風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及其新型風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)的應(yīng)用

1 前言

風(fēng)能是非常重要并儲(chǔ)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(shù)領(lǐng)域中所設(shè)立的后續(xù)能源技術(shù)是作為發(fā)展重點(diǎn)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(lǐng)域，其中風(fēng)能、太陽(yáng)能為主攻方向。目前，利用風(fēng)力發(fā)電已成為風(fēng)能利用的主要形式，受到世界各國(guó)的高度重視，而且發(fā)展速度最快。風(fēng)能產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)新興的有前景的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。2020年我國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量要達(dá)到3000萬kW的目標(biāo)，為風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了很大的空間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，架設(shè)5公里電線及以后的電費(fèi)投資，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于太陽(yáng)能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一次性投資，足以讓您一勞永逸。

風(fēng)力發(fā)電有三種運(yùn)行方式：一是獨(dú)立運(yùn)行方式，通常是一臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)向一戶或幾戶提供電力，用蓄電池蓄能，以保證無風(fēng)時(shí)用電；二是風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式(如柴油機(jī)發(fā)電)相結(jié)合，向一個(gè)單位或一個(gè)村莊或一個(gè)海島供電；三是風(fēng)力發(fā)電并入常規(guī)電網(wǎng)運(yùn)行，向大電網(wǎng)提供電力，常常是一處風(fēng)電場(chǎng)安裝幾十臺(tái)甚至幾百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這是風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向。而MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)早己開始研發(fā)。

在架構(gòu)上，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中兩個(gè)主要部件是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)。風(fēng)力機(jī)向著變漿距調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展、發(fā)電機(jī)向著變速恒頻發(fā)電技術(shù)發(fā)展，這是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，也是當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電的主要技術(shù)。

應(yīng)該說國(guó)內(nèi)風(fēng)電設(shè)備制造行業(yè)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)可供用戶選擇的風(fēng)機(jī)類型越來越多，隨之而來的是對(duì)風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性和性能的關(guān)注。風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的成功與否，所以它是風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用技術(shù)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(duì)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)基本架構(gòu)與風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中的電控系統(tǒng)及其新型控制器選擇和應(yīng)用作分析說明。

2 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)基本架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。從圖1所知，風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)是對(duì)風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)、停機(jī)、平穩(wěn)并網(wǎng)、雙速切換、自動(dòng)對(duì)風(fēng)、數(shù)據(jù)檢測(cè)和處理、故障記錄及自動(dòng)保護(hù)等就地控制功能。風(fēng)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(fēng)機(jī)的應(yīng)用通信部分分為兩部分：風(fēng)機(jī)與風(fēng)機(jī)間或風(fēng)機(jī)與控制中心的網(wǎng)絡(luò)通信部分與風(fēng)機(jī)內(nèi)部控制通信部分。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)主要部件與功能

從圖1可知，風(fēng)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(jī)組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以在高粉塵、高寒、高熱、強(qiáng)電磁環(huán)境中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)寬帶、可靠穩(wěn)定的傳輸風(fēng)機(jī)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(duì)電力系統(tǒng)高等級(jí)變電站設(shè)計(jì)的工業(yè)交換機(jī)。主要應(yīng)用在220kV、500kV、700kV超高壓變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)中。

⑵ S1COM3000系列：卡軌式，提供3個(gè)1000M端口，6個(gè)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(jī)。

⑶ KIEN1005風(fēng)機(jī)機(jī)頭控制器，應(yīng)用于風(fēng)機(jī)內(nèi)部的控制通信部分。

⑷ 采用了SCOM3000、KIEN2032、KIEN6000部件，其應(yīng)用為：風(fēng)機(jī)與風(fēng)機(jī)間或風(fēng)機(jī)與控制（檢測(cè)）中心的網(wǎng)絡(luò)通信部分；其KIEN6000部件應(yīng)用在控制中心，完成風(fēng)場(chǎng)SICOM3000等工業(yè)交換機(jī)數(shù)據(jù)落地，同時(shí)啟用三層功能，與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)隔離。

2.3 關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)

由于風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)容量小、數(shù)量多，為了確保各臺(tái)風(fēng)力機(jī)的安全運(yùn)行，風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)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(jī)可使用工控機(jī)（如ARK3382型），就地監(jiān)控包括如下功能：

⑴ 運(yùn)行人員可以從就地控制盤前計(jì)算機(jī)屏幕上了解到各臺(tái)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀況，如：該風(fēng)力機(jī)處風(fēng)速、發(fā)電機(jī)電壓、電流、功率因數(shù)、主軸轉(zhuǎn)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(fēng)力機(jī)的保護(hù)定值，如過壓保護(hù)整定范圍，頻率保護(hù)整定范圍，風(fēng)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(cè)到的風(fēng)速、風(fēng)向情況自動(dòng)發(fā)出開機(jī)尋找風(fēng)向(即自動(dòng)偏航)或停機(jī)的控制命令，同時(shí)還能進(jìn)行自我診斷風(fēng)力機(jī)是否存在故障、是否需要停機(jī)。該系統(tǒng)還能對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓、頻率工作不正常則立即停機(jī)，待電網(wǎng)恢復(fù)正常后自動(dòng)起動(dòng)。

⑷ 該控制系統(tǒng)具有先進(jìn)的記錄功能，能記錄所有發(fā)生過的故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)，并告訴運(yùn)行人員發(fā)生故障的時(shí)間。該系統(tǒng)還能進(jìn)行產(chǎn)量報(bào)告，能記錄該風(fēng)力機(jī)的月發(fā)電量，及累計(jì)發(fā)電量和運(yùn)行小時(shí)數(shù)。

中央控制系統(tǒng)設(shè)在控制室內(nèi)，通過監(jiān)視器可以了解到整個(gè)風(fēng)場(chǎng)各臺(tái)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀況。中央控制系統(tǒng)除主機(jī)外，還有一套備用設(shè)備，可供主機(jī)故障時(shí)投入，可隨時(shí)向人們提供所需的報(bào)告。

3 風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的控制器應(yīng)用

3.1 控制器是整個(gè)電控系統(tǒng)的核心

其主要任務(wù)是控制風(fēng)機(jī)根據(jù)風(fēng)能的變化調(diào)整輸出，以及風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的各種數(shù)據(jù)檢測(cè)、系統(tǒng)保護(hù)、通訊等功能。整個(gè)控制系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)并不多，一般不多于300點(diǎn)。如對(duì)MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是點(diǎn)數(shù)不多(整個(gè)控制系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)并不多，一般不多于300點(diǎn))以及數(shù)據(jù)計(jì)算量大，尤其是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、故障檢測(cè)及自復(fù)位功能的應(yīng)用使控制器的數(shù)據(jù)計(jì)算量很大。由于同一時(shí)間不同優(yōu)先級(jí)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(diǎn)要求控制器具備高速度、支持多優(yōu)先級(jí)多任務(wù)程序結(jié)構(gòu)、支持高級(jí)算法等功能。此外，為保證系統(tǒng)各控制器與變頻設(shè)備之間通訊的可靠性及實(shí)時(shí)性，控制器還必須支持現(xiàn)場(chǎng)總線及遠(yuǎn)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(chǎng)上常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制器的開發(fā)能力已經(jīng)達(dá)到極限。在控制器、廠房生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等各種功能單元的狀況下，實(shí)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(fēng)力發(fā)電機(jī)和生產(chǎn)廠商不斷增長(zhǎng)的需求。用戶十分期待擁有更好的分析和診斷設(shè)備。尤其在應(yīng)用于風(fēng)力電場(chǎng)時(shí)，電網(wǎng)公司對(duì)靈活的網(wǎng)絡(luò)管理和快速的反映時(shí)間有著高要求。

由于工控機(jī)提供的開發(fā)平臺(tái)也是開放性的，它可以輕易地解決不斷增長(zhǎng)的、和外設(shè)相兼容的接口需求，是當(dāng)今新型風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)的理想選擇。它能實(shí)現(xiàn)技術(shù)開發(fā)的首要目標(biāo)，即達(dá)到提升發(fā)動(dòng)機(jī)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(rùn)的目的。值此，以與嵌入式ARK3382無風(fēng)扇工控機(jī)與KT98和KT97可編程控制器(PLC)為例作為風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)的核心部件在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用作介紹。

4 嵌入式無風(fēng)扇工控機(jī)ARK3382型作為控制器在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

當(dāng)今作為自動(dòng)化系統(tǒng)（如SCADA系統(tǒng)）是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)基于工業(yè)以太網(wǎng)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。各種采集信號(hào)及控制信號(hào)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(jī)——嵌入式無風(fēng)扇工控機(jī)。

4.1 選擇嵌入式無風(fēng)扇工控機(jī)的原因

嵌入式工控機(jī)產(chǎn)品旨在為用戶的開發(fā)應(yīng)用提供更快速、更方便、更簡(jiǎn)單的解放方案。嵌入式設(shè)計(jì)、堅(jiān)固的外殼、強(qiáng)大的計(jì)算技術(shù)，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(duì)于強(qiáng)固、緊湊的工業(yè)計(jì)算平臺(tái)的需求以及能夠用于各種應(yīng)用的內(nèi)置I/O。其主要技術(shù)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(shè)計(jì)使系統(tǒng)不僅具有高散熱性，而且具有高抗腐蝕性。這使設(shè)備在戶外環(huán)境下運(yùn)行時(shí)具有高可靠性。

② 無風(fēng)扇設(shè)計(jì)

緊湊的嵌入式機(jī)箱沒有任何風(fēng)扇設(shè)備，如CPU風(fēng)扇、系統(tǒng)風(fēng)扇、電源風(fēng)扇等。擴(kuò)展MTBF設(shè)計(jì)極大減少了系統(tǒng)的維護(hù)需求。

③ 優(yōu)化的內(nèi)部線纜設(shè)計(jì)

對(duì)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(cuò)誤而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

⑵ 結(jié)構(gòu)堅(jiān)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(dá)70G的沖擊和7G的振動(dòng)，并且符合MIL-STD-810F。此外，對(duì)于一些極易產(chǎn)生沖擊與振動(dòng)的環(huán)境，為了實(shí)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(gè)位置。

② 超強(qiáng)散熱設(shè)計(jì)

嵌入式工控機(jī)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(yīng)用需求，嵌入式工控機(jī)支持多種安裝方式，如導(dǎo)軌式安裝、壁掛式安裝及桌面安裝等。

概括此類嵌入式無風(fēng)扇工控機(jī)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(jī)成為更好選擇的依據(jù)。由于嵌入式無風(fēng)扇工控機(jī)是系列的產(chǎn)品，選擇了研華ARK3382系列嵌入式工控機(jī)。

4.2 ARK3382嵌入式無風(fēng)扇工控機(jī)為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的前端——電控系統(tǒng)的核心應(yīng)用

ARK3382可以提供4個(gè)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(luò)方面可以采用鏈路聚合以及LAN Bvpass的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（圖2中黑色箭頭所示），有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率和傳輸?shù)目煽啃?。圖2是ARK3382嵌入式無風(fēng)扇工控機(jī)為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的前端與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用示意框圖。

⑴ ARK3382能夠提供3個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò)接口

有良好的兼容特性，可以和下游的設(shè)備組成有機(jī)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(yùn)行。2個(gè)RS-232接口，一個(gè)USB接口。尺寸要求能夠放在風(fēng)機(jī)設(shè)備里面，重量輕。AT供電模式，直流供電，不能干擾其他的設(shè)備。

由于設(shè)備要在風(fēng)塔內(nèi)運(yùn)行，風(fēng)塔內(nèi)的環(huán)境比較嚴(yán)苛，要求溫度-20℃～60℃，抗灰塵，無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，24小時(shí)不停機(jī)運(yùn)行。要求帶一個(gè)15監(jiān)控屏，直流供電。

⑵ ARK3382適合無人監(jiān)守工作站

由于風(fēng)扇是在惡劣環(huán)境下最容易出問題的故障點(diǎn)，ARK系列工控機(jī)的無風(fēng)扇特性大大提高了機(jī)器的MTTF(平均無故障時(shí)間)。傳導(dǎo)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(duì)信號(hào)傳導(dǎo)點(diǎn)的氧化作用而導(dǎo)致的宕機(jī)，減少維護(hù)費(fèi)用，適合在電力監(jiān)控點(diǎn)及DCS應(yīng)用的高灰塵、溫度變化比較大的無人職守場(chǎng)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(kuò)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的前端——電控系統(tǒng)的核心應(yīng)用

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

⑴ 機(jī)艙控制器。負(fù)責(zé)處理各傳感器(含風(fēng)速風(fēng)向儀)、輸入輸出點(diǎn)的信號(hào)采集、雙饋?zhàn)冾l器給定計(jì)算以及與雙饋?zhàn)冾l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(hào)采集，負(fù)責(zé)進(jìn)行變槳系統(tǒng)計(jì)算，生成變槳變頻器，負(fù)責(zé)變槳變頻器及機(jī)艙控制器、主控制器之間的數(shù)據(jù)通訊。

⑶ 主控制器。負(fù)責(zé)與機(jī)艙控制器、變槳控制器之間進(jìn)行以太網(wǎng)通訊，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通訊以及塔筒底部的信號(hào)采集。

3個(gè)控制器之間采用以太網(wǎng)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(dá)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(gòu)成的控制結(jié)構(gòu)具有分工明確、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。KT98和KT97可編程控制器(PLC)為ABB AC31 90系列。

5 風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變電源

風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yáng)發(fā)電一樣，風(fēng)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(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，直接通過風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器，把電能并到電網(wǎng)上。圖3為風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變電源方案示意圖。近年來，大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組引入我國(guó)，大量風(fēng)電機(jī)組安裝在風(fēng)資源豐富地區(qū)組成風(fēng)電場(chǎng)，接入地區(qū)電網(wǎng)供電。

下面僅以風(fēng)力（或太陽(yáng)能）發(fā)電專用正弦波逆變電源作簡(jiǎn)介。

風(fēng)力發(fā)電專用逆變電源是太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，本電源針對(duì)新能源發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)制造，主要應(yīng)用于太陽(yáng)能電站、風(fēng)力發(fā)電站，風(fēng)、光、油、蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和戶用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。其工作原理見圖4所示框圖。

其性能特點(diǎn)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(hù)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(biāo)，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(jié)語(yǔ)

從以上分析可知，風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)的核心部件——控制器（嵌入式工控機(jī)）是用于風(fēng)力機(jī)的監(jiān)控和控制兩個(gè)方面。該嵌入式工控機(jī)作為風(fēng)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)，所以基于嵌入式工控機(jī)前端的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)提升發(fā)電系統(tǒng)效能、減少成本、獲取更多利潤(rùn)的有效途徑?！?br />