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一、引言

　　風能作為一種綠色環(huán)保新興能源一躍成為現(xiàn)代能源的關注點，出于保護環(huán)境的考慮以及全球能源短缺的現(xiàn)狀，風力發(fā)電在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。隨著風電行業(yè)的技術(shù)進步，風力發(fā)電成本逐步降低，在經(jīng)濟性上已經(jīng)能夠與核能發(fā)電、水力發(fā)電展開競爭。當前，我國面臨電力短缺局面，煤電仍占電力行業(yè)的主導地位，因環(huán)境承載力限制及各種因素導致的煤炭短缺局面，煤電發(fā)展受到制約。風能是干凈的自然能源，沒有常規(guī)能源（煤電、油電）或核電會造成環(huán)境污染的問題。我國風能資源豐富，風能利用得到了政府的政策支持，風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機遇。

二、監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和概述

　　風力發(fā)電場具有機組布置范圍廣闊、設備運行環(huán)境惡劣等特點，風電監(jiān)控系統(tǒng)專為中小型風力發(fā)電機組設計，涉及了當前國內(nèi)先進的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測分析和控制策略軟件技術(shù)，系統(tǒng)利用力控科技監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl進行二次開發(fā)，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)原理圖如下：

　　所有風電機組通過光纖以太網(wǎng)連接至主控室的上位機操作員站，實現(xiàn)監(jiān)控整個風場，上位機監(jiān)控軟件具有如下功能:

　?、?nbsp;系統(tǒng)具有友好的控制界面。在編制監(jiān)控組態(tài)軟件時，充分考慮到風電場運行管理的要求，使用漢語菜單，操作簡單，盡可能為風電場的管理提供便利。

　?、?nbsp;系統(tǒng)顯示各臺機組的運行數(shù)據(jù)。如每臺機組的瞬時發(fā)電功率、累計發(fā)電量、發(fā)電小時數(shù)、風輪及電機的轉(zhuǎn)速和風速、風向等，將下位機的數(shù)據(jù)調(diào)入上位機并顯示，必要時還可以用曲線或圖表的形式直觀地顯示出來。

　?、?nbsp;系統(tǒng)顯示各風電機組的運行狀態(tài)。如開機、停車、調(diào)向、手/自動控制以及大/小發(fā)電機工作等情況，通過各風電機組的狀態(tài)了解整個風電場的運行情況。

　　④ 系統(tǒng)能夠及時顯示各機組運行過程中發(fā)生的故障。顯示故障類型及發(fā)生時間，以便運行人員及時處理及消除故障，保證風電機組安全和持續(xù)運行。

　　⑤ 系統(tǒng)能夠?qū)︼L電機組實現(xiàn)集中控制。值班員在集中控制室內(nèi)，只需對標明某種功能的相應鍵進行操作，就能改變下位機設置狀態(tài)和對其實施控制。如開機、停機和左右調(diào)向等。該操作同時具有權(quán)限管理，以保證整個風電場的運行安全。

　?、?nbsp;系統(tǒng)管理。監(jiān)控軟件具有運行數(shù)據(jù)的定時打印、人工即時打印、故障自動記錄的功能，以便隨時查看風電場運行狀況的歷史記錄情況。

三、監(jiān)控系統(tǒng)功能

1、數(shù)據(jù)采集功能：

　　機組運行過程中進行監(jiān)測的相關參數(shù)包括：

　?。?）電網(wǎng)參數(shù)：電網(wǎng)三相電壓、三相電流、電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)等。電壓故障檢測：電網(wǎng)電壓閃變、過電壓、低電壓、電壓跌落、相序故障、三相不對稱等。

　?。?）氣象參數(shù)：風速、風向、環(huán)境溫度等。

　?。?）機組狀態(tài)參數(shù)檢測：風輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機線圈溫度、發(fā)電機前后軸承溫度、齒輪箱油溫度、齒輪箱前后軸承溫度、液壓系統(tǒng)油溫、油壓、油位、機艙振動、電纜紐轉(zhuǎn)、機艙溫度等。

2、機組控制功能：

　?。?）主控系統(tǒng)檢測電網(wǎng)參數(shù)、氣象參數(shù)、機組運行參數(shù)。當條件滿足時，啟動偏航系統(tǒng)執(zhí)行自動解纜、對風控制，釋放機組的剎車盤，調(diào)節(jié)槳距角度，風車開始自由轉(zhuǎn)動，進入待機狀態(tài)。

　　（2）當外部氣象系統(tǒng)監(jiān)測的風速大于某一定值時，主控系統(tǒng)啟動變流器系統(tǒng)開始進行轉(zhuǎn)子勵磁，待發(fā)電機定子輸出電能與電網(wǎng)同頻、同相、同幅時，合閘出口斷路器實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

　?。?）風力機組功率、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)根據(jù)風力機特性，當機組處于最佳葉尖速比λ運行時，風機機組將捕獲得最大的能量，雖理論上機組轉(zhuǎn)速可在任意轉(zhuǎn)速下運行，但受實際機組轉(zhuǎn)速限制、系統(tǒng)功率限制，不得不將該階段分為以下幾個運行區(qū)域：即變速運行區(qū)域、恒速運行區(qū)域和恒功率運行區(qū)。額定功率內(nèi)的運行狀態(tài)包括：變速運行區(qū)（最佳的λ）和恒速運行區(qū)。當風機并網(wǎng)后，轉(zhuǎn)速小于極限轉(zhuǎn)速、功率低于額定功率時，根據(jù)當前實際風速，調(diào)節(jié)風輪的轉(zhuǎn)速，使機組工作處于捕獲最大風能的狀態(tài)。由于風速儀測量點的風速與作用于槳葉的風速存在一定誤差，所以轉(zhuǎn)距觀測器來預測風力機組的機械傳動轉(zhuǎn)距，在通過發(fā)電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距的對應關系推出轉(zhuǎn)速。

　　ω為發(fā)電機轉(zhuǎn)速期望值 = 開方（Tm為轉(zhuǎn)距的觀測值 / Kopt為最佳轉(zhuǎn)速時的比例常數(shù)）

　　當風速增加使發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到上限后，主控制器需維持轉(zhuǎn)速恒定，風力機組發(fā)出的電功率隨風速的增加而增加，此時機組偏離了風力機的最佳λ曲線運行。當風速繼續(xù)增加，使轉(zhuǎn)速、功率都達到上限后，進入恒功率運行區(qū)運行，此狀態(tài)下主控通過變流器，維持機組的功率恒定，主控制器一方面通過槳距系統(tǒng)的調(diào)節(jié)減少風力攻角，減少葉片對風能的捕獲；另一方面通過變流器降低發(fā)電機轉(zhuǎn)速節(jié)，使風力機組偏離最佳λ曲線運行，維持穩(wěn)定的發(fā)電機輸出功率。

　　控制的組態(tài)采用功能豐富、界面友好的策略控制組態(tài)軟件，采用符合IEC61131-3標準的組態(tài)方式，包括：功能圖（FBD）組態(tài)方式。

3、風能特性模型功能：

　　描述風能特性的參數(shù)主要有風速、風向和風密度。風的密度主要取決于風機所處的地理位置，氣候變化也會產(chǎn)生一定影響，對于特定風機而言，風密度可以直接取自測量數(shù)據(jù)，并可以忽略密度的變化；風向的變動可不予考慮，即假定風力機一直跟蹤風向的變化。因此，關注風速的變化特性。 風因大氣環(huán)流形成，風速是一個典型的隨機變量。若不考慮風的方向性，風速是其空間坐標位置和時間的函數(shù)，即v=f(x,y,z,t)。將描述某一區(qū)域風速的空域、時域分布變化特性的模型又稱為風場模型（Wind Field Model）。各空間位置上的風速因風的隨機性、風場地形等因素影響而各不相同，若風場的地形相對平坦、周邊空曠，則基本可以認為在同一高度層上整個風場內(nèi)各點的風速是相同的，這樣可以將風場風速的三維空間模型簡化為沿高度方向變化的一維模型。對于空間分布廣，且地形復雜的大型風電場，可以將整個風場劃分成幾個區(qū)域，針對不同區(qū)域的風能特點建立簡化的一維空間模型，形成分段集總式一維模型。風速空域模型轉(zhuǎn)化為研究風速沿地平面高度方向的變化規(guī)律，借助空氣動力學理論和風場測量數(shù)據(jù)。

四、結(jié)束語

　　基于力控監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl 搭建的風電場各項監(jiān)控、監(jiān)測數(shù)據(jù)信息共享、交換、傳輸平臺，能夠滿足國家電力系統(tǒng)二次防護要求。在進行遠程數(shù)據(jù)采集和控制時，保證風電廠數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。通過風能特性模型實時調(diào)整風能的最優(yōu)性，能夠為生產(chǎn)廠商提供優(yōu)質(zhì)監(jiān)控解決方案，為祖國風電綠色能源事業(yè)發(fā)展保駕護航。