一,、引言
風(fēng)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(guān)注點(diǎn),，出于保護(hù)環(huán)境的考慮以及全球能源短缺的現(xiàn)狀，風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。隨著風(fēng)電行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,，風(fēng)力發(fā)電成本逐步降低,，在經(jīng)濟(jì)性上已經(jīng)能夠與核能發(fā)電,、水力發(fā)電展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng),。當(dāng)前，我國(guó)面臨電力短缺局面,，煤電仍占電力行業(yè)的主導(dǎo)地位,，因環(huán)境承載力限制及各種因素導(dǎo)致的煤炭短缺局面，煤電發(fā)展受到制約,。風(fēng)能是干凈的自然能源,，沒(méi)有常規(guī)能源（煤電、油電）或核電會(huì)造成環(huán)境污染的問(wèn)題,。我國(guó)風(fēng)能資源豐富,，風(fēng)能利用得到了政府的政策支持，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇,。
二,、監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和概述
風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)具有機(jī)組布置范圍廣闊、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣等特點(diǎn),，風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)專為中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì),，涉及了當(dāng)前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)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(jìn)行二次開(kāi)發(fā),，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)原理圖如下：
所有風(fēng)電機(jī)組通過(guò)光纖以太網(wǎng)連接至主控室的上位機(jī)操作員站，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控整個(gè)風(fēng)場(chǎng)，上位機(jī)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(shí)，充分考慮到風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理的要求,，使用漢語(yǔ)菜單,，操作簡(jiǎn)單，盡可能為風(fēng)電場(chǎng)的管理提供便利,。
?、?nbsp;系統(tǒng)顯示各臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)。如每臺(tái)機(jī)組的瞬時(shí)發(fā)電功率,、累計(jì)發(fā)電量,、發(fā)電小時(shí)數(shù)、風(fēng)輪及電機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速,、風(fēng)向等,，將下位機(jī)的數(shù)據(jù)調(diào)入上位機(jī)并顯示，必要時(shí)還可以用曲線或圖表的形式直觀地顯示出來(lái),。
?、?nbsp;系統(tǒng)顯示各風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。如開(kāi)機(jī),、停車、調(diào)向,、手/自動(dòng)控制以及大/小發(fā)電機(jī)工作等情況,，通過(guò)各風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)了解整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行情況。
?、?nbsp;系統(tǒng)能夠及時(shí)顯示各機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的故障,。顯示故障類型及發(fā)生時(shí)間，以便運(yùn)行人員及時(shí)處理及消除故障,，保證風(fēng)電機(jī)組安全和持續(xù)運(yùn)行,。
⑤ 系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)集中控制,。值班員在集中控制室內(nèi),，只需對(duì)標(biāo)明某種功能的相應(yīng)鍵進(jìn)行操作，就能改變下位機(jī)設(shè)置狀態(tài)和對(duì)其實(shí)施控制,。如開(kāi)機(jī),、停機(jī)和左右調(diào)向等。該操作同時(shí)具有權(quán)限管理,，以保證整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行安全,。
⑥ 系統(tǒng)管理。監(jiān)控軟件具有運(yùn)行數(shù)據(jù)的定時(shí)打印,、人工即時(shí)打印,、故障自動(dòng)記錄的功能，以便隨時(shí)查看風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)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(jī)組運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)的相關(guān)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(cè)：電網(wǎng)電壓閃變、過(guò)電壓,、低電壓,、電壓跌落、相序故障,、三相不對(duì)稱等,。
（2）氣象參數(shù)：風(fēng)速,、風(fēng)向,、環(huán)境溫度等。
?。?）機(jī)組狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)：風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)線圈溫度,、發(fā)電機(jī)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(jī)艙振動(dòng),、電纜紐轉(zhuǎn)、機(jī)艙溫度等,。
2,、機(jī)組控制功能：
（1）主控系統(tǒng)檢測(cè)電網(wǎng)參數(shù),、氣象參數(shù),、機(jī)組運(yùn)行參數(shù),。當(dāng)條件滿足時(shí)，啟動(dòng)偏航系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)解纜,、對(duì)風(fēng)控制,，釋放機(jī)組的剎車盤(pán)，調(diào)節(jié)槳距角度,，風(fēng)車開(kāi)始自由轉(zhuǎn)動(dòng),，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。
?。?）當(dāng)外部氣象系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的風(fēng)速大于某一定值時(shí),，主控系統(tǒng)啟動(dòng)變流器系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，待發(fā)電機(jī)定子輸出電能與電網(wǎng)同頻,、同相,、同幅時(shí)，合閘出口斷路器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電,。
?。?）風(fēng)力機(jī)組功率、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)根據(jù)風(fēng)力機(jī)特性,，當(dāng)機(jī)組處于最佳葉尖速比λ運(yùn)行時(shí),，風(fēng)機(jī)機(jī)組將捕獲得最大的能量，雖理論上機(jī)組轉(zhuǎn)速可在任意轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,，但受實(shí)際機(jī)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(gè)運(yùn)行區(qū)域：即變速運(yùn)行區(qū)域,、恒速運(yùn)行區(qū)域和恒功率運(yùn)行區(qū),。額定功率內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)包括：變速運(yùn)行區(qū)（最佳的λ）和恒速運(yùn)行區(qū)。當(dāng)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后,，轉(zhuǎn)速小于極限轉(zhuǎn)速,、功率低于額定功率時(shí),，根據(jù)當(dāng)前實(shí)際風(fēng)速,，調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，使機(jī)組工作處于捕獲最大風(fēng)能的狀態(tài),。由于風(fēng)速儀測(cè)量點(diǎn)的風(fēng)速與作用于槳葉的風(fēng)速存在一定誤差,，所以轉(zhuǎn)距觀測(cè)器來(lái)預(yù)測(cè)風(fēng)力機(jī)組的機(jī)械傳動(dòng)轉(zhuǎn)距，在通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距的對(duì)應(yīng)關(guān)系推出轉(zhuǎn)速,。
ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速期望值 = 開(kāi)方（Tm為轉(zhuǎn)距的觀測(cè)值 / Kopt為最佳轉(zhuǎn)速時(shí)的比例常數(shù)）
當(dāng)風(fēng)速增加使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到上限后,，主控制器需維持轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)力機(jī)組發(fā)出的電功率隨風(fēng)速的增加而增加,，此時(shí)機(jī)組偏離了風(fēng)力機(jī)的最佳λ曲線運(yùn)行,。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加,，使轉(zhuǎn)速、功率都達(dá)到上限后,，進(jìn)入恒功率運(yùn)行區(qū)運(yùn)行,，此狀態(tài)下主控通過(guò)變流器，維持機(jī)組的功率恒定,，主控制器一方面通過(guò)槳距系統(tǒng)的調(diào)節(jié)減少風(fēng)力攻角,，減少葉片對(duì)風(fēng)能的捕獲；另一方面通過(guò)變流器降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速節(jié),，使風(fēng)力機(jī)組偏離最佳λ曲線運(yùn)行,，維持穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)方式，包括：功能圖（FBD）組態(tài)方式,。
3,、風(fēng)能特性模型功能：
描述風(fēng)能特性的參數(shù)主要有風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)密度,。風(fēng)的密度主要取決于風(fēng)機(jī)所處的地理位置,，氣候變化也會(huì)產(chǎn)生一定影響，對(duì)于特定風(fēng)機(jī)而言,，風(fēng)密度可以直接取自測(cè)量數(shù)據(jù),，并可以忽略密度的變化；風(fēng)向的變動(dòng)可不予考慮,，即假定風(fēng)力機(jī)一直跟蹤風(fēng)向的變化,。因此，關(guān)注風(fēng)速的變化特性,。 風(fēng)因大氣環(huán)流形成,，風(fēng)速是一個(gè)典型的隨機(jī)變量。若不考慮風(fēng)的方向性,，風(fēng)速是其空間坐標(biāo)位置和時(shí)間的函數(shù),，即v=f(x,y,z,t)。將描述某一區(qū)域風(fēng)速的空域,、時(shí)域分布變化特性的模型又稱為風(fēng)場(chǎng)模型（Wind Field Model）,。各空間位置上的風(fēng)速因風(fēng)的隨機(jī)性、風(fēng)場(chǎng)地形等因素影響而各不相同,，若風(fēng)場(chǎng)的地形相對(duì)平坦,、周邊空曠，則基本可以認(rèn)為在同一高度層上整個(gè)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的風(fēng)速是相同的,，這樣可以將風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的三維空間模型簡(jiǎn)化為沿高度方向變化的一維模型,。對(duì)于空間分布廣,，且地形復(fù)雜的大型風(fēng)電場(chǎng)，可以將整個(gè)風(fēng)場(chǎng)劃分成幾個(gè)區(qū)域,，針對(duì)不同區(qū)域的風(fēng)能特點(diǎn)建立簡(jiǎn)化的一維空間模型,，形成分段集總式一維模型。風(fēng)速空域模型轉(zhuǎn)化為研究風(fēng)速沿地平面高度方向的變化規(guī)律,，借助空氣動(dòng)力學(xué)理論和風(fēng)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù),。
四、結(jié)束語(yǔ)
基于力控監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl 搭建的風(fēng)電場(chǎng)各項(xiàng)監(jiān)控,、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息共享,、交換、傳輸平臺(tái),，能夠滿足國(guó)家電力系統(tǒng)二次防護(hù)要求,。在進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制時(shí)，保證風(fēng)電廠數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性,。通過(guò)風(fēng)能特性模型實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)能的最優(yōu)性,，能夠?yàn)樯a(chǎn)廠商提供優(yōu)質(zhì)監(jiān)控解決方案，為祖國(guó)風(fēng)電綠色能源事業(yè)發(fā)展保駕護(hù)航,。
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