紫金桥软件风电机组监控解决方案———紫金桥软件风电机组监控解

背景分析：
        随着地球常规资源的日益匮乏，新能源慢慢被各国政府列位了未来重点建设内容，新能源主要包括水能、风能、核能、地热和生物能源。在2008年底，为了应对金融危机，中国政府提出了新增4万亿投资及十大行业的振兴计划，特别将加强新能源建设，作为新能源的代表风电将在今后五到十年里被重点扶植。我国风能资源丰富，储量32亿千瓦，可开发的装机容量约253亿千瓦，居世界首位，在政府大力支持，积极推动风电产业的发展，相信不久的将来，中国的风力发电将成为其主要的供电来源之一。
         在信息化与自动化融合的今天，风力电厂的自动监控平台自然离不开软件的支撑，基于此，我们提出了基于紫金桥实时数据库的风电机组监控系统解决方案，实现了对风电机组及电力传输的自动监控。网络构造过程中，机组物理距离，现场电磁干扰等该行业独有的特点成为了考验不同厂商工业以太网设备性能的分水岭。
  系统组成：
  1、风力发电配电系统：
       与火电和电相比，风力发电站的配套设施较少，用电设备也少，所以一般很少给风力发电站提供专用的配电电源，特别是在风力发电的塔筒内，都是由塔筒内部690V母线经过降压变压器降压后得到配电电源，供照明以及监测设备等一些用电器使用。
  2、风力发电机组系统：
         一般来说，整个风电场包括众多风力发电机组，分布在发电田中。发电机组顶部的涡轮发电机负责发电，前端是可调整角度的风叶，系统可以根据不同的风力状况来调整风叶的倾斜度。风叶的轴与一个齿轮箱相连，齿轮箱完成提升转速来驱动发电机。每台发电机组都配备一个由工控机和PLC组成的控制箱。PLC负责采集风速、风向及与此相关的空气压力、空气温度和空气湿度，轴转速和其他相关数据。通过侦测风向，控制系统便会调整齿轮，使风叶转向适当角度以充分利用风能进行发电。
  
   
   
         发电田中的所有的涡轮发电机组都连接在同一个局域网中，各个发电机组顶端的控制箱均使用以太网和塔底部的光纤网络连接。该环网与远程控制站相连形成一个冗余环网。远程控制站采用紫金桥前置数据采集软件RealScada实现数据采集和监控，并分析搜集到的数据，从而调整发电机组参数，并向操作人员和维护人员提供报警信息。同时负责将搜集到的数据向上传输到数据中心服务器，实现对全局数据的管理和上层应用。
  3：风力发电电能传输系统：
        整体解决方案还包括风电机组将电力系统传输到电力总线上的传输监控系统，实现实时的数据显示及数据报表、趋势分析等。
   
  系统实现功能：
        基于紫金桥软件的风电机组监控解决方案实现了设备层数据的采集并通过光纤以太网传输至主控室的上位机操作员站（紫金桥数据采集控制计算机，以下简称控制站），实现整个风场某风田区域的监控，并能为中心服务器提供数据支持，系统为分布式系统。系统软件部分实现如下功能：
  1、数据采集：系统远程控制站可提取PLC采集到的数据，包括风速、风向及与此相关的空气压力、空气温度和空气湿度，轴转速，系统运行时间和其他相关数据，并并保存历史。这部分工作主要在控制站完成。
  2、图形界面：系统对采集到的数据进行实时显示(各机组的运行数据，如每台机组的瞬时发电功率、累计发电量、发电小时数、风轮及电机的转速和风速、风向等)，显示方式有图形界面，曲线，报表，数字值等形式，界面直观，操作简单，不同机组采用树形导航切换。图形界面在控制站和中心服务器都得以实现。
  3、报警系统：系统能够及时显示风电组运行过程中发生的故障，包括故障前的预警，系统可显示故障的发生时间及故障类型，通过声音、图像以及短信邮件等形式快速反馈到管理人员，以便及时处理及消除故障，保证风电机组的安全和持续运行。例如为了提高安全性所有的风力发电机都安装了防雷电系统，当塔身湿度超标时系统进行报警，并自动开启除湿装置，严重超标时需人为操作时提前告知操作员。
  4、故障处理：系统提供故障处理机制，通过预先设置处理办法，解决一些容易出现的常规问题，例如当电压超标的情况下，系统自动开启变压装置，当调节到正常值后，变压装置自动关闭。在显示故障时，能显示出故障的类型及发生时间，并提供多种的提示方式。
  5、设备管理：
        系统除了可以对各风电机组的运行状态进行数据显示，还可以对设备进行操作，如开停机组、手/自动控制以及大/小发电机工作等情况，通过各风电机组的状态了解整个风电场的运行情况。
  6、电力管理：
        系统能够对风电机组实现集中控制。并对发电电力进行监控，发电时间，累计发电等，值班员在集中控制室内，只需对标明某种功能的相应键进行操作，就能对下位机进行改变设置状态和对其实施控制。如开机、停机和左右调向等。该操作同时具有权限管理，以保证整个风电场的运行安全。
  7、动态增加机组
        系统提供动态增加机组功能，真正实现运行时动态增加、修改、删除风电机组，极大的提高了系统监控的运行的连续性和稳定性。动态增加机组需要具有操作权限的人方可操作。
   
  风力发电相关技术参数
  1、变速恒频系统
         可用于风力发电的变速恒频系统有多种：如交一直一交变频系统，交流励磁发电机系统，无刷双馈电机系统，开关磁阻发电机系统，磁场调制发电机系统，同步异步变速恒频发电机系统等。这种变速恒频系统有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的;有的则是发电机与电力电子装置、微机控制系统相结合而实现变速恒频的。它们各有其特点，适用场合也不一样。为了充分利用不同风速时的风能，应该对各种变速恒频技术做深入的研究，尽快开发出实用的，适合于风力发电的变速恒频技术。
  2、四级变速风力发电机原理
         多级变速风力发电机主要由2台发电机（发电机1和发电机2）、控制系统和变速机3部分组成，其技术原理如图所示。大功率的发电机2的定子绕组与电网连接，向电网输送频率为ft的工频电流，转子绕组经控制系统与小功率的发电机1的定子绕组相连。
  
        大功率的发电机2只有在风速较大（风机输入功率较大）时才和变速机联接运行。发电机2输出的电流频率不仅和转子的机械转速有关，还和输入转子绕组的电流频率有关，具有将转子的机械旋转频率和转子绕组电路的电流频率“相加”的功能，其定子绕组输出“频率相加”后的电流，这一特点简称为“合频”特性。
        四级变速风力发电技术利用改变发电机极对数及大小2个发电机的相互配合，达到在4个风速点都能实现风能最大利用，根据统计如果变速恒频风力发电在整个工作风速范围内风能利用量为1个单位，则四级变速风力发电风能利用量能达到80%左右，恒速恒频风力发电风能利用量约为40%。
  3、双馈电机的控制
         双馈电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具有固定频率的对称三相电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交-交变频器或交-直-交变频器供以低频电流。
         任何一个风力发电机组都包括作为原动机的风力机和将机械能转变为电能的发电机。其中，作为原动机的风力机，其效率在很大程度上决定了整个风力发电机组的效率，而风力机的效率又在很大程度上取决于其负荷是否处于最佳状态。不管一个风力机是如何精细地设计和施工建造，若它处于过载或久载的状态下，都会损失其效率。从风力机的气动曲线可以看出，存在一个最佳周速比λ，对应一个最佳的效率。所以风力发电机的最佳控制是维持最佳周速比λ。另外，由于要考虑电网对有功功率和无功功率的要求，所以风力机最佳工况时的转速应由其气动曲线及电网的功率指令综合得出。也就是说，风力发电机的转速随风速及负荷的变化应及时作出相应的调整，依靠转子动能的变化，吸收或释放功率，减少对电网的扰动。通过变频器控制器对逆变电路中功率器件的控制。可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值、频率及相位角，达到调节其转速、有功功率和无功功率的目的，既提高了机组的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。