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    背景分析：

    隨著地球常規(guī)資源的日益匱乏，新能源慢慢被各國政府列位了未來重點建設內(nèi)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(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(fā)的裝機容量約253億千瓦，居世界首位，在政府大力支持，積極推動風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相信不久的將來，中國的風力發(fā)電將成為其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(jiān)控平臺自然離不開軟件的支撐，基于此，我們提出了基于紫金橋實時數(shù)據(jù)庫的風電機組監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，實現(xiàn)了對風電機組及電力傳輸?shù)淖詣颖O(jiān)控。網(wǎng)絡構造過程中，機組物理距離，現(xiàn)場電磁干擾等該行業(yè)獨有的特點成為了考驗不同廠商工業(yè)以太網(wǎng)設備性能的分水嶺。

    系統(tǒng)組成：

    1、風力發(fā)電配電系統(tǒng)：

    與火電和電相比，風力發(fā)電站的配套設施較少，用電設備也少，所以一般很少給風力發(fā)電站提供專用的配電電源，特別是在風力發(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)測設備等一些用電器使用。

    2、風力發(fā)電機組系統(tǒng)：

    一般來說，整個風電場包括眾多風力發(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葉，系統(tǒng)可以根據(jù)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(fā)電機。每臺發(fā)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(shù)據(jù)。通過偵測風向，控制系統(tǒng)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(fā)電。

        

    發(fā)電田中的所有的渦輪發(fā)電機組都連接在同一個局域網(wǎng)中，各個發(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)絡連接。該環(huán)網(wǎng)與遠程控制站相連形成一個冗余環(huán)網(wǎng)。遠程控制站采用紫金橋前置數(shù)據(jù)采集軟件RealScada實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，并分析搜集到的數(shù)據(jù)，從而調整發(fā)電機組參數(shù)，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(shù)據(jù)向上傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心服務器，實現(xiàn)對全局數(shù)據(jù)的管理和上層應用。

    3：風力發(fā)電電能傳輸系統(tǒng)：

    整體解決方案還包括風電機組將電力系統(tǒng)傳輸?shù)诫娏偩€上的傳輸監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)報表、趨勢分析等。

    系統(tǒng)實現(xiàn)功能：

    基于紫金橋軟件的風電機組監(jiān)控解決方案實現(xiàn)了設備層數(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操作員站（紫金橋數(shù)據(jù)采集控制計算機，以下簡稱控制站），實現(xiàn)整個風場某風田區(qū)域的監(jiān)控，并能為中心服務器提供數(shù)據(jù)支持，系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件部分實現(xiàn)如下功能：

    1、數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)遠程控制站可提取PLC采集到的數(shù)據(jù)，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(tǒng)運行時間和其他相關數(shù)據(jù)，并并保存歷史。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)進行實時顯示(各機組的運行數(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)、風輪及電機的轉速和風速、風向等)，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(xiàn)。

    3、報警系統(tǒng)：系統(tǒng)能夠及時顯示風電組運行過程中發(fā)生的故障，包括故障前的預警，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，保證風電機組的安全和持續(xù)運行。例如為了提高安全性所有的風力發(fā)電機都安裝了防雷電系統(tǒng)，當塔身濕度超標時系統(tǒng)進行報警，并自動開啟除濕裝置，嚴重超標時需人為操作時提前告知操作員。

    4、故障處理：系統(tǒng)提供故障處理機制，通過預先設置處理辦法，解決一些容易出現(xiàn)的常規(guī)問題，例如當電壓超標的情況下，系統(tǒng)自動開啟變壓裝置，當調節(jié)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(fā)生時間，并提供多種的提示方式。

    5、設備管理：

    系統(tǒng)除了可以對各風電機組的運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)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(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。

    6、電力管理：

    系統(tǒng)能夠對風電機組實現(xiàn)集中控制。并對發(fā)電電力進行監(jiān)控，發(fā)電時間，累計發(fā)電等，值班員在集中控制室內(nèi)，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(tài)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(tài)增加機組

    系統(tǒng)提供動態(tài)增加機組功能，真正實現(xiàn)運行時動態(tài)增加、修改、刪除風電機組，極大的提高了系統(tǒng)監(jiān)控的運行的連續(xù)性和穩(wěn)定性。動態(tài)增加機組需要具有操作權限的人方可操作。

    風力發(fā)電相關技術參數(shù)

    1、變速恒頻系統(tǒng)

    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)，開關磁阻發(fā)電機系統(tǒng)，磁場調制發(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)電機本身結構而實現(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，應該對各種變速恒頻技術做深入的研究，盡快開發(fā)出實用的，適合于風力發(fā)電的變速恒頻技術。

    2、四級變速風力發(fā)電機原理

    多級變速風力發(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(tǒng)和變速機3部分組成，其技術原理如圖所示。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(tǒng)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只有在風速較大（風機輸入功率較大）時才和變速機聯(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，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(fā)電技術利用改變發(fā)電機極對數(shù)及大小2個發(fā)電機的相互配合，達到在4個風速點都能實現(xiàn)風能最大利用，根據(jù)統(tǒng)計如果變速恒頻風力發(fā)電在整個工作風速范圍內(nèi)風能利用量為1個單位，則四級變速風力發(fā)電風能利用量能達到80%左右，恒速恒頻風力發(fā)電風能利用量約為40%。

    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(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。

    任何一個風力發(fā)電機組都包括作為原動機的風力機和將機械能轉變?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速應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(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)電機轉子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，達到調節(jié)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(wǎng)起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的作用。