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作者簡介：范廣輝（1983-），工程師，本科，研究方向為實時數據庫OEE算法。
摘 要：風力發電是將風能轉換成電能，風能推動葉輪旋轉，葉輪帶動轉動軸和增速機，增速機帶動發電機，發電機通過輸電電纜將電能輸送地面控制系統和負荷。風力發電技術是一項多學科的，可持續發展的，綠色環保的綜合技術。在信息化與自動化融合的今天，風力電廠的自動監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電機組監控系統解決方案，實現了對風電機組及電力傳輸的自動監控。
關鍵詞：風電監控；自動調節；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重點建設內容，新能源主要包括水能、風能、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4萬億投資及十大行業的振興計劃，特別將加強新能源建設。作為新能源的代表風電將在今后五到十年里被重點扶植。我國風能資源豐富，儲量32億千瓦，可開發的裝機容量約253億千瓦，居世界首位，相信不久的將來，風力發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，風力電廠的自動監控平臺自然離不開軟件的支撐，基于此，紫金橋軟件技術有限公司提出了基于紫金橋實時數據庫的風電機組監控系統解決方案，實現了對風電機組及電力傳輸的自動監控。網絡構造過程中，機組物理距離、現場電磁干擾等該行業獨有的特點成為了考驗不同廠商工業以太網設備性能的關鍵。
1 系統組成
1.1 風力發電機組系統
一般來說，整個風電場包括眾多風力發電機組，分布在發電田中。發電機組頂部的渦輪發電機負責發電，前端是可調整角度的風葉，系統可以根據不同的風力狀況來調整風葉的傾斜度。風葉的軸與一個齒輪箱相連，齒輪箱完成提升轉速來驅動發電機。每臺發電機組都配備一個由工控機和PLC組成的控制箱。PLC負責采集風速、風向及與此相關的空氣壓力、空氣溫度和空氣濕度，軸轉速和其他相關數據。通過偵測風向，控制系統便會調整齒輪，使風葉轉向適當角度以充分利用風能進行發電。如圖1所示。
發電田中的所有的渦輪發電機組都連接在同一個局域網中，各個發電機組頂端的控制箱均使用以太網和塔底部的光纖網絡連接。該環網與遠程控制站相連形成一個冗余環網。遠程控制站采用紫金橋前置數據采集軟件RealScada實現數據采集和監控，并分析搜集到的數據，從而調整發電機組參數，并向操作人員和維護人員提供報警信息。同時負責將搜集到的數據向上傳輸到數據中心服務器，實現對全局數據的管理和上層應用。
圖1 風力發電機組系統結構圖
1.2 風力發電配電系統
與火電和水電相比，風力發電站的配套設施較少，用電設備也少，所以一般很少給風力發電站提供專用的配電電源，特別是在風力發電的塔筒內，都是由塔筒內部690V母線經過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。
另外隨著技術的發展，無人值班風電場的推出，遠程監控系統將發揮更大作用。
1.3 風力發電電能傳輸系統
整體解決方案還包括風電機組將電力系統傳輸到電力總線上的傳輸監控系統，實現實時的數據顯示及數據報表、趨勢分析等。
2 系統實現功能
基于紫金橋軟件的風電機組監控解決方案實現了設備層數據的采集并通過光纖以太網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，以下簡稱控制站），實現整個風場某風田區域的監控，并能為中心服務器提供數據支持，系統為分布式系統。系統軟件部分實現如下功能：
（1）數據采集：系統遠程控制站可提取PLC采集到的數據，包括風速、風向及與此相關的空氣壓力、空氣溫度和空氣濕度，軸轉速，系統運行時間和其他相關數據，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行實時顯示（各機組的運行數據，如每臺機組的瞬時發電功率、累計發電量、發電小時數、風輪及電機的轉速和風速、風向等），顯示方式有圖形界面、曲線、報表、數字值等形式，界面直觀、操作簡單，不同機組采用樹形導航切換。圖形界面在控制站和中心服務器都得以實現。
（3）報警系統：系統能夠及時顯示風電組運行過程中發生的故障，包括故障前的預警，系統可顯示故障的發生時間及故障類型，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，保證風電機組的安全和持續運行。例如為了提高安全性所有的風力發電機都安裝了防雷電系統，當塔身濕度超標時系統進行報警，并自動開啟除濕裝置，嚴重超標需人為操作時提前告知操作員。
（4）故障處理：系統提供故障處理機制，通過預先設置處理辦法，解決一些容易出現的常規問題，例如當電壓超標的情況下，系統自動開啟變壓裝置，當調節到正常值后，變壓裝置自動關閉。在顯示故障時，能顯示出故障的類型及發生時間，并提供多種的提示方式。
（5）設備管理：系統除了可以對各風電機組的運行狀態進行數據顯示，還可以對設備進行操作，如開停機組、手/自動控制以及大/小發電機工作等情況，通過各風電機組的狀態了解整個風電場的運行情況。
（6）電力管理：系統能夠對風電機組實現集中控制。并對發電電力進行監控，發電時間，累計發電等，值班員在集中控制室內，只需對標明某種功能的相應鍵進行操作，就能對下位機進行改變設置狀態和對其實施控制。如開機、停機和左右調向等。該操作同時具有權限管理，以保證整個風電場的運行安全。
（7）動態增加機組：系統提供動態增加機組功能，真正實現運行時動態增加、修改、刪除風電機組，極大的提高了系統監控運行的連續性和穩定性。動態增加機組需要具有操作權限的人方可操作。
3 風力發電相關技術參數
3.1 變速恒頻系統
可用于風力發電的變速恒頻系統有多種：如交一直一交變頻系統、交流勵磁發電機系統、無刷雙饋電機系統、開關磁阻發電機系統、磁場調制發電機系統、同步異步變速恒頻發電機系統等。這種變速恒頻系統有的是通過改造發電機本身結構而實現變速恒頻的；有的則是發電機與電力電子裝置、微機控制系統相結合而實現變速恒頻的。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，應該對各種變速恒頻技術做深入的研究，盡快開發出實用的、適合于風力發電的變速恒頻技術。
3.2 四級變速風力發電機原理
多級變速風力發電機主要由2臺發電機（發電機1和發電機2）、控制系統和變速機3部分組成，其技術原理如圖2所示。大功率的發電機2的定子繞組與電網連接，向電網輸送頻率為ft的工頻電流，轉子繞組經控制系統與小功率的發電機1的定子繞組相連。
大功率的發電機2只有在風速較大（風機輸入功率較大）時才和變速機聯接運行。發電機2輸出的電流頻率不僅和轉子的機械轉速有關，還和輸入轉子繞組的電流頻率有關，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，這一特點簡稱為“合頻”特性。
四級變速風力發電技術利用改變發電機極對數及大小2個發電機的相互配合，達到在4個風速點都能實現風能最大利用，根據統計如果變速恒頻風力發電在整個工作風速范圍內風能利用量為1個單位，則四級變速風力發電風能利用量能達到80%左右，恒速恒頻風力發電風能利用量約為40%。
圖2 多級變速風力發電機原理圖
3.3 雙饋電機的控制
雙饋電機的結構類似于繞線式感應電機，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。
任何一個風力發電機組都包括作為原動機的風力機和將機械能轉變為電能的發電機。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。不管一個風力機是如何精細地設計和施工建造，若它處于過載或久載的狀態下，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，對應一個最佳的效率。所以風力發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速應由其氣動曲線及電網的功率指令綜合得出。也就是說，風力發電機的轉速隨風速及負荷的變化應及時作出相應的調整，依靠轉子動能的變化，吸收或釋放功率，減少對電網的擾動。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、有功功率和無功功率的目的，既提高了機組的效率，又對電網起到穩頻、穩壓的作用。
——轉自《自動化博覽》
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