黃碧云

（中國水電顧問集團(tuán)風(fēng)電瀘西有限公司，云南 紅河州652400）

1 風(fēng)電場簡介

瀘西小海子風(fēng)電場總裝機(jī)容量48MW，主要由32臺1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、2回35kV集電線路和1個110kV升壓變電站組成。風(fēng)電場位于海拔高程2 150～2 300m之間的一片山地上，采用風(fēng)機(jī)與箱式變電站組合的“一機(jī)一變”單元接線方式，風(fēng)電場風(fēng)機(jī)分為兩組并聯(lián)至35kV集電線路，并以2回架空集電線路匯入110kV升壓變電站，最終以1回110kV線路送出至電網(wǎng)220kV變電站。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動鏈、偏航裝置、控制柜等多部分組成的系統(tǒng)，任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生故障都會影響整個機(jī)組的安全運行。

（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制的目的是為了提高機(jī)組的適應(yīng)性，對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行整體調(diào)節(jié)，保證其正常運行。變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)集合了雙PWM變換器、矢量控制技術(shù)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的優(yōu)點，有利于輸出頻率與電網(wǎng)保持一致。采用轉(zhuǎn)換器和矢量控制是保證電力控制系統(tǒng)有效運行的重點工作。首先，系統(tǒng)要求能量的相互轉(zhuǎn)化性較強(qiáng)，同時要突顯電流逼近正弦波的優(yōu)勢，使用開關(guān)器件連接變流器和電機(jī)，在電網(wǎng)電壓發(fā)生波動或突然消失時，保證設(shè)備安全。其次，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要求嚴(yán)格的矢量控制，在功率外環(huán)和閉環(huán)中，使用控制變頻器計算出電壓給定值，通過矢量控制實現(xiàn)電機(jī)輸出的功率調(diào)節(jié)，提高供電質(zhì)量和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（2）實時閉環(huán)控制。變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)可以分成3個子系統(tǒng)：變槳距控制、轉(zhuǎn)矩控制和變流控制。機(jī)組主要的控制目標(biāo)為：1）風(fēng)電機(jī)組在整個運行范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠地按預(yù)定軌跡運行；2）優(yōu)化機(jī)組的運行性能，提高機(jī)組的發(fā)電效率與發(fā)電質(zhì)量，減小機(jī)組的機(jī)械載荷。變槳距控制可以有效減小機(jī)組動態(tài)載荷，保證在額定風(fēng)速以上時，輸出功率恒定；轉(zhuǎn)矩控制可以提高機(jī)組的發(fā)電效率，同時可有效減小機(jī)械傳動載荷；變流控制可以保證機(jī)組的發(fā)電質(zhì)量。（3）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制單元主要由變流器、現(xiàn)場控制設(shè)備、變槳傳動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，具有很強(qiáng)的抗電磁干擾和適應(yīng)能力，用來實現(xiàn)自動發(fā)電控制、設(shè)備保護(hù)、參數(shù)監(jiān)視等功能。運行維護(hù)人員可借助控制單元對運行狀況進(jìn)行實時分析和檢測，指導(dǎo)風(fēng)機(jī)設(shè)備的調(diào)試、操作和維護(hù)工作，保證機(jī)組的正常運轉(zhuǎn)。（4）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程通訊監(jiān)控技術(shù)。該技術(shù)的特點是通過現(xiàn)場采樣設(shè)備，將獲得的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字模式，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程診斷工程師，工程師利用計算機(jī)和現(xiàn)代數(shù)字處理技術(shù)對數(shù)字信號進(jìn)行分析和處理，并將診斷結(jié)果反饋給現(xiàn)場故障處理人員（圖1）。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程通訊監(jiān)控流程

遠(yuǎn)程控制體系從上到下分為5個層次：基層由被監(jiān)控對象組成，即風(fēng)力電機(jī)組；現(xiàn)場執(zhí)行層由PLC、PC控制器和傳感設(shè)備等組成，對風(fēng)向進(jìn)行偵測，適時調(diào)整葉片到適當(dāng)?shù)慕嵌?，充分利用風(fēng)能開展發(fā)電作業(yè)；協(xié)調(diào)層，即負(fù)責(zé)管理中心和監(jiān)控中心之間、監(jiān)控中心和現(xiàn)場控制中心之間的安全快速的數(shù)據(jù)傳輸；組織層是管理中心的綜合，負(fù)責(zé)監(jiān)控中心的管理工作，保證與外界的信息交流，實現(xiàn)資源共享；遠(yuǎn)程監(jiān)控層作為系統(tǒng)運行的指揮中心，通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接收和分析數(shù)據(jù)信息，將處理意見傳達(dá)給組織層，及時糾正運行偏差。

3 風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)

瀘西小海子風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制和110kV升壓變電站綜合自動化組成。風(fēng)電場控制采用全計算機(jī)的三級監(jiān)控方式，在各臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的現(xiàn)場對單機(jī)進(jìn)行監(jiān)控；在110kV升壓站的中央控制室對全部風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和升壓站各類電氣設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控；在電網(wǎng)調(diào)度可對風(fēng)電場全部設(shè)備實行遠(yuǎn)方監(jiān)控。

（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制單元、遠(yuǎn)程上位機(jī)操作員站和高速光纖網(wǎng)絡(luò)組成。監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)設(shè)置在風(fēng)電場110kV升壓變電站的中央控制室，經(jīng)環(huán)形以太網(wǎng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的就地控制器通信，高速光纖網(wǎng)絡(luò)將機(jī)組的實時數(shù)據(jù)送至上位機(jī)界面；上位機(jī)操作員站是風(fēng)電廠的運行監(jiān)視核心，并具備完善的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)報警，實時／歷史數(shù)據(jù)的記錄顯示等功能，操作員在控制室內(nèi)實現(xiàn)對風(fēng)場所有機(jī)組的運行監(jiān)視及操作，運行人員可以通過上位機(jī)系統(tǒng)對全部風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行控制和監(jiān)視。（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制單元是風(fēng)機(jī)控制的核心，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組的參數(shù)監(jiān)視、自動發(fā)電控制和設(shè)備保護(hù)等功能；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的就地控制器設(shè)在塔架內(nèi)底部，具備監(jiān)測、保護(hù)、控制操作、開停機(jī)、故障檢測、參數(shù)顯示、鍵盤及按鈕輸入控制、遠(yuǎn)程控制接口、記錄等功能。每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配有就地HMI人機(jī)接口實現(xiàn)就地操作、調(diào)試和維護(hù)機(jī)組；通過控制器上的鍵盤和控制柜上的各按鈕輸入，控制機(jī)艙內(nèi)的左右偏航、開停機(jī)、復(fù)位等。（3）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在風(fēng)機(jī)機(jī)組各部件損壞之前對各處設(shè)備運行狀態(tài)報告進(jìn)行預(yù)警，以便現(xiàn)場人員及時發(fā)現(xiàn)維修，減少設(shè)備損失。在線監(jiān)測系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)一起通過場內(nèi)光纜通信將信號傳輸?shù)缴龎赫尽＃?）110kV升壓變電站綜合自動化系統(tǒng)由站控層、間隔層構(gòu)成，每層均有相應(yīng)的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。站控層與間隔層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式采用冗余以太網(wǎng)構(gòu)架，站控層包括主機(jī)、操作員工作站、遠(yuǎn)動裝置、衛(wèi)星對時裝置及其他智能設(shè)備接口裝置，經(jīng)雙以太網(wǎng)與站內(nèi)的間隔層的測控和保護(hù)裝置進(jìn)行連接，從而實現(xiàn)對升壓站內(nèi)所有電設(shè)備的控制和監(jiān)視，監(jiān)視對象包括電流、電壓、有功、無功、頻率，各斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)的分合閘位置、保護(hù)動作信號等；并可在操作員工作站上對斷路器實行跳、合閘操作；能在操作員工作站上顯示各種圖形、報表，具有分析統(tǒng)計功能。操作人員可以在工作站上用人機(jī)對話的方式，對全場的設(shè)備進(jìn)行操作和監(jiān)視。（5）小海子風(fēng)電場風(fēng)機(jī)與中央監(jiān)控系統(tǒng)通訊共分兩路，采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)布局，通過光分路器匯集成一路經(jīng)架設(shè)在35kV集電線路上的24芯OPGW架空光纜傳至升壓站中控室，通過光電轉(zhuǎn)換模塊與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的中央監(jiān)控機(jī)相連，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與中央監(jiān)控機(jī)的通訊。另外配置對講機(jī)，作為風(fēng)電場運行人員巡視和檢修聯(lián)絡(luò)通信用。小海子風(fēng)電場系統(tǒng)通信，站控層冗余配置兩套遠(yuǎn)動通信工作站，該工作站可與風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、升壓站監(jiān)控系統(tǒng)、無功補(bǔ)償裝置等設(shè)備通信，讀取實時運行信息，對實時信息進(jìn)行定時采樣形成歷史數(shù)據(jù)存儲在終端中，并將實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)或2M專線上傳到調(diào)度端主站系統(tǒng)，同時從主站接收遙控命令及有功／無功的調(diào)節(jié)控制指令，轉(zhuǎn)發(fā)給風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、無功補(bǔ)償裝置等進(jìn)行遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)和控制。（6）升壓站布設(shè)一套GPS對時系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在主控制室接收全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的標(biāo)準(zhǔn)授時信號，對各個間隔層單元、保護(hù)單元及站級計算機(jī)等具有時鐘的設(shè)備進(jìn)行同步的時鐘校正，保證各部件時鐘同步率達(dá)到精度要求。

4 結(jié)語

風(fēng)電在全球都是鼓勵發(fā)展的可再生能源，對改善環(huán)境、優(yōu)化資源配置有著不可或缺的作用。我國風(fēng)力發(fā)電項目分布面廣，風(fēng)力發(fā)電場運行情況多樣，動態(tài)特性復(fù)雜，在機(jī)電設(shè)備、控制系統(tǒng)的選型和設(shè)計上各類型風(fēng)電場都有一定的特殊性，因此，熟悉掌握風(fēng)電場控制系統(tǒng)和機(jī)電設(shè)備的技術(shù)特性，對保障風(fēng)電場設(shè)備安全運行、提高風(fēng)電機(jī)組的可利用率有重要意義。

［1］鄒獻(xiàn)奎.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型建立和仿真分析［J］.科技創(chuàng)業(yè)家，2012（14）：143.

［2］潘庭龍，馬忠鑫，盧恩超，等.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獨立變槳距載荷優(yōu)化控制研究［J］.控制工程，2014（2）：219－222.

［3］歐陽慧珉，張廣明，顧劍，等.基于飛輪儲能裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率柔性控制［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2014，41（3）：42－46.