風力發電技術及其新型風機電控系統的應用

        導讀：目前，利用風力發電已成為風能利用的主要形式，受到世界各國的高度重視，而且發展速度zui快。本文主要對風力發電控制系統基本架構與風力發電應用中的電控系統及其新型控制器選擇和應用作分析說明。

風力發電組

　　
        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定的能源。“十五”期間，能源技術領域中所設立的后續能源技術是作為發展重點的。后續能源包括核能、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，而且發展速度zui快。風能產業作為一個新興的有前景的*產業。2020年我國風電總裝機容量要達到3000萬kW的目標，為風能產業的發展提供了很大的空間。據統計，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電系統的一次性投資，足以讓您一勞永逸。
　　
　　風力發電有三種運行方式：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；二是風力發電與其他發電方式(如柴油機發電)相結合，向一個單位或一個村莊或一個海島供電；三是風力發電并入常規電網運行，向大電網提供電力，常常是一處風電場安裝幾十臺甚至幾百臺風力發電機，這是風力發電的主要發展方向。而MW級風力發電技術早己開始研發。
　　
　　在架構上，風力發電系統中兩個主要部件是風力機和發電機。風力機向著變漿距調節技術發展、發電機向著變速恒頻發電技術發展，這是風力發電技術發展的趨勢，也是當今風力發電的主要技術。
　　
　　應該說國內風電設備制造行業的迅猛發展，國內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定性和性能的關注。風機電控系統的快速、可靠性和穩定性很大程度上決定了一款風機的成功與否，所以它是風力發電應用技術中的核心部件。而電控系統的性能主要取決于所選方案和所采用的零部件。為此，本文主要對風力發電控制系統基本架構與風力發電應用中的電控系統及其新型控制器選擇和應用作分析說明。
　　
　　2風力發電控制系統基本架構
　　
　　2.1系統構成
　　
　　圖1為風力發電控制系統網絡拓撲。從圖1所知，風電機組電控系統是對風電機組自動啟動、停機、平穩并網、雙速切換、自動對風、數據檢測和處理、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絡通信部分與風機內部控制通信部分。　　
　　2.2網絡結構及其系統主要部件與功能
　　
　　從圖1可知，風電作為典型的分布式控制系統，采用光纖及工業交換機組成環形網絡結構，要求網絡設備可以在高粉塵、高寒、高熱、強電磁環境中運行，實現寬帶、可靠穩定的傳輸風機的各種參數。
　　
　　其系統主要部件與功能如下：
　　
　?、臩COM3024是專門針對電力系統高等級變電站設計的工業交換機。主要應用在220kV、500kV、700kV超高壓變電站繼電保護系統中。
　　
　?、芐1COM3000系列：卡軌式，提供3個1000M端口，6個10/1000Base-TX接口，支持WEB管理，net，SNMP，基于SNMP的網管，RMON、DT-ring2.0、RSTP、MSTF功耗小于56W，為本質安全型工業以太網交換機。
　　
　　⑶KIEN1005風機機頭控制器，應用于風機內部的控制通信部分。
　　
　　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）中心的網絡通信部分；其KIEN6000部件應用在控制中心，完成風場SICOM3000等工業交換機數據落地，同時啟用三層功能，與上級網絡隔離。
　　
　　2.3關于風電場的監控系統
　　
　　由于風電場單機容量小、數量多，為了確保各臺風力機的安全運行，風電場設置有*的計算機監控系統，該系統一般由地面監控（或稱就地監控-LCS)（可從圖1看出）和中央監控(CMCS遙控)兩部分組成，其中就地監控主機可使用工控機（如ARK3382型），就地監控包括如下功能：
　　
　　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、發電機電壓、電流、功率因數、主軸轉速、齒輪箱及軸承溫度等等。
　　
　?、瓶梢酝ㄟ^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。
　　
　?、窃摽刂葡到y能根據自己所檢測到的風速、風向情況自動發出開機尋找風向(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。該系統還能對電網進行檢測，如發現電網電壓、頻率工作不正常則立即停機，待電網恢復正常后自動起動。
　　
　?、仍摽刂葡到y具有*的記錄功能，能記錄所有發生過的故障或不正常運行狀態，并告訴運行人員發生故障的時間。該系統還能進行產量報告，能記錄該風力機的月發電量，及累計發電量和運行小時數。
　　
　　中央控制系統設在控制室內，通過監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風電機組電控系統結構中的控制器應用
　　
　　3.1控制器是整個電控系統的核心
　　
　　其主要任務是控制風機根據風能的變化調整輸出，以及風機在運行過程中的各種數據檢測、系統保護、通訊等功能。整個控制系統的輸入輸出點數并不多，一般不多于300點。如對MW級風力發電機組控制系統的特點是點數不多(整個控制系統的輸入輸出點數并不多，一般不多于300點)以及數據計算量大，尤其是遠程監控系統、故障檢測及自復位功能的應用使控制器的數據計算量很大。由于同一時間不同優先級事件的存在，控制器必須按照事件的重要程度執行不同的掃描周期。
　　
　　這些特點要求控制器具備高速度、支持多優先級多任務程序結構、支持算法等功能。此外，為保證系統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場總線及遠程監控使用的工業以太網通訊。
　　
　　3.2傳統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組成。市場上常見的風力發電機控制器的開發能力已經達到極限。在控制器、廠房生產計劃系統和遠程數據傳輸系統等各種功能單元的狀況下，實現其接口互嵌是非常困難的。另外，傳統的控制器僅僅提供有限的資源，只能夠提供有限的監控和診斷功能。這必將無法滿足風力發電機和生產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，電網公司對靈活的網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的理想選擇。它能實現技術開發的首要目標，即達到提升發動機效能、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的核心部件在風力發電中應用作介紹。
　　
　　4嵌入式無風扇工控機ARK3382型作為控制器在風力發電中的應用
　　
　　當今作為自動化系統（如SCADA系統）是以計算機為基礎基于工業以太網的生產過程控制與調度自動化系統。它可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節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以太網匯總到其中zui前端的數據匯總處理機——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
　　
　　嵌入式工控機產品旨在為用戶的開發應用提供更快速、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，這些都保證了系統的穩定性和靈活性。該系列產品能滿足用戶對于強固、緊湊的工業計算平臺的需求以及能夠用于各種應用的內置I/O。其主要技術特征為：
　　
　　⑴性能可靠
　　
　?、倬哂袖X質外殼
　　
　　如ARK3382系列產品的鋁質外殼和散熱片設計使系統不僅具有高散熱性，而且具有高抗腐蝕性。這使設備在戶外環境下運行時具有高可靠性。
　　
　?、跓o風扇設計
　　
　　緊湊的嵌入式機箱沒有任何風扇設備，如CPU風扇、系統風扇、電源風扇等。擴展MTBF設計極大減少了系統的維護需求。
　　
　　③優化的內部線纜設計
　　
　　對于一般嵌入式電扇而言，線纜用于連接接口與CPU板。內部線纜常常因線纜破損、連接不良或安裝錯誤而導致系統故障。
　　
　?、平Y構堅固
　　
　?、俑呖箾_擊性和高抗振性
　　
　　憑借其板載CPU、內存、內存和加固的接口，如ARK3382系列產品能夠承載高達70G的沖擊和7G的振動，并且符合MIL-STD-810F。此外，對于一些極易產生沖擊與振動的環境，為了實現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。
　　
　?、?散熱設計
　　
　　嵌入式工控機有散熱管和鋁質散熱片，能夠支持-40℃～ 70℃的寬范圍工作溫度。
　　
　?、且子诎惭b
　　
　?、俪叽缇o湊、體積簿、重量輕，因此能夠節省工作空間。
　　
　?、跒榱藵M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。由于嵌入式無風扇工控機是系列的產品，選擇了研華ARK3382系列嵌入式工控機。
　　
　　4.2ARK3382嵌入式無風扇工控機為風力發電系統的前端——電控系統的核心應用
　　
　　ARK3382可以提供4個以太網的接口，在前端可以匯集更多的數據，在網絡方面可以采用鏈路聚合以及LANBvpass的網絡技術（圖2中黑色箭頭所示），有效地提高了網絡的傳輸效率和傳輸的可靠性。圖2是ARK3382嵌入式無風扇工控機為風力發電系統的前端與網絡技術應用示意框圖。
　　
　?、臕RK3382能夠提供3個以上的網絡接口
　　
　　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運行，風塔內的環境比較嚴苛，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監控屏，直流供電。
　　
　?、艫RK3382適合無人監守工作站
　　
　　由于風扇是在惡劣環境下zui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*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使用的集成多網口allinone方案，不用再通過擴展方式，可以節省成本。
　　
　　4.3采用可編程控制器(如KT98和KT97)編程控制器風力發電系統的前端——電控系統的核心應用
　　
　　該網絡使用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、主控制器之間的數據通訊。
　　
　　⑵變槳控制器。處理變槳系統信號采集，負責進行變槳系統計算，生成變槳變頻器，負責變槳變頻器及機艙控制器、主控制器之間的數據通訊。
　　
　?、侵骺刂破鳌Ｘ撠熍c機艙控制器、變槳控制器之間進行以太網通訊，遠程監控系統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通訊，保證了通訊速率?？刂破髋c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、穩定可靠的特點。KT98和KT97可編程控制器(PLC)為ABBAC3190系列。
　　
　　5風機并網逆變電源
　　
　　風機并網發電是將風力發電機所發出的交流電經過整流逆變成交流電并饋送電網。同太陽發電一樣，風力發電是新能源發電走向可持續發展的必由之路。
　　
　　風機并網發電系統通過把風能轉化為電能，直接通過風力發電并網逆變器，把電能并到電網上。圖3為風機并網逆變電源方案示意圖。近年來，大型并網風力發電機組引入我國，大量風電機組安裝在風資源豐富地區組成風電場，接入地區電網供電。
　　
　　下面僅以風力（或太陽能）發電正弦波逆變電源作簡介。
　　
　　風力發電逆變電源是太陽能、風力發電系統的核心部件，本電源針對新能源發電系統的特點設計制造，主要應用于太陽能電站、風力發電站，風、光、油、蓄互補發電系統和戶用太陽能供電系統。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，輸出穩壓、穩頻；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，輸入輸出優異的EMI/EMC指標，可配備RS232/485接口，是高可靠性、率的正弦波逆變電源。
　　
　　6結語
　　
　　從以上分析可知，風機電控系統的核心部件——控制器（嵌入式工控機）是用于風力機的監控和控制兩個方面。該嵌入式工控機作為風力發電系統的前端，逐步取代由微控制器和專有的總線系統組成的傳統控制器。由于它具有*的優勢，所以基于嵌入式工控機前端的風力發電控制系統是實現提升發電系統效能、減少成本、獲取更多利潤的有效途徑。