內(nèi)蒙古某風(fēng)電場(chǎng)主控系統(tǒng)電氣技術(shù)改造應(yīng)用分析

安佳琦，張朝輝，宋會(huì)林，郝大威，關(guān)智超

（中廣核新能源投資（深圳）有限公司 內(nèi)蒙古分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

內(nèi)蒙古某風(fēng)電場(chǎng)共安裝40臺(tái)上電SEC-1250機(jī)組，機(jī)組主控系統(tǒng)為MITA系統(tǒng)，自2009年裝機(jī)至今已連續(xù)運(yùn)行近12年。硬件設(shè)備的逐漸老化和落后的控制算法已經(jīng)無(wú)法滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的需求以及追求高發(fā)電量與深挖低風(fēng)速下發(fā)電效率的要求，致使功率曲線不達(dá)標(biāo)問(wèn)題嚴(yán)重。此外，電場(chǎng)風(fēng)機(jī)所采用的控制系統(tǒng)因控制器封閉、功能受限、控制策略落后等原因，使得風(fēng)場(chǎng)發(fā)電量嚴(yán)重受損。同時(shí)由于風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)傳感器的數(shù)量較少，對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視嚴(yán)重不足，無(wú)法做到故障早期發(fā)現(xiàn)及精細(xì)化維護(hù)，因此機(jī)組運(yùn)行過(guò)程始終存在極大的安全隱患。

為解決上述問(wèn)題，保證風(fēng)電場(chǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)機(jī)組進(jìn)行必要的技術(shù)改造成為一種迫切需求。本文從不同方面對(duì)主控系統(tǒng)進(jìn)行了一系列技術(shù)改造，改造后的控制系統(tǒng)功能更加先進(jìn)齊全，操作更加簡(jiǎn)易便捷，運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

1 電氣控制系統(tǒng)技術(shù)改造方案

1.1 主控PLC改造

采用新型可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）替換原WP3100控制器。新型PLC控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，提供多種IO模塊及通信模塊，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中可根據(jù)不同的控制需求進(jìn)行靈活組合，完善了原控制模塊單一性的缺陷，具有更高的現(xiàn)場(chǎng)適用性[1]。

1.2 電量采集模塊改造

原系統(tǒng)WP3100對(duì)電量的計(jì)量通過(guò)采集電壓、電流信號(hào)后計(jì)算所得。其中，電壓信號(hào)來(lái)自于WP3090二次側(cè)，電流信號(hào)則來(lái)自于變流器內(nèi)安裝的電流互感器二次側(cè)。WP3090屬于MITA定制產(chǎn)品，購(gòu)買(mǎi)渠道少，且價(jià)格高昂，有較高的限制性。

技術(shù)改造后，新型電量采集模塊采用AGP300，通用性增強(qiáng)，所覆蓋的功能更全面，配合新型PLC控制器，通過(guò)電量采集模塊上的RS485接口進(jìn)行通信，可直接采集電壓、電流、功率以及發(fā)電量等信息，應(yīng)用局限性大幅降低[2]。

1.3 安全鏈扭纜保護(hù)改造

SEC-1250機(jī)組原安全鏈設(shè)計(jì)回路上串聯(lián)有振動(dòng)開(kāi)關(guān)、超速開(kāi)關(guān)以及PLC看門(mén)狗，扭纜開(kāi)關(guān)并未直接接入安全鏈回路，而是接入了單獨(dú)模塊。扭纜信號(hào)與PLC數(shù)字量輸入模塊直接相連，扭纜判定及保護(hù)則經(jīng)由軟件直接控制，因此存在一定程度的安全隱患。為避免控制異常，造成偏航電纜保護(hù)失效，此處對(duì)偏航扭纜硬件電氣回路進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，將該繼電器的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)到偏航緊急停機(jī)安全回路中，以確?？刂票Ｗo(hù)過(guò)程的精確性[3]。

1.4 通信網(wǎng)絡(luò)改造

原系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信基于8芯多模光纖采用ACRNET單纖收發(fā)的雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通信速率較慢。改造后采用雙光纖自愈型環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以交換機(jī)替換機(jī)組網(wǎng)用串口設(shè)備。機(jī)艙采用非管理型交換機(jī)，塔基采用管理型交換機(jī)[4]。利用非管理型交換機(jī)，借助現(xiàn)場(chǎng)原有光纖組建單臺(tái)機(jī)組內(nèi)部通信網(wǎng)，將原串口通信升級(jí)為以太網(wǎng)通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速通信。改造后的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 改造后的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.5 風(fēng)機(jī)人機(jī)界面改造

機(jī)艙WP3050和塔基WP3050均更換為新型人機(jī)界面。新型人機(jī)界面為觸摸屏，全中文顯示，清晰明了且便于維護(hù)人員操作，提升了人機(jī)交互體驗(yàn)。塔基和機(jī)艙人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）的顯示則可根據(jù)用戶要求朝向外或朝向內(nèi)安裝[5]。改造后的風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程采集風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全方位的監(jiān)控，提高了風(fēng)機(jī)的可利用率，利于風(fēng)機(jī)的及時(shí)維護(hù)，進(jìn)而延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的生命周期。改造后的系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 電氣控制系統(tǒng)控制策略優(yōu)化

控制策略優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)最優(yōu)控制、提升風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性、獲取最大機(jī)組發(fā)電量為目的，主要內(nèi)容如下。

2.1 轉(zhuǎn)矩控制策略優(yōu)化

原機(jī)組轉(zhuǎn)矩由變流器根據(jù)轉(zhuǎn)速直接給定，不受主控系統(tǒng)控制。變流器轉(zhuǎn)矩控制采用查表法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但最大風(fēng)能捕獲范圍小，機(jī)組發(fā)電能力低。技改后增加主控和變流器通信功能，轉(zhuǎn)矩由主控系統(tǒng)采用雙PI策略控制，風(fēng)能最大捕獲運(yùn)行區(qū)域延長(zhǎng)，機(jī)組小風(fēng)速段和中等風(fēng)速段發(fā)電能力提升[6]。

2.2 增加轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)控制

原機(jī)組變流器采用固定轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線，未考慮空氣密度變化對(duì)機(jī)組發(fā)電性能的影響。技改后增加轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)控制，采用轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線尋優(yōu)控制算法，在控制單元內(nèi)部根據(jù)環(huán)境溫度、大氣壓強(qiáng)對(duì)空氣密度的影響動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線，使機(jī)組總是運(yùn)行在最優(yōu)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線上，確保機(jī)組一直處于最高發(fā)電效率狀態(tài)[7]。

2.3 增加風(fēng)向校正功能

風(fēng)向標(biāo)安裝誤差及葉片尾流等原因會(huì)使得測(cè)量風(fēng)向與實(shí)際風(fēng)向存在差異，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組對(duì)風(fēng)精度出現(xiàn)偏差，影響等效掃風(fēng)面積，降低風(fēng)能捕獲[8]。原機(jī)組未考慮風(fēng)向偏差對(duì)機(jī)組發(fā)電能力的影響，不具備風(fēng)向校正功能。技改后增加風(fēng)向校正功能，用于消除風(fēng)向偏差，并預(yù)留風(fēng)向校正接口。通過(guò)對(duì)機(jī)組在5°～15°和345°～355°風(fēng)向范圍內(nèi)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)速-功率曲線進(jìn)行對(duì)比，人為判斷并手動(dòng)調(diào)整風(fēng)向偏移量，減小機(jī)組對(duì)風(fēng)偏差，保證最大風(fēng)能捕獲。

2.4 增加最小槳角控制策略

空氣密度偏低時(shí)，機(jī)組在額定風(fēng)速左右運(yùn)行存在失速風(fēng)險(xiǎn)，原機(jī)組缺少相應(yīng)的保護(hù)模塊[9]。技改后增加最小槳角控制策略，針對(duì)不同風(fēng)速條件，根據(jù)機(jī)組當(dāng)前功率及轉(zhuǎn)速，對(duì)當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行的最小槳距角進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，進(jìn)而確保機(jī)組在額定風(fēng)速左右不失速，同時(shí)可降低機(jī)組在失速條件下的載荷。

3 技術(shù)改造安全性分析

3.1 控制策略安全性

為保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全性，改造前后風(fēng)機(jī)各項(xiàng)控制參數(shù)均保持一致，僅根據(jù)實(shí)際需要對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行增項(xiàng)優(yōu)化調(diào)整。改造后的控制器將保持風(fēng)機(jī)原有定值不變、風(fēng)機(jī)現(xiàn)有載荷不變、風(fēng)機(jī)原有安全策略不變，機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)將更加完善，通過(guò)新型控制系統(tǒng)，可對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[8]。監(jiān)控結(jié)果為機(jī)組健康狀態(tài)如風(fēng)機(jī)振動(dòng)特性、傳動(dòng)鏈振動(dòng)特性、液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性等分析提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 器件安全性

新PLC控制器擁有第三方評(píng)估、產(chǎn)品CE認(rèn)證以及出廠測(cè)試報(bào)告，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的要求，同時(shí)為確保整機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，新PLC控制器配合轉(zhuǎn)接口與原外圍系統(tǒng)進(jìn)行連接[9]。

系統(tǒng)除提供IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的編程方式外，還兼容直接用C語(yǔ)言或C++語(yǔ)言及MATLAB來(lái)開(kāi)發(fā)程序。PLC控制器組將工業(yè)硬件平臺(tái)與開(kāi)放的IEC61131編程工具完美結(jié)合，針對(duì)惡劣工況環(huán)境進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，可確保系統(tǒng)在-30～+60 ℃溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定無(wú)故障運(yùn)行。新型中央處理器（Central Processing Unit，CPU）模塊除了具有串行接口、以太網(wǎng)接口、通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口外，還集成有控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）主站和電源，既不需獨(dú)立配置供電電源模塊，又方便進(jìn)行總線擴(kuò)展?；赩xWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具備文件和目錄管理、多任務(wù)、設(shè)備支持、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能，具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、體積小、占用資源少等特點(diǎn)，可使相同的硬件配置滿足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求。

3.3 技術(shù)安全性

（1）增加了齒輪箱油位監(jiān)測(cè)功能。將齒輪箱油位傳感器信號(hào)接入主控系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)漏油情況時(shí)，報(bào)出油位低故障，避免長(zhǎng)時(shí)間漏油，減少油脂浪費(fèi)，保證齒輪箱得到充足的潤(rùn)滑及散熱，同時(shí)避免了過(guò)多漏油而導(dǎo)致塔筒污染[10]。（2）增加了主冷卻系統(tǒng)壓力監(jiān)測(cè)功能。確保主冷系統(tǒng)的冷卻水量充足，避免因冷卻水不足導(dǎo)致齒輪箱、發(fā)電機(jī)高溫狀況，提升大部件的壽命。（3）增加了機(jī)艙底部集油盤(pán)溢油檢測(cè)傳感器。當(dāng)發(fā)生齒輪箱漏油時(shí)，可及時(shí)發(fā)出告警信號(hào)。（4）優(yōu)化了安全鏈保護(hù)系統(tǒng)。安全鏈中可增加風(fēng)機(jī)扭纜監(jiān)測(cè)，進(jìn)而提升扭纜系統(tǒng)的安全性。（5）增加如圖3所示的偏航扭纜保護(hù)硬件保護(hù)功能。在偏航扭纜保護(hù)凸輪開(kāi)關(guān)回路上串入15KN7繼電器，并將15KN7繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)串入機(jī)組安全鏈回路中，實(shí)現(xiàn)硬件保護(hù)功能。

圖3 偏航扭纜保護(hù)

4 電氣控制技術(shù)改造經(jīng)濟(jì)性分析

風(fēng)電場(chǎng)功率曲線對(duì)比如圖4所示，從圖中可知，風(fēng)速區(qū)間為7～13 m/s時(shí)，電場(chǎng)實(shí)際功率曲線低于標(biāo)準(zhǔn)功率曲線，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)出力會(huì)有所提升；風(fēng)速大于18 m/s時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)功率曲線和實(shí)際運(yùn)行曲線開(kāi)始下降，優(yōu)化后的功率曲線則保持1 250 kW，直到23 m/s風(fēng)速下切出。經(jīng)初步計(jì)算，優(yōu)化后，電風(fēng)機(jī)每年發(fā)電量的增長(zhǎng)超800萬(wàn)kW·h。

圖4 功率曲線對(duì)比

5 結(jié) 論

技改方案針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題提出，是電場(chǎng)自身的一場(chǎng)技術(shù)性改革，其改造過(guò)程可為相關(guān)領(lǐng)域的改造提供一定的技術(shù)參考，具有較高的實(shí)際意義。首先，技術(shù)改造以安全性為大前提，實(shí)現(xiàn)了控制策略優(yōu)化，補(bǔ)充了系統(tǒng)功能缺陷，提升了對(duì)機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，具有較高的先進(jìn)性。其次，技術(shù)改造提升了機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，優(yōu)化了機(jī)組功率曲線控制。技改后，功率曲線特性在中高風(fēng)速段內(nèi)顯著提升，風(fēng)速大于14 m/s時(shí)便可達(dá)到滿狀態(tài)運(yùn)行。最后，技術(shù)改造提升了機(jī)組發(fā)電量。技改后中高風(fēng)速段內(nèi)機(jī)組發(fā)電量提升超2.5%，風(fēng)電場(chǎng)每年發(fā)電量的增長(zhǎng)超800萬(wàn)kW·h，極大提高了風(fēng)電場(chǎng)的綜合并網(wǎng)性能。