风力发电场控制系统浅析

黄碧云

（中国水电顾问集团风电泸西有限公司，云南 红河州652400）

1 风电场简介

泸西小海子风电场总装机容量48MW，主要由32台1.5MW双馈风力发电机组、2回35kV集电线路和1个110kV升压变电站组成。风电场位于海拔高程2 150～2 300m之间的一片山地上，采用风机与箱式变电站组合的“一机一变”单元接线方式，风电场风机分为两组并联至35kV集电线路，并以2回架空集电线路汇入110kV升压变电站，最终以1回110kV线路送出至电网220kV变电站。

2 风力发电机组控制

风力发电机组是由风轮、机舱、塔架、发电机、驱动链、偏航装置、控制柜等多部分组成的系统，任何一个环节发生故障都会影响整个机组的安全运行。

（1）风力发电机控制的目的是为了提高机组的适应性，对发电机组进行整体调节，保证其正常运行。变速恒频双馈风力发电机组控制系统集合了双PWM变换器、矢量控制技术和双馈感应发电机的优点，有利于输出频率与电网保持一致。采用转换器和矢量控制是保证电力控制系统有效运行的重点工作。首先，系统要求能量的相互转化性较强，同时要突显电流逼近正弦波的优势，使用开关器件连接变流器和电机，在电网电压发生波动或突然消失时，保证设备安全。其次，变速恒频风力发电系统要求严格的矢量控制，在功率外环和闭环中，使用控制变频器计算出电压给定值，通过矢量控制实现电机输出的功率调节，提高供电质量和电力系统的稳定性。（2）实时闭环控制。变速恒频双馈风力发电控制系统可以分成3个子系统：变桨距控制、转矩控制和变流控制。机组主要的控制目标为：1）风电机组在整个运行范围内稳定可靠地按预定轨迹运行；2）优化机组的运行性能，提高机组的发电效率与发电质量，减小机组的机械载荷。变桨距控制可以有效减小机组动态载荷，保证在额定风速以上时，输出功率恒定；转矩控制可以提高机组的发电效率，同时可有效减小机械传动载荷；变流控制可以保证机组的发电质量。（3）风力发电机组控制单元主要由变流器、现场控制设备、变桨传动的驱动机构等构成，具有很强的抗电磁干扰和适应能力，用来实现自动发电控制、设备保护、参数监视等功能。运行维护人员可借助控制单元对运行状况进行实时分析和检测，指导风机设备的调试、操作和维护工作，保证机组的正常运转。（4）风力发电机组远程通讯监控技术。该技术的特点是通过现场采样设备，将获得的信息转化为数字模式，经网络传输给远程诊断工程师，工程师利用计算机和现代数字处理技术对数字信号进行分析和处理，并将诊断结果反馈给现场故障处理人员（图1）。

图1 风力发电机组远程通讯监控流程

远程控制体系从上到下分为5个层次：基层由被监控对象组成，即风力电机组；现场执行层由PLC、PC控制器和传感设备等组成，对风向进行侦测，适时调整叶片到适当的角度，充分利用风能开展发电作业；协调层，即负责管理中心和监控中心之间、监控中心和现场控制中心之间的安全快速的数据传输；组织层是管理中心的综合，负责监控中心的管理工作，保证与外界的信息交流，实现资源共享；远程监控层作为系统运行的指挥中心，通过计算机网络接收和分析数据信息，将处理意见传达给组织层，及时纠正运行偏差。

3 风力发电场控制系统

泸西小海子风力发电场控制系统由风力发电机组控制和110kV升压变电站综合自动化组成。风电场控制采用全计算机的三级监控方式，在各台风力发电机组的现场对单机进行监控；在110kV升压站的中央控制室对全部风力发电机组和升压站各类电气设备进行集中监控；在电网调度可对风电场全部设备实行远方监控。

（1）风力发电机组控制系统由风力发电机组控制单元、远程上位机操作员站和高速光纤网络组成。监控系统主机设置在风电场110kV升压变电站的中央控制室，经环形以太网与风力发电机组的就地控制器通信，高速光纤网络将机组的实时数据送至上位机界面；上位机操作员站是风电厂的运行监视核心，并具备完善的机组状态监视、参数报警，实时／历史数据的记录显示等功能，操作员在控制室内实现对风场所有机组的运行监视及操作，运行人员可以通过上位机系统对全部风电机组进行控制和监视。（2）风力发电机组控制单元是风机控制的核心，能够实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能；风力发电机组的就地控制器设在塔架内底部，具备监测、保护、控制操作、开停机、故障检测、参数显示、键盘及按钮输入控制、远程控制接口、记录等功能。每台风力发电机组配有就地HMI人机接口实现就地操作、调试和维护机组；通过控制器上的键盘和控制柜上的各按钮输入，控制机舱内的左右偏航、开停机、复位等。（3）风力发电机组设在线监测系统，能够在风机机组各部件损坏之前对各处设备运行状态报告进行预警，以便现场人员及时发现维修，减少设备损失。在线监测系统与风机监测控制系统一起通过场内光缆通信将信号传输到升压站。（4）110kV升压变电站综合自动化系统由站控层、间隔层构成，每层均有相应的设备和网络设备。站控层与间隔层网络组网方式采用冗余以太网构架，站控层包括主机、操作员工作站、远动装置、卫星对时装置及其他智能设备接口装置，经双以太网与站内的间隔层的测控和保护装置进行连接，从而实现对升压站内所有电设备的控制和监视，监视对象包括电流、电压、有功、无功、频率，各断路器、隔离开关、接地开关的分合闸位置、保护动作信号等；并可在操作员工作站上对断路器实行跳、合闸操作；能在操作员工作站上显示各种图形、报表，具有分析统计功能。操作人员可以在工作站上用人机对话的方式，对全场的设备进行操作和监视。（5）小海子风电场风机与中央监控系统通讯共分两路，采用环形网络布局，通过光分路器汇集成一路经架设在35kV集电线路上的24芯OPGW架空光缆传至升压站中控室，通过光电转换模块与风力发电机的中央监控机相连，实现风力发电机组与中央监控机的通讯。另外配置对讲机，作为风电场运行人员巡视和检修联络通信用。小海子风电场系统通信，站控层冗余配置两套远动通信工作站，该工作站可与风机监控系统、升压站监控系统、无功补偿装置等设备通信，读取实时运行信息，对实时信息进行定时采样形成历史数据存储在终端中，并将实时数据和历史数据通过电力调度数据网或2M专线上传到调度端主站系统，同时从主站接收遥控命令及有功／无功的调节控制指令，转发给风机监控系统、无功补偿装置等进行远方调节和控制。（6）升压站布设一套GPS对时系统，该系统可在主控制室接收全球卫星定位系统（GPS）的标准授时信号，对各个间隔层单元、保护单元及站级计算机等具有时钟的设备进行同步的时钟校正，保证各部件时钟同步率达到精度要求。

4 结语

风电在全球都是鼓励发展的可再生能源，对改善环境、优化资源配置有着不可或缺的作用。我国风力发电项目分布面广，风力发电场运行情况多样，动态特性复杂，在机电设备、控制系统的选型和设计上各类型风电场都有一定的特殊性，因此，熟悉掌握风电场控制系统和机电设备的技术特性，对保障风电场设备安全运行、提高风电机组的可利用率有重要意义。

［1］邹献奎.风力发电系统控制模型建立和仿真分析［J］.科技创业家，2012（14）：143.

［2］潘庭龙，马忠鑫，卢恩超，等.风力发电系统独立变桨距载荷优化控制研究［J］.控制工程，2014（2）：219－222.

［3］欧阳慧珉，张广明，顾剑，等.基于飞轮储能装置的风力发电系统输出功率柔性控制［J］.电机与控制应用，2014，41（3）：42－46.