大型風(fēng)電場(chǎng)及風(fēng)電機組的控制系統

1 前言

隨著(zhù)煤碳、石油等能源的逐漸枯竭，人類(lèi)越來(lái)越重視可再生能源的利用。而風(fēng)力發(fā)電是可再生能源中最廉價(jià)、最有希望的能源，并且是一種不污染環(huán)境的“綠色能源”。目前國外數百千瓦級的大型風(fēng)電機組已經(jīng)商品化，兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電機組也即將商品化。全世界風(fēng)電裝機總容量已超過(guò)1000萬(wàn)千瓦，單位千瓦造價(jià)為1000美元，發(fā)電成本為5美分/千瓦時(shí)，已經(jīng)具有與火力發(fā)電相競爭的能力。

我國的風(fēng)能資源豐富，理論儲量為16億kW，實(shí)際可利用2.5億kW，有巨大的發(fā)展潛力。1995年初，國家計委、科委、經(jīng)貿委聯(lián)合發(fā)表了《中國新能源和可再生能源發(fā)展綱要（1996～2010）》。1996年3月，國家計委又制定了以國產(chǎn)化帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)化的風(fēng)電發(fā)展計劃，即有名的“乘風(fēng)計劃”，為我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)國產(chǎn)化指明了方向，創(chuàng )造了條件。同時(shí)，我國也是利用風(fēng)能資源進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力提水較早的國家，到1996年底，我國小型風(fēng)力發(fā)電機組保有量達15萬(wàn)臺，年生產(chǎn)能力為3萬(wàn)臺，均居世界首位。

2 風(fēng)力發(fā)電機組的類(lèi)型

2.1 恒速恒頻與變速恒頻

在風(fēng)力發(fā)電中，當風(fēng)力發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻即在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，保持風(fēng)車(chē)的轉速（也即發(fā)電機的轉速）不變，從而得到恒頻的電能。在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中讓風(fēng)車(chē)的轉速隨風(fēng)速而變化，而通過(guò)其它控制方式來(lái)得到恒頻電能的方法稱(chēng)為變速恒頻。

2.2 兩種類(lèi)型機組的性能比較

由于風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比，當風(fēng)速在一定范圍變化時(shí)，如果允許風(fēng)車(chē)做變速運動(dòng)，則能達到更好利用風(fēng)能的目的。風(fēng)車(chē)將風(fēng)能轉換成機械能的效率可用輸出功率系數CP來(lái)表示，CP在某一確定的風(fēng)輪周速比λ（槳葉尖速度與風(fēng)速之比）下達到最大值。恒速恒頻機組的風(fēng)車(chē)轉速保持不變，而風(fēng)速又經(jīng)常在變化，顯然CP不可能保持在最佳值。變速恒頻機組的特點(diǎn)是風(fēng)車(chē)和發(fā)電機的轉速可在很大范圍內變化而不影響輸出電能的頻率。由于風(fēng)車(chē)的轉速可變，可以通過(guò)適當的控制，使風(fēng)車(chē)的周速比處于或接近最佳值，從而最大限度地利用風(fēng)能發(fā)電。

2.3 恒速恒頻機組的特點(diǎn)

目前，在風(fēng)力發(fā)電系統中采用最多的異步發(fā)電機屬于恒速恒頻發(fā)電機組。為了適應大小風(fēng)速的要求，一般采用兩臺不同容量、不同極數的異步發(fā)電機，風(fēng)速低時(shí)用小容量發(fā)電機發(fā)電，風(fēng)速高時(shí)則用大容量發(fā)電機發(fā)電，同時(shí)一般通過(guò)變槳距系統改變槳葉的攻角以調整輸出功率。但這也只能使異步發(fā)電機在兩個(gè)風(fēng)速下具有較佳的輸出系數，無(wú)法有效地利用不同風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能。

2.4 變速恒頻系統的實(shí)現

可用于風(fēng)力發(fā)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(fā)電機系統，無(wú)刷雙饋電機系統，開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機系統，磁場(chǎng)調制發(fā)電機系統，同步異步變速恒頻發(fā)電機系統等。這種變速恒頻系統有的是通過(guò)改造發(fā)電機本身結構而實(shí)現變速恒頻的;有的則是發(fā)電機與電力電子裝置、微機控制系統相結合而實(shí)現變速恒頻的。它們各有其特點(diǎn)，適用場(chǎng)合也不一樣。為了充分利用不同風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能，應該對各種變速恒頻技術(shù)做深入的研究，盡快開(kāi)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 恒速恒頻風(fēng)電機組的控制

3.1 風(fēng)電機組的軟啟動(dòng)并網(wǎng)

在風(fēng)電機組啟動(dòng)時(shí)，控制系統對風(fēng)速的變化情況進(jìn)行不間斷的檢測，當10分鐘平均風(fēng)速大于起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，控制風(fēng)電機組作好切入電網(wǎng)的一切準備工作:松開(kāi)機械剎車(chē)，收回葉尖阻尼板，風(fēng)輪處于迎風(fēng)方向?？刂葡到y不間斷地檢測各傳感器信號是否正常，如液壓系統壓力是否正常，風(fēng)向是否偏離，電網(wǎng)參數是否正常等。如10分鐘平均風(fēng)速仍大于起動(dòng)風(fēng)速，則檢測風(fēng)輪是否已開(kāi)始轉動(dòng)，并開(kāi)啟晶閘管限流軟起動(dòng)裝置快速起動(dòng)風(fēng)輪機，并對起動(dòng)電流進(jìn)行控制，使其不超過(guò)最大限定值。異步風(fēng)力發(fā)電機在起動(dòng)時(shí)，由于其轉速很小，切入電網(wǎng)時(shí)其轉差率很大，因而會(huì )產(chǎn)生相當于發(fā)電機額定電流的5～7倍的沖擊電流，這個(gè)電流不僅對電網(wǎng)造成很大的沖擊，也會(huì )影響風(fēng)電機組的壽命。因此在風(fēng)電機組并網(wǎng)過(guò)程中采取限流軟起動(dòng)技術(shù)，以控制起動(dòng)電流。當發(fā)電機達到同步轉速時(shí)電流驟然下降，控制器發(fā)出指令，將晶閘管旁路。晶閘管旁路后，限流軟起動(dòng)控制器自動(dòng)復位，等待下一次起動(dòng)信號。這個(gè)起動(dòng)過(guò)程約40S左右，若超過(guò)這個(gè)時(shí)間，被認為是起動(dòng)失敗，發(fā)電機將被切出電網(wǎng)，控制器根據檢測信號，確定機組是否重新起動(dòng)。

異步風(fēng)電機組也可在起動(dòng)時(shí)轉速低于同步速時(shí)不并網(wǎng)，等接近或達到同步速時(shí)再切入電網(wǎng)，則可避免沖擊電流，也可省掉晶閘管限流軟啟動(dòng)器。

3.2 大小發(fā)電機的切換控制

在風(fēng)電機組運行過(guò)程中，因風(fēng)速的變化而引起發(fā)電機的輸出功率發(fā)生變化時(shí)，控制系統應能根據發(fā)電機輸出功率的變化對大小發(fā)電機進(jìn)行自動(dòng)切換，從而提高風(fēng)電機組的效率。具體控制方法為:

（1） 小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換

在小發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電期間，控制系統對其輸出功率進(jìn)行檢測，若1秒鐘內瞬時(shí)功率超過(guò)小發(fā)電機額定功率的20%，或2分鐘內的平均功率大于某一定值時(shí)，則實(shí)現小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換。切換過(guò)程為:首先切除補償電容，然后小發(fā)電機脫網(wǎng)，等風(fēng)輪自由轉動(dòng)到一定速度后，再實(shí)現大發(fā)電機的軟并網(wǎng);若在切換過(guò)程中風(fēng)速突然變小，使風(fēng)輪轉速反而降低的情況下，應再將小發(fā)電機軟并網(wǎng)，重新實(shí)現小發(fā)電機并網(wǎng)運行。

（2） 大發(fā)電機向小發(fā)電機的切換

檢測大發(fā)電機的輸出功率，若2分鐘內平均功率小于某一設定值（此值應小于小發(fā)電機的額定功率）時(shí)，或50S瞬時(shí)功率小于另一更小的設定值時(shí)，立即切換到小發(fā)電機運行。切換過(guò)程為:切除大發(fā)電機的補償電容器，脫網(wǎng)，然后小發(fā)電機軟并網(wǎng)，計時(shí)20S，測量小發(fā)電機的轉速，若20S后未達到小發(fā)電機的同步轉速，則停機，控制系統復位，重新起動(dòng)。若20S內轉速已達到小發(fā)電機旁路轉速則旁路晶閘管軟起動(dòng)裝置，再根據系統無(wú)功功率情況投入補償電容器。

3.3 變槳距控制方式及其改進(jìn)

風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)以后，控制系統根據風(fēng)速的變化，通過(guò)槳距調節機構，改變槳葉攻角以調整輸出電功率，更有效地利用風(fēng)能。在額定風(fēng)速以下時(shí)，此時(shí)葉片攻角在零度附近，可認為等同于定槳距風(fēng)力發(fā)電機，發(fā)
電機的輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化。當風(fēng)速達到額定風(fēng)速以上時(shí)，變槳距機構發(fā)揮作用，調整葉片的攻角，保證發(fā)電機的輸出功率在允許的范圍內。

但是，由于自然界的風(fēng)力變幻莫測。風(fēng)速總是處在不斷地變化之中，而風(fēng)能與風(fēng)速之間成三次方的關(guān)系，風(fēng)速的較小變化都將造成風(fēng)能的較大變化，導致風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率處于不斷變化的狀態(tài)。對于變槳距風(fēng)力發(fā)電機，當風(fēng)速高于額定風(fēng)速后，變槳距機構為了限制發(fā)電機輸出功率，將調節槳距，以調節輸出功率。如果風(fēng)速變化幅度大，頻率高，將導致變槳距機構頻繁大幅度動(dòng)作，使變槳距機構容易損壞;同時(shí)，變槳距機構控制的葉片槳距為大慣量系統，存在較大的滯后時(shí)間，槳距調節的滯后也將造成發(fā)電機輸出功率的較大波動(dòng)，對電網(wǎng)造成一定的不良影響。

為了減小變槳距調節方式對電網(wǎng)的不良影響，可采用一種新的功率輔助調節方式-RCC（Rotor Current Control轉子電流控制）方式來(lái)配合變槳距機構，共同完成發(fā)電機輸出功率的調節。RCC控制必須使用在線(xiàn)繞式異步發(fā)電機上，通過(guò)電力電子裝置，控制發(fā)電機的轉子電流，使普通異步發(fā)電機成為可變滑差發(fā)電機。RCC控制是一種快速電氣控制方式，用于克服風(fēng)速的快速變化。采用了RCC控制的變槳距風(fēng)力發(fā)電機，變槳距機構主要用于風(fēng)速緩慢上升或下降的情況，通過(guò)調整葉片攻角，調節輸出功率；RCC控制單元則應用于風(fēng)速變化較快的情況，當風(fēng)速突然發(fā)生變化時(shí)，RCC單元調節發(fā)電機的滑差，使發(fā)電機的轉速可在一定范圍內變化，同時(shí)保持轉子電流不變，發(fā)電機的輸出功率也就保持不變。

3.4 無(wú)功補償控制

由于異步發(fā)電機要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，使風(fēng)電機組的功率因數降低。并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機組一般要求其功率因數達到0.99以上，所以必須用電容器組進(jìn)行無(wú)功補償。由于風(fēng)速變化的隨機性，在達到額定功率前，發(fā)電機的輸出功率大小是隨機變化的，因此對補償電容的投入與切除需要進(jìn)行控制。在控制系統中設有四組容量不同的補償電容，計算機根據輸出無(wú)功功率的變化，控制補償電容器分段投入或切除。保證在半功率點(diǎn)的功率因數達到0.99以上。

3.5 偏航與自動(dòng)解纜控制

偏航控制系統有三個(gè)主要功能:

（1） 正常運行時(shí)自動(dòng)對風(fēng)。當機艙偏離風(fēng)向一定角度時(shí)，控制系統發(fā)出向左或向右調向的指令，機艙開(kāi)始對風(fēng)，直到達到允許的誤差范圍內，自動(dòng)對風(fēng)停止。

（2） 繞纜時(shí)自動(dòng)解纜。當機艙向同一方向累計偏轉2.3圈后，若此時(shí)風(fēng)速小于風(fēng)電機組啟動(dòng)風(fēng)速且無(wú)功率輸出，則停機，控制系統使機艙反方向旋轉2.3圈解繞;若此時(shí)機組有功率輸出，則暫不自動(dòng)解繞;若機艙繼續向同一方向偏轉累計達3圈時(shí)，則控制停機，解繞;若因故障自動(dòng)解繞未成功，在扭纜達4圈時(shí)，扭纜機械開(kāi)關(guān)將動(dòng)作，此時(shí)報告扭纜故障，自動(dòng)停機，等待人工解纜操作。

（3） 失速保護時(shí)偏離風(fēng)向。當有特大強風(fēng)發(fā)生時(shí)，停機，釋放葉尖阻尼板，槳距調到最大，偏航90o背風(fēng)，以保護風(fēng)輪免受損壞。

3.6 停車(chē)控制

停機過(guò)程分為正常停機和緊急停機。

（1） 正常停機

當控制器發(fā)出正常停機指令后，風(fēng)電機組將按下列程序停機:

①　切除補償電容器;

②　釋放葉尖阻尼板;

③　發(fā)電機脫網(wǎng);

④　測量發(fā)電機轉速下降到設定值后，投入機械剎車(chē);

⑤　若出現剎車(chē)故障則收槳，機艙偏航900背風(fēng)。

（2） 緊急故障停機

當出現緊急停機故障時(shí)，執行如下停機操作:首先切除補償電容器，葉尖阻尼板動(dòng)作，延時(shí)0.3秒后卡鉗閘動(dòng)作。檢測瞬時(shí)功率為負或發(fā)電機轉速小于同步速時(shí)，發(fā)電機解列（脫網(wǎng)），若制動(dòng)時(shí)間超過(guò)20S，轉速仍未降到某設定值，則收槳， 機艙偏航900背風(fēng)。

停機如果是由于外部原因，例如風(fēng)速過(guò)小或過(guò)大，或因電網(wǎng)故障，風(fēng)電機組停機后將自動(dòng)處于待機狀態(tài);如果是由于機組內部故障，控制器需要得到已修復指令，才能進(jìn)入待機狀態(tài)。

4 變速恒頻發(fā)電機組的控制

4.1　同步發(fā)電機交一直一交系統的控制

這種類(lèi)型的風(fēng)電機組采用同步發(fā)電機，發(fā)電機發(fā)出的電能的頻率、電壓、電功率都是隨著(zhù)風(fēng)速的變化而變化的，這樣有利于最大限度地利用風(fēng)能資源，而恒頻恒壓并網(wǎng)的任務(wù)則由交一直一交系統完成。

（1） 風(fēng)輪機的控制

風(fēng)輪機的起動(dòng)、控制、保護功能基本上與恒速恒頻機組相似，所不同的是這類(lèi)機組一般采用定槳距風(fēng)輪，因此省去了變槳距控制機構。

（2） 發(fā)電機的控制

發(fā)電機的輸出功率由勵磁來(lái)控制。當輸出功率小于額定功率時(shí)，以固定勵磁運行;當輸出功率超過(guò)額定功率時(shí)，則通過(guò)調整勵磁來(lái)調整發(fā)電機的輸出功率在允許的安全范圍內運行。勵磁的調整是由控制器調整勵磁系統晶閘管的導通角來(lái)實(shí)現的。

（3） 交-直-交變頻系統的控制

這里的變頻器的概念與普通變頻器的概念是不一樣的。普通變頻器是將電壓和頻率固定的市電（220/380V，50Hz），
變成頻率和電壓都可變的電源，以適應各種用電器的需要，如果用于變頻調速系統，則電壓和頻率根據負載的要求不斷地改變。相反，這里的變頻器則是將風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電壓和頻率都在不斷改變的電能，變成頻率和電壓都穩定（220/380V，50Hz）的電能，以便與電網(wǎng)的電壓及頻率相匹配，而使風(fēng)電機組能并網(wǎng)運行。

所謂的“交-直-交”變頻，是變頻方式的一種，是將一種頻率和電壓的交流電整流成直流電，再通過(guò)微機控制電力電子器件，將直流電再逆變成某種頻率和電壓的交流電的變頻方式。

風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的三相交流電，經(jīng)二極管三相全橋整流成直流電后，再由六只絕緣柵雙極型電力晶體管（IGBT），在控制和驅動(dòng)電路的控制下，逆變成三相交流電并入電網(wǎng)。逆變器的控制一般采用SPWM-VVVF方式，即正弦波脈寬調制式變壓變頻方式。采用交-直-交系統的變頻裝置的容量較大，一般要選發(fā)電機額定功率的120%以上。

4.2　雙饋發(fā)電機的控制

目前的風(fēng)電機組多采用恒速恒頻系統，發(fā)電機多采用同步電機或異步感應電機。在風(fēng)電機組向恒頻電網(wǎng)送電時(shí)，不需要調速，因為電網(wǎng)頻率將強迫控制風(fēng)輪的轉速。在這種情況下，風(fēng)力機在不同風(fēng)速下維持或近似維持同一轉速。效率下降，被迫降低出力，甚至停機，這顯然是不可取的。與之不同的是，無(wú)論處于亞同步速或超同步速的雙饋發(fā)電機都可以在不同的風(fēng)速下運行，其轉速可隨風(fēng)速變化做相應的調整，使風(fēng)力機的運行始終處于最佳狀態(tài)，機組效率提高。同時(shí)，定子輸出功率的電壓和頻率卻可以維持不變，既可以調節電網(wǎng)的功率因數，又可以提高系統的穩定性。

（1） 雙饋電機的工作特性

雙饋電機的結構類(lèi)似于繞線(xiàn)式感應電機，定子繞組也由具有固定頻率的對稱(chēng)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。

當雙饋電機定子對稱(chēng)三相繞組由頻率為f1（f1=P?n1/60）的三相電源供電時(shí)，由于電機轉子的轉速n＝（l-s）n1（s為轉差率，n1為氣隙中基波旋轉磁場(chǎng)的同步速率）。為了實(shí)現穩定的機電能量轉換，定子磁場(chǎng)與轉子磁場(chǎng)應保持相對靜止，即應滿(mǎn)足:

ωR＝ω1-ω2

其中:ωR是轉子旋轉角頻率;

ω1是定子電流形成的旋轉磁場(chǎng)的角頻率;

ω2是轉子電流形成的旋轉磁場(chǎng)的角頻率。

由此可得轉子供電頻率f2＝S?f1，此時(shí)定轉子旋轉磁場(chǎng)均以同步速n1旋轉，兩者保持相對靜止。

與同步電機相比，雙饋電機勵磁可調量有三個(gè):一是與同步電機一樣，可以調節勵磁電流的幅值;二是可以改變勵磁電流的頻率；三是可以改變勵磁電流的相位。通過(guò)改變勵磁頻率，可調節轉速。這樣在負荷突然變化時(shí)，迅速改變電機的轉速，充分利用轉子的動(dòng)能，釋放和吸收負荷，對電網(wǎng)的擾動(dòng)遠比常規電機小。另外，通過(guò)調節轉子勵磁電流的幅值和相位，可達到調節有功功率和無(wú)功功率的目的。而同步電機的可調量只有一個(gè)，即勵磁電流的幅值，所以調節同步電機的勵磁一般只能對無(wú)功功率進(jìn)行補償。與之不同的是雙饋電機的勵磁除了可以調節電流幅值外，亦可以調節其相位，當轉子電流的相位改變時(shí)，由轉子電流產(chǎn)生的轉子磁場(chǎng)在氣隙空間的位置就產(chǎn)生一個(gè)位移，改變了雙饋電機電勢與電網(wǎng)電壓向量的相對位置，也就改變了電機的功率角。所以雙饋電機不僅可調節無(wú)功功率，也可調節有功功率。一般來(lái)說(shuō)，當電機吸收電網(wǎng)的無(wú)功功率時(shí)，往往功率角變大，使電機的穩定性下降。而雙饋電機卻可通過(guò)調節勵磁電流的相位，減小機組的功率角，使機組運行的穩定性提高，從而可多吸收無(wú)功功率，克服由于晚間負荷下降，電網(wǎng)電壓過(guò)高的困難。與之相比，異步發(fā)電機卻因需從電網(wǎng)吸收無(wú)功的勵磁電流，與電網(wǎng)并列運行后，造成電網(wǎng)的功率因數變壞。所以雙饋電機較同步電機和異步電機都有著(zhù)更加優(yōu)越的運行性能。

（2） 風(fēng)力發(fā)電中雙饋電機的控制

在風(fēng)力發(fā)電中，由于風(fēng)速變幻莫測，使對其的利用存在一定的困難。所以改善風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電機組的效率，最充分地利用風(fēng)能資源，有著(zhù)十分重要的意義。任何一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機組都包括作為原動(dòng)機的風(fēng)力機和將機械能轉變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電機。其中，作為原動(dòng)機的風(fēng)力機，其效率在很大程度上決定了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機組的效率，而風(fēng)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(gè)風(fēng)力機是如何精細地設計和施工建造，若它處于過(guò)載或久載的狀態(tài)下，都會(huì )損失其效率。從風(fēng)力機的氣動(dòng)曲線(xiàn)可以看出，存在一個(gè)最佳周速比λ，對應一個(gè)最佳的效率。所以風(fēng)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(wú)功功率的要求，所以風(fēng)力機最佳工況時(shí)的轉速應由其氣動(dòng)曲線(xiàn)及電網(wǎng)的功率指令綜合得出。也就是說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電機的轉速隨風(fēng)速及負荷的變化應及時(shí)作出相應的調整，依靠轉子動(dòng)能的變化，吸收或釋放功率，減少對電網(wǎng)的擾動(dòng)。通過(guò)變頻器控制器對逆變電路中功率器件的控制?？梢愿淖冸p饋發(fā)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(wú)功功率的目的，既提高了機組的效率，又對電網(wǎng)起到穩頻、穩壓的作用。

整個(gè)控制系統可分為三個(gè)單元:轉速調整單元、有功功率調整單元、電壓調整單元（無(wú)功功率調整）。它們分別接受風(fēng)速和轉速、有功功率、無(wú)功功率指令，并產(chǎn)生一個(gè)綜合信號，送給勵磁控制裝置，改變勵磁電流的幅值、頻率與相位角，以滿(mǎn)足系統的要求。由于雙饋電機既可調節有功功率，又可調節無(wú)功功率，有風(fēng)時(shí)，機組并網(wǎng)發(fā)電;無(wú)風(fēng)時(shí)，也可作抑制電網(wǎng)頻率和電壓波動(dòng)的補償裝置。

（3） 雙饋風(fēng)力發(fā)電機組應用前景廣闊

綜上所述，將雙饋電機應用于風(fēng)力發(fā)電中，可以解決風(fēng)力機轉速不可調、機組效率低等問(wèn)題。另外，由于雙饋電機對無(wú)功功率、有功功率均可調，對電網(wǎng)可起到穩壓、穩頻的作用，提高發(fā)電質(zhì)量。與同步機交一直一交系統相比，還有變頻裝置容量?。ㄒ话銥榘l(fā)電機額定容量的10～20%）、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，更適合于風(fēng)力發(fā)電機組使用，同時(shí)也降低了造價(jià)。

將雙饋電機應用于風(fēng)力發(fā)電的設想，不僅在理論上成立，在技術(shù)上也是可行的。與現有的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相比，無(wú)論從經(jīng)濟性，還是可靠性來(lái)看，都具有無(wú)可替代的優(yōu)勢，具有很強的競爭力，有利于風(fēng)電機組國產(chǎn)化的進(jìn)程，其發(fā)展前景十分廣闊。

5 大型風(fēng)電場(chǎng)的計算機監控系統

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展將帶動(dòng)大型風(fēng)電場(chǎng)的建設。以大型風(fēng)力發(fā)電機組組成的大型風(fēng)電場(chǎng)，可為電網(wǎng)提供可再生的綠色能源，也可解決邊遠地區的能源供應緊張形勢，大型風(fēng)電場(chǎng)的運行管理己提上議事日程。目前，我國各大風(fēng)電場(chǎng)在引進(jìn)國外風(fēng)力發(fā)電機組的同時(shí)，一般也都配有相應的監控系統。但各有自己的設計思路，致使風(fēng)電場(chǎng)監控技術(shù)互不兼容。如果一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中有多種機型的風(fēng)電機組的話(huà)，就會(huì )給風(fēng)電場(chǎng)的運行管理造成很大困難。因此，國家計委在“九五”科技攻關(guān)計劃中實(shí)施對大型風(fēng)電機組進(jìn)行攻關(guān)的同時(shí)，也把風(fēng)電場(chǎng)的監控系統列入攻關(guān)計劃，以期開(kāi)發(fā)出適合我國風(fēng)電場(chǎng)運行管理的監控系統。本文在對目前國內幾個(gè)風(fēng)電場(chǎng)監控系統進(jìn)行調研分析的基礎上，提出我們的總體設計思路。

5.1 通訊方式

目前風(fēng)電場(chǎng)所采用的風(fēng)電機組都是以大型并網(wǎng)型機組為主，各機組有自己的控制系統，用來(lái)采集自然參數，機組自身數據及狀態(tài)，通過(guò)計算、分析、判斷而控制機組的啟動(dòng)、停機、調向、剎車(chē)和開(kāi)啟油泵等一系列控制和保護動(dòng)作，能使單臺風(fēng)力發(fā)電機組實(shí)現全部自動(dòng)控制，無(wú)需人為干預。當這些性能優(yōu)良的風(fēng)電機組安裝在某一風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，集中監控管理各風(fēng)電機組的運行數據、狀態(tài)、保護裝置動(dòng)作情況、故障類(lèi)型等，十分重要。為了實(shí)現上述功能，下位機（機組控制機）控制系統應能將機組的數據、狀態(tài)和故障情況等通過(guò)專(zhuān)用的通訊裝置和接口電路與中央控制室的上位計算機通訊，同時(shí)上位機應能向下位機傳達控制指令，由下位機的控制系統執行相應的動(dòng)作，從而實(shí)現遠程監控功能。根據風(fēng)電場(chǎng)運行的實(shí)際情況，上、下位機通訊有如下特點(diǎn):

①　一臺上位機能監控多臺風(fēng)電機組的運行，屬于一對多通訊方式;

②　下位機應能獨立運行，并能對上位機通訊;

③　上、下位機之間的安裝距離較遠，超過(guò)500m;

④　下位機之間的安裝距離也較遠，超過(guò)100m;

⑤　上、下位機之間的通訊軟件必須協(xié)調一致，并應開(kāi)發(fā)出工業(yè)控制專(zhuān)用功能。

為了適應遠距離通訊的需要，目前國內風(fēng)電場(chǎng)所引進(jìn)的監控系統主要采用如下兩種通訊方式:

①　異步串行通訊，用RS-422或RS-485通訊接口。它的傳輸距離可達數千公里，傳輸速度也可達數百萬(wàn)位。由于所用傳輸線(xiàn)較少，所以成本較低，很適合風(fēng)電場(chǎng)監控系統采用。同時(shí)因為此種通訊方式的通訊協(xié)議比較簡(jiǎn)單，也很常用，所以成為較遠距離通訊的首選方式。

②　調制解調器（MODEM）方式。這是將數字信號調制成一種模擬信號，通過(guò)介質(zhì)傳輸到遠方，在遠方再用解調器將信號恢復，取出信息進(jìn)行處理，是一種實(shí)現遠距離信號傳輸的方式。此種傳輸方式的傳輸距離不受限制，可以將某地的信息與世界各地交換，且抗干擾能力較強，可靠性高，雖相對說(shuō)來(lái)成本較高，但在風(fēng)電機組通訊中也有較多的應用。

（1） 上位機通訊接口的設計

在工業(yè)現場(chǎng)控制應用中，通常采用工控PC機作為上位計算機，通過(guò)RS-232串行口與下位機通訊，構成集散式監控系統。但是，采用RS-232串行口進(jìn)行數據通訊，其缺點(diǎn)是帶負載能力差，僅用于近距離（15m以?xún)龋┩ㄓ?，無(wú)法滿(mǎn)足分散的、遠距離的風(fēng)電場(chǎng)監控的通訊要求。無(wú)論是采用異步串行通訊方式還是調制解調方式，均要在PC機RS-232串行口的基礎上進(jìn)行適當的改進(jìn)與擴展。

RS-232的電氣接口是單端的，雙極性電源供電系統，這種電路無(wú)法區分由驅動(dòng)電
路產(chǎn)生的有用信號和外部引入的干擾信號，使傳輸速率和傳輸距離都受到限制；RS-422則采用平衡驅動(dòng)和差分接收的方法，從根本上消除信號地線(xiàn)。當干擾信號作為共模信號出現時(shí)，接收器只接收差分輸入電壓，因而這種電路保證了較長(cháng)的傳輸距離和較高的傳輸速率。兩者之間可用異步通訊用RS-232/422轉換接口板轉換。

（2） 下位機通訊接口的設計

監控系統的下位機是指各風(fēng)電機組的中心控制器。對于每臺風(fēng)力發(fā)電機組來(lái)說(shuō)，即使沒(méi)有上位機的參與，也能安全正確地工作。所以相對于整個(gè)監控系統來(lái)說(shuō)，下位機控制系統是一個(gè)子系統，具有在各種異常工況下單獨處理風(fēng)電機組故障，保證風(fēng)電機組安全穩定運行的能力。從整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運行管理來(lái)說(shuō)，每臺風(fēng)電機組的下位控制器都應具有與上位機進(jìn)行數據交換的功能，使上位機能隨時(shí)了解下位機的運行狀態(tài)并對其進(jìn)行常規的管理性控制，為風(fēng)電場(chǎng)的管理提供方便。因此，下位機控制器必須使各自的風(fēng)力發(fā)電機組可靠地工作，同時(shí)具有與上位機通訊聯(lián)系的專(zhuān)用通訊接口。

可編程控制器（PLC）具有功能齊全，可靠性高和編程方便的特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域受到廣泛的歡迎。尤其是近年來(lái)，為了適應現場(chǎng)控制要求及集散控制的要求，國外的PLC廠(chǎng)家紛紛推出與各自PLC相配套的通訊模塊，這些模塊提供了RS232/422適配器或RS-232接口與PC機之間實(shí)現數據通訊，并有專(zhuān)門(mén)的編程軟件，使軟件開(kāi)發(fā)更加方便。因而，采用可編程控制器（PLC）作為風(fēng)力發(fā)電機組的下位控制器，完全可以滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電機組控制和風(fēng)電場(chǎng)監控的要求。

5.3 抗干擾措施

風(fēng)電場(chǎng)監控系統的主要干擾源是:

①　工業(yè)干擾:高壓交流電場(chǎng)、靜電場(chǎng)、電弧、可控硅等;

②　自然界干擾:雷電沖擊、各種靜電放電、磁爆等;

③　高頻干擾:微波通訊、無(wú)線(xiàn)電信號、雷達等。

這些干擾通過(guò)直接輻射或由某些電氣回路傳導進(jìn)入的方式進(jìn)入控制系統，干擾控制系統工作的穩定性。從干擾的種類(lèi)來(lái)看，可分為交變脈沖干擾和單脈沖干擾兩種，它們均以電或磁的形式干擾系統，從而抗干擾措施應從以下幾方面著(zhù)手:

①　在機箱、控制柜的結構上:對于上位機來(lái)說(shuō)，要求機箱能有效地防止來(lái)自空間輻射的電磁干擾，而且盡可能將所有的電路、電子器件均安裝于機箱內。還應防止由電源進(jìn)入的干擾，所以應加入電源濾波環(huán)節，同時(shí)要求機箱有良好的接地和機房?jì)扔辛己玫慕拥匮b置。

②　通訊線(xiàn)路上:信號傳輸線(xiàn)路要求有較好的信號傳輸功能，衰減較小，而且不受外界電磁場(chǎng)的干擾，所以應該使用屏蔽電纜。

③　通訊方式及電路上:不同的通訊方式對干擾的抵御能力不同。一般說(shuō)來(lái)，風(fēng)電場(chǎng)中上、下位機之間的距離不會(huì )超過(guò)幾千米，這種情況下經(jīng)常采用串行異步通訊方式，其接口形式采用RS-422A接口電路，采用平衡驅動(dòng)、差分接收的方法，從根本上消除信號地線(xiàn)。這種驅動(dòng)器相當于兩個(gè)單端驅動(dòng)電路，輸入相同信號，輸出一個(gè)正向信號和一個(gè)反向信號，對共模干擾有較好的抑制作用。RS-422A串行通訊接口電路適合于點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)、多點(diǎn)對多點(diǎn)的總線(xiàn)型或星型網(wǎng)絡(luò )，它的發(fā)送和接收是分開(kāi)的，所以組成雙工網(wǎng)絡(luò )非常方便，很適合于風(fēng)電場(chǎng)監控系統。

調制解調方式一般適用于遠距離傳輸，用于多站互聯(lián)，現在也有用于風(fēng)電場(chǎng)監控系統的例子。此種通訊方式的特點(diǎn)是采用平衡差分方式，是半雙工的，具有RS-422A的優(yōu)點(diǎn)。用一對雙絞線(xiàn)即可實(shí)現通訊，可節省電纜投資。但對于近距離通訊來(lái)說(shuō)，RS-422A電路的串行通訊方式顯得更加經(jīng)濟一些。

5.4 監控軟件的編制

監控應用軟件是根據具體對象來(lái)實(shí)施工業(yè)監控而開(kāi)發(fā)出的軟件，用在監控系統中執行監視、控制生產(chǎn)過(guò)程和及時(shí)調整的應用程序。對于風(fēng)電場(chǎng)監控系統，首先要顯示風(fēng)電場(chǎng)整體及機組安裝的具體位置，而后要了解各臺機組之間的連接關(guān)系及每臺風(fēng)電機組的運行情況。因此，風(fēng)電場(chǎng)的監控軟件應具有如下功能:

①　友好的控制界面。在編制監控軟件時(shí)，應充分考慮到風(fēng)電場(chǎng)運行管理的要求，應當使用漢語(yǔ)菜單，使操作簡(jiǎn)單，盡可能為風(fēng)電場(chǎng)的管理提供方便。

②　能夠顯示各臺機組的運行數據，如每臺機組的瞬時(shí)發(fā)電功率、累計發(fā)電量、發(fā)電小時(shí)數、風(fēng)輪及電機的轉速和風(fēng)速、風(fēng)向等，將下位機的這些數據調入上位機，在顯示器上顯示出來(lái)，必要時(shí)還應當用曲線(xiàn)或圖表的形式直觀(guān)地顯示出來(lái)。

③　顯示各風(fēng)電機組的運行狀態(tài)，如開(kāi)機、停車(chē)、調向、手/自動(dòng)控制以及大/小發(fā)電機工作等情況。通過(guò)各風(fēng)電機組的狀態(tài)了解整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運行情況，這對整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的管理是十分重要的。

④　能夠及時(shí)顯示各機組運行過(guò)程中發(fā)生的故障。在顯示故障時(shí)，應能顯示出故障的類(lèi)型及發(fā)生時(shí)間，以便運行人員及時(shí)處理及消除故障，保證風(fēng)電機組的安全和持續運行。

⑤　能夠對風(fēng)電機組實(shí)現集中控制。值班員在集中控制室內，只需對標明某種功能的相應鍵進(jìn)行操作，就能對下位機進(jìn)行改變設置、狀態(tài)和對其實(shí)施控制。如開(kāi)機、停機和左右調向等。但這類(lèi)操作必須有一定的權限，以保證整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運行安全。

⑥　系統管理。監控軟件應當具有運行數據的定時(shí)打印和人工即時(shí)打印以及故障自動(dòng)記錄的功能，以便隨時(shí)查看風(fēng)電場(chǎng)運行狀況的歷史記錄情況。

監控軟件的開(kāi)發(fā)應盡可能在現有工業(yè)控制軟件的基礎上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，這樣可以縮短開(kāi)發(fā)周期。同時(shí)，在軟件的編制過(guò)程申，應當采用模塊化程序設計思想，有利于軟件的編制和總體調試。

6 結束語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已日趨成熟，在可再生的綠色能源的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中占有突出的地位，具有重要的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。尤其是在偏遠的山區、牧區和海島等地區，風(fēng)力發(fā)電可為當地居民的生活和生產(chǎn)提供潔凈的能源，緩解能源供應緊張的局面。