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作者簡(jiǎn)介：范廣輝（1983-），工程師，本科，研究方向為實(shí)時(shí)數據庫OEE算法。
摘 要：風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉換成電能，風(fēng)能推動(dòng)葉輪旋轉，葉輪帶動(dòng)轉動(dòng)軸和增速機，增速機帶動(dòng)發(fā)電機，發(fā)電機通過(guò)輸電電纜將電能輸送地面控制系統和負荷。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是一項多學(xué)科的，可持續發(fā)展的，綠色環(huán)保的綜合技術(shù)。在信息化與自動(dòng)化融合的今天，風(fēng)力電廠(chǎng)的自動(dòng)監控平臺自然離不開(kāi)軟件的支撐，基于此，本文提出了基于紫金橋軟件的風(fēng)電機組監控系統解決方案，實(shí)現了對風(fēng)電機組及電力傳輸的自動(dòng)監控。
關(guān)鍵詞：風(fēng)電監控；自動(dòng)調節；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(zhù)地球常規資源的日益匱乏，新能源逐漸被各國政府列為了未來(lái)重點(diǎn)建設內容，新能源主要包括水能、風(fēng)能、核能、地熱和生物能源。在2008年底，為了應對金融危機，中國政府提出了新增4萬(wàn)億投資及十大行業(yè)的振興計劃，特別將加強新能源建設。作為新能源的代表風(fēng)電將在今后五到十年里被重點(diǎn)扶植。我國風(fēng)能資源豐富，儲量32億千瓦，可開(kāi)發(fā)的裝機容量約253億千瓦，居世界首位，相信不久的將來(lái)，風(fēng)力發(fā)電將成為中國主要的供電來(lái)源之一。
在信息化與自動(dòng)化融合的今天，風(fēng)力電廠(chǎng)的自動(dòng)監控平臺自然離不開(kāi)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實(shí)時(shí)數據庫的風(fēng)電機組監控系統解決方案，實(shí)現了對風(fēng)電機組及電力傳輸的自動(dòng)監控。網(wǎng)絡(luò )構造過(guò)程中，機組物理距離、現場(chǎng)電磁干擾等該行業(yè)獨有的特點(diǎn)成為了考驗不同廠(chǎng)商工業(yè)以太網(wǎng)設備性能的關(guān)鍵。
1 系統組成
1.1 風(fēng)力發(fā)電機組系統
一般來(lái)說(shuō)，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)包括眾多風(fēng)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，前端是可調整角度的風(fēng)葉，系統可以根據不同的風(fēng)力狀況來(lái)調整風(fēng)葉的傾斜度。風(fēng)葉的軸與一個(gè)齒輪箱相連，齒輪箱完成提升轉速來(lái)驅動(dòng)發(fā)電機。每臺發(fā)電機組都配備一個(gè)由工控機和PLC組成的控制箱。PLC負責采集風(fēng)速、風(fēng)向及與此相關(guān)的空氣壓力、空氣溫度和空氣濕度，軸轉速和其他相關(guān)數據。通過(guò)偵測風(fēng)向，控制系統便會(huì )調整齒輪，使風(fēng)葉轉向適當角度以充分利用風(fēng)能進(jìn)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(gè)局域網(wǎng)中，各個(gè)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(gè)冗余環(huán)網(wǎng)。遠程控制站采用紫金橋前置數據采集軟件RealScada實(shí)現數據采集和監控，并分析搜集到的數據，從而調整發(fā)電機組參數，并向操作人員和維護人員提供報警信息。同時(shí)負責將搜集到的數據向上傳輸到數據中心服務(wù)器，實(shí)現對全局數據的管理和上層應用。
圖1 風(fēng)力發(fā)電機組系統結構圖
1.2 風(fēng)力發(fā)電配電系統
與火電和水電相比，風(fēng)力發(fā)電站的配套設施較少，用電設備也少，所以一般很少給風(fēng)力發(fā)電站提供專(zhuān)用的配電電源，特別是在風(fēng)力發(fā)電的塔筒內，都是由塔筒內部690V母線(xiàn)經(jīng)過(guò)降壓變壓器降壓后得到配電電源，供照明以及監測設備等一些用電器使用。
另外隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人值班風(fēng)電場(chǎng)的推出，遠程監控系統將發(fā)揮更大作用。
1.3 風(fēng)力發(fā)電電能傳輸系統
整體解決方案還包括風(fēng)電機組將電力系統傳輸到電力總線(xiàn)上的傳輸監控系統，實(shí)現實(shí)時(shí)的數據顯示及數據報表、趨勢分析等。
2 系統實(shí)現功能
基于紫金橋軟件的風(fēng)電機組監控解決方案實(shí)現了設備層數據的采集并通過(guò)光纖以太網(wǎng)傳輸至主控室的上位機操作員站（紫金橋數據采集控制計算機，以下簡(jiǎn)稱(chēng)控制站），實(shí)現整個(gè)風(fēng)場(chǎng)某風(fēng)田區域的監控，并能為中心服務(wù)器提供數據支持，系統為分布式系統。系統軟件部分實(shí)現如下功能：
（1）數據采集：系統遠程控制站可提取PLC采集到的數據，包括風(fēng)速、風(fēng)向及與此相關(guān)的空氣壓力、空氣溫度和空氣濕度，軸轉速，系統運行時(shí)間和其他相關(guān)數據，并保存留檔。這部分工作主要在控制站完成。
（2）圖形界面：系統對采集到的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示（各機組的運行數據，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），顯示方式有圖形界面、曲線(xiàn)、報表、數字值等形式，界面直觀(guān)、操作簡(jiǎn)單，不同機組采用樹(shù)形導航切換。圖形界面在控制站和中心服務(wù)器都得以實(shí)現。
（3）報警系統：系統能夠及時(shí)顯示風(fēng)電組運行過(guò)程中發(fā)生的故障，包括故障前的預警，系統可顯示故障的發(fā)生時(shí)間及故障類(lèi)型，通過(guò)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(shí)處理及消除故障，保證風(fēng)電機組的安全和持續運行。例如為了提高安全性所有的風(fēng)力發(fā)電機都安裝了防雷電系統，當塔身濕度超標時(shí)系統進(jìn)行報警，并自動(dòng)開(kāi)啟除濕裝置，嚴重超標需人為操作時(shí)提前告知操作員。
（4）故障處理：系統提供故障處理機制，通過(guò)預先設置處理辦法，解決一些容易出現的常規問(wèn)題，例如當電壓超標的情況下，系統自動(dòng)開(kāi)啟變壓裝置，當調節到正常值后，變壓裝置自動(dòng)關(guān)閉。在顯示故障時(shí)，能顯示出故障的類(lèi)型及發(fā)生時(shí)間，并提供多種的提示方式。
（5）設備管理：系統除了可以對各風(fēng)電機組的運行狀態(tài)進(jìn)行數據顯示，還可以對設備進(jìn)行操作，如開(kāi)停機組、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。
（6）電力管理：系統能夠對風(fēng)電機組實(shí)現集中控制。并對發(fā)電電力進(jìn)行監控，發(fā)電時(shí)間，累計發(fā)電等，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。
（7）動(dòng)態(tài)增加機組：系統提供動(dòng)態(tài)增加機組功能，真正實(shí)現運行時(shí)動(dòng)態(tài)增加、修改、刪除風(fēng)電機組，極大的提高了系統監控運行的連續性和穩定性。動(dòng)態(tài)增加機組需要具有操作權限的人方可操作。
3 風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)參數
3.1 變速恒頻系統
可用于風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻系統有多種：如交一直一交變頻系統、交流勵磁發(fā)電機系統、無(wú)刷雙饋電機系統、開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機系統、磁場(chǎng)調制發(fā)電機系統、同步異步變速恒頻發(fā)電機系統等。這種變速恒頻系統有的是通過(guò)改造發(fā)電機本身結構而實(shí)現變速恒頻的；有的則是發(fā)電機與電力電子裝置、微機控制系統相結合而實(shí)現變速恒頻的。它們各有其特點(diǎn)，適用場(chǎng)合也不一樣。為了充分利用不同風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能，應該對各種變速恒頻技術(shù)做深入的研究，盡快開(kāi)發(fā)出實(shí)用的、適合于風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻技術(shù)。
3.2 四級變速風(fēng)力發(fā)電機原理
多級變速風(fēng)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，轉子繞組經(jīng)控制系統與小功率的發(fā)電機1的定子繞組相連。
大功率的發(fā)電機2只有在風(fēng)速較大（風(fēng)機輸入功率較大）時(shí)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子的機械轉速有關(guān)，還和輸入轉子繞組的電流頻率有關(guān)，具有將轉子的機械旋轉頻率和轉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(diǎn)簡(jiǎn)稱(chēng)為“合頻”特性。
四級變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)利用改變發(fā)電機極對數及大小2個(gè)發(fā)電機的相互配合，達到在4個(gè)風(fēng)速點(diǎn)都能實(shí)現風(fēng)能最大利用，根據統計如果變速恒頻風(fēng)力發(fā)電在整個(gè)工作風(fēng)速范圍內風(fēng)能利用量為1個(gè)單位，則四級變速風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能利用量能達到80%左右，恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能利用量約為40%。
圖2 多級變速風(fēng)力發(fā)電機原理圖
3.3 雙饋電機的控制
雙饋電機的結構類(lèi)似于繞線(xiàn)式感應電機，定子繞組也由具有固定頻率的對稱(chēng)三相電源激勵，所不同的是轉子繞組具有可調節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(gè)風(fēng)力發(fā)電機組都包括作為原動(dòng)機的風(fēng)力機和將機械能轉變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電機。其中，作為原動(dòng)機的風(fēng)力機，其效率在很大程度上決定了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機組的效率，而風(fēng)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(gè)風(fēng)力機是如何精細地設計和施工建造，若它處于過(guò)載或久載的狀態(tài)下，都會(huì )損失其效率。從風(fēng)力機的氣動(dòng)曲線(xiàn)可以看出，存在一個(gè)最佳周速比λ，對應一個(gè)最佳的效率。所以風(fēng)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(wú)功功率的要求，所以風(fēng)力機最佳工況時(shí)的轉速應由其氣動(dòng)曲線(xiàn)及電網(wǎng)的功率指令綜合得出。也就是說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電機的轉速隨風(fēng)速及負荷的變化應及時(shí)作出相應的調整，依靠轉子動(dòng)能的變化，吸收或釋放功率，減少對電網(wǎng)的擾動(dòng)。通過(guò)變頻器控制器對逆變電路中功率器件的控制?？梢愿淖冸p饋發(fā)電機轉子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，達到調節其轉速、有功功率和無(wú)功功率的目的，既提高了機組的效率，又對電網(wǎng)起到穩頻、穩壓的作用。
——轉自《自動(dòng)化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號