風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及其新型風(fēng)機電控系統的應用

1 前言

風(fēng)能是非常重要并儲量巨大的能源，安全、清潔、充裕，能提供源源不絕而穩定的能源。“十五”期間，能源技術(shù)領(lǐng)域中所設立的后續能源技術(shù)是作為發(fā)展重點(diǎn)的。后續能源包括核能、可再生能源、氫能、燃料電池等，覆蓋了除礦物能源以外的幾乎所有能源領(lǐng)域，其中風(fēng)能、太陽(yáng)能為主攻方向。目前，利用風(fēng)力發(fā)電已成為風(fēng)能利用的主要形式，受到世界各國的高度重視，而且發(fā)展速度最快。風(fēng)能產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)新興的有前景的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。2020年我國風(fēng)電總裝機容量要達到3000萬(wàn)kW的目標，為風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了很大的空間。據統計，架設5公里電線(xiàn)及以后的電費投資，遠遠大于太陽(yáng)能風(fēng)力發(fā)電系統的一次性投資，足以讓您一勞永逸。

風(fēng)力發(fā)電有三種運行方式：一是獨立運行方式，通常是一臺小型風(fēng)力發(fā)電機向一戶(hù)或幾戶(hù)提供電力，用蓄電池蓄能，以保證無(wú)風(fēng)時(shí)用電；二是風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式(如柴油機發(fā)電)相結合，向一個(gè)單位或一個(gè)村莊或一個(gè)海島供電；三是風(fēng)力發(fā)電并入常規電網(wǎng)運行，向大電網(wǎng)提供電力，常常是一處風(fēng)電場(chǎng)安裝幾十臺甚至幾百臺風(fēng)力發(fā)電機，這是風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向。而MW級風(fēng)力發(fā)電技術(shù)早己開(kāi)始研發(fā)。

在架構上，風(fēng)力發(fā)電系統中兩個(gè)主要部件是風(fēng)力機和發(fā)電機。風(fēng)力機向著(zhù)變漿距調節技術(shù)發(fā)展、發(fā)電機向著(zhù)變速恒頻發(fā)電技術(shù)發(fā)展，這是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的趨勢，也是當今風(fēng)力發(fā)電的主要技術(shù)。

應該說(shuō)國內風(fēng)電設備制造行業(yè)的迅猛發(fā)展，國內市場(chǎng)可供用戶(hù)選擇的風(fēng)機類(lèi)型越來(lái)越多，隨之而來(lái)的是對風(fēng)機穩定性和性能的關(guān)注。風(fēng)機電控系統的快速、可靠性和穩定性很大程度上決定了一款風(fēng)機的成功與否，所以它是風(fēng)力發(fā)電應用技術(shù)中的核心部件。而電控系統的性能主要取決于所選方案和所采用的零部件。為此，本文主要對風(fēng)力發(fā)電控制系統基本架構與風(fēng)力發(fā)電應用中的電控系統及其新型控制器選擇和應用作分析說(shuō)明。

2 風(fēng)力發(fā)電控制系統基本架構

2.1 系統構成

圖1為風(fēng)力發(fā)電控制系統網(wǎng)絡(luò )拓撲。從圖1所知，風(fēng)電機組電控系統是對風(fēng)電機組自動(dòng)啟動(dòng)、停機、平穩并網(wǎng)、雙速切換、自動(dòng)對風(fēng)、數據檢測和處理、故障記錄及自動(dòng)保護等就地控制功能。風(fēng)電廠(chǎng)由三部分組成：就地控制部分、中央集控部分與通信部分。根據不同風(fēng)機的應用通信部分分為兩部分：風(fēng)機與風(fēng)機間或風(fēng)機與控制中心的網(wǎng)絡(luò )通信部分與風(fēng)機內部控制通信部分。

2.2 網(wǎng)絡(luò )結構及其系統主要部件與功能

從圖1可知，風(fēng)電作為典型的分布式控制系統，采用光纖及工業(yè)交換機組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò )結構，要求網(wǎng)絡(luò )設備可以在高粉塵、高寒、高熱、強電磁環(huán)境中運行，實(shí)現寬帶、可靠穩定的傳輸風(fēng)機的各種參數。

其系統主要部件與功能如下：

⑴ SCOM3024是專(zhuān)門(mén)針對電力系統高等級變電站設計的工業(yè)交換機。主要應用在220kV、500kV、700kV超高壓變電站繼電保護系統中。

⑵ S1COM3000系列：卡軌式，提供3個(gè)1000M端口，6個(gè)10/1000Base-TX接口，支持WEB管理，Telnet，SNMP，基于SNMP的網(wǎng)管，RMON、DT-ring2.0、RSTP、MSTF功耗小于56W，為本質(zhì)安全型工業(yè)以太網(wǎng)交換機。

⑶ KIEN1005風(fēng)機機頭控制器，應用于風(fēng)機內部的控制通信部分。

⑷ 采用了SCOM3000、KIEN2032、KIEN6000部件，其應用為：風(fēng)機與風(fēng)機間或風(fēng)機與控制（檢測）中心的網(wǎng)絡(luò )通信部分；其KIEN6000部件應用在控制中心，完成風(fēng)場(chǎng)SICOM3000等工業(yè)交換機數據落地，同時(shí)啟用三層功能，與上級網(wǎng)絡(luò )隔離。

2.3 關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)的監控系統

由于風(fēng)電場(chǎng)單機容量小、數量多，為了確保各臺風(fēng)力機的安全運行，風(fēng)電場(chǎng)設置有先進(jìn)的計算機監控系統，該系統一般由地面監控（或稱(chēng)就地監控-LCS)（可從圖1看出）和中央監控(CMCS遙控)兩部分組成，其中就地監控主機可使用工控機（如ARK3382型），就地監控包括如下功能：

⑴ 運行人員可以從就地控制盤(pán)前計算機屏幕上了解到各臺風(fēng)力機的運行狀況，如：該風(fēng)力機處風(fēng)速、發(fā)電機電壓、電流、功率因數、主軸轉速、齒輪箱及軸承溫度等等。

⑵ 可以通過(guò)控制盤(pán)上的鍵盤(pán)，方便地修改風(fēng)力機的保護定值，如過(guò)壓保護整定范圍，頻率保護整定范圍，風(fēng)速極限值的修改等等。

⑶ 該控制系統能根據自己所檢測到的風(fēng)速、風(fēng)向情況自動(dòng)發(fā)出開(kāi)機尋找風(fēng)向(即自動(dòng)偏航)或停機的控制命令，同時(shí)還能進(jìn)行自我診斷風(fēng)力機是否存在故障、是否需要停機。該系統還能對電網(wǎng)進(jìn)行檢測，如發(fā)現電網(wǎng)電壓、頻率工作不正常則立即停機，待電網(wǎng)恢復正常后自動(dòng)起動(dòng)。

⑷ 該控制系統具有先進(jìn)的記錄功能，能記錄所有發(fā)生過(guò)的故障或不正常運行狀態(tài)，并告訴運行人員發(fā)生故障的時(shí)間。該系統還能進(jìn)行產(chǎn)量報告，能記錄該風(fēng)力機的月發(fā)電量，及累計發(fā)電量和運行小時(shí)數。

中央控制系統設在控制室內，通過(guò)監視器可以了解到整個(gè)風(fēng)場(chǎng)各臺風(fēng)力機的運行狀況。中央控制系統除主機外，還有一套備用設備，可供主機故障時(shí)投入，可隨時(shí)向人們提供所需的報告。

3 風(fēng)電機組電控系統結構中的控制器應用

3.1 控制器是整個(gè)電控系統的核心

其主要任務(wù)是控制風(fēng)機根據風(fēng)能的變化調整輸出，以及風(fēng)機在運行過(guò)程中的各種數據檢測、系統保護、通訊等功能。整個(gè)控制系統的輸入輸出點(diǎn)數并不多，一般不多于300點(diǎn)。如對MW級風(fēng)力發(fā)電機組控制系統的特點(diǎn)是點(diǎn)數不多(整個(gè)控制系統的輸入輸出點(diǎn)數并不多，一般不多于300點(diǎn))以及數據計算量大，尤其是遠程監控系統、故障檢測及自復位功能的應用使控制器的數據計算量很大。由于同一時(shí)間不同優(yōu)先級事件的存在，控制器必須按照事件的重要程度執行不同的掃描周期。

這些特點(diǎn)要求控制器具備高速度、支持多優(yōu)先級多任務(wù)程序結構、支持高級算法等功能。此外，為保證系統各控制器與變頻設備之間通訊的可靠性及實(shí)時(shí)性，控制器還必須支持現場(chǎng)總線(xiàn)及遠程監控使用的工業(yè)以太網(wǎng)通訊。

3.2 傳統控制器的不足與問(wèn)題的解決

迄今為止，控制器解決方案由大量的微控制器和專(zhuān)有的總線(xiàn)系統組成。市場(chǎng)上常見(jiàn)的風(fēng)力發(fā)電機控制器的開(kāi)發(fā)能力已經(jīng)達到極限。在控制器、廠(chǎng)房生產(chǎn)計劃系統和遠程數據傳輸系統等各種功能單元的狀況下，實(shí)現其接口互嵌是非常困難的。另外，傳統的控制器僅僅提供有限的資源，只能夠提供有限的監控和診斷功能。這必將無(wú)法滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電機和生產(chǎn)廠(chǎng)商不斷增長(cháng)的需求。用戶(hù)十分期待擁有更好的分析和診斷設備。尤其在應用于風(fēng)力電場(chǎng)時(shí)，電網(wǎng)公司對靈活的網(wǎng)絡(luò )管理和快速的反映時(shí)間有著(zhù)高要求。

由于工控機提供的開(kāi)發(fā)平臺也是開(kāi)放性的，它可以輕易地解決不斷增長(cháng)的、和外設相兼容的接口需求，是當今新型風(fēng)電機組電控系統的理想選擇。它能實(shí)現技術(shù)開(kāi)發(fā)的首要目標，即達到提升發(fā)動(dòng)機效能、減少載荷、增加操作便利性，從而減少成本、獲取更多利潤的目的。值此，以與嵌入式ARK3382無(wú)風(fēng)扇工控機與KT98和KT97可編程控制器(PLC)為例作為風(fēng)電機組電控系統的核心部件在風(fēng)力發(fā)電中應用作介紹。

4 嵌入式無(wú)風(fēng)扇工控機ARK3382型作為控制器在風(fēng)力發(fā)電中的應用

當今作為自動(dòng)化系統（如SCADA系統）是以計算機為基礎基于工業(yè)以太網(wǎng)的生產(chǎn)過(guò)程控制與調度自動(dòng)化系統。它可以對現場(chǎng)的運行設備進(jìn)行監視和控制，以實(shí)現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類(lèi)信號報警等各項功能。各種采集信號及控制信號通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)匯總到其中最前端的數據匯總處理機——嵌入式無(wú)風(fēng)扇工控機。

4.1 選擇嵌入式無(wú)風(fēng)扇工控機的原因

嵌入式工控機產(chǎn)品旨在為用戶(hù)的開(kāi)發(fā)應用提供更快速、更方便、更簡(jiǎn)單的解放方案。嵌入式設計、堅固的外殼、強大的計算技術(shù)，這些都保證了系統的穩定性和靈活性。該系列產(chǎn)品能滿(mǎn)足用戶(hù)對于強固、緊湊的工業(yè)計算平臺的需求以及能夠用于各種應用的內置I/O。其主要技術(shù)特征為：

⑴ 性能可靠

① 具有鋁質(zhì)外殼

如ARK3382系列產(chǎn)品的鋁質(zhì)外殼和散熱片設計使系統不僅具有高散熱性，而且具有高抗腐蝕性。這使設備在戶(hù)外環(huán)境下運行時(shí)具有高可靠性。

② 無(wú)風(fēng)扇設計

緊湊的嵌入式機箱沒(méi)有任何風(fēng)扇設備，如CPU風(fēng)扇、系統風(fēng)扇、電源風(fēng)扇等。擴展MTBF設計極大減少了系統的維護需求。

③ 優(yōu)化的內部線(xiàn)纜設計

對于一般嵌入式電扇而言，線(xiàn)纜用于連接接口與CPU板。內部線(xiàn)纜常常因線(xiàn)纜破損、連接不良或安裝錯誤而導致系統故障。

⑵ 結構堅固

① 高抗沖擊性和高抗振性

憑借其板載CPU、內存、內存和加固的接口，如ARK3382系列產(chǎn)品能夠承載高達70G的沖擊和7G的振動(dòng)，并且符合MIL-STD-810F。此外，對于一些極易產(chǎn)生沖擊與振動(dòng)的環(huán)境，為了實(shí)現更好高抗沖擊性和高抗振性，DRAM可以選擇性被固定在某個(gè)位置。

② 超強散熱設計

嵌入式工控機有散熱管和鋁質(zhì)散熱片，能夠支持-40℃～+70℃的寬范圍工作溫度。

⑶ 易于安裝

① 尺寸緊湊、體積簿、重量輕，因此能夠節省工作空間。

② 為了滿(mǎn)足多種應用需求，嵌入式工控機支持多種安裝方式，如導軌式安裝、壁掛式安裝及桌面安裝等。

概括此類(lèi)嵌入式無(wú)風(fēng)扇工控機的特征是小體積發(fā)揮大功用。以上也這就是為何嵌入式工控機成為更好選擇的依據。由于嵌入式無(wú)風(fēng)扇工控機是系列的產(chǎn)品，選擇了研華ARK3382系列嵌入式工控機。

4.2 ARK3382嵌入式無(wú)風(fēng)扇工控機為風(fēng)力發(fā)電系統的前端——電控系統的核心應用

ARK3382可以提供4個(gè)以太網(wǎng)的接口，在前端可以匯集更多的數據，在網(wǎng)絡(luò )方面可以采用鏈路聚合以及LAN Bvpass的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)（圖2中黑色箭頭所示），有效地提高了網(wǎng)絡(luò )的傳輸效率和傳輸的可靠性。圖2是ARK3382嵌入式無(wú)風(fēng)扇工控機為風(fēng)力發(fā)電系統的前端與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用示意框圖。

⑴ ARK3382能夠提供3個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò )接口

有良好的兼容特性，可以和下游的設備組成有機的連接。主頻必須1G以上，并且能夠配合用戶(hù)的程序穩定的運行。2個(gè)RS-232接口，一個(gè)USB接口。尺寸要求能夠放在風(fēng)機設備里面，重量輕。AT供電模式，直流供電，不能干擾其他的設備。

由于設備要在風(fēng)塔內運行，風(fēng)塔內的環(huán)境比較嚴苛，要求溫度-20℃～60℃，抗灰塵，無(wú)風(fēng)扇設計，24小時(shí)不停機運行。要求帶一個(gè)15監控屏，直流供電。

⑵ ARK3382適合無(wú)人監守工作站

由于風(fēng)扇是在惡劣環(huán)境下最容易出問(wèn)題的故障點(diǎn)，ARK系列工控機的無(wú)風(fēng)扇特性大大提高了機器的MTTF(平均無(wú)故障時(shí)間)。傳導散熱擁有良好的密封性，可以有效的隔絕灰塵腐蝕性氣體對信號傳導點(diǎn)的氧化作用而導致的宕機，減少維護費用，適合在電力監控點(diǎn)及DCS應用的高灰塵、溫度變化比較大的無(wú)人職守場(chǎng)合使用。RK-3382使用的集成多網(wǎng)口all in one方案，不用再通過(guò)擴展方式，可以節省成本。

4.3 采用可編程控制器(如KT98和KT97)編程控制器風(fēng)力發(fā)電系統的前端——電控系統的核心應用

該網(wǎng)絡(luò )使用2臺KT98分別作為機艙控制器和變槳控制器，1臺KT97作為主控制器。他們的主要功能為：

⑴ 機艙控制器。負責處理各傳感器(含風(fēng)速風(fēng)向儀)、輸入輸出點(diǎn)的信號采集、雙饋變頻器給定計算以及與雙饋變頻器、變槳控制器、主控制器之間的數據通訊。

⑵ 變槳控制器。處理變槳系統信號采集，負責進(jìn)行變槳系統計算，生成變槳變頻器，負責變槳變頻器及機艙控制器、主控制器之間的數據通訊。

⑶ 主控制器。負責與機艙控制器、變槳控制器之間進(jìn)行以太網(wǎng)通訊，遠程監控系統通訊以及塔筒底部的信號采集。

3個(gè)控制器之間采用以太網(wǎng)通訊，保證了通訊速率?？刂破髋c變頻器之間采用CAN總線(xiàn)通訊，速率可達1MbVte/s。在保證速率的前提下，通訊可靠性也得到了提高。這樣構成的控制結構具有分工明確、實(shí)時(shí)性強、穩定可靠的特點(diǎn)。KT98和KT97可編程控制器(PLC)為ABB AC31 90系列。

5 風(fēng)機并網(wǎng)逆變電源

風(fēng)機并網(wǎng)發(fā)電是將風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)出的交流電經(jīng)過(guò)整流逆變成交流電并饋送電網(wǎng)。同太陽(yáng)發(fā)電一樣，風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電走向可持續發(fā)展的必由之路。

風(fēng)機并網(wǎng)發(fā)電系統通過(guò)把風(fēng)能轉化為電能，直接通過(guò)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器，把電能并到電網(wǎng)上。圖3為風(fēng)機并網(wǎng)逆變電源方案示意圖。近年來(lái)，大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組引入我國，大量風(fēng)電機組安裝在風(fēng)資源豐富地區組成風(fēng)電場(chǎng)，接入地區電網(wǎng)供電。

下面僅以風(fēng)力（或太陽(yáng)能）發(fā)電專(zhuān)用正弦波逆變電源作簡(jiǎn)介。

風(fēng)力發(fā)電專(zhuān)用逆變電源是太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電系統的核心部件，本電源針對新能源發(fā)電系統的特點(diǎn)設計制造，主要應用于太陽(yáng)能電站、風(fēng)力發(fā)電站，風(fēng)、光、油、蓄互補發(fā)電系統和戶(hù)用太陽(yáng)能供電系統。其工作原理見(jiàn)圖4所示框圖。

其性能特點(diǎn)為：DSP芯片控制，智能功率模塊組裝，純正弦波輸出，輸出穩壓、穩頻；具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、短路、輸入極性接反等各種保護功能，而逆變效率≥85%，具有交流旁路功能，輸入輸出優(yōu)異的EMI/EMC指標，可配備RS232/485接口，是高可靠性、高效率的正弦波逆變電源。

6 結語(yǔ)

從以上分析可知，風(fēng)機電控系統的核心部件——控制器（嵌入式工控機）是用于風(fēng)力機的監控和控制兩個(gè)方面。該嵌入式工控機作為風(fēng)力發(fā)電系統的前端，逐步取代由微控制器和專(zhuān)有的總線(xiàn)系統組成的傳統控制器。由于它具有獨特的優(yōu)勢，所以基于嵌入式工控機前端的風(fēng)力發(fā)電控制系統是實(shí)現提升發(fā)電系統效能、減少成本、獲取更多利潤的有效途徑?！?br />