一、引言
風(fēng)力作為一種綠色環(huán)保新興能源一躍成為現(xiàn)代能源關(guān)注點，出于保護環(huán)境的考慮以及全球面臨的能源短缺現(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)進步，風(fēng)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(dāng)前，我國面臨電力短缺局面，在煤電占主導(dǎo)地位的我國電力行業(yè)，因環(huán)境承載力限制以及各種因素導(dǎo)致的煤炭短缺局面，煤電發(fā)展受到制約。風(fēng)能這種干凈的自然能源，沒有常規(guī)能源（煤電，油電）與核電會造成環(huán)境污染的問題。我國風(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)展機遇。
二、監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和概述
風(fēng)力發(fā)電場具有機組布置范圍廣闊，設(shè)備運行的自然環(huán)境惡劣等特點，風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)專為中小型風(fēng)力發(fā)電機組而設(shè)計，系統(tǒng)涉及了當(dāng)前國內(nèi)最先進的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測分析和控制策略軟件技術(shù)，系統(tǒng)利用北京三維力控科技有限公司的ForceControl® 6.1組態(tài)軟件進行二次開發(fā)，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)原理圖如下：
所有風(fēng)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)整個風(fēng)場的監(jiān)控，上位機監(jiān)控軟件具有如下功能:
① 系統(tǒng)具有友好的控制界面。在編制監(jiān)控軟件時，充分考慮到風(fēng)電場運行管理的要求，使用漢語菜單，操作簡單，盡可能為風(fēng)電場的管理提供方便。
② 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(fēng)輪及電機的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速、風(fēng)向等，將下位機的數(shù)據(jù)調(diào)入上位機并在顯示器上顯示，必要時還可以用曲線或圖表的形式直觀地顯示出來。
③ 系統(tǒng)顯示各風(fēng)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(fēng)電機組的狀態(tài)了解整個風(fēng)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。在顯示故障時，能顯示出故障的類型及發(fā)生時間，以便運行人員及時處理及消除故障，保證風(fēng)電機組的安全和持續(xù)運行。
⑤ 系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)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(yīng)鍵進行操作，就能對下位機進行改變設(shè)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(fēng)電場的運行安全。
⑥ 系統(tǒng)管理。監(jiān)控軟件具有運行數(shù)據(jù)的定時打印和人工即時打印以及故障自動記錄的功能，以便隨時查看風(fēng)電場運行狀況的歷史記錄情況。
三、監(jiān)控系統(tǒng)具體功能
1、數(shù)據(jù)采集功能：
機組運行過程中進行監(jiān)測的相關(guān)參數(shù)包括：
（1）電網(wǎng)參數(shù)，包括電網(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。
（2）氣象參數(shù)，包括風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度等。
（3）機組狀態(tài)參數(shù)檢測，包括：風(fēng)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：
（1）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(dāng)條件滿足時，啟動偏航系統(tǒng)執(zhí)行自動解纜、對風(fēng)控制，釋放機組的剎車盤，調(diào)節(jié)槳距角度，風(fēng)車開始自由轉(zhuǎn)動，進入待機狀態(tài)。
（2）當(dāng)外部氣象系統(tǒng)監(jiān)測的風(fēng)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。
（3）風(fēng)力機組功率、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)根據(jù)風(fēng)力機特性，當(dāng)機組處于最佳葉尖速比λ運行時，風(fēng)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(dāng)風(fēng)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(dāng)前實際風(fēng)速，調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，使機組工作在捕獲最大風(fēng)能的狀態(tài)。由于風(fēng)速儀測量點的風(fēng)速與作用于槳葉的風(fēng)速存在一定誤差，所以轉(zhuǎn)距觀測器來預(yù)測風(fēng)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(yīng)關(guān)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(dāng)風(fēng)速增加使發(fā)電機轉(zhuǎn)速達上限后，主控制器需維持轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)力機組發(fā)出的電功率，隨風(fēng)速的增加而增加，此時機組偏離了風(fēng)力機的最佳λ曲線運行。當(dāng)風(fēng)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(fēng)力攻角，減少葉片對風(fēng)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(fēng)力機組偏離最佳λ曲線運行，維持發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定。
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(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(fēng)機而言，風(fēng)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(fēng)向的變動可不予考慮，即假定風(fēng)力機一直跟蹤風(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)速是一個典型的隨機變量。若不考慮風(fēng)的方向性，風(fēng)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(fēng)速的空域、時域分布變化特性的模型又稱為風(fēng)場模型（Wind Field Model）。各空間位置上的風(fēng)速因風(fēng)的隨機性、風(fēng)場地形等因素影響而各不相同，若風(fēng)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(fēng)場內(nèi)各點的風(fēng)速是相同的，這樣可以將風(fēng)場風(fēng)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(fù)雜的大型風(fēng)電場，可以將整個風(fēng)場劃分成幾個區(qū)域，針對不同區(qū)域的風(fēng)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(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，借助空氣動力學(xué)理論和風(fēng)場測量數(shù)據(jù)。
四、結(jié)束語
基于力控®ForceControl® 6.1監(jiān)控組態(tài)軟件而搭建的這個風(fēng)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(fēng)電廠數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。通過風(fēng)能特性模型實時調(diào)整風(fēng)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(fēng)電綠色能源事業(yè)保駕護航。
