大型風電場及風電機組的控制系統(tǒng)

1 前言

隨著煤碳、石油等能源的逐漸枯竭，人類越來越重視可再生能源的利用。而風力發(fā)電是可再生能源中最廉價、最有希望的能源，并且是一種不污染環(huán)境的“綠色能源”。目前國外數(shù)百千瓦級的大型風電機組已經(jīng)商品化，兆瓦級的風力發(fā)電機組也即將商品化。全世界風電裝機總?cè)萘恳殉^1000萬千瓦，單位千瓦造價為1000美元，發(fā)電成本為5美分/千瓦時，已經(jīng)具有與火力發(fā)電相競爭的能力。

我國的風能資源豐富，理論儲量為16億kW，實際可利用2.5億kW，有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?995年初，國家計委、科委、經(jīng)貿(mào)委聯(lián)合發(fā)表了《中國新能源和可再生能源發(fā)展綱要（1996～2010）》。1996年3月，國家計委又制定了以國產(chǎn)化帶動產(chǎn)業(yè)化的風電發(fā)展計劃，即有名的“乘風計劃”，為我國風力發(fā)電技術(shù)國產(chǎn)化指明了方向，創(chuàng)造了條件。同時，我國也是利用風能資源進行風力發(fā)電、風力提水較早的國家，到1996年底，我國小型風力發(fā)電機組保有量達15萬臺，年生產(chǎn)能力為3萬臺，均居世界首位。

2 風力發(fā)電機組的類型

2.1 恒速恒頻與變速恒頻

在風力發(fā)電中，當風力發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻即在風力發(fā)電過程中，保持風車的轉(zhuǎn)速（也即發(fā)電機的轉(zhuǎn)速）不變，從而得到恒頻的電能。在風力發(fā)電過程中讓風車的轉(zhuǎn)速隨風速而變化，而通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。

2.2 兩種類型機組的性能比較

由于風能與風速的三次方成正比，當風速在一定范圍變化時，如果允許風車做變速運動，則能達到更好利用風能的目的。風車將風能轉(zhuǎn)換成機械能的效率可用輸出功率系數(shù)CP來表示，CP在某一確定的風輪周速比λ（槳葉尖速度與風速之比）下達到最大值。恒速恒頻機組的風車轉(zhuǎn)速保持不變，而風速又經(jīng)常在變化，顯然CP不可能保持在最佳值。變速恒頻機組的特點是風車和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風車的轉(zhuǎn)速可變，可以通過適當?shù)目刂?，使風車的周速比處于或接近最佳值，從而最大限度地利用風能發(fā)電。

2.3 恒速恒頻機組的特點

目前，在風力發(fā)電系統(tǒng)中采用最多的異步發(fā)電機屬于恒速恒頻發(fā)電機組。為了適應(yīng)大小風速的要求，一般采用兩臺不同容量、不同極數(shù)的異步發(fā)電機，風速低時用小容量發(fā)電機發(fā)電，風速高時則用大容量發(fā)電機發(fā)電，同時一般通過變槳距系統(tǒng)改變槳葉的攻角以調(diào)整輸出功率。但這也只能使異步發(fā)電機在兩個風速下具有較佳的輸出系數(shù)，無法有效地利用不同風速時的風能。

2.4 變速恒頻系統(tǒng)的實現(xiàn)

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 恒速恒頻風電機組的控制

3.1 風電機組的軟啟動并網(wǎng)

在風電機組啟動時，控制系統(tǒng)對風速的變化情況進行不間斷的檢測，當10分鐘平均風速大于起動風速時，控制風電機組作好切入電網(wǎng)的一切準備工作:松開機械剎車，收回葉尖阻尼板，風輪處于迎風方向?？刂葡到y(tǒng)不間斷地檢測各傳感器信號是否正常，如液壓系統(tǒng)壓力是否正常，風向是否偏離，電網(wǎng)參數(shù)是否正常等。如10分鐘平均風速仍大于起動風速，則檢測風輪是否已開始轉(zhuǎn)動，并開啟晶閘管限流軟起動裝置快速起動風輪機，并對起動電流進行控制，使其不超過最大限定值。異步風力發(fā)電機在起動時，由于其轉(zhuǎn)速很小，切入電網(wǎng)時其轉(zhuǎn)差率很大，因而會產(chǎn)生相當于發(fā)電機額定電流的5～7倍的沖擊電流，這個電流不僅對電網(wǎng)造成很大的沖擊，也會影響風電機組的壽命。因此在風電機組并網(wǎng)過程中采取限流軟起動技術(shù)，以控制起動電流。當發(fā)電機達到同步轉(zhuǎn)速時電流驟然下降，控制器發(fā)出指令，將晶閘管旁路。晶閘管旁路后，限流軟起動控制器自動復(fù)位，等待下一次起動信號。這個起動過程約40S左右，若超過這個時間，被認為是起動失敗，發(fā)電機將被切出電網(wǎng)，控制器根據(jù)檢測信號，確定機組是否重新起動。

異步風電機組也可在起動時轉(zhuǎn)速低于同步速時不并網(wǎng)，等接近或達到同步速時再切入電網(wǎng)，則可避免沖擊電流，也可省掉晶閘管限流軟啟動器。

3.2 大小發(fā)電機的切換控制

在風電機組運行過程中，因風速的變化而引起發(fā)電機的輸出功率發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)發(fā)電機輸出功率的變化對大小發(fā)電機進行自動切換，從而提高風電機組的效率。具體控制方法為:

（1） 小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換

在小發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電期間，控制系統(tǒng)對其輸出功率進行檢測，若1秒鐘內(nèi)瞬時功率超過小發(fā)電機額定功率的20%，或2分鐘內(nèi)的平均功率大于某一定值時，則實現(xiàn)小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換。切換過程為:首先切除補償電容，然后小發(fā)電機脫網(wǎng)，等風輪自由轉(zhuǎn)動到一定速度后，再實現(xiàn)大發(fā)電機的軟并網(wǎng);若在切換過程中風速突然變小，使風輪轉(zhuǎn)速反而降低的情況下，應(yīng)再將小發(fā)電機軟并網(wǎng)，重新實現(xiàn)小發(fā)電機并網(wǎng)運行。

（2） 大發(fā)電機向小發(fā)電機的切換

檢測大發(fā)電機的輸出功率，若2分鐘內(nèi)平均功率小于某一設(shè)定值（此值應(yīng)小于小發(fā)電機的額定功率）時，或50S瞬時功率小于另一更小的設(shè)定值時，立即切換到小發(fā)電機運行。切換過程為:切除大發(fā)電機的補償電容器，脫網(wǎng)，然后小發(fā)電機軟并網(wǎng)，計時20S，測量小發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，若20S后未達到小發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速，則停機，控制系統(tǒng)復(fù)位，重新起動。若20S內(nèi)轉(zhuǎn)速已達到小發(fā)電機旁路轉(zhuǎn)速則旁路晶閘管軟起動裝置，再根據(jù)系統(tǒng)無功功率情況投入補償電容器。

3.3 變槳距控制方式及其改進

風力發(fā)電機并網(wǎng)以后，控制系統(tǒng)根據(jù)風速的變化，通過槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)，改變槳葉攻角以調(diào)整輸出電功率，更有效地利用風能。在額定風速以下時，此時葉片攻角在零度附近，可認為等同于定槳距風力發(fā)電機，發(fā)
電機的輸出功率隨風速的變化而變化。當風速達到額定風速以上時，變槳距機構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片的攻角，保證發(fā)電機的輸出功率在允許的范圍內(nèi)。

但是，由于自然界的風力變幻莫測。風速總是處在不斷地變化之中，而風能與風速之間成三次方的關(guān)系，風速的較小變化都將造成風能的較大變化，導致風力發(fā)電機的輸出功率處于不斷變化的狀態(tài)。對于變槳距風力發(fā)電機，當風速高于額定風速后，變槳距機構(gòu)為了限制發(fā)電機輸出功率，將調(diào)節(jié)槳距，以調(diào)節(jié)輸出功率。如果風速變化幅度大，頻率高，將導致變槳距機構(gòu)頻繁大幅度動作，使變槳距機構(gòu)容易損壞;同時，變槳距機構(gòu)控制的葉片槳距為大慣量系統(tǒng)，存在較大的滯后時間，槳距調(diào)節(jié)的滯后也將造成發(fā)電機輸出功率的較大波動，對電網(wǎng)造成一定的不良影響。

為了減小變槳距調(diào)節(jié)方式對電網(wǎng)的不良影響，可采用一種新的功率輔助調(diào)節(jié)方式-RCC（Rotor Current Control轉(zhuǎn)子電流控制）方式來配合變槳距機構(gòu)，共同完成發(fā)電機輸出功率的調(diào)節(jié)。RCC控制必須使用在線繞式異步發(fā)電機上，通過電力電子裝置，控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流，使普通異步發(fā)電機成為可變滑差發(fā)電機。RCC控制是一種快速電氣控制方式，用于克服風速的快速變化。采用了RCC控制的變槳距風力發(fā)電機，變槳距機構(gòu)主要用于風速緩慢上升或下降的情況，通過調(diào)整葉片攻角，調(diào)節(jié)輸出功率；RCC控制單元則應(yīng)用于風速變化較快的情況，當風速突然發(fā)生變化時，RCC單元調(diào)節(jié)發(fā)電機的滑差，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)變化，同時保持轉(zhuǎn)子電流不變，發(fā)電機的輸出功率也就保持不變。

3.4 無功補償控制

由于異步發(fā)電機要從電網(wǎng)吸收無功功率，使風電機組的功率因數(shù)降低。并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組一般要求其功率因數(shù)達到0.99以上，所以必須用電容器組進行無功補償。由于風速變化的隨機性，在達到額定功率前，發(fā)電機的輸出功率大小是隨機變化的，因此對補償電容的投入與切除需要進行控制。在控制系統(tǒng)中設(shè)有四組容量不同的補償電容，計算機根據(jù)輸出無功功率的變化，控制補償電容器分段投入或切除。保證在半功率點的功率因數(shù)達到0.99以上。

3.5 偏航與自動解纜控制

偏航控制系統(tǒng)有三個主要功能:

（1） 正常運行時自動對風。當機艙偏離風向一定角度時，控制系統(tǒng)發(fā)出向左或向右調(diào)向的指令，機艙開始對風，直到達到允許的誤差范圍內(nèi)，自動對風停止。

（2） 繞纜時自動解纜。當機艙向同一方向累計偏轉(zhuǎn)2.3圈后，若此時風速小于風電機組啟動風速且無功率輸出，則停機，控制系統(tǒng)使機艙反方向旋轉(zhuǎn)2.3圈解繞;若此時機組有功率輸出，則暫不自動解繞;若機艙繼續(xù)向同一方向偏轉(zhuǎn)累計達3圈時，則控制停機，解繞;若因故障自動解繞未成功，在扭纜達4圈時，扭纜機械開關(guān)將動作，此時報告扭纜故障，自動停機，等待人工解纜操作。

（3） 失速保護時偏離風向。當有特大強風發(fā)生時，停機，釋放葉尖阻尼板，槳距調(diào)到最大，偏航90o背風，以保護風輪免受損壞。

3.6 停車控制

停機過程分為正常停機和緊急停機。

（1） 正常停機

當控制器發(fā)出正常停機指令后，風電機組將按下列程序停機:

①　切除補償電容器;

②　釋放葉尖阻尼板;

③　發(fā)電機脫網(wǎng);

④　測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降到設(shè)定值后，投入機械剎車;

⑤　若出現(xiàn)剎車故障則收槳，機艙偏航900背風。

（2） 緊急故障停機

當出現(xiàn)緊急停機故障時，執(zhí)行如下停機操作:首先切除補償電容器，葉尖阻尼板動作，延時0.3秒后卡鉗閘動作。檢測瞬時功率為負或發(fā)電機轉(zhuǎn)速小于同步速時，發(fā)電機解列（脫網(wǎng)），若制動時間超過20S，轉(zhuǎn)速仍未降到某設(shè)定值，則收槳， 機艙偏航900背風。

停機如果是由于外部原因，例如風速過小或過大，或因電網(wǎng)故障，風電機組停機后將自動處于待機狀態(tài);如果是由于機組內(nèi)部故障，控制器需要得到已修復(fù)指令，才能進入待機狀態(tài)。

4 變速恒頻發(fā)電機組的控制

4.1　同步發(fā)電機交一直一交系統(tǒng)的控制

這種類型的風電機組采用同步發(fā)電機，發(fā)電機發(fā)出的電能的頻率、電壓、電功率都是隨著風速的變化而變化的，這樣有利于最大限度地利用風能資源，而恒頻恒壓并網(wǎng)的任務(wù)則由交一直一交系統(tǒng)完成。

（1） 風輪機的控制

風輪機的起動、控制、保護功能基本上與恒速恒頻機組相似，所不同的是這類機組一般采用定槳距風輪，因此省去了變槳距控制機構(gòu)。

（2） 發(fā)電機的控制

發(fā)電機的輸出功率由勵磁來控制。當輸出功率小于額定功率時，以固定勵磁運行;當輸出功率超過額定功率時，則通過調(diào)整勵磁來調(diào)整發(fā)電機的輸出功率在允許的安全范圍內(nèi)運行。勵磁的調(diào)整是由控制器調(diào)整勵磁系統(tǒng)晶閘管的導通角來實現(xiàn)的。

（3） 交-直-交變頻系統(tǒng)的控制

這里的變頻器的概念與普通變頻器的概念是不一樣的。普通變頻器是將電壓和頻率固定的市電（220/380V，50Hz），
變成頻率和電壓都可變的電源，以適應(yīng)各種用電器的需要，如果用于變頻調(diào)速系統(tǒng)，則電壓和頻率根據(jù)負載的要求不斷地改變。相反，這里的變頻器則是將風力發(fā)電機發(fā)出的電壓和頻率都在不斷改變的電能，變成頻率和電壓都穩(wěn)定（220/380V，50Hz）的電能，以便與電網(wǎng)的電壓及頻率相匹配，而使風電機組能并網(wǎng)運行。

所謂的“交-直-交”變頻，是變頻方式的一種，是將一種頻率和電壓的交流電整流成直流電，再通過微機控制電力電子器件，將直流電再逆變成某種頻率和電壓的交流電的變頻方式。

風力發(fā)電機發(fā)出的三相交流電，經(jīng)二極管三相全橋整流成直流電后，再由六只絕緣柵雙極型電力晶體管（IGBT），在控制和驅(qū)動電路的控制下，逆變成三相交流電并入電網(wǎng)。逆變器的控制一般采用SPWM-VVVF方式，即正弦波脈寬調(diào)制式變壓變頻方式。采用交-直-交系統(tǒng)的變頻裝置的容量較大，一般要選發(fā)電機額定功率的120%以上。

4.2　雙饋發(fā)電機的控制

目前的風電機組多采用恒速恒頻系統(tǒng)，發(fā)電機多采用同步電機或異步感應(yīng)電機。在風電機組向恒頻電網(wǎng)送電時，不需要調(diào)速，因為電網(wǎng)頻率將強迫控制風輪的轉(zhuǎn)速。在這種情況下，風力機在不同風速下維持或近似維持同一轉(zhuǎn)速。效率下降，被迫降低出力，甚至停機，這顯然是不可取的。與之不同的是，無論處于亞同步速或超同步速的雙饋發(fā)電機都可以在不同的風速下運行，其轉(zhuǎn)速可隨風速變化做相應(yīng)的調(diào)整，使風力機的運行始終處于最佳狀態(tài)，機組效率提高。同時，定子輸出功率的電壓和頻率卻可以維持不變，既可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（1） 雙饋電機的工作特性

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。

當雙饋電機定子對稱三相繞組由頻率為f1（f1=P?n1/60）的三相電源供電時，由于電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n＝（l-s）n1（s為轉(zhuǎn)差率，n1為氣隙中基波旋轉(zhuǎn)磁場的同步速率）。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的機電能量轉(zhuǎn)換，定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場應(yīng)保持相對靜止，即應(yīng)滿足:

ωR＝ω1-ω2

其中:ωR是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率;

ω1是定子電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場的角頻率;

ω2是轉(zhuǎn)子電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場的角頻率。

由此可得轉(zhuǎn)子供電頻率f2＝S?f1，此時定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場均以同步速n1旋轉(zhuǎn)，兩者保持相對靜止。

與同步電機相比，雙饋電機勵磁可調(diào)量有三個:一是與同步電機一樣，可以調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值;二是可以改變勵磁電流的頻率；三是可以改變勵磁電流的相位。通過改變勵磁頻率，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。這樣在負荷突然變化時，迅速改變電機的轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子的動能，釋放和吸收負荷，對電網(wǎng)的擾動遠比常規(guī)電機小。另外，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值和相位，可達到調(diào)節(jié)有功功率和無功功率的目的。而同步電機的可調(diào)量只有一個，即勵磁電流的幅值，所以調(diào)節(jié)同步電機的勵磁一般只能對無功功率進行補償。與之不同的是雙饋電機的勵磁除了可以調(diào)節(jié)電流幅值外，亦可以調(diào)節(jié)其相位，當轉(zhuǎn)子電流的相位改變時，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場在氣隙空間的位置就產(chǎn)生一個位移，改變了雙饋電機電勢與電網(wǎng)電壓向量的相對位置，也就改變了電機的功率角。所以雙饋電機不僅可調(diào)節(jié)無功功率，也可調(diào)節(jié)有功功率。一般來說，當電機吸收電網(wǎng)的無功功率時，往往功率角變大，使電機的穩(wěn)定性下降。而雙饋電機卻可通過調(diào)節(jié)勵磁電流的相位，減小機組的功率角，使機組運行的穩(wěn)定性提高，從而可多吸收無功功率，克服由于晚間負荷下降，電網(wǎng)電壓過高的困難。與之相比，異步發(fā)電機卻因需從電網(wǎng)吸收無功的勵磁電流，與電網(wǎng)并列運行后，造成電網(wǎng)的功率因數(shù)變壞。所以雙饋電機較同步電機和異步電機都有著更加優(yōu)越的運行性能。

（2） 風力發(fā)電中雙饋電機的控制

在風力發(fā)電中，由于風速變幻莫測，使對其的利用存在一定的困難。所以改善風力發(fā)電技術(shù)，提高風力發(fā)電機組的效率，最充分地利用風能資源，有著十分重要的意義。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?？梢愿淖冸p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。

整個控制系統(tǒng)可分為三個單元:轉(zhuǎn)速調(diào)整單元、有功功率調(diào)整單元、電壓調(diào)整單元（無功功率調(diào)整）。它們分別接受風速和轉(zhuǎn)速、有功功率、無功功率指令，并產(chǎn)生一個綜合信號，送給勵磁控制裝置，改變勵磁電流的幅值、頻率與相位角，以滿足系統(tǒng)的要求。由于雙饋電機既可調(diào)節(jié)有功功率，又可調(diào)節(jié)無功功率，有風時，機組并網(wǎng)發(fā)電;無風時，也可作抑制電網(wǎng)頻率和電壓波動的補償裝置。

（3） 雙饋風力發(fā)電機組應(yīng)用前景廣闊

綜上所述，將雙饋電機應(yīng)用于風力發(fā)電中，可以解決風力機轉(zhuǎn)速不可調(diào)、機組效率低等問題。另外，由于雙饋電機對無功功率、有功功率均可調(diào)，對電網(wǎng)可起到穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的作用，提高發(fā)電質(zhì)量。與同步機交一直一交系統(tǒng)相比，還有變頻裝置容量?。ㄒ话銥榘l(fā)電機額定容量的10～20%）、重量輕的優(yōu)點，更適合于風力發(fā)電機組使用，同時也降低了造價。

將雙饋電機應(yīng)用于風力發(fā)電的設(shè)想，不僅在理論上成立，在技術(shù)上也是可行的。與現(xiàn)有的風力發(fā)電技術(shù)相比，無論從經(jīng)濟性，還是可靠性來看，都具有無可替代的優(yōu)勢，具有很強的競爭力，有利于風電機組國產(chǎn)化的進程，其發(fā)展前景十分廣闊。

5 大型風電場的計算機監(jiān)控系統(tǒng)

風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展將帶動大型風電場的建設(shè)。以大型風力發(fā)電機組組成的大型風電場，可為電網(wǎng)提供可再生的綠色能源，也可解決邊遠地區(qū)的能源供應(yīng)緊張形勢，大型風電場的運行管理己提上議事日程。目前，我國各大風電場在引進國外風力發(fā)電機組的同時，一般也都配有相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)。但各有自己的設(shè)計思路，致使風電場監(jiān)控技術(shù)互不兼容。如果一個風電場中有多種機型的風電機組的話，就會給風電場的運行管理造成很大困難。因此，國家計委在“九五”科技攻關(guān)計劃中實施對大型風電機組進行攻關(guān)的同時，也把風電場的監(jiān)控系統(tǒng)列入攻關(guān)計劃，以期開發(fā)出適合我國風電場運行管理的監(jiān)控系統(tǒng)。本文在對目前國內(nèi)幾個風電場監(jiān)控系統(tǒng)進行調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，提出我們的總體設(shè)計思路。

5.1 通訊方式

目前風電場所采用的風電機組都是以大型并網(wǎng)型機組為主，各機組有自己的控制系統(tǒng)，用來采集自然參數(shù)，機組自身數(shù)據(jù)及狀態(tài)，通過計算、分析、判斷而控制機組的啟動、停機、調(diào)向、剎車和開啟油泵等一系列控制和保護動作，能使單臺風力發(fā)電機組實現(xiàn)全部自動控制，無需人為干預(yù)。當這些性能優(yōu)良的風電機組安裝在某一風電場時，集中監(jiān)控管理各風電機組的運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)、保護裝置動作情況、故障類型等，十分重要。為了實現(xiàn)上述功能，下位機（機組控制機）控制系統(tǒng)應(yīng)能將機組的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和故障情況等通過專用的通訊裝置和接口電路與中央控制室的上位計算機通訊，同時上位機應(yīng)能向下位機傳達控制指令，由下位機的控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的動作，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。根據(jù)風電場運行的實際情況，上、下位機通訊有如下特點:

①　一臺上位機能監(jiān)控多臺風電機組的運行，屬于一對多通訊方式;

②　下位機應(yīng)能獨立運行，并能對上位機通訊;

③　上、下位機之間的安裝距離較遠，超過500m;

④　下位機之間的安裝距離也較遠，超過100m;

⑤　上、下位機之間的通訊軟件必須協(xié)調(diào)一致，并應(yīng)開發(fā)出工業(yè)控制專用功能。

為了適應(yīng)遠距離通訊的需要，目前國內(nèi)風電場所引進的監(jiān)控系統(tǒng)主要采用如下兩種通訊方式:

①　異步串行通訊，用RS-422或RS-485通訊接口。它的傳輸距離可達數(shù)千公里，傳輸速度也可達數(shù)百萬位。由于所用傳輸線較少，所以成本較低，很適合風電場監(jiān)控系統(tǒng)采用。同時因為此種通訊方式的通訊協(xié)議比較簡單，也很常用，所以成為較遠距離通訊的首選方式。

②　調(diào)制解調(diào)器（MODEM）方式。這是將數(shù)字信號調(diào)制成一種模擬信號，通過介質(zhì)傳輸?shù)竭h方，在遠方再用解調(diào)器將信號恢復(fù)，取出信息進行處理，是一種實現(xiàn)遠距離信號傳輸?shù)姆绞健４朔N傳輸方式的傳輸距離不受限制，可以將某地的信息與世界各地交換，且抗干擾能力較強，可靠性高，雖相對說來成本較高，但在風電機組通訊中也有較多的應(yīng)用。

（1） 上位機通訊接口的設(shè)計

在工業(yè)現(xiàn)場控制應(yīng)用中，通常采用工控PC機作為上位計算機，通過RS-232串行口與下位機通訊，構(gòu)成集散式監(jiān)控系統(tǒng)。但是，采用RS-232串行口進行數(shù)據(jù)通訊，其缺點是帶負載能力差，僅用于近距離（15m以內(nèi)）通訊，無法滿足分散的、遠距離的風電場監(jiān)控的通訊要求。無論是采用異步串行通訊方式還是調(diào)制解調(diào)方式，均要在PC機RS-232串行口的基礎(chǔ)上進行適當?shù)母倪M與擴展。

RS-232的電氣接口是單端的，雙極性電源供電系統(tǒng)，這種電路無法區(qū)分由驅(qū)動電
路產(chǎn)生的有用信號和外部引入的干擾信號，使傳輸速率和傳輸距離都受到限制；RS-422則采用平衡驅(qū)動和差分接收的方法，從根本上消除信號地線。當干擾信號作為共模信號出現(xiàn)時，接收器只接收差分輸入電壓，因而這種電路保證了較長的傳輸距離和較高的傳輸速率。兩者之間可用異步通訊用RS-232/422轉(zhuǎn)換接口板轉(zhuǎn)換。

（2） 下位機通訊接口的設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的下位機是指各風電機組的中心控制器。對于每臺風力發(fā)電機組來說，即使沒有上位機的參與，也能安全正確地工作。所以相對于整個監(jiān)控系統(tǒng)來說，下位機控制系統(tǒng)是一個子系統(tǒng)，具有在各種異常工況下單獨處理風電機組故障，保證風電機組安全穩(wěn)定運行的能力。從整個風電場的運行管理來說，每臺風電機組的下位控制器都應(yīng)具有與上位機進行數(shù)據(jù)交換的功能，使上位機能隨時了解下位機的運行狀態(tài)并對其進行常規(guī)的管理性控制，為風電場的管理提供方便。因此，下位機控制器必須使各自的風力發(fā)電機組可靠地工作，同時具有與上位機通訊聯(lián)系的專用通訊接口。

可編程控制器（PLC）具有功能齊全，可靠性高和編程方便的特點，在工業(yè)控制領(lǐng)域受到廣泛的歡迎。尤其是近年來，為了適應(yīng)現(xiàn)場控制要求及集散控制的要求，國外的PLC廠家紛紛推出與各自PLC相配套的通訊模塊，這些模塊提供了RS232/422適配器或RS-232接口與PC機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，并有專門的編程軟件，使軟件開發(fā)更加方便。因而，采用可編程控制器（PLC）作為風力發(fā)電機組的下位控制器，完全可以滿足風力發(fā)電機組控制和風電場監(jiān)控的要求。

5.3 抗干擾措施

風電場監(jiān)控系統(tǒng)的主要干擾源是:

①　工業(yè)干擾:高壓交流電場、靜電場、電弧、可控硅等;

②　自然界干擾:雷電沖擊、各種靜電放電、磁爆等;

③　高頻干擾:微波通訊、無線電信號、雷達等。

這些干擾通過直接輻射或由某些電氣回路傳導進入的方式進入控制系統(tǒng)，干擾控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。從干擾的種類來看，可分為交變脈沖干擾和單脈沖干擾兩種，它們均以電或磁的形式干擾系統(tǒng)，從而抗干擾措施應(yīng)從以下幾方面著手:

①　在機箱、控制柜的結(jié)構(gòu)上:對于上位機來說，要求機箱能有效地防止來自空間輻射的電磁干擾，而且盡可能將所有的電路、電子器件均安裝于機箱內(nèi)。還應(yīng)防止由電源進入的干擾，所以應(yīng)加入電源濾波環(huán)節(jié)，同時要求機箱有良好的接地和機房內(nèi)有良好的接地裝置。

②　通訊線路上:信號傳輸線路要求有較好的信號傳輸功能，衰減較小，而且不受外界電磁場的干擾，所以應(yīng)該使用屏蔽電纜。

③　通訊方式及電路上:不同的通訊方式對干擾的抵御能力不同。一般說來，風電場中上、下位機之間的距離不會超過幾千米，這種情況下經(jīng)常采用串行異步通訊方式，其接口形式采用RS-422A接口電路，采用平衡驅(qū)動、差分接收的方法，從根本上消除信號地線。這種驅(qū)動器相當于兩個單端驅(qū)動電路，輸入相同信號，輸出一個正向信號和一個反向信號，對共模干擾有較好的抑制作用。RS-422A串行通訊接口電路適合于點對點、一點對多點、多點對多點的總線型或星型網(wǎng)絡(luò)，它的發(fā)送和接收是分開的，所以組成雙工網(wǎng)絡(luò)非常方便，很適合于風電場監(jiān)控系統(tǒng)。

調(diào)制解調(diào)方式一般適用于遠距離傳輸，用于多站互聯(lián)，現(xiàn)在也有用于風電場監(jiān)控系統(tǒng)的例子。此種通訊方式的特點是采用平衡差分方式，是半雙工的，具有RS-422A的優(yōu)點。用一對雙絞線即可實現(xiàn)通訊，可節(jié)省電纜投資。但對于近距離通訊來說，RS-422A電路的串行通訊方式顯得更加經(jīng)濟一些。

5.4 監(jiān)控軟件的編制

監(jiān)控應(yīng)用軟件是根據(jù)具體對象來實施工業(yè)監(jiān)控而開發(fā)出的軟件，用在監(jiān)控系統(tǒng)中執(zhí)行監(jiān)視、控制生產(chǎn)過程和及時調(diào)整的應(yīng)用程序。對于風電場監(jiān)控系統(tǒng)，首先要顯示風電場整體及機組安裝的具體位置，而后要了解各臺機組之間的連接關(guān)系及每臺風電機組的運行情況。因此，風電場的監(jiān)控軟件應(yīng)具有如下功能:

①　友好的控制界面。在編制監(jiān)控軟件時，應(yīng)充分考慮到風電場運行管理的要求，應(yīng)當使用漢語菜單，使操作簡單，盡可能為風電場的管理提供方便。

②　能夠顯示各臺機組的運行數(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，將下位機的這些數(shù)據(jù)調(diào)入上位機，在顯示器上顯示出來，必要時還應(yīng)當用曲線或圖表的形式直觀地顯示出來。

③　顯示各風電機組的運行狀態(tài)，如開機、停車、調(diào)向、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，這對整個風電場的管理是十分重要的。

④　能夠及時顯示各機組運行過程中發(fā)生的故障。在顯示故障時，應(yīng)能顯示出故障的類型及發(fā)生時間，以便運行人員及時處理及消除故障，保證風電機組的安全和持續(xù)運行。

⑤　能夠?qū)︼L電機組實現(xiàn)集中控制。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。但這類操作必須有一定的權(quán)限，以保證整個風電場的運行安全。

⑥　系統(tǒng)管理。監(jiān)控軟件應(yīng)當具有運行數(shù)據(jù)的定時打印和人工即時打印以及故障自動記錄的功能，以便隨時查看風電場運行狀況的歷史記錄情況。

監(jiān)控軟件的開發(fā)應(yīng)盡可能在現(xiàn)有工業(yè)控制軟件的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，這樣可以縮短開發(fā)周期。同時，在軟件的編制過程申，應(yīng)當采用模塊化程序設(shè)計思想，有利于軟件的編制和總體調(diào)試。

6 結(jié)束語

風力發(fā)電技術(shù)已日趨成熟，在可再生的綠色能源的開發(fā)領(lǐng)域中占有突出的地位，具有重要的開發(fā)利用價值。尤其是在偏遠的山區(qū)、牧區(qū)和海島等地區(qū)，風力發(fā)電可為當?shù)鼐用竦纳詈蜕a(chǎn)提供潔凈的能源，緩解能源供應(yīng)緊張的局面。