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作者簡介：范廣輝（1983-），工程師，本科，研究方向?yàn)閷?shí)時數(shù)據(jù)庫OEE算法。
摘 要：風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，風(fēng)能推動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪帶動轉(zhuǎn)動軸和增速機(jī)，增速機(jī)帶動發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)通過輸電電纜將電能輸送地面控制系統(tǒng)和負(fù)荷。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)多學(xué)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(fēng)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(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)電機(jī)組及電力傳輸?shù)淖詣颖O(jiān)控。
關(guān)鍵詞：風(fēng)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(diǎn)建設(shè)內(nèi)容，新能源主要包括水能、風(fēng)能、核能、地?zé)岷蜕锬茉础Ｔ?008年底，為了應(yīng)對金融危機(jī)，中國政府提出了新增4萬億投資及十大行業(yè)的振興計(jì)劃，特別將加強(qiáng)新能源建設(shè)。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，可開發(fā)的裝機(jī)容量約253億千瓦，居世界首位，相信不久的將來，風(fēng)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(fēng)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(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)電機(jī)組及電力傳輸?shù)淖詣颖O(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造過程中，機(jī)組物理距離、現(xiàn)場電磁干擾等該行業(yè)獨(dú)有的特點(diǎn)成為了考驗(yàn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)
一般來說，整個風(fēng)電場包括眾多風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，分布在發(fā)電田中。發(fā)電機(jī)組頂部的渦輪發(fā)電機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)電，前端是可調(diào)整角度的風(fēng)葉，系統(tǒng)可以根據(jù)不同的風(fēng)力狀況來調(diào)整風(fēng)葉的傾斜度。風(fēng)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(jī)。每臺發(fā)電機(jī)組都配備一個由工控機(jī)和PLC組成的控制箱。PLC負(fù)責(zé)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(zhuǎn)速和其他相關(guān)數(shù)據(jù)。通過偵測風(fēng)向，控制系統(tǒng)便會調(diào)整齒輪，使風(fēng)葉轉(zhuǎn)向適當(dāng)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(jī)組都連接在同一個局域網(wǎng)中，各個發(fā)電機(jī)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(yuǎn)程控制站相連形成一個冗余環(huán)網(wǎng)。遠(yuǎn)程控制站采用紫金橋前置數(shù)據(jù)采集軟件RealScada實(shí)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(jī)組參數(shù)，并向操作人員和維護(hù)人員提供報警信息。同時負(fù)責(zé)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(shí)現(xiàn)對全局?jǐn)?shù)據(jù)的管理和上層應(yīng)用。
圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.2 風(fēng)力發(fā)電配電系統(tǒng)
與火電和水電相比，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電站提供專用的配電電源，特別是在風(fēng)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(fēng)電場的推出，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)將發(fā)揮更大作用。
1.3 風(fēng)力發(fā)電電能傳輸系統(tǒng)
整體解決方案還包括風(fēng)電機(jī)組將電力系統(tǒng)傳輸?shù)诫娏偩€上的傳輸監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)功能
基于紫金橋軟件的風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控解決方案實(shí)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(jī)操作員站（紫金橋數(shù)據(jù)采集控制計(jì)算機(jī)，以下簡稱控制站），實(shí)現(xiàn)整個風(fēng)場某風(fēng)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(shí)現(xiàn)如下功能：
（1）數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制站可提取PLC采集到的數(shù)據(jù)，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(zhuǎn)速，系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)行實(shí)時顯示（各機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如每臺機(jī)組的瞬時發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量、發(fā)電小時數(shù)、風(fēng)輪及電機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速、風(fēng)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(jī)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(shí)現(xiàn)。
（3）報警系統(tǒng)：系統(tǒng)能夠及時顯示風(fēng)電組運(yùn)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(fēng)電機(jī)組的安全和持續(xù)運(yùn)行。例如為了提高安全性所有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都安裝了防雷電系統(tǒng)，當(dāng)塔身濕度超標(biāo)時系統(tǒng)進(jìn)行報警，并自動開啟除濕裝置，嚴(yán)重超標(biāo)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(jī)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(dāng)電壓超標(biāo)的情況下，系統(tǒng)自動開啟變壓裝置，當(dāng)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(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，還可以對設(shè)備進(jìn)行操作，如開停機(jī)組、手/自動控制以及大/小發(fā)電機(jī)工作等情況，通過各風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)了解整個風(fēng)電場的運(yùn)行情況。
（6）電力管理：系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)集中控制。并對發(fā)電電力進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)電時間，累計(jì)發(fā)電等，值班員在集中控制室內(nèi)，只需對標(biāo)明某種功能的相應(yīng)鍵進(jìn)行操作，就能對下位機(jī)進(jìn)行改變設(shè)置狀態(tài)和對其實(shí)施控制。如開機(jī)、停機(jī)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(fēng)電場的運(yùn)行安全。
（7）動態(tài)增加機(jī)組：系統(tǒng)提供動態(tài)增加機(jī)組功能，真正實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時動態(tài)增加、修改、刪除風(fēng)電機(jī)組，極大的提高了系統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)行的連續(xù)性和穩(wěn)定性。動態(tài)增加機(jī)組需要具有操作權(quán)限的人方可操作。
3 風(fēng)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(fēng)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(jī)系統(tǒng)、無刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、同步異步變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等。這種變速恒頻系統(tǒng)有的是通過改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的；有的則是發(fā)電機(jī)與電力電子裝置、微機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的。它們各有其特點(diǎn)，適用場合也不一樣。為了充分利用不同風(fēng)速時的風(fēng)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(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(jī)原理
多級變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由2臺發(fā)電機(jī)（發(fā)電機(jī)1和發(fā)電機(jī)2）、控制系統(tǒng)和變速機(jī)3部分組成，其技術(shù)原理如圖2所示。大功率的發(fā)電機(jī)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(jī)1的定子繞組相連。
大功率的發(fā)電機(jī)2只有在風(fēng)速較大（風(fēng)機(jī)輸入功率較大）時才和變速機(jī)聯(lián)接運(yùn)行。發(fā)電機(jī)2輸出的電流頻率不僅和轉(zhuǎn)子的機(jī)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(jī)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(diǎn)簡稱為“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(jī)極對數(shù)及大小2個發(fā)電機(jī)的相互配合，達(dá)到在4個風(fēng)速點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大利用，根據(jù)統(tǒng)計(jì)如果變速恒頻風(fēng)力發(fā)電在整個工作風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)能利用量為1個單位，則四級變速風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能利用量能達(dá)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(jī)原理圖
3.3 雙饋電機(jī)的控制
雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應(yīng)電機(jī)，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(fēng)力發(fā)電機(jī)組都包括作為原動機(jī)的風(fēng)力機(jī)和將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電機(jī)。其中，作為原動機(jī)的風(fēng)力機(jī)，其效率在很大程度上決定了整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率，而風(fēng)力機(jī)的效率又在很大程度上取決于其負(fù)荷是否處于最佳狀態(tài)。不管一個風(fēng)力機(jī)是如何精細(xì)地設(shè)計(jì)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(fēng)力機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速及負(fù)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(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，達(dá)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(jī)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