風力發電場控制系統淺析

黃碧云

（中國水電顧問集團風電瀘西有限公司，云南 紅河州652400）

1 風電場簡介

瀘西小海子風電場總裝機容量48MW，主要由32臺1.5MW雙饋風力發電機組、2回35kV集電線路和1個110kV升壓變電站組成。風電場位于海拔高程2 150～2 300m之間的一片山地上，采用風機與箱式變電站組合的“一機一變”單元接線方式，風電場風機分為兩組并聯至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220kV變電站。

2 風力發電機組控制

風力發電機組是由風輪、機艙、塔架、發電機、驅動鏈、偏航裝置、控制柜等多部分組成的系統，任何一個環節發生故障都會影響整個機組的安全運行。

（1）風力發電機控制的目的是為了提高機組的適應性，對發電機組進行整體調節，保證其正常運行。變速恒頻雙饋風力發電機組控制系統集合了雙PWM變換器、矢量控制技術和雙饋感應發電機的優點，有利于輸出頻率與電網保持一致。采用轉換器和矢量控制是保證電力控制系統有效運行的重點工作。首先，系統要求能量的相互轉化性較強，同時要突顯電流逼近正弦波的優勢，使用開關器件連接變流器和電機，在電網電壓發生波動或突然消失時，保證設備安全。其次，變速恒頻風力發電系統要求嚴格的矢量控制，在功率外環和閉環中，使用控制變頻器計算出電壓給定值，通過矢量控制實現電機輸出的功率調節，提高供電質量和電力系統的穩定性。（2）實時閉環控制。變速恒頻雙饋風力發電控制系統可以分成3個子系統：變槳距控制、轉矩控制和變流控制。機組主要的控制目標為：1）風電機組在整個運行范圍內穩定可靠地按預定軌跡運行；2）優化機組的運行性能，提高機組的發電效率與發電質量，減小機組的機械載荷。變槳距控制可以有效減小機組動態載荷，保證在額定風速以上時，輸出功率恒定；轉矩控制可以提高機組的發電效率，同時可有效減小機械傳動載荷；變流控制可以保證機組的發電質量。（3）風力發電機組控制單元主要由變流器、現場控制設備、變槳傳動的驅動機構等構成，具有很強的抗電磁干擾和適應能力，用來實現自動發電控制、設備保護、參數監視等功能。運行維護人員可借助控制單元對運行狀況進行實時分析和檢測，指導風機設備的調試、操作和維護工作，保證機組的正常運轉。（4）風力發電機組遠程通訊監控技術。該技術的特點是通過現場采樣設備，將獲得的信息轉化為數字模式，經網絡傳輸給遠程診斷工程師，工程師利用計算機和現代數字處理技術對數字信號進行分析和處理，并將診斷結果反饋給現場故障處理人員（圖1）。

圖1 風力發電機組遠程通訊監控流程

遠程控制體系從上到下分為5個層次：基層由被監控對象組成，即風力電機組；現場執行層由PLC、PC控制器和傳感設備等組成，對風向進行偵測，適時調整葉片到適當的角度，充分利用風能開展發電作業；協調層，即負責管理中心和監控中心之間、監控中心和現場控制中心之間的安全快速的數據傳輸；組織層是管理中心的綜合，負責監控中心的管理工作，保證與外界的信息交流，實現資源共享；遠程監控層作為系統運行的指揮中心，通過計算機網絡接收和分析數據信息，將處理意見傳達給組織層，及時糾正運行偏差。

3 風力發電場控制系統

瀘西小海子風力發電場控制系統由風力發電機組控制和110kV升壓變電站綜合自動化組成。風電場控制采用全計算機的三級監控方式，在各臺風力發電機組的現場對單機進行監控；在110kV升壓站的中央控制室對全部風力發電機組和升壓站各類電氣設備進行集中監控；在電網調度可對風電場全部設備實行遠方監控。

（1）風力發電機組控制系統由風力發電機組控制單元、遠程上位機操作員站和高速光纖網絡組成。監控系統主機設置在風電場110kV升壓變電站的中央控制室，經環形以太網與風力發電機組的就地控制器通信，高速光纖網絡將機組的實時數據送至上位機界面；上位機操作員站是風電廠的運行監視核心，并具備完善的機組狀態監視、參數報警，實時／歷史數據的記錄顯示等功能，操作員在控制室內實現對風場所有機組的運行監視及操作，運行人員可以通過上位機系統對全部風電機組進行控制和監視。（2）風力發電機組控制單元是風機控制的核心，能夠實現機組的參數監視、自動發電控制和設備保護等功能；風力發電機組的就地控制器設在塔架內底部，具備監測、保護、控制操作、開停機、故障檢測、參數顯示、鍵盤及按鈕輸入控制、遠程控制接口、記錄等功能。每臺風力發電機組配有就地HMI人機接口實現就地操作、調試和維護機組；通過控制器上的鍵盤和控制柜上的各按鈕輸入，控制機艙內的左右偏航、開停機、復位等。（3）風力發電機組設在線監測系統，能夠在風機機組各部件損壞之前對各處設備運行狀態報告進行預警，以便現場人員及時發現維修，減少設備損失。在線監測系統與風機監測控制系統一起通過場內光纜通信將信號傳輸到升壓站。（4）110kV升壓變電站綜合自動化系統由站控層、間隔層構成，每層均有相應的設備和網絡設備。站控層與間隔層網絡組網方式采用冗余以太網構架，站控層包括主機、操作員工作站、遠動裝置、衛星對時裝置及其他智能設備接口裝置，經雙以太網與站內的間隔層的測控和保護裝置進行連接，從而實現對升壓站內所有電設備的控制和監視，監視對象包括電流、電壓、有功、無功、頻率，各斷路器、隔離開關、接地開關的分合閘位置、保護動作信號等；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，具有分析統計功能。操作人員可以在工作站上用人機對話的方式，對全場的設備進行操作和監視。（5）小海子風電場風機與中央監控系統通訊共分兩路，采用環形網絡布局，通過光分路器匯集成一路經架設在35kV集電線路上的24芯OPGW架空光纜傳至升壓站中控室，通過光電轉換模塊與風力發電機的中央監控機相連，實現風力發電機組與中央監控機的通訊。另外配置對講機，作為風電場運行人員巡視和檢修聯絡通信用。小海子風電場系統通信，站控層冗余配置兩套遠動通信工作站，該工作站可與風機監控系統、升壓站監控系統、無功補償裝置等設備通信，讀取實時運行信息，對實時信息進行定時采樣形成歷史數據存儲在終端中，并將實時數據和歷史數據通過電力調度數據網或2M專線上傳到調度端主站系統，同時從主站接收遙控命令及有功／無功的調節控制指令，轉發給風機監控系統、無功補償裝置等進行遠方調節和控制。（6）升壓站布設一套GPS對時系統，該系統可在主控制室接收全球衛星定位系統（GPS）的標準授時信號，對各個間隔層單元、保護單元及站級計算機等具有時鐘的設備進行同步的時鐘校正，保證各部件時鐘同步率達到精度要求。

4 結語

風電在全球都是鼓勵發展的可再生能源，對改善環境、優化資源配置有著不可或缺的作用。我國風力發電項目分布面廣，風力發電場運行情況多樣，動態特性復雜，在機電設備、控制系統的選型和設計上各類型風電場都有一定的特殊性，因此，熟悉掌握風電場控制系統和機電設備的技術特性，對保障風電場設備安全運行、提高風電機組的可利用率有重要意義。

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