、曲線、報表、數(shù)字值等形式，界面直觀、操作簡單，不同機組采用樹形導(dǎo)航切換。圖形界面在控制站和中心服務(wù)器都得以實現(xiàn)。
（3）報警系統(tǒng)：系統(tǒng)能夠及時顯示風電組運行過程中發(fā)生的故障，包括故障前的預(yù)警，系統(tǒng)可顯示故障的發(fā)生時間及故障類型，通過聲音、圖像以及短信郵件等形式快速反饋到管理人員，以便及時處理及消除故障，保證風電機組的安全和持續(xù)運行。例如為了提高安全性所有的風力發(fā)電機都安裝了防雷電系統(tǒng)，當塔身濕度超標時系統(tǒng)進行報警，并自動開啟除濕裝置，嚴重超標需人為操作時提前告知操作員。
（4）故障處理：系統(tǒng)提供故障處理機制，通過預(yù)先設(shè)置處理辦法，解決一些容易出現(xiàn)的常規(guī)問題，例如當電壓超標的情況下，系統(tǒng)自動開啟變壓裝置，當調(diào)節(jié)到正常值后，變壓裝置自動關(guān)閉。在顯示故障時，能顯示出故障的類型及發(fā)生時間，并提供多種的提示方式。
（5）設(shè)備管理：系統(tǒng)除了可以對各風電機組的運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)顯示，還可以對設(shè)備進行操作，如開停機組、手/自動控制以及大/小發(fā)電機工作等情況，通過各風電機組的狀態(tài)了解整個風電場的運行情況。
（6）電力管理：系統(tǒng)能夠?qū)︼L電機組實現(xiàn)集中控制。并對發(fā)電電力進行監(jiān)控，發(fā)電時間，累計發(fā)電等，值班員在集中控制室內(nèi)，只需對標明某種功能的相應(yīng)鍵進行操作，就能對下位機進行改變設(shè)置狀態(tài)和對其實施控制。如開機、停機和左右調(diào)向等。該操作同時具有權(quán)限管理，以保證整個風電場的運行安全。
（7）動態(tài)增加機組：系統(tǒng)提供動態(tài)增加機組功能，真正實現(xiàn)運行時動態(tài)增加、修改、刪除風電機組，極大的提高了系統(tǒng)監(jiān)控運行的連續(xù)性和穩(wěn)定性。動態(tài)增加機組需要具有操作權(quán)限的人方可操作。
3 風力發(fā)電相關(guān)技術(shù)參數(shù)
3.1 變速恒頻系統(tǒng)
可用于風力發(fā)電的變速恒頻系統(tǒng)有多種：如交一直一交變頻系統(tǒng)、交流勵磁發(fā)電機系統(tǒng)、無刷雙饋電機系統(tǒng)、開關(guān)磁阻發(fā)電機系統(tǒng)、磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)、同步異步變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)等。這種變速恒頻系統(tǒng)有的是通過改造發(fā)電機本身結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)變速恒頻的；有的則是發(fā)電機與電力電子裝置、微機控制系統(tǒng)相結(jié)合而實現(xiàn)變速恒頻的。它們各有其特點，適用場合也不一樣。為了充分利用不同風速時的風能，應(yīng)該對各種變速恒頻技術(shù)做深入的研究，盡快開發(fā)出實用的、適合于風力發(fā)電的變速恒頻技術(shù)。
3.2 四級變速風力發(fā)電機原理
多級變速風力發(fā)電機主要由2臺發(fā)電機（發(fā)電機1和發(fā)電機2）、控制系統(tǒng)和變速機3部分組成，其技術(shù)原理如圖2所示。大功率的發(fā)電機2的定子繞組與電網(wǎng)連接，向電網(wǎng)輸送頻率為ft的工頻電流，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)控制系統(tǒng)與小功率的發(fā)電機1的定子繞組相連。
大功率的發(fā)電機2只有在風速較大（風機輸入功率較大）時才和變速機聯(lián)接運行。發(fā)電機2輸出的電流頻率不僅和轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速有關(guān)，還和輸入轉(zhuǎn)子繞組的電流頻率有關(guān)，具有將轉(zhuǎn)子的機械旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)子繞組電路的電流頻率“相加”的功能，其定子繞組輸出“頻率相加”后的電流，這一特點簡稱為“合頻”特性。
四級變速風力發(fā)電技術(shù)利用改變發(fā)電機極對數(shù)及大小2個發(fā)電機的相互配合，達到在4個風速點都能實現(xiàn)風能最大利用，根據(jù)統(tǒng)計如果變速恒頻風力發(fā)電在整個工作風速范圍內(nèi)風能利用量為1個單位，則四級變速風力發(fā)電風能利用量能達到80%左右，恒速恒頻風力發(fā)電風能利用量約為40%。
圖2 多級變速風力發(fā)電機原理圖
3.3 雙饋電機的控制
雙饋電機的結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應(yīng)電機，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三相電源激勵，所不同的是轉(zhuǎn)子繞組具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵，一般采用交-交變頻器或交-直-交變頻器供以低頻電流。
任何一個風力發(fā)電機組都包括作為原動機的風力機和將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電機。其中，作為原動機的風力機，其效率在很大程度上決定了整個風力發(fā)電機組的效率，而風力機的效率又在很大程度上取決于其負荷是否處于最佳狀態(tài)。不管一個風力機是如何精細地設(shè)計和施工建造，若它處于過載或久載的狀態(tài)下，都會損失其效率。從風力機的氣動曲線可以看出，存在一個最佳周速比λ，對應(yīng)一個最佳的效率。所以風力發(fā)電機的最佳控制是維持最佳周速比λ。另外，由于要考慮電網(wǎng)對有功功率和無功功率的要求，所以風力機最佳工況時的轉(zhuǎn)速應(yīng)由其氣動曲線及電網(wǎng)的功率指令綜合得出。也就是說，風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨風速及負荷的變化應(yīng)及時作出相應(yīng)的調(diào)整，依靠轉(zhuǎn)子動能的變化，吸收或釋放功率，減少對電網(wǎng)的擾動。通過變頻器控制器對逆變電路中功率器件的控制。可以改變雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，達到調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速、有功功率和無功功率的目的，既提高了機組的效率，又對電網(wǎng)起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的作用。
——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號