力控监控组态软件在风力发电中的解决方案

　　风力作为一种绿色环保新兴能源一跃成为现代能源关注点，出于保护环境的考虑以及全球面临的能源短缺现状，风力发电在世界范围内得到了快速发展。随着风电行业的技术进步，风力发电成本逐步降低，在经济性上已经能够与核能发电、水力发电展开竞争。当前，我国面临电力短缺局面，在煤电占主导地位的我国电力行业，因环境承载力限制以及各种因素导致的煤炭短缺局面，煤电发展受到制约。风能这种干净的自然能源，没有常规能源（煤电，油电）与核电会造成环境污染的问题。我国风能资源丰富，风能利用得到了政府的政策支持，风力发电产业面临前所未有的发展机遇。

　　二、监控系统结构和概述

　　风力发电场具有机组布置范围广阔，设备运行的自然环境恶劣等特点，风电监控系统专为中小型风力发电机组而设计，系统涉及了当前国内最先进的数据采集、监测分析和控制策略软件技术，系统利用北京三维力控科技有限公司的ForceControl® 6.1组态软件进行二次开发，系统组成结构原理图如下：

　　所有风电机组通过光纤以太网连接至主控室的上位机操作员站，实现整个风场的监控，上位机监控软件具有如下功能:

　　① 系统具有友好的控制界面。在编制监控软件时，充分考虑到风电场运行管理的要求，使用汉语菜单，操作简单，尽可能为风电场的管理提供方便。

　　② 系统显示各台机组的运行数据。如每台机组的瞬时发电功率、累计发电量、发电小时数、风轮及电机的转速和风速、风向等，将下位机的数据调入上位机并在显示器上显示，必要时还可以用曲线或图表的形式直观地显示出来。

　　③ 系统显示各风电机组的运行状态，如开机、停车、调向、手/自动控制以及大/小发电机工作等情况，通过各风电机组的状态了解整个风电场的运行情况。

　　④ 系统能够及时显示各机组运行过程中发生的故障。在显示故障时，能显示出故障的类型及发生时间，以便运行人员及时处理及消除故障，保证风电机组的安全和持续运行。

　　⑤ 系统能够对风电机组实现集中控制。值班员在集中控制室内，只需对标明某种功能的相应键进行操作，就能对下位机进行改变设置状态和对其实施控制。如开机、停机和左右调向等。该操作同时具有权限管理，以保证整个风电场的运行安全。

　　⑥ 系统管理。监控软件具有运行数据的定时打印和人工即时打印以及故障自动记录的功能，以便随时查看风电场运行状况的历史记录情况。

　　三、监控系统具体功能

　　1、数据采集功能：

　　机组运行过程中进行监测的相关参数包括：

　　（1）电网参数，包括电网三相电压、三相电流、电网频率、功率因数等。电压故障检测：电网电压闪变、过电压、低电压、电压跌落、相序故障、三相不对称等。

　　（2）气象参数，包括风速、风向、环境温度等。

　　（3）机组状态参数检测，包括：风轮转速、发电机转速、发电机线圈温度、发电机前后轴承温度、齿轮箱油温度、齿轮箱前后轴承温度、液压系统油温、油压、油位、机舱振动、电缆纽转、机舱温度等。

　　2、机组控制功能：

　　（1）主控系统检测电网参数、气象参数、机组运行参数，当条件满足时，启动偏航系统执行自动解缆、对风控制，释放机组的刹车盘，调节桨距角度，风车开始自由转动，进入待机状态。

　　（2）当外部气象系统监测的风速大于某一定值时，主控系统启动变流器系统开始进行转子励磁，待发电机定子输出电能与电网同频、同相、同幅时，合闸出口断路器实现并网发电。

　　（3）风力机组功率、转速调节根据风力机特性，当机组处于最佳叶尖速比λ运行时，风机机组将捕获得最大的能量，虽理论上机组转速可在任意转速下运行，但受实际机组转速限制、系统功率限制，不得不将该阶段分为以下几个运行区域：即变速运行区域、恒速运行区域和恒功率运行区。额定功率内的运行状态包括：变速运行区（最佳的λ）和恒速运行区。当风机并网后，转速小于极限转速、功率低于额定功率时，根据当前实际风速，调节风轮的转速，使机组工作在捕获最大风能的状态。由于风速仪测量点的风速与作用于桨叶的风速存在一定误差，所以转距观测器来预测风力机组的机械传动转距，在通过发电机转速和转距的对应关系推出转速。

　　ω为发电机转速期望值 = 开方（Tm为转距的观测值 / Kopt为最佳转速时的比例常数）

　　当风速增加使发电机转速达上限后，主控制器需维持转速恒定，风力机组发出的电功率，随风速的增加而增加，此时机组偏离了风力机的最佳λ曲线运行。当风速继续增加，使转速、功率都达到上限后，进入恒功率运行区运行，此状态下主控通过变流器，维持机组的功率恒定，主控制器一方面通过桨距系统的调节减少风力攻角，减少叶片对风能的捕获；另一方面通过变流器降低发电机转速节，使风力机组偏离最佳λ曲线运行，维持发电机的输出功率稳定。

　　控制的组态采用功能丰富、界面友好的策略控制组态软件，采用符合IEC61131-3标准的组态方式，包括：功能图（FBD）组态方式。

　　3、风能特性模型功能：

　　描述风能特性的参数主要有风速、风向和风密度。风的密度主要取决于风机所处的地理位置，气候变化也会产生一定影响，对于特定风机而言，风密度可以直接取自测量数据，并可以忽略密度的变化；风向的变动可不予考虑，即假定风力机一直跟踪风向的变化。因此，关注风速的变化特性。 风因大气环流形成，风速是一个典型的随机变量。若不考虑风的方向性，风速是其空间坐标位置和时间的函数，即v=f(x,y,z,t)。将描述某一区域风速的空域、时域分布变化特性的模型又称为风场模型（Wind Field Model）。各空间位置上的风速因风的随机性、风场地形等因素影响而各不相同，若风场的地形相对平坦，周边空旷，则基本可以认为在同一高度层上整个风场内各点的风速是相同的，这样可以将风场风速的三维空间模型简化为沿高度方向变化的一维模型。对于空间分布广，且地形复杂的大型风电场，可以将整个风场划分成几个区域，针对不同区域的风能特点建立简化的一维空间模型，形成分段集总式一维模型。风速空域模型转化为研究风速沿地平面高度方向的变化规律，借助空气动力学理论和风场测量数据。

　　四、结束语

　　基于力控®ForceControl® 6.1监控组态软件而搭建的这个风电场各项监控、监测数据信息共享、交换、传输平台，能够满足国家电力系统二次防护要求。在进行远程数据采集和控制时，保证风电厂数据的实时性和可靠性。通过风能特性模型实时调整风能的最优性，能够为生产厂商提供优质监控解决方案，为祖国风电绿色能源事业保驾护航。