風力發(fā)電技術及其新型風機電控系統(tǒng)的應用

1 前言

風能是非常重要并儲量巨大的能源，安全、清潔、充裕，能提供源源不絕而穩(wěn)定的能源。“十五”期間，能源技術領域中所設立的后續(xù)能源技術是作為發(fā)展重點的。后續(xù)能源包括核能、可再生能源、氫能、燃料電池等，覆蓋了除礦物能源以外的幾乎所有能源領域，其中風能、太陽能為主攻方向。目前，利用風力發(fā)電已成為風能利用的主要形式，受到世界各國的高度重視，而且發(fā)展速度最快。風能產(chǎn)業(yè)作為一個新興的有前景的高新技術產(chǎn)業(yè)。2020年我國風電總裝機容量要達到3000萬kW的目標，為風能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了很大的空間。據(jù)統(tǒng)計，架設5公里電線及以后的電費投資，遠遠大于太陽能風力發(fā)電系統(tǒng)的一次性投資，足以讓您一勞永逸。

風力發(fā)電有三種運行方式：一是獨立運行方式，通常是一臺小型風力發(fā)電機向一戶或幾戶提供電力，用蓄電池蓄能，以保證無風時用電；二是風力發(fā)電與其他發(fā)電方式(如柴油機發(fā)電)相結合，向一個單位或一個村莊或一個海島供電；三是風力發(fā)電并入常規(guī)電網(wǎng)運行，向大電網(wǎng)提供電力，常常是一處風電場安裝幾十臺甚至幾百臺風力發(fā)電機，這是風力發(fā)電的主要發(fā)展方向。而MW級風力發(fā)電技術早己開始研發(fā)。

在架構上，風力發(fā)電系統(tǒng)中兩個主要部件是風力機和發(fā)電機。風力機向著變漿距調(diào)節(jié)技術發(fā)展、發(fā)電機向著變速恒頻發(fā)電技術發(fā)展，這是風力發(fā)電技術發(fā)展的趨勢，也是當今風力發(fā)電的主要技術。

應該說國內(nèi)風電設備制造行業(yè)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)市場可供用戶選擇的風機類型越來越多，隨之而來的是對風機穩(wěn)定性和性能的關注。風機電控系統(tǒng)的快速、可靠性和穩(wěn)定性很大程度上決定了一款風機的成功與否，所以它是風力發(fā)電應用技術中的核心部件。而電控系統(tǒng)的性能主要取決于所選方案和所采用的零部件。為此，本文主要對風力發(fā)電控制系統(tǒng)基本架構與風力發(fā)電應用中的電控系統(tǒng)及其新型控制器選擇和應用作分析說明。

2 風力發(fā)電控制系統(tǒng)基本架構

2.1 系統(tǒng)構成

圖1為風力發(fā)電控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲。從圖1所知，風電機組電控系統(tǒng)是對風電機組自動啟動、停機、平穩(wěn)并網(wǎng)、雙速切換、自動對風、數(shù)據(jù)檢測和處理、故障記錄及自動保護等就地控制功能。風電廠由三部分組成：就地控制部分、中央集控部分與通信部分。根據(jù)不同風機的應用通信部分分為兩部分：風機與風機間或風機與控制中心的網(wǎng)絡通信部分與風機內(nèi)部控制通信部分。

2.2 網(wǎng)絡結構及其系統(tǒng)主要部件與功能

從圖1可知，風電作為典型的分布式控制系統(tǒng)，采用光纖及工業(yè)交換機組成環(huán)形網(wǎng)絡結構，要求網(wǎng)絡設備可以在高粉塵、高寒、高熱、強電磁環(huán)境中運行，實現(xiàn)寬帶、可靠穩(wěn)定的傳輸風機的各種參數(shù)。

其系統(tǒng)主要部件與功能如下：

⑴ SCOM3024是專門針對電力系統(tǒng)高等級變電站設計的工業(yè)交換機。主要應用在220kV、500kV、700kV超高壓變電站繼電保護系統(tǒng)中。

⑵ S1COM3000系列：卡軌式，提供3個1000M端口，6個10/1000Base-TX接口，支持WEB管理，Telnet，SNMP，基于SNMP的網(wǎng)管，RMON、DT-ring2.0、RSTP、MSTF功耗小于56W，為本質(zhì)安全型工業(yè)以太網(wǎng)交換機。

⑶ KIEN1005風機機頭控制器，應用于風機內(nèi)部的控制通信部分。

⑷ 采用了SCOM3000、KIEN2032、KIEN6000部件，其應用為：風機與風機間或風機與控制（檢測）中心的網(wǎng)絡通信部分；其KIEN6000部件應用在控制中心，完成風場SICOM3000等工業(yè)交換機數(shù)據(jù)落地，同時啟用三層功能，與上級網(wǎng)絡隔離。

2.3 關于風電場的監(jiān)控系統(tǒng)

由于風電場單機容量小、數(shù)量多，為了確保各臺風力機的安全運行，風電場設置有先進的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般由地面監(jiān)控（或稱就地監(jiān)控-LCS)（可從圖1看出）和中央監(jiān)控(CMCS遙控)兩部分組成，其中就地監(jiān)控主機可使用工控機（如ARK3382型），就地監(jiān)控包括如下功能：

⑴ 運行人員可以從就地控制盤前計算機屏幕上了解到各臺風力機的運行狀況，如：該風力機處風速、發(fā)電機電壓、電流、功率因數(shù)、主軸轉速、齒輪箱及軸承溫度等等。

⑵ 可以通過控制盤上的鍵盤，方便地修改風力機的保護定值，如過壓保護整定范圍，頻率保護整定范圍，風速極限值的修改等等。

⑶ 該控制系統(tǒng)能根據(jù)自己所檢測到的風速、風向情況自動發(fā)出開機尋找風向(即自動偏航)或停機的控制命令，同時還能進行自我診斷風力機是否存在故障、是否需要停機。該系統(tǒng)還能對電網(wǎng)進行檢測，如發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓、頻率工作不正常則立即停機，待電網(wǎng)恢復正常后自動起動。

⑷ 該控制系統(tǒng)具有先進的記錄功能，能記錄所有發(fā)生過的故障或不正常運行狀態(tài)，并告訴運行人員發(fā)生故障的時間。該系統(tǒng)還能進行產(chǎn)量報告，能記錄該風力機的月發(fā)電量，及累計發(fā)電量和運行小時數(shù)。

中央控制系統(tǒng)設在控制室內(nèi)，通過監(jiān)視器可以了解到整個風場各臺風力機的運行狀況。中央控制系統(tǒng)除主機外，還有一套備用設備，可供主機故障時投入，可隨時向人們提供所需的報告。

3 風電機組電控系統(tǒng)結構中的控制器應用

3.1 控制器是整個電控系統(tǒng)的核心

其主要任務是控制風機根據(jù)風能的變化調(diào)整輸出，以及風機在運行過程中的各種數(shù)據(jù)檢測、系統(tǒng)保護、通訊等功能。整個控制系統(tǒng)的輸入輸出點數(shù)并不多，一般不多于300點。如對MW級風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的特點是點數(shù)不多(整個控制系統(tǒng)的輸入輸出點數(shù)并不多，一般不多于300點)以及數(shù)據(jù)計算量大，尤其是遠程監(jiān)控系統(tǒng)、故障檢測及自復位功能的應用使控制器的數(shù)據(jù)計算量很大。由于同一時間不同優(yōu)先級事件的存在，控制器必須按照事件的重要程度執(zhí)行不同的掃描周期。

這些特點要求控制器具備高速度、支持多優(yōu)先級多任務程序結構、支持高級算法等功能。此外，為保證系統(tǒng)各控制器與變頻設備之間通訊的可靠性及實時性，控制器還必須支持現(xiàn)場總線及遠程監(jiān)控使用的工業(yè)以太網(wǎng)通訊。

3.2 傳統(tǒng)控制器的不足與問題的解決

迄今為止，控制器解決方案由大量的微控制器和專有的總線系統(tǒng)組成。市場上常見的風力發(fā)電機控制器的開發(fā)能力已經(jīng)達到極限。在控制器、廠房生產(chǎn)計劃系統(tǒng)和遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等各種功能單元的狀況下，實現(xiàn)其接口互嵌是非常困難的。另外，傳統(tǒng)的控制器僅僅提供有限的資源，只能夠提供有限的監(jiān)控和診斷功能。這必將無法滿足風力發(fā)電機和生產(chǎn)廠商不斷增長的需求。用戶十分期待擁有更好的分析和診斷設備。尤其在應用于風力電場時，電網(wǎng)公司對靈活的網(wǎng)絡管理和快速的反映時間有著高要求。

由于工控機提供的開發(fā)平臺也是開放性的，它可以輕易地解決不斷增長的、和外設相兼容的接口需求，是當今新型風電機組電控系統(tǒng)的理想選擇。它能實現(xiàn)技術開發(fā)的首要目標，即達到提升發(fā)動機效能、減少載荷、增加操作便利性，從而減少成本、獲取更多利潤的目的。值此，以與嵌入式ARK3382無風扇工控機與KT98和KT97可編程控制器(PLC)為例作為風電機組電控系統(tǒng)的核心部件在風力發(fā)電中應用作介紹。

4 嵌入式無風扇工控機ARK3382型作為控制器在風力發(fā)電中的應用

當今作為自動化系統(tǒng)（如SCADA系統(tǒng)）是以計算機為基礎基于工業(yè)以太網(wǎng)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。各種采集信號及控制信號通過工業(yè)以太網(wǎng)匯總到其中最前端的數(shù)據(jù)匯總處理機——嵌入式無風扇工控機。

4.1 選擇嵌入式無風扇工控機的原因

嵌入式工控機產(chǎn)品旨在為用戶的開發(fā)應用提供更快速、更方便、更簡單的解放方案。嵌入式設計、堅固的外殼、強大的計算技術，這些都保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性。該系列產(chǎn)品能滿足用戶對于強固、緊湊的工業(yè)計算平臺的需求以及能夠用于各種應用的內(nèi)置I/O。其主要技術特征為：

⑴ 性能可靠

① 具有鋁質(zhì)外殼

如ARK3382系列產(chǎn)品的鋁質(zhì)外殼和散熱片設計使系統(tǒng)不僅具有高散熱性，而且具有高抗腐蝕性。這使設備在戶外環(huán)境下運行時具有高可靠性。

② 無風扇設計

緊湊的嵌入式機箱沒有任何風扇設備，如CPU風扇、系統(tǒng)風扇、電源風扇等。擴展MTBF設計極大減少了系統(tǒng)的維護需求。

③ 優(yōu)化的內(nèi)部線纜設計

對于一般嵌入式電扇而言，線纜用于連接接口與CPU板。內(nèi)部線纜常常因線纜破損、連接不良或安裝錯誤而導致系統(tǒng)故障。

⑵ 結構堅固

① 高抗沖擊性和高抗振性

憑借其板載CPU、內(nèi)存、內(nèi)存和加固的接口，如ARK3382系列產(chǎn)品能夠承載高達70G的沖擊和7G的振動，并且符合MIL-STD-810F。此外，對于一些極易產(chǎn)生沖擊與振動的環(huán)境，為了實現(xiàn)更好高抗沖擊性和高抗振性，DRAM可以選擇性被固定在某個位置。

② 超強散熱設計

嵌入式工控機有散熱管和鋁質(zhì)散熱片，能夠支持-40℃～+70℃的寬范圍工作溫度。

⑶ 易于安裝

① 尺寸緊湊、體積簿、重量輕，因此能夠節(jié)省工作空間。

② 為了滿足多種應用需求，嵌入式工控機支持多種安裝方式，如導軌式安裝、壁掛式安裝及桌面安裝等。

概括此類嵌入式無風扇工控機的特征是小體積發(fā)揮大功用。以上也這就是為何嵌入式工控機成為更好選擇的依據(jù)。由于嵌入式無風扇工控機是系列的產(chǎn)品，選擇了研華ARK3382系列嵌入式工控機。

4.2 ARK3382嵌入式無風扇工控機為風力發(fā)電系統(tǒng)的前端——電控系統(tǒng)的核心應用

ARK3382可以提供4個以太網(wǎng)的接口，在前端可以匯集更多的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡方面可以采用鏈路聚合以及LAN Bvpass的網(wǎng)絡技術（圖2中黑色箭頭所示），有效地提高了網(wǎng)絡的傳輸效率和傳輸?shù)目煽啃?。圖2是ARK3382嵌入式無風扇工控機為風力發(fā)電系統(tǒng)的前端與網(wǎng)絡技術應用示意框圖。

⑴ ARK3382能夠提供3個以上的網(wǎng)絡接口

有良好的兼容特性，可以和下游的設備組成有機的連接。主頻必須1G以上，并且能夠配合用戶的程序穩(wěn)定的運行。2個RS-232接口，一個USB接口。尺寸要求能夠放在風機設備里面，重量輕。AT供電模式，直流供電，不能干擾其他的設備。

由于設備要在風塔內(nèi)運行，風塔內(nèi)的環(huán)境比較嚴苛，要求溫度-20℃～60℃，抗灰塵，無風扇設計，24小時不停機運行。要求帶一個15監(jiān)控屏，直流供電。

⑵ ARK3382適合無人監(jiān)守工作站

由于風扇是在惡劣環(huán)境下最容易出問題的故障點，ARK系列工控機的無風扇特性大大提高了機器的MTTF(平均無故障時間)。傳導散熱擁有良好的密封性，可以有效的隔絕灰塵腐蝕性氣體對信號傳導點的氧化作用而導致的宕機，減少維護費用，適合在電力監(jiān)控點及DCS應用的高灰塵、溫度變化比較大的無人職守場合使用。RK-3382使用的集成多網(wǎng)口all in one方案，不用再通過擴展方式，可以節(jié)省成本。

4.3 采用可編程控制器(如KT98和KT97)編程控制器風力發(fā)電系統(tǒng)的前端——電控系統(tǒng)的核心應用

該網(wǎng)絡使用2臺KT98分別作為機艙控制器和變槳控制器，1臺KT97作為主控制器。他們的主要功能為：

⑴ 機艙控制器。負責處理各傳感器(含風速風向儀)、輸入輸出點的信號采集、雙饋變頻器給定計算以及與雙饋變頻器、變槳控制器、主控制器之間的數(shù)據(jù)通訊。

⑵ 變槳控制器。處理變槳系統(tǒng)信號采集，負責進行變槳系統(tǒng)計算，生成變槳變頻器，負責變槳變頻器及機艙控制器、主控制器之間的數(shù)據(jù)通訊。

⑶ 主控制器。負責與機艙控制器、變槳控制器之間進行以太網(wǎng)通訊，遠程監(jiān)控系統(tǒng)通訊以及塔筒底部的信號采集。

3個控制器之間采用以太網(wǎng)通訊，保證了通訊速率。控制器與變頻器之間采用CAN總線通訊，速率可達1MbVte/s。在保證速率的前提下，通訊可靠性也得到了提高。這樣構成的控制結構具有分工明確、實時性強、穩(wěn)定可靠的特點。KT98和KT97可編程控制器(PLC)為ABB AC31 90系列。

5 風機并網(wǎng)逆變電源

風機并網(wǎng)發(fā)電是將風力發(fā)電機所發(fā)出的交流電經(jīng)過整流逆變成交流電并饋送電網(wǎng)。同太陽發(fā)電一樣，風力發(fā)電是新能源發(fā)電走向可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

風機并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過把風能轉化為電能，直接通過風力發(fā)電并網(wǎng)逆變器，把電能并到電網(wǎng)上。圖3為風機并網(wǎng)逆變電源方案示意圖。近年來，大型并網(wǎng)風力發(fā)電機組引入我國，大量風電機組安裝在風資源豐富地區(qū)組成風電場，接入地區(qū)電網(wǎng)供電。

下面僅以風力（或太陽能）發(fā)電專用正弦波逆變電源作簡介。

風力發(fā)電專用逆變電源是太陽能、風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，本電源針對新能源發(fā)電系統(tǒng)的特點設計制造，主要應用于太陽能電站、風力發(fā)電站，風、光、油、蓄互補發(fā)電系統(tǒng)和戶用太陽能供電系統(tǒng)。其工作原理見圖4所示框圖。

其性能特點為：DSP芯片控制，智能功率模塊組裝，純正弦波輸出，輸出穩(wěn)壓、穩(wěn)頻；具有過壓、欠壓、過載、短路、輸入極性接反等各種保護功能，而逆變效率≥85%，具有交流旁路功能，輸入輸出優(yōu)異的EMI/EMC指標，可配備RS232/485接口，是高可靠性、高效率的正弦波逆變電源。

6 結語

從以上分析可知，風機電控系統(tǒng)的核心部件——控制器（嵌入式工控機）是用于風力機的監(jiān)控和控制兩個方面。該嵌入式工控機作為風力發(fā)電系統(tǒng)的前端，逐步取代由微控制器和專有的總線系統(tǒng)組成的傳統(tǒng)控制器。由于它具有獨特的優(yōu)勢，所以基于嵌入式工控機前端的風力發(fā)電控制系統(tǒng)是實現(xiàn)提升發(fā)電系統(tǒng)效能、減少成本、獲取更多利潤的有效途徑。■