一、引言 

    風(fēng)力作為一種綠色環(huán)保新興能源一躍成為現代能源關(guān)注點(diǎn)，出于保護環(huán)境的考慮以及全球面臨的能源短缺現狀，風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內得到了快速發(fā)展。隨著(zhù)風(fēng)電行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電成本逐步降低，在經(jīng)濟性上已經(jīng)能夠與核能發(fā)電、水力發(fā)電展開(kāi)競爭。當前，我國面臨電力短缺局面，在煤電占主導地位的我國電力行業(yè)，因環(huán)境承載力限制以及各種因素導致的煤炭短缺局面，煤電發(fā)展受到制約。風(fēng)能這種干凈的自然能源，沒(méi)有常規能源（煤電，油電）與核電會(huì )造成環(huán)境污染的問(wèn)題。我國風(fēng)能資源豐富，風(fēng)能利用得到了政府的政策支持，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機遇。

二、監控系統結構和概述

    風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)具有機組布置范圍廣闊，設備運行的自然環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，風(fēng)電監控系統專(zhuān)為中小型風(fēng)力發(fā)電機組而設計，系統涉及了當前國內最先進(jìn)的數據采集、監測分析和控制策略軟件技術(shù)，系統利用北京三維力控科技有限公司的ForceControl&6.1組態(tài)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，系統組成結構原理圖如下：

    所有風(fēng)電機組通過(guò)光纖以太網(wǎng)連接至主控室的上位機操作員站，實(shí)現整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的監控，上位機監控軟件具有如下功能: 

    ① 系統具有友好的控制界面。在編制監控軟件時(shí)，充分考慮到風(fēng)電場(chǎng)運行管理的要求，使用漢語(yǔ)菜單，操作簡(jiǎn)單，盡可能為風(fēng)電場(chǎng)的管理提供方便。

    ② 系統顯示各臺機組的運行數據。如每臺機組的瞬時(shí)發(fā)電功率、累計發(fā)電量、發(fā)電小時(shí)數、風(fēng)輪及電機的轉速和風(fēng)速、風(fēng)向等，將下位機的數據調入上位機并在顯示器上顯示，必要時(shí)還可以用曲線(xiàn)或圖表的形式直觀(guān)地顯示出來(lái)。

    ③ 系統顯示各風(fēng)電機組的運行狀態(tài)，如開(kāi)機、停車(chē)、調向、手/自動(dòng)控制以及大/小發(fā)電機工作等情況，通過(guò)各風(fēng)電機組的狀態(tài)了解整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運行情況。

    ④ 系統能夠及時(shí)顯示各機組運行過(guò)程中發(fā)生的故障。在顯示故障時(shí)，能顯示出故障的類(lèi)型及發(fā)生時(shí)間，以便運行人員及時(shí)處理及消除故障，保證風(fēng)電機組的安全和持續運行。 

    ⑤ 系統能夠對風(fēng)電機組實(shí)現集中控制。值班員在集中控制室內，只需對標明某種功能的相應鍵進(jìn)行操作，就能對下位機進(jìn)行改變設置狀態(tài)和對其實(shí)施控制。如開(kāi)機、停機和左右調向等。該操作同時(shí)具有權限管理，以保證整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運行安全。 

    ⑥ 系統管理。監控軟件具有運行數據的定時(shí)打印和人工即時(shí)打印以及故障自動(dòng)記錄的功能，以便隨時(shí)查看風(fēng)電場(chǎng)運行狀況的歷史記錄情況。

三、監控系統具體功能

    1、數據采集功能：

    機組運行過(guò)程中進(jìn)行監測的相關(guān)參數包括：

    （1）電網(wǎng)參數，包括電網(wǎng)三相電壓、三相電流、電網(wǎng)頻率、功率因數等。電壓故障檢測：電網(wǎng)電壓閃變、過(guò)電壓、低電壓、電壓跌落、相序故障、三相不對稱(chēng)等。

    （2）氣象參數，包括風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度等。

    （3）機組狀態(tài)參數檢測，包括：風(fēng)輪轉速、發(fā)電機轉速、發(fā)電機線(xiàn)圈溫度、發(fā)電機前后軸承溫度、齒輪箱油溫度、齒輪箱前后軸承溫度、液壓系統油溫、油壓、油位、機艙振動(dòng)、電纜紐轉、機艙溫度等。

    2、機組控制功能：

    （1）主控系統檢測電網(wǎng)參數、氣象參數、機組運行參數，當條件滿(mǎn)足時(shí)，啟動(dòng)偏航系統執行自動(dòng)解纜、對風(fēng)控制，釋放機組的剎車(chē)盤(pán)，調節槳距角度，風(fēng)車(chē)開(kāi)始自由轉動(dòng)，進(jìn)入待機狀態(tài)。

    （2）當外部氣象系統監測的風(fēng)速大于某一定值時(shí)，主控系統啟動(dòng)變流器系統開(kāi)始進(jìn)行轉子勵磁，待發(fā)電機定子輸出電能與電網(wǎng)同頻、同相、同幅時(shí)，合閘出口斷路器實(shí)現并網(wǎng)發(fā)電。

    （3）風(fēng)力機組功率、轉速調節根據風(fēng)力機特性，當機組處于最佳葉尖速比λ運行時(shí)，風(fēng)機機組將捕獲得最大的能量，雖理論上機組轉速可在任意轉速下運行，但受實(shí)際機組轉速限制、系統功率限制，不得不將該階段分為以下幾個(gè)運行區域：即變速運行區域、恒速運行區域和恒功率運行區。額定功率內的運行狀態(tài)包括：變速運行區（最佳的λ）和恒速運行區。當風(fēng)機并網(wǎng)后，轉速小于極限轉速、功率低于額定功率時(shí)，根據當前實(shí)際風(fēng)速，調節風(fēng)輪的轉速，使機組工作在捕獲最大風(fēng)能的狀態(tài)。由于風(fēng)速儀測量點(diǎn)的風(fēng)速與作用于槳葉的風(fēng)速存在一定誤差，所以轉距觀(guān)測器來(lái)預測風(fēng)力機組的機械傳動(dòng)轉距，在通過(guò)發(fā)電機轉速和轉距的對應關(guān)系推出轉速。ω為發(fā)電機轉速期望值 = 開(kāi)方（Tm為轉距的觀(guān)測值 / Kopt為最佳轉速時(shí)的比例常數） 

    當風(fēng)速增加使發(fā)電機轉速達上限后，主控制器需維持轉速恒定，風(fēng)力機組發(fā)出的電功率，隨風(fēng)速的增加而增加，此時(shí)機組偏離了風(fēng)力機的最佳λ曲線(xiàn)運行。當風(fēng)速繼續增加，使轉速、功率都達到上限后，進(jìn)入恒功率運行區運行，此狀態(tài)下主控通過(guò)變流器，維持機組的功率恒定，主控制器一方面通過(guò)槳距系統的調節減少風(fēng)力攻角，減少葉片對風(fēng)能的捕獲；另一方面通過(guò)變流器降低發(fā)電機轉速節，使風(fēng)力機組偏離最佳λ曲線(xiàn)運行，維持發(fā)電機的輸出功率穩定。 

    控制的組態(tài)采用功能豐富、界面友好的策略控制組態(tài)軟件，采用符合IEC61131-3標準的組態(tài)方式，包括：功能圖（FBD）組態(tài)方式。

    3、風(fēng)能特性模型功能：

    描述風(fēng)能特性的參數主要有風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)密度。風(fēng)的密度主要取決于風(fēng)機所處的地理位置，氣候變化也會(huì )產(chǎn)生一定影響，對于特定風(fēng)機而言，風(fēng)密度可以直接取自測量數據，并可以忽略密度的變化；風(fēng)向的變動(dòng)可不予考慮，即假定風(fēng)力機一直跟蹤風(fēng)向的變化。因此，關(guān)注風(fēng)速的變化特性。 

    風(fēng)因大氣環(huán)流形成，風(fēng)速是一個(gè)典型的隨機變量。若不考慮風(fēng)的方向性，風(fēng)速是其空間坐標位置和時(shí)間的函數，即v=f(x,y,z,t)。將描述某一區域風(fēng)速的空域、時(shí)域分布變化特性的模型又稱(chēng)為風(fēng)場(chǎng)模型（Wind Field Model）。各空間位置上的風(fēng)速因風(fēng)的隨機性、風(fēng)場(chǎng)地形等因素影響而各不相同，若風(fēng)場(chǎng)的地形相對平坦，周邊空曠，則基本可以認為在同一高度層上整個(gè)風(fēng)場(chǎng)內各點(diǎn)的風(fēng)速是相同的，這樣可以將風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的三維空間模型簡(jiǎn)化為沿高度方向變化的一維模型。對于空間分布廣，且地形復雜的大型風(fēng)電場(chǎng)，可以將整個(gè)風(fēng)場(chǎng)劃分成幾個(gè)區域，針對不同區域的風(fēng)能特點(diǎn)建立簡(jiǎn)化的一維空間模型，形成分段集總式一維模型。風(fēng)速空域模型轉化為研究風(fēng)速沿地平面高度方向的變化規律，借助空氣動(dòng)力學(xué)理論和風(fēng)場(chǎng)測量數據。

四、結束語(yǔ)

    基于力控®ForceControl& 6.1監控組態(tài)軟件而搭建的這個(gè)風(fēng)電場(chǎng)各項監控、監測數據信息共享、交換、傳輸平臺，能夠滿(mǎn)足國家電力系統二次防護要求。在進(jìn)行遠程數據采集和控制時(shí)，保證風(fēng)電廠(chǎng)數據的實(shí)時(shí)性和可靠性。通過(guò)風(fēng)能特性模型實(shí)時(shí)調整風(fēng)能的最優(yōu)性，能夠為生產(chǎn)廠(chǎng)商提供優(yōu)質(zhì)監控解決方案，為祖國風(fēng)電綠色能源事業(yè)保駕護航。





                                                                                  摘自中國工控網(wǎng)