淺析通用型風電機組控制系統(tǒng)平臺的開發(fā)與應(yīng)用

摘要：由于各生產(chǎn)現(xiàn)場風力發(fā)電機組的機型不同，導(dǎo)致風機技術(shù)研究及培訓(xùn)等工作始終受到風機機型的限制，技術(shù)開發(fā)效果不是特別理想，為使風電研發(fā)技術(shù)更貼近現(xiàn)場實際，滿足各風電企業(yè)現(xiàn)場的實際需求，打破風機機型的限制，解決風機相關(guān)技術(shù)研究及試驗需要，使在實驗室的環(huán)境中對風機的設(shè)計、開發(fā)及風電機組提效技術(shù)進行研究，特研究開發(fā)本通用型風電機組控制系統(tǒng)平臺，該平臺的設(shè)計、研制全過程執(zhí)行嚴格標準，全部參照風電場現(xiàn)場安裝的風力發(fā)電機組真實機型使用標準，以及風力發(fā)電機組生產(chǎn)廠家對于整機及部件的各項標準，最終實現(xiàn)通用型平臺應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機組；通用型；控制系統(tǒng)平臺

1 技術(shù)參數(shù)

該通用型風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，采用市電380V進行供電，直接從降壓變壓器出口取電，并單獨敷設(shè)動力電纜，保證了供電的可靠性。并使用3+1專用電纜，提供可靠接地。380V市電經(jīng)專用雙繞組變壓器，轉(zhuǎn)換為480V、690V兩種電壓等級，滿足該平臺動力電源需求。整體平臺使用交流690V、480V、230V，直流24V等多種電壓等級。發(fā)電機并網(wǎng)運行滿足平臺本身及電網(wǎng)要求，電壓輸出690V±10%，頻率輸出50Hz±1Hz，功率輸出限定最大30kW。

2 技術(shù)指標

以現(xiàn)有的Vestas公司V80仿真機為基礎(chǔ)，自主研制開發(fā)主控、變槳控制系統(tǒng)，以及多種硬件設(shè)備，從而實現(xiàn)對風機原有及新增系統(tǒng)的控制功能，在滿足原有設(shè)備的性能基礎(chǔ)上，大幅提升該平臺的通用性能。自行編制開發(fā)風機控制程序，安裝通用性較強的巴赫曼PLC模塊及相應(yīng)電氣元件。新增主控PLC采用定制的航空插頭方式與現(xiàn)有V80仿真機主控PLC進行切換，從而實現(xiàn)對原有設(shè)備的運行控制。同時，新增主控PLC與新增加的變流器、電動變槳系統(tǒng)、偏航仿真系統(tǒng)進行控制連接，實現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)及部件的運行控制。搭建一套新的SCADA監(jiān)控平臺，使自行開發(fā)的風機控制程序運行時，相應(yīng)的發(fā)電機并網(wǎng)時的變量曲線能夠?qū)崿F(xiàn)時時顯示。

3 經(jīng)濟指標

以不超過50萬的總資金投入，實現(xiàn)該平臺各項設(shè)計功能，努力創(chuàng)造效益最大化。通過該平臺的科研、試驗、培訓(xùn)等功能，在滿足本單位相關(guān)工作需求的同時，也會給各風電公司帶來極大的經(jīng)濟效益。通過該平臺，大力培養(yǎng)風電場現(xiàn)場檢修維護人員，全面提升檢修維護技能水平，確保風力發(fā)電機組穩(wěn)定運行，減少因故障停機時間，避免大量的電量損失。

（1）通過本平臺對風機控制策略進行了優(yōu)化試驗，并在一個5萬容量的風場進行了控制策略的優(yōu)化。該5萬風場平均年利用小時數(shù)為1700小時，年發(fā)電量50000×1700=8500萬kwh。通過控制策略優(yōu)化后，該風場年發(fā)電量提高3%，即增發(fā)8500×0.03=255萬kwh。按電價0.5元計算，增加發(fā)電利潤255×0.5=127.5萬。

（2）通過本平臺打開了風電技術(shù)培訓(xùn)的內(nèi)部及外部培訓(xùn)市場，培訓(xùn)人數(shù)增加500人次，按照每人次培訓(xùn)費用1000元計算，培訓(xùn)收入增加1000×500=50萬。

（3）由于本試驗平臺屬于通用型試驗平臺，避免了試驗研究人員去多個生產(chǎn)現(xiàn)場進行不同機型的試驗，降低了對生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)電量的影響及試驗人員的差旅費用。試驗人員每年平均去現(xiàn)場5個生產(chǎn)現(xiàn)場對5種機型風機進行試驗，大約每臺風機按照影響發(fā)電10天計算大約造成240×5=1200小時小時的發(fā)電量損失，1臺1.5MW風機按照平均每小時發(fā)電300KW進行估算，1200小時影響發(fā)電36萬kwh，影響發(fā)電利潤18萬，差旅費用每年可節(jié)約2萬。

4 設(shè)計思路

本通用型風電機組控制系統(tǒng)平臺由V80及科諾偉業(yè)分別生產(chǎn)的兩套主控柜、變流柜，SSB電變槳、Vestas液壓變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、雙饋異步發(fā)電機、巴赫曼PLC等硬件及系統(tǒng)組成。擁有由中國大唐集團新能源股份有限公司完全自主開發(fā)的風機主控程序，控制風電機組組成的變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等所用風電機組系統(tǒng)，最終實現(xiàn)在沒有風機葉片、塔筒、齒輪箱的實驗室環(huán)境下發(fā)電機的并網(wǎng)發(fā)電。

本通用型風電機組控制系統(tǒng)平臺通過拖動電機代替風輪和齒輪箱，拖動發(fā)電機進行旋轉(zhuǎn)。在啟動運行時，同時啟動拖動電機，主控系統(tǒng)進行自測，檢測系統(tǒng)無故障后，液壓變槳機構(gòu)進行變槳，同時，啟動預(yù)充電回路，通過網(wǎng)測變流器給直流母排預(yù)充壓，當預(yù)充壓達到設(shè)定值時，切除預(yù)充電回路，投入勵磁回路，拖動電機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到勵磁轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子側(cè)變流器給發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流，定子發(fā)電，當定子出線處的電壓電流互感器測量定子出線電壓的幅值、相位、頻率與校網(wǎng)一致時，風機并網(wǎng)發(fā)電。

本通用型風電機組控制系統(tǒng)平臺可在各種不同風機機型及液壓變槳、電變槳等不同系統(tǒng)間進行自由切換，部分信號如輪轂、風速信號、齒輪箱等傳感器信號通過電腦模擬，最終使所有系統(tǒng)工作達到和現(xiàn)場實際運行狀態(tài)完全一致?？刂破髂K采用通用型較強的巴赫曼PLC模塊（主控、輪轂控制器），實現(xiàn)風機控制程序?qū)Σ煌瑱C型的硬件控制需求進行修改及控制運行。

主控柜內(nèi)含主控、變槳控制器、相應(yīng)電氣元件及控制操作面板等主控PLC采用定制的航空插頭方式實現(xiàn)與不同風機機型主控PLC進行自由切換，達到快速控制不同風機機型的目的。

自行開發(fā)一套通用新的SCADA監(jiān)控平臺，使自行開發(fā)的風機控制程序運行時，相應(yīng)的發(fā)電機并網(wǎng)時的變量曲線能夠?qū)崿F(xiàn)時時顯示。溫度、壓力、振動等信號通過傳感器進行實際信號采集，輪轂、風速變化、齒輪箱等傳感器，發(fā)電機轉(zhuǎn)矩等相關(guān)數(shù)據(jù)信號，通過電腦軟件信號模擬，反饋給風機主控程序，最終實現(xiàn)所有主控面板顯示的數(shù)據(jù)信號與現(xiàn)場實際風機并網(wǎng)信號的完全一致。

5 技術(shù)優(yōu)勢

現(xiàn)有國內(nèi)同類風電機組試驗平臺均為針對專有機型開發(fā)研制，而針對所有機型均可應(yīng)用的實驗平臺尚屬首例，本平臺的研發(fā)成功可使風電技術(shù)試驗研發(fā)人員不必針對不同機型分別進行試驗，大大縮短了試驗周期，降低了風電技術(shù)研發(fā)成本，在風電試驗平臺的開發(fā)與應(yīng)用市場競爭優(yōu)勢明顯。

同時通過通用型風電機組控制系統(tǒng)平臺的研制，擁有了自主開發(fā)的風機控制程序，突破了風機制造廠家對風機核心技術(shù)的封鎖與控制，對風電機組的設(shè)計研發(fā)、風電技術(shù)的研究及試驗將產(chǎn)生重大意義，在風電行業(yè)的技術(shù)研發(fā)平臺領(lǐng)域具有極強的市場競爭力。

在本平臺上可針對現(xiàn)場所有機型并針對不同現(xiàn)場環(huán)境、有針對性的進行控制策略的優(yōu)化及風機提效試驗，可大大提高設(shè)備的發(fā)電量，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

而在風電技術(shù)培訓(xùn)領(lǐng)域，由于通用型風電機組控制系統(tǒng)平臺可實現(xiàn)所有風機機型的實操培訓(xùn)，大大增加了培訓(xùn)效果及風電技術(shù)人員的技能提升，打破了風電仿真實訓(xùn)的瓶頸，使培訓(xùn)的實效性大大增強，提高了現(xiàn)場人員的故障處理能力及工作效率，隱形效益極高，在風電培訓(xùn)市場競爭優(yōu)勢明顯。

6 總結(jié)

本通用型風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)開發(fā)平臺不受風機機型限制，可模擬實現(xiàn)風電行業(yè)任何風機機型的動作過程及工作原理，在風電行業(yè)風機試驗平臺及仿真教學領(lǐng)域中尚屬首例。其在風電領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景，也會給各風電公司帶來極大的經(jīng)濟效益。

通過該平臺，大力培養(yǎng)風電場現(xiàn)場檢修維護人員，全面提升檢修維護技能水平，確保風力發(fā)電機組穩(wěn)定運行，減少因故障停機時間，避免大量的電量損失。本平臺可提供對所有機型的相關(guān)技術(shù)進行研究及試驗，在試驗平臺開發(fā)領(lǐng)域尚屬首例，為平臺開發(fā)領(lǐng)域提供了新的研發(fā)思路，帶來的社會效益巨大。本平臺打破了風電行業(yè)實操培訓(xùn)領(lǐng)域機型限制的瓶頸問題，解決了長期困擾風電培訓(xùn)領(lǐng)域的難題，社會效益明顯。

作者簡介：

張舒翔（1985—），男，內(nèi)蒙古赤峰，本科，工程師，主要研究：風力發(fā)電相關(guān)技術(shù)。