風力發(fā)電場控制系統(tǒng)淺析

黃碧云

（中國水電顧問集團風電瀘西有限公司，云南 紅河州652400）

1 風電場簡介

瀘西小海子風電場總裝機容量48MW，主要由32臺1.5MW雙饋風力發(fā)電機組、2回35kV集電線路和1個110kV升壓變電站組成。風電場位于海拔高程2 150～2 300m之間的一片山地上，采用風機與箱式變電站組合的“一機一變”單元接線方式，風電場風機分為兩組并聯至35kV集電線路，并以2回架空集電線路匯入110kV升壓變電站，最終以1回110kV線路送出至電網220kV變電站。

2 風力發(fā)電機組控制

風力發(fā)電機組是由風輪、機艙、塔架、發(fā)電機、驅動鏈、偏航裝置、控制柜等多部分組成的系統(tǒng)，任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生故障都會影響整個機組的安全運行。

（1）風力發(fā)電機控制的目的是為了提高機組的適應性，對發(fā)電機組進行整體調節(jié)，保證其正常運行。變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)集合了雙PWM變換器、矢量控制技術和雙饋感應發(fā)電機的優(yōu)點，有利于輸出頻率與電網保持一致。采用轉換器和矢量控制是保證電力控制系統(tǒng)有效運行的重點工作。首先，系統(tǒng)要求能量的相互轉化性較強，同時要突顯電流逼近正弦波的優(yōu)勢，使用開關器件連接變流器和電機，在電網電壓發(fā)生波動或突然消失時，保證設備安全。其次，變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)要求嚴格的矢量控制，在功率外環(huán)和閉環(huán)中，使用控制變頻器計算出電壓給定值，通過矢量控制實現電機輸出的功率調節(jié)，提高供電質量和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（2）實時閉環(huán)控制。變速恒頻雙饋風力發(fā)電控制系統(tǒng)可以分成3個子系統(tǒng)：變槳距控制、轉矩控制和變流控制。機組主要的控制目標為：1）風電機組在整個運行范圍內穩(wěn)定可靠地按預定軌跡運行；2）優(yōu)化機組的運行性能，提高機組的發(fā)電效率與發(fā)電質量，減小機組的機械載荷。變槳距控制可以有效減小機組動態(tài)載荷，保證在額定風速以上時，輸出功率恒定；轉矩控制可以提高機組的發(fā)電效率，同時可有效減小機械傳動載荷；變流控制可以保證機組的發(fā)電質量。（3）風力發(fā)電機組控制單元主要由變流器、現場控制設備、變槳傳動的驅動機構等構成，具有很強的抗電磁干擾和適應能力，用來實現自動發(fā)電控制、設備保護、參數監(jiān)視等功能。運行維護人員可借助控制單元對運行狀況進行實時分析和檢測，指導風機設備的調試、操作和維護工作，保證機組的正常運轉。（4）風力發(fā)電機組遠程通訊監(jiān)控技術。該技術的特點是通過現場采樣設備，將獲得的信息轉化為數字模式，經網絡傳輸給遠程診斷工程師，工程師利用計算機和現代數字處理技術對數字信號進行分析和處理，并將診斷結果反饋給現場故障處理人員（圖1）。

圖1 風力發(fā)電機組遠程通訊監(jiān)控流程

遠程控制體系從上到下分為5個層次：基層由被監(jiān)控對象組成，即風力電機組；現場執(zhí)行層由PLC、PC控制器和傳感設備等組成，對風向進行偵測，適時調整葉片到適當的角度，充分利用風能開展發(fā)電作業(yè)；協調層，即負責管理中心和監(jiān)控中心之間、監(jiān)控中心和現場控制中心之間的安全快速的數據傳輸；組織層是管理中心的綜合，負責監(jiān)控中心的管理工作，保證與外界的信息交流，實現資源共享；遠程監(jiān)控層作為系統(tǒng)運行的指揮中心，通過計算機網絡接收和分析數據信息，將處理意見傳達給組織層，及時糾正運行偏差。

3 風力發(fā)電場控制系統(tǒng)

瀘西小海子風力發(fā)電場控制系統(tǒng)由風力發(fā)電機組控制和110kV升壓變電站綜合自動化組成。風電場控制采用全計算機的三級監(jiān)控方式，在各臺風力發(fā)電機組的現場對單機進行監(jiān)控；在110kV升壓站的中央控制室對全部風力發(fā)電機組和升壓站各類電氣設備進行集中監(jiān)控；在電網調度可對風電場全部設備實行遠方監(jiān)控。

（1）風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)由風力發(fā)電機組控制單元、遠程上位機操作員站和高速光纖網絡組成。監(jiān)控系統(tǒng)主機設置在風電場110kV升壓變電站的中央控制室，經環(huán)形以太網與風力發(fā)電機組的就地控制器通信，高速光纖網絡將機組的實時數據送至上位機界面；上位機操作員站是風電廠的運行監(jiān)視核心，并具備完善的機組狀態(tài)監(jiān)視、參數報警，實時／歷史數據的記錄顯示等功能，操作員在控制室內實現對風場所有機組的運行監(jiān)視及操作，運行人員可以通過上位機系統(tǒng)對全部風電機組進行控制和監(jiān)視。（2）風力發(fā)電機組控制單元是風機控制的核心，能夠實現機組的參數監(jiān)視、自動發(fā)電控制和設備保護等功能；風力發(fā)電機組的就地控制器設在塔架內底部，具備監(jiān)測、保護、控制操作、開停機、故障檢測、參數顯示、鍵盤及按鈕輸入控制、遠程控制接口、記錄等功能。每臺風力發(fā)電機組配有就地HMI人機接口實現就地操作、調試和維護機組；通過控制器上的鍵盤和控制柜上的各按鈕輸入，控制機艙內的左右偏航、開停機、復位等。（3）風力發(fā)電機組設在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在風機機組各部件損壞之前對各處設備運行狀態(tài)報告進行預警，以便現場人員及時發(fā)現維修，減少設備損失。在線監(jiān)測系統(tǒng)與風機監(jiān)測控制系統(tǒng)一起通過場內光纜通信將信號傳輸到升壓站。（4）110kV升壓變電站綜合自動化系統(tǒng)由站控層、間隔層構成，每層均有相應的設備和網絡設備。站控層與間隔層網絡組網方式采用冗余以太網構架，站控層包括主機、操作員工作站、遠動裝置、衛(wèi)星對時裝置及其他智能設備接口裝置，經雙以太網與站內的間隔層的測控和保護裝置進行連接，從而實現對升壓站內所有電設備的控制和監(jiān)視，監(jiān)視對象包括電流、電壓、有功、無功、頻率，各斷路器、隔離開關、接地開關的分合閘位置、保護動作信號等；并可在操作員工作站上對斷路器實行跳、合閘操作；能在操作員工作站上顯示各種圖形、報表，具有分析統(tǒng)計功能。操作人員可以在工作站上用人機對話的方式，對全場的設備進行操作和監(jiān)視。（5）小海子風電場風機與中央監(jiān)控系統(tǒng)通訊共分兩路，采用環(huán)形網絡布局，通過光分路器匯集成一路經架設在35kV集電線路上的24芯OPGW架空光纜傳至升壓站中控室，通過光電轉換模塊與風力發(fā)電機的中央監(jiān)控機相連，實現風力發(fā)電機組與中央監(jiān)控機的通訊。另外配置對講機，作為風電場運行人員巡視和檢修聯絡通信用。小海子風電場系統(tǒng)通信，站控層冗余配置兩套遠動通信工作站，該工作站可與風機監(jiān)控系統(tǒng)、升壓站監(jiān)控系統(tǒng)、無功補償裝置等設備通信，讀取實時運行信息，對實時信息進行定時采樣形成歷史數據存儲在終端中，并將實時數據和歷史數據通過電力調度數據網或2M專線上傳到調度端主站系統(tǒng)，同時從主站接收遙控命令及有功／無功的調節(jié)控制指令，轉發(fā)給風機監(jiān)控系統(tǒng)、無功補償裝置等進行遠方調節(jié)和控制。（6）升壓站布設一套GPS對時系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在主控制室接收全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的標準授時信號，對各個間隔層單元、保護單元及站級計算機等具有時鐘的設備進行同步的時鐘校正，保證各部件時鐘同步率達到精度要求。

4 結語

風電在全球都是鼓勵發(fā)展的可再生能源，對改善環(huán)境、優(yōu)化資源配置有著不可或缺的作用。我國風力發(fā)電項目分布面廣，風力發(fā)電場運行情況多樣，動態(tài)特性復雜，在機電設備、控制系統(tǒng)的選型和設計上各類型風電場都有一定的特殊性，因此，熟悉掌握風電場控制系統(tǒng)和機電設備的技術特性，對保障風電場設備安全運行、提高風電機組的可利用率有重要意義。

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