內蒙古某風電場主控系統電氣技術改造應用分析

安佳琦，張朝輝，宋會林，郝大威，關智超

（中廣核新能源投資（深圳）有限公司 內蒙古分公司，內蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

內蒙古某風電場共安裝40臺上電SEC-1250機組，機組主控系統為MITA系統，自2009年裝機至今已連續運行近12年。硬件設備的逐漸老化和落后的控制算法已經無法滿足機組穩定運行的需求以及追求高發電量與深挖低風速下發電效率的要求，致使功率曲線不達標問題嚴重。此外，電場風機所采用的控制系統因控制器封閉、功能受限、控制策略落后等原因，使得風場發電量嚴重受損。同時由于風機監測傳感器的數量較少，對機組運行狀態的監視嚴重不足，無法做到故障早期發現及精細化維護，因此機組運行過程始終存在極大的安全隱患。

為解決上述問題，保證風電場安全、穩定運行，對機組進行必要的技術改造成為一種迫切需求。本文從不同方面對主控系統進行了一系列技術改造，改造后的控制系統功能更加先進齊全，操作更加簡易便捷，運行更加穩定可靠。

1 電氣控制系統技術改造方案

1.1 主控PLC改造

采用新型可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）替換原WP3100控制器。新型PLC控制器采用模塊化設計，提供多種IO模塊及通信模塊，現場應用中可根據不同的控制需求進行靈活組合，完善了原控制模塊單一性的缺陷，具有更高的現場適用性[1]。

1.2 電量采集模塊改造

原系統WP3100對電量的計量通過采集電壓、電流信號后計算所得。其中，電壓信號來自于WP3090二次側，電流信號則來自于變流器內安裝的電流互感器二次側。WP3090屬于MITA定制產品，購買渠道少，且價格高昂，有較高的限制性。

技術改造后，新型電量采集模塊采用AGP300，通用性增強，所覆蓋的功能更全面，配合新型PLC控制器，通過電量采集模塊上的RS485接口進行通信，可直接采集電壓、電流、功率以及發電量等信息，應用局限性大幅降低[2]。

1.3 安全鏈扭纜保護改造

SEC-1250機組原安全鏈設計回路上串聯有振動開關、超速開關以及PLC看門狗，扭纜開關并未直接接入安全鏈回路，而是接入了單獨模塊。扭纜信號與PLC數字量輸入模塊直接相連，扭纜判定及保護則經由軟件直接控制，因此存在一定程度的安全隱患。為避免控制異常，造成偏航電纜保護失效，此處對偏航扭纜硬件電氣回路進行了優化調整，將該繼電器的常閉觸點串聯到偏航緊急停機安全回路中，以確?？刂票Ｗo過程的精確性[3]。

1.4 通信網絡改造

原系統遠程通信基于8芯多模光纖采用ACRNET單纖收發的雙環網結構，通信速率較慢。改造后采用雙光纖自愈型環網結構，以交換機替換機組網用串口設備。機艙采用非管理型交換機，塔基采用管理型交換機[4]。利用非管理型交換機，借助現場原有光纖組建單臺機組內部通信網，將原串口通信升級為以太網通信，進而實現高速通信。改造后的系統網絡結構示意如圖1所示。

圖1 改造后的系統網絡結構

1.5 風機人機界面改造

機艙WP3050和塔基WP3050均更換為新型人機界面。新型人機界面為觸摸屏，全中文顯示，清晰明了且便于維護人員操作，提升了人機交互體驗。塔基和機艙人機界面（Human Machine Interface，HMI）的顯示則可根據用戶要求朝向外或朝向內安裝[5]。改造后的風場監控系統能夠遠程采集風力機組運行數據，對機組運行狀態進行全方位的監控，提高了風機的可利用率，利于風機的及時維護，進而延長風機的生命周期。改造后的系統整體架構如圖2所示。

圖2 系統整體架構

2 電氣控制系統控制策略優化

控制策略優化以實現風機最優控制、提升風機運行穩定性、獲取最大機組發電量為目的，主要內容如下。

2.1 轉矩控制策略優化

原機組轉矩由變流器根據轉速直接給定，不受主控系統控制。變流器轉矩控制采用查表法，實現簡單，但最大風能捕獲范圍小，機組發電能力低。技改后增加主控和變流器通信功能，轉矩由主控系統采用雙PI策略控制，風能最大捕獲運行區域延長，機組小風速段和中等風速段發電能力提升[6]。

2.2 增加轉速轉矩自適應控制

原機組變流器采用固定轉速-轉矩曲線，未考慮空氣密度變化對機組發電性能的影響。技改后增加轉速轉矩自適應控制，采用轉速-轉矩曲線尋優控制算法，在控制單元內部根據環境溫度、大氣壓強對空氣密度的影響動態調整轉速-轉矩曲線，使機組總是運行在最優轉速-轉矩曲線上，確保機組一直處于最高發電效率狀態[7]。

2.3 增加風向校正功能

風向標安裝誤差及葉片尾流等原因會使得測量風向與實際風向存在差異，進而導致機組對風精度出現偏差，影響等效掃風面積，降低風能捕獲[8]。原機組未考慮風向偏差對機組發電能力的影響，不具備風向校正功能。技改后增加風向校正功能，用于消除風向偏差，并預留風向校正接口。通過對機組在5°～15°和345°～355°風向范圍內并網運行時的風速-功率曲線進行對比，人為判斷并手動調整風向偏移量，減小機組對風偏差，保證最大風能捕獲。

2.4 增加最小槳角控制策略

空氣密度偏低時，機組在額定風速左右運行存在失速風險，原機組缺少相應的保護模塊[9]。技改后增加最小槳角控制策略，針對不同風速條件，根據機組當前功率及轉速，對當前機組運行的最小槳距角進行動態調整，進而確保機組在額定風速左右不失速，同時可降低機組在失速條件下的載荷。

3 技術改造安全性分析

3.1 控制策略安全性

為保證風機運行的安全性，改造前后風機各項控制參數均保持一致，僅根據實際需要對部分參數進行增項優化調整。改造后的控制器將保持風機原有定值不變、風機現有載荷不變、風機原有安全策略不變，機組監控系統將更加完善，通過新型控制系統，可對風機運行數據進行實時監控[8]。監控結果為機組健康狀態如風機振動特性、傳動鏈振動特性、液壓系統動態特性等分析提供數據支持。

3.2 器件安全性

新PLC控制器擁有第三方評估、產品CE認證以及出廠測試報告，滿足現場實際應用的要求，同時為確保整機系統的穩定性，新PLC控制器配合轉接口與原外圍系統進行連接[9]。

系統除提供IEC61131-3標準規定的編程方式外，還兼容直接用C語言或C++語言及MATLAB來開發程序。PLC控制器組將工業硬件平臺與開放的IEC61131編程工具完美結合，針對惡劣工況環境進行了特殊設計，可確保系統在-30～+60 ℃溫度范圍內穩定無故障運行。新型中央處理器（Central Processing Unit，CPU）模塊除了具有串行接口、以太網接口、通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口外，還集成有控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）主站和電源，既不需獨立配置供電電源模塊，又方便進行總線擴展。基于VxWorks實時操作系統，具備文件和目錄管理、多任務、設備支持、網絡支持、圖形窗口以及用戶界面等功能，具有可靠性高、實時性強、體積小、占用資源少等特點，可使相同的硬件配置滿足更強的實時性要求。

3.3 技術安全性

（1）增加了齒輪箱油位監測功能。將齒輪箱油位傳感器信號接入主控系統，當出現漏油情況時，報出油位低故障，避免長時間漏油，減少油脂浪費，保證齒輪箱得到充足的潤滑及散熱，同時避免了過多漏油而導致塔筒污染[10]。（2）增加了主冷卻系統壓力監測功能。確保主冷系統的冷卻水量充足，避免因冷卻水不足導致齒輪箱、發電機高溫狀況，提升大部件的壽命。（3）增加了機艙底部集油盤溢油檢測傳感器。當發生齒輪箱漏油時，可及時發出告警信號。（4）優化了安全鏈保護系統。安全鏈中可增加風機扭纜監測，進而提升扭纜系統的安全性。（5）增加如圖3所示的偏航扭纜保護硬件保護功能。在偏航扭纜保護凸輪開關回路上串入15KN7繼電器，并將15KN7繼電器常開觸點串入機組安全鏈回路中，實現硬件保護功能。

圖3 偏航扭纜保護

4 電氣控制技術改造經濟性分析

風電場功率曲線對比如圖4所示，從圖中可知，風速區間為7～13 m/s時，電場實際功率曲線低于標準功率曲線，優化后風機出力會有所提升；風速大于18 m/s時，標準功率曲線和實際運行曲線開始下降，優化后的功率曲線則保持1 250 kW，直到23 m/s風速下切出。經初步計算，優化后，電風機每年發電量的增長超800萬kW·h。

圖4 功率曲線對比

5 結 論

技改方案針對風電場實際問題提出，是電場自身的一場技術性改革，其改造過程可為相關領域的改造提供一定的技術參考，具有較高的實際意義。首先，技術改造以安全性為大前提，實現了控制策略優化，補充了系統功能缺陷，提升了對機組的實時監控能力，具有較高的先進性。其次，技術改造提升了機組運行穩定性，優化了機組功率曲線控制。技改后，功率曲線特性在中高風速段內顯著提升，風速大于14 m/s時便可達到滿狀態運行。最后，技術改造提升了機組發電量。技改后中高風速段內機組發電量提升超2.5%，風電場每年發電量的增長超800萬kW·h，極大提高了風電場的綜合并網性能。