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一、引言

　　風(fēng)能作為一種綠色環(huán)保新興能源一躍成為現(xiàn)代能源的關(guān)注點(diǎn)，出于保護(hù)環(huán)境的考慮以及全球能源短缺的現(xiàn)狀，風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。隨著風(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(jì)性上已經(jīng)能夠與核能發(fā)電、水力發(fā)電展開競(jìng)爭。當(dāng)前，我國面臨電力短缺局面，煤電仍占電力行業(yè)的主導(dǎo)地位，因環(huán)境承載力限制及各種因素導(dǎo)致的煤炭短缺局面，煤電發(fā)展受到制約。風(fēng)能是干凈的自然能源，沒有常規(guī)能源（煤電、油電）或核電會(huì)造成環(huán)境污染的問題。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(jī)遇。

二、監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和概述

　　風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)具有機(jī)組布置范圍廣闊、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)專為中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)，涉及了當(dāng)前國內(nèi)先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)分析和控制策略軟件技術(shù)，系統(tǒng)利用力控科技監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl進(jìn)行二次開發(fā)，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)原理圖如下：

　　所有風(fēng)電機(jī)組通過光纖以太網(wǎng)連接至主控室的上位機(jī)操作員站，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控整個(gè)風(fēng)場(chǎng)，上位機(jī)監(jiān)控軟件具有如下功能:

　?、?nbsp;系統(tǒng)具有友好的控制界面。在編制監(jiān)控組態(tài)軟件時(shí)，充分考慮到風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理的要求，使用漢語菜單，操作簡單，盡可能為風(fēng)電場(chǎng)的管理提供便利。

　?、?nbsp;系統(tǒng)顯示各臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)。如每臺(tái)機(jī)組的瞬時(shí)發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量、發(fā)電小時(shí)數(shù)、風(fēng)輪及電機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速、風(fēng)向等，將下位機(jī)的數(shù)據(jù)調(diào)入上位機(jī)并顯示，必要時(shí)還可以用曲線或圖表的形式直觀地顯示出來。

　?、?nbsp;系統(tǒng)顯示各風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。如開機(jī)、停車、調(diào)向、手/自動(dòng)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(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行情況。

　　④ 系統(tǒng)能夠及時(shí)顯示各機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生的故障。顯示故障類型及發(fā)生時(shí)間，以便運(yùn)行人員及時(shí)處理及消除故障，保證風(fēng)電機(jī)組安全和持續(xù)運(yùn)行。

　?、?nbsp;系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)集中控制。值班員在集中控制室內(nèi)，只需對(duì)標(biāo)明某種功能的相應(yīng)鍵進(jìn)行操作，就能改變下位機(jī)設(shè)置狀態(tài)和對(duì)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(shí)具有權(quán)限管理，以保證整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行安全。

　?、?nbsp;系統(tǒng)管理。監(jiān)控軟件具有運(yùn)行數(shù)據(jù)的定時(shí)打印、人工即時(shí)打印、故障自動(dòng)記錄的功能，以便隨時(shí)查看風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀況的歷史記錄情況。

三、監(jiān)控系統(tǒng)功能

1、數(shù)據(jù)采集功能：

　　機(jī)組運(yùn)行過程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)的相關(guān)參數(shù)包括：

　　（1）電網(wǎng)參數(shù)：電網(wǎng)三相電壓、三相電流、電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)等。電壓故障檢測(cè)：電網(wǎng)電壓閃變、過電壓、低電壓、電壓跌落、相序故障、三相不對(duì)稱等。

　?。?）氣象參數(shù)：風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度等。

　?。?）機(jī)組狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)：風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)線圈溫度、發(fā)電機(jī)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(tǒng)油溫、油壓、油位、機(jī)艙振動(dòng)、電纜紐轉(zhuǎn)、機(jī)艙溫度等。

2、機(jī)組控制功能：

　?。?）主控系統(tǒng)檢測(cè)電網(wǎng)參數(shù)、氣象參數(shù)、機(jī)組運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)條件滿足時(shí)，啟動(dòng)偏航系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)解纜、對(duì)風(fēng)控制，釋放機(jī)組的剎車盤，調(diào)節(jié)槳距角度，風(fēng)車開始自由轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

　?。?）當(dāng)外部氣象系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的風(fēng)速大于某一定值時(shí)，主控系統(tǒng)啟動(dòng)變流器系統(tǒng)開始進(jìn)行轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，待發(fā)電機(jī)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(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

　　（3）風(fēng)力機(jī)組功率、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)根據(jù)風(fēng)力機(jī)特性，當(dāng)機(jī)組處于最佳葉尖速比λ運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)機(jī)組將捕獲得最大的能量，雖理論上機(jī)組轉(zhuǎn)速可在任意轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，但受實(shí)際機(jī)組轉(zhuǎn)速限制、系統(tǒng)功率限制，不得不將該階段分為以下幾個(gè)運(yùn)行區(qū)域：即變速運(yùn)行區(qū)域、恒速運(yùn)行區(qū)域和恒功率運(yùn)行區(qū)。額定功率內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)包括：變速運(yùn)行區(qū)（最佳的λ）和恒速運(yùn)行區(qū)。當(dāng)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后，轉(zhuǎn)速小于極限轉(zhuǎn)速、功率低于額定功率時(shí)，根據(jù)當(dāng)前實(shí)際風(fēng)速，調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，使機(jī)組工作處于捕獲最大風(fēng)能的狀態(tài)。由于風(fēng)速儀測(cè)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(zhuǎn)距觀測(cè)器來預(yù)測(cè)風(fēng)力機(jī)組的機(jī)械傳動(dòng)轉(zhuǎn)距，在通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距的對(duì)應(yīng)關(guān)系推出轉(zhuǎn)速。

　　ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速期望值 = 開方（Tm為轉(zhuǎn)距的觀測(cè)值 / Kopt為最佳轉(zhuǎn)速時(shí)的比例常數(shù)）

　　當(dāng)風(fēng)速增加使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到上限后，主控制器需維持轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)力機(jī)組發(fā)出的電功率隨風(fēng)速的增加而增加，此時(shí)機(jī)組偏離了風(fēng)力機(jī)的最佳λ曲線運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加，使轉(zhuǎn)速、功率都達(dá)到上限后，進(jìn)入恒功率運(yùn)行區(qū)運(yùn)行，此狀態(tài)下主控通過變流器，維持機(jī)組的功率恒定，主控制器一方面通過槳距系統(tǒng)的調(diào)節(jié)減少風(fēng)力攻角，減少葉片對(duì)風(fēng)能的捕獲；另一方面通過變流器降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速節(jié)，使風(fēng)力機(jī)組偏離最佳λ曲線運(yùn)行，維持穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)輸出功率。

　　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(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(jī)所處的地理位置，氣候變化也會(huì)產(chǎn)生一定影響，對(duì)于特定風(fēng)機(jī)而言，風(fēng)密度可以直接取自測(cè)量數(shù)據(jù)，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(jī)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(jī)變量。若不考慮風(fēng)的方向性，風(fēng)速是其空間坐標(biāo)位置和時(shí)間的函數(shù)，即v=f(x,y,z,t)。將描述某一區(qū)域風(fēng)速的空域、時(shí)域分布變化特性的模型又稱為風(fēng)場(chǎng)模型（Wind Field Model）。各空間位置上的風(fēng)速因風(fēng)的隨機(jī)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(duì)平坦、周邊空曠，則基本可以認(rèn)為在同一高度層上整個(gè)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)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化為沿高度方向變化的一維模型。對(duì)于空間分布廣，且地形復(fù)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(qū)域，針對(duì)不同區(qū)域的風(fēng)能特點(diǎn)建立簡化的一維空間模型，形成分段集總式一維模型。風(fēng)速空域模型轉(zhuǎn)化為研究風(fēng)速沿地平面高度方向的變化規(guī)律，借助空氣動(dòng)力學(xué)理論和風(fēng)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。

四、結(jié)束語

　　基于力控監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl 搭建的風(fēng)電場(chǎng)各項(xiàng)監(jiān)控、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息共享、交換、傳輸平臺(tái)，能夠滿足國家電力系統(tǒng)二次防護(hù)要求。在進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制時(shí)，保證風(fēng)電廠數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。通過風(fēng)能特性模型實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)能的最優(yōu)性，能夠?yàn)樯a(chǎn)廠商提供優(yōu)質(zhì)監(jiān)控解決方案，為祖國風(fēng)電綠色能源事業(yè)發(fā)展保駕護(hù)航。