背景分析：
隨著地球常規(guī)資源的日益匱乏，新能源慢慢被各國(guó)政府列位了未來(lái)重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容，新能源主要包括水能、風(fēng)能、核能、地?zé)岷蜕锬茉?。?008年底，為了應(yīng)對(duì)金融危機(jī)，中國(guó)政府提出了新增4萬(wàn)億投資及十大行業(yè)的振興計(jì)劃，特別將加強(qiáng)新能源建設(shè)，作為新能源的代表風(fēng)電將在今后五到十年里被重點(diǎn)扶植。我國(guó)風(fēng)能資源豐富，儲(chǔ)量32億千瓦，可開(kāi)發(fā)的裝機(jī)容量約253億千瓦，居世界首位，在政府大力支持，積極推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相信不久的將來(lái)，中國(guó)的風(fēng)力發(fā)電將成為其主要的供電來(lái)源之一。
在信息化與自動(dòng)化融合的今天，風(fēng)力電廠(chǎng)的自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)自然離不開(kāi)軟件的支撐，基于此，我們提出了基于紫金橋?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電機(jī)組及電力傳輸?shù)淖詣?dòng)監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造過(guò)程中，機(jī)組物理距離，現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾等該行業(yè)獨(dú)有的特點(diǎn)成為了考驗(yàn)不同廠(chǎng)商工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備性能的分水嶺。
系統(tǒng)組成：
1、風(fēng)力發(fā)電配電系統(tǒng)：
與火電和電相比，風(fēng)力發(fā)電站的配套設(shè)施較少，用電設(shè)備也少，所以一般很少給風(fēng)力發(fā)電站提供專(zhuān)用的配電電源，特別是在風(fēng)力發(fā)電的塔筒內(nèi)，都是由塔筒內(nèi)部690V母線(xiàn)經(jīng)過(guò)降壓變壓器降壓后得到配電電源，供照明以及監(jiān)測(cè)設(shè)備等一些用電器使用。
2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)：
一般來(lái)說(shuō)，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)包括眾多風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，分布在發(fā)電田中。發(fā)電機(jī)組頂部的渦輪發(fā)電機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)電，前端是可調(diào)整角度的風(fēng)葉，系統(tǒng)可以根據(jù)不同的風(fēng)力狀況來(lái)調(diào)整風(fēng)葉的傾斜度。風(fēng)葉的軸與一個(gè)齒輪箱相連，齒輪箱完成提升轉(zhuǎn)速來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。每臺(tái)發(fā)電機(jī)組都配備一個(gè)由工控機(jī)和PLC組成的控制箱。PLC負(fù)責(zé)采集風(fēng)速、風(fēng)向及與此相關(guān)的空氣壓力、空氣溫度和空氣濕度，軸轉(zhuǎn)速和其他相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)偵測(cè)風(fēng)向，控制系統(tǒng)便會(huì)調(diào)整齒輪，使風(fēng)葉轉(zhuǎn)向適當(dāng)角度以充分利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電。
發(fā)電田中的所有的渦輪發(fā)電機(jī)組都連接在同一個(gè)局域網(wǎng)中，各個(gè)發(fā)電機(jī)組頂端的控制箱均使用以太網(wǎng)和塔底部的光纖網(wǎng)絡(luò)連接。該環(huán)網(wǎng)與遠(yuǎn)程控制站相連形成一個(gè)冗余環(huán)網(wǎng)。遠(yuǎn)程控制站采用紫金橋前置數(shù)據(jù)采集軟件RealScada實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，并分析搜集到的數(shù)據(jù)，從而調(diào)整發(fā)電機(jī)組參數(shù)，并向操作人員和維護(hù)人員提供報(bào)警信息。同時(shí)負(fù)責(zé)將搜集到的數(shù)據(jù)向上傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)全局?jǐn)?shù)據(jù)的管理和上層應(yīng)用。
3：風(fēng)力發(fā)電電能傳輸系統(tǒng)：
整體解決方案還包括風(fēng)電機(jī)組將電力系統(tǒng)傳輸?shù)诫娏偩€(xiàn)上的傳輸監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)報(bào)表、趨勢(shì)分析等。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能：
基于紫金橋軟件的風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控解決方案實(shí)現(xiàn)了設(shè)備層數(shù)據(jù)的采集并通過(guò)光纖以太網(wǎng)傳輸至主控室的上位機(jī)操作員站（紫金橋數(shù)據(jù)采集控制計(jì)算機(jī)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)控制站），實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)某風(fēng)田區(qū)域的監(jiān)控，并能為中心服務(wù)器提供數(shù)據(jù)支持，系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件部分實(shí)現(xiàn)如下功能：
1、數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制站可提取PLC采集到的數(shù)據(jù)，包括風(fēng)速、風(fēng)向及與此相關(guān)的空氣壓力、空氣溫度和空氣濕度，軸轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，并并保存歷史。這部分工作主要在控制站完成。
2、圖形界面：系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示(各機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如每臺(tái)機(jī)組的瞬時(shí)發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量、發(fā)電小時(shí)數(shù)、風(fēng)輪及電機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速、風(fēng)向等)，顯示方式有圖形界面，曲線(xiàn)，報(bào)表，數(shù)字值等形式，界面直觀，操作簡(jiǎn)單，不同機(jī)組采用樹(shù)形導(dǎo)航切換。圖形界面在控制站和中心服務(wù)器都得以實(shí)現(xiàn)。
3、報(bào)警系統(tǒng)：系統(tǒng)能夠及時(shí)顯示風(fēng)電組運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的故障，包括故障前的預(yù)警，系統(tǒng)可顯示故障的發(fā)生時(shí)間及故障類(lèi)型，通過(guò)聲音、圖像以及短信郵件等形式快速反饋到管理人員，以便及時(shí)處理及消除故障，保證風(fēng)電機(jī)組的安全和持續(xù)運(yùn)行。例如為了提高安全性所有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都安裝了防雷電系統(tǒng)，當(dāng)塔身濕度超標(biāo)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，并自動(dòng)開(kāi)啟除濕裝置，嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)需人為操作時(shí)提前告知操作員。
4、故障處理：系統(tǒng)提供故障處理機(jī)制，通過(guò)預(yù)先設(shè)置處理辦法，解決一些容易出現(xiàn)的常規(guī)問(wèn)題，例如當(dāng)電壓超標(biāo)的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟變壓裝置，當(dāng)調(diào)節(jié)到正常值后，變壓裝置自動(dòng)關(guān)閉。在顯示故障時(shí)，能顯示出故障的類(lèi)型及發(fā)生時(shí)間，并提供多種的提示方式。
5、設(shè)備管理：
系統(tǒng)除了可以對(duì)各風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，還可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，如開(kāi)停機(jī)組、手/自動(dòng)控制以及大/小發(fā)電機(jī)工作等情況，通過(guò)各風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)了解整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行情況。
6、電力管理：
系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)集中控制。并對(duì)發(fā)電電力進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)電時(shí)間，累計(jì)發(fā)電等，值班員在集中控制室內(nèi)，只需對(duì)標(biāo)明某種功能的相應(yīng)鍵進(jìn)行操作，就能對(duì)下位機(jī)進(jìn)行改變?cè)O(shè)置狀態(tài)和對(duì)其實(shí)施控制。如開(kāi)機(jī)、停機(jī)和左右調(diào)向等。該操作同時(shí)具有權(quán)限管理，以保證整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行安全。
7、動(dòng)態(tài)增加機(jī)組
系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)增加機(jī)組功能，真正實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)增加、修改、刪除風(fēng)電機(jī)組，極大的提高了系統(tǒng)監(jiān)控的運(yùn)行的連續(xù)性和穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)增加機(jī)組需要具有操作權(quán)限的人方可操作。
風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)參數(shù)
1、變速恒頻系統(tǒng)
可用于風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻系統(tǒng)有多種：如交一直一交變頻系統(tǒng)，交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，無(wú)刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，同步異步變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等。這種變速恒頻系統(tǒng)有的是通過(guò)改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的;有的則是發(fā)電機(jī)與電力電子裝置、微機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的。它們各有其特點(diǎn)，適用場(chǎng)合也不一樣。為了充分利用不同風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能，應(yīng)該對(duì)各種變速恒頻技術(shù)做深入的研究，盡快開(kāi)發(fā)出實(shí)用的，適合于風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻技術(shù)。
2、四級(jí)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理
多級(jí)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由2臺(tái)發(fā)電機(jī)（發(fā)電機(jī)1和發(fā)電機(jī)2）、控制系統(tǒng)和變速機(jī)3部分組成，其技術(shù)原理如圖所示。大功率的發(fā)電機(jī)2的定子繞組與電網(wǎng)連接，向電網(wǎng)輸送頻率為ft的工頻電流，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)控制系統(tǒng)與小功率的發(fā)電機(jī)1的定子繞組相連。
大功率的發(fā)電機(jī)2只有在風(fēng)速較大（風(fēng)機(jī)輸入功率較大）時(shí)才和變速機(jī)聯(lián)接運(yùn)行。發(fā)電機(jī)2輸出的電流頻率不僅和轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速有關(guān)，還和輸入轉(zhuǎn)子繞組的電流頻率有關(guān)，具有將轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)子繞組電路的電流頻率“相加”的功能，其定子繞組輸出“頻率相加”后的電流，這一特點(diǎn)簡(jiǎn)稱(chēng)為“合頻”特性。
四級(jí)變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)利用改變發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)及大小2個(gè)發(fā)電機(jī)的相互配合，達(dá)到在4個(gè)風(fēng)速點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大利用，根據(jù)統(tǒng)計(jì)如果變速恒頻風(fēng)力發(fā)電在整個(gè)工作風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)能利用量為1個(gè)單位，則四級(jí)變速風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能利用量能達(dá)到80%左右，恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能利用量約為40%。
3、雙饋電機(jī)的控制
雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于繞線(xiàn)式感應(yīng)電機(jī)，定子繞組也由具有固定頻率的對(duì)稱(chēng)三相電源激勵(lì)，所不同的是轉(zhuǎn)子繞組具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵(lì)，一般采用交-交變頻器或交-直-交變頻器供以低頻電流。
任何一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都包括作為原動(dòng)機(jī)的風(fēng)力機(jī)和將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電機(jī)。其中，作為原動(dòng)機(jī)的風(fēng)力機(jī)，其效率在很大程度上決定了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率，而風(fēng)力機(jī)的效率又在很大程度上取決于其負(fù)荷是否處于最佳狀態(tài)。不管一個(gè)風(fēng)力機(jī)是如何精細(xì)地設(shè)計(jì)和施工建造，若它處于過(guò)載或久載的狀態(tài)下，都會(huì)損失其效率。從風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)曲線(xiàn)可以看出，存在一個(gè)最佳周速比λ，對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳的效率。所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳控制是維持最佳周速比λ。另外，由于要考慮電網(wǎng)對(duì)有功功率和無(wú)功功率的要求，所以風(fēng)力機(jī)最佳工況時(shí)的轉(zhuǎn)速應(yīng)由其氣動(dòng)曲線(xiàn)及電網(wǎng)的功率指令綜合得出。也就是說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速及負(fù)荷的變化應(yīng)及時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整，依靠轉(zhuǎn)子動(dòng)能的變化，吸收或釋放功率，減少對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)。通過(guò)變頻器控制器對(duì)逆變電路中功率器件的控制?？梢愿淖冸p饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的幅值、頻率及相位角，達(dá)到調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速、有功功率和無(wú)功功率的目的，既提高了機(jī)組的效率，又對(duì)電網(wǎng)起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的作用。
