大型风电场及风电机组的控制系统

大型风电场及风电机组的控制系统 徐甫荣 (国家电力公司 热工研究院 自动化所 , 陕西 西安 710032) 摘要 : 详细讨论了恒速恒频及变速恒频并网型风力发电机组的控制方法 ,同时也介绍了大型风电场计算机监 控系统。 关键词 : 风力发电 ; 绿色能源 ; 控制系统 中图分类号 : 7M921. 41 文献标识码 : A Control system for the large-scale wind power plant and wind-driven generating sets XU Fu-rong ( Xi′an Thermal Power Research Institute , Xi′an 710032 , China) Abstract : The control methods of wind-driven generating sets with constant-speed constant-frequency and variable-speed constant-frequency are introduced. In the meanwhile , the computer control system for the large-scale wind power plant is also given. Key words : wind generating electricity ; green energy ; control system 文章编号 :1005 —7277(2003) 06 —0005 —07 电气传动自动化 ELECTRIC D RIVE AUTOMATIO N 2003年第 25卷 第 6 期 第 5 页 Vol. 25 , No. 6 2003 ,25( 6) :5～11 1 前言 随着煤炭、石油等能源的逐渐减少 ,人类越来 越重视可再生能源的利用。风力发电是可再生能 源中最廉价、最有希望的能源 , 而且是一种不污 染环境的“绿色能源”。目前国外数百千瓦级的大 型风电机组已经商品化 , 兆瓦级的风力发电机组 也即将商品化。全世界风电装机总容量已超过 1000 万千瓦 , 单位千瓦造价约 1000 美元 , 发电成 本约 5 美分/ 千瓦时 , 已经具有与火力发电相竞争 的能力。 我国的风能资源丰富 , 理论储量约为 16 亿千 瓦 , 实际可利用 2. 5 亿千瓦 , 有巨大的发展潜力。 1995 年初 ,国家计委、科委、经贸委联合下发了《中 国新能源和可再生能源发展纲要 (1996～2010)》。 1996 年 3 月 , 国家计委又制定了以国产化带动产 业化的风电发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ,即有名的“乘风计划”,为我 国风力发电技术的国产化指明了方向 ,也创造了条 件。同时 , 我国也是利用风能资源进行风力发电、 风力提水较早的国家 ,到 1996 年底 ,我国小型风力 发电机组总量已达 15 万台 , 年生产能力约为 3 万 台 ,均居世界首位。 2 风力发电机组的类型 2. 1 恒速恒频与变速恒频 在风力发电中 , 当风力发电机组与电网并网 时 , 要求风电的频率与电网的频率保持一致 , 即保 持频率恒定。恒速恒频即在风力发电过程中 ,保持 风车的转速 (即发电机的转速)不变 ,从而得到恒频 的电能。在风力发电过程中 ,让风车的转速随风速 而变化 ,再通过其它控制方式来得到恒频电能的方 法 ,被称之为变速恒频。 2. 2 两种类型机组的性能比较 由于风能与风速的三次方成正比 ,当风速在一 定范围内变化时 , 如果允许风车做变速运动 , 则能 达到更好利用风能的目的。风车将风能转换成机 械能的效率可用输出功率系数 Cp 来表示 , Cp 在某 一确定的风轮周速比λ(桨叶尖速度与风速之比) 下达到最大值。恒速恒频机组的风车转速保持不 变 , 而风速又经常变化 , 显然 Cp 不可能保持最佳 值。变速恒频机组的特点是风车和发电机的转速 可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。 由于风车的转速可变 , 可以通过适当的控制 , 使风 车的周速比处于或接近最佳值 ,从而最大限度地利 用风能发电。 2. 3 恒速恒频机组的特点 目前 ,在风力发电系统中采用最多的异步发电 机属于恒速恒频发电机组。为了适应大、小风速的 要求 , 一般采用两台不同容量、不同极数的异步发 电气传动自动化·6 · 2003 年 第 6 期 电机 , 风速低时用小容量发电机发电 , 风速高时则 用大容量发电机发电 ,同时一般通过变桨距系统改 变桨叶的攻角以调整输出功率。但这也只能使异 步发电机在两个风速下具有较佳的输出系数 ,而无 法有效地利用不同风速时的风能。 2. 4 变速恒频系统的实现 可用于风力发电的变速恒频系统有多种 , 如 : 交 - 直 - 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 的研究并尽快开发出实用且适合于风力发电的变 速恒频技术。 3 恒速恒频风电机组控制 3. 1 风电机组的软启动并网 在风电机组启动时 , 控制系统对风速的变化 情况进行不间断的检测 , 当 10 分钟平均风速大于 起动风速时 , 控制风电机组会做好切入电网的一 切准备工作 : 松开机械刹车 , 收回叶尖阻尼板 , 风 轮处于迎风方向。控制系统不间断地检测各传感 器信号是否正常 ,如液压系统压力是否正常 ,风向 是否偏离 , 电网参数是否正常等。如 10 分钟平均 风速仍大于起动风速 , 则检测风轮是否已开始转 动 , 并开启晶闸管限流软起动装置快速起动风轮 机 ,并对起动电流进行控制 ,使其不超过最大限定 值。异步风力发电机在起动时 , 由于其转速很小 , 切入电网时其转差率很大 , 因而会产生相当于发 电机额定电流 5～7 倍的冲击电流 , 这个电流不仅 对电网造成很大的冲击 , 也会影响风电机组的寿 命。因此 ,在风电机组并网过程中采用限流软起动 技术 ,以控制起动电流。当发电机达到同步转速时 电流骤然下降 ,控制器发出指令 ,将晶闸管旁路连 接。晶闸管旁路连接后 ,限流软起动控制器自动复 位 , 等待下一次起动信号。这个起动过程约 40 秒 左右 , 若超过这个时间 , 被认为是起动失败 , 发电 机将被切出电网 ,控制器根据检测信号 ,确定机组 是否重新起动。 异步风电机组也可以在起动时转速低于同步 转速时不并网 ,等接近或达到同步转速时再切入电 网 , 这样既可避免冲击电流 , 也可省掉晶闸管限流 软启动器。 3. 2 大、小发电机的切换控制 在风电机组运行过程中 ,因风速的变化而引起 发电机的输出功率发生变化时 ,控制系统应能根据 发电机输出功率的变化对大、小发电机进行自动切 换 ,从而提高风电机组的效率。具体控制方法为 : (1)从小发电机向大发电机切换 在小发电机并网发电期间 ,控制系统对其输出 功率进行检测 ,若 1 秒钟内瞬时功率超过小发电机 额定功率的 20 % , 或 2 分钟内的平均功率大于某 一定值时 ,则进行小发电机向大发电机的切换。切 换过程为 :首先切除补偿电容 ,然后小发电机脱网 , 等风轮自由转动到一定速度后 ,再实现大发电机的 软并网 ; 若在切换过程中风速突然变小 , 使风轮转 速降低的情况下 , 应再将小发电机软并网 , 重新实 现小发电机的并网运行。 (2)从大发电机向小发电机切换 检测大发电机的输出功率 ,若 2 分钟内平均功 率小于某一设定值 (此值应小于小发电机的额定功 率) 时 , 或 50 秒瞬时功率小于另一更小的设定值 时 , 立即切换到小发电机运行。切换过程为 : 切除 大发电机的补偿电容器 , 脱网 , 然后小发电机软并 网 ,计时 20 秒 ,测量小发电机的转速 ,若 20 秒后未 达到小发电机的同步转速 ,则停机 ,控制系统复位 , 重新起动 ; 若 20 秒内转速已达到小发电机旁路转 速则起动旁路晶闸管软起动装置 ,再根据系统无功 功率情况投入补偿电容器。 3. 3 变桨距控制方式及其改进 风力发电机并网以后 ,控制系统根据风速的变 化 , 通过桨距调节机构 , 改变桨叶攻角以调整输出 电功率 , 更有效地利用风能。在额定风速以下时 , 此时叶片攻角在零度附近 ,可认为等同于定桨距风 力发电机 , 发电机的输出功率随风速的变化而变 化。当风速达到额定风速以上时 ,变桨距机构发挥 作用 , 调整叶片的攻角 , 保证发电机的输出功率在 允许的范围内。 但是 , 由于自然界的风力变幻莫测 , 风速总是 处在不断地变化之中 ,而风能与风速之间成三次方 的关系 , 风速的较小变化都将造成风能的较大变 2003 年 第 6 期 ·7 ·徐甫荣 大型风电场及风电机组的控制系统 化 ,导致风力发电机的输出功率处于不断变化的状 态。对于变桨距风力发电机 ,当风速高于额定风速 后 , 变桨距机构为了限制发电机输出功率 , 将调节 桨距 , 以调节输出功率。如果风速变化幅度大 , 频 率高 , 将导致变桨距机构频繁大幅度动作 , 容易使 变桨距机构损坏 ; 同时 , 变桨距机构控制的叶片桨 距为大惯量系统 , 存在较大的滞后时间 , 桨距调节 的滞后也将造成发电机输出功率的较大波动 ,对电 网造成一定的不良影响。 为了减小变桨距调节方式对电网的不良影响 , 可采用一种新的功率辅助调节方式 —转子电流控 制 RCC( Rotor Current Control) 方式来配合变桨距机 构 ,共同完成发电机输出功率的调节。RCC控制必 须在线绕式异步发电机上使用 , 通过电力电子装 置 , 控制发电机的转子电流 , 使普通异步发电机成 为可变滑差发电机。RCC控制是一种快速电气控 制方式 ,用于克服风速的快速变化。采用了 RCC控 制的变桨距风力发电机 ,变桨距机构主要用于风速 缓慢上升或下降时 , 通过调整叶片攻角 , 调节输出 功率 ; RCC控制单元则应用于风速变化较快或风速 突然发生变化时调节发电机的滑差 ,使发电机的转 速在一定范围内变化 , 同时保持转子电流不变 , 也 使发电机的输出功率保持不变。 3. 4 无功补偿控制 由于异步发电机要从电网吸收无功功率 ,使风 电机组的功率因数降低。并网运行的风力发电机 组一般要求其功率因数达到 0. 99 以上 , 因此必须 用电容器组进行无功补偿。由于风速变化的随机 性 , 在达到额定功率前 , 发电机的输出功率大小是 随机变化的 ,因此对补偿电容的投入与切除需要进 行控制。在控制系统中设有四组容量不同的补偿 电容 , 计算机根据输出无功功率的变化 , 控制补偿 电容器分段投入或切除 ,保证在半功率点的功率因 数达到 0. 99 以上。 3. 5 偏航与自动解缆控制 偏航控制系统有 3 个主要功能 : ①正常运行时 自动对风。当机舱偏离风向一定角度时 ,控制系统 发出向左或向右调向的指令 , 机舱开始对风 , 直到 达到允许的误差范围内 ,自动对风停止。②绕缆时 自动解缆。当机舱向同一方向累计偏转 2～3 圈后 , 若此时风速小于风电机组启动风速且无功率输出 , 则停机 ,控制系统使机舱反方向旋转 2～3 圈解绕 ; 若此时机组有功率输出 , 则暂不自动解绕 ; 若机舱 继续向同一方向偏转累计达 3 圈时 , 则控制停机 , 解绕 ;若因故障自动解绕未成功 ,在扭缆达 4 圈时 , 扭缆机械开关将动作 , 此时 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 扭缆故障 , 自动停 机 ,等待人工解缆操作。③失速保护时偏离风向。 当有特大强风发生时 ,停机 ,释放叶尖阻尼板 ,桨距 调到最大 ,偏航 90°背风 ,以保护风轮免受损坏。 3. 6 停车控制 停机过程分为正常停机和紧急故障停机。 (1)正常停机 当控制器发出正常停机指令后 ,风电机组将按 下列程序停机 : ①切除补偿电容器 ; ②释放叶尖 阻尼板 ; ③发电机脱网 ; ④测量发电机转速下降 到设定值后 ,投入机械刹车 ; ⑤若出现刹车故障则 收桨 ,机舱偏航 90°背风。 (2)紧急故障停机 当出现紧急停机故障时 , 执行如下停机操作 : 首先切除补偿电容器 , 叶尖阻尼板动作 , 延时 0. 3 秒后卡钳闸动作。检测瞬时功率为负或发电机转 速小于同步转速时 ,发电机解列 (脱网) ,若制动时 间超过 20 秒 , 转速仍未降到某设定值 , 则收桨 , 机 舱偏航 90°背风。 停机如果是由于外部原因 ,例如风速过小或过 大 , 或因电网故障等 , 风电机组停机后将自动处于 待机状态 ; 如果是由于机组内部故障 , 控制器需要 得到已修复指令 ,才能进入待机状态。 4 变速恒频发电机组的控制 4. 1 同步发电机交 - 直 - 交系统的控制 这种类型的风电机组采用同步发电机 ,发电机 发出的电能的频率、电压、电功率都是随着风速的 变化而变化的 ,这样有利于最大限度地利用风能资 源 ,而恒频恒压并网的任务则由交 - 直 - 交系统完 成。 4. 1. 1 风轮机的控制 风轮机的起动、控制、保护功能基本上与恒速 恒频机组相似 ,所不同的是这类机组一般采用定桨 距风轮 ,因此省去了变桨距控制机构。 4. 1. 2 发电机的控制 发电机的输出功率由励磁来控制。当输出功率 小于额定功率时 , 以固定励磁运行 ; 当输出功率超 过额定功率时 ,则通过调整励磁来调整发电机的输 电气传动自动化·8 · 2003 年 第 6 期 出功率在允许的安全范围内运行。励磁的调整是 由控制器调整励磁系统晶闸管的导通角来实现 的。 4. 1. 3 交 - 直 - 交变频系统的控制 这里的变频器的概念与普通变频器的概念是 不一样的。普通变频器是将电压和频率固定的市 电 (220 V/ 380 V ,50 Hz)变成频率和电压都可变的电 源 , 以适应各种电器的需要 , 如果用于变频调速系 统 , 则电压和频率根据负载的要求不断地改变。相 反 ,这里的变频器则是将风力发电机发出的电压和 频率都不断改变的电能 , 变成频率和电压都稳定 (220 V/ 380 V ,50 Hz)的电能 ,以便与电网的电压及 频率相匹配 ,而使风电机组能并网运行。 所谓的“交 - 直 - 交”变频 , 是变频方式的一 种 , 是将一种频率和电压的交流电整流成直流电 , 再通过微机控制电力电子器件 ,将直流电再逆变成 某种频率和电压的交流电的变频方式。其基本原 理如图 1 所示。 风力发电机发出的三相交流电 ,经二极管三相 全桥整流成直流电后 ,再由六只绝缘栅双极型电力 晶体管 ( IGBT) ,在控制和驱动电路的控制下 ,逆变 成三相交流电并入电网。逆变器的控制一般采用 SPWM - VVVF方式 , 即正弦波脉宽调制式变压变 频方式。采用交 - 直 - 交系统的变频装置的容量 较大 ,一般要选发电机额定功率的 120 %以上。 4. 2 双馈发电机的控制 目前的风电机组多采用恒速恒频系统 ,发电机 多采用同步电机或异步感应电机。在风电机组向 恒频电网送电时 , 不需要调速 , 因为电网频率将强 迫控制风轮的转速。在这种情况下 ,风力机在不同 风速下维持或近似维持同一转速 , 当效率下降时 , 会被迫降低出力 , 甚至停机 , 这显然是不可取的。 与之不同的是 ,无论处于亚同步速或超同步速的双 馈发电机都可以在不同的风速下运行 ,其转速可随 风速变化做相应的调整 ,使风力机的运行始终处于 最佳状态 , 机组效率提高。同时 , 定子输出功率的 电压和频率却可以维持不变 ,既可以调节电网的功 率因数 ,又可以提高系统的稳定性。 (1)双馈电机的工作特性 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。 当双馈电机定子对称三相绕组由频率为 f 1 ( f 1 = P ·n1/ 60) 的三相电源供电时 ,由于电机转子 的转速 n = (1 - s) n1( s 为转差率 , n1为气隙中基 波旋转磁场的同步速率) 。为了实现稳定的机电能 量转换 , 定子磁场与转子磁场应保持相对静止 , 即 应满足ωR =ω1 - ω2 , 式中 :ωR 是转子旋转角频率 ; ω1是定子电流形成的旋转磁场的角频率 ; ω2是转 子电流形成的旋转磁场的角频率。由此可得转子 供电频率 f 2 = S ·f 1 , 此时定转子旋转磁场均以同 步速 n1旋转 ,两者保持相对静止。 与同步电机相比 , 双馈电机励磁可调量有以 下 3 个 : 一是与同步电机一样 ,可以调节励磁电流 的幅值 ; 二是可以改变励磁电流的频率 ; 三是可以 改变励磁电流的相位。通过改变励磁频率 ,可调节 转速。这样在负荷突然变化时 ,迅速改变电机的转 速 , 充分利用转子的动能 , 释放和吸收负荷 , 对电 网的扰动远比常规电机小。另外 ,通过调节转子励 磁电流的幅值和相位 , 可达到调节有功功率和无 功功率的目的。而同步电机的可调量只有一个 ,即 励磁电流的幅值 , 因此调节同步电机的励磁一般 只能对无功功率进行补偿。与之不同的是双馈电 机的励磁除了可以调节电流幅值外 , 亦可以调节 其相位 ,当转子电流的相位改变时 ,由转子电流产 生的转子磁场在气隙空间的位置就产生一个位 移 , 改变了双馈电机电势与电网电压向量的相对 位置 ,也就改变了电机的功率角。双馈电机不仅可 调节无功功率 ,也可调节有功功率。一般来说 ,当 电机吸收电网的无功功率时 ,往往功率角变大 ,使 电机的稳定性下降。而双馈电机却可通过调节励 磁电流的相位 ,减小机组的功率角 ,使机组运行的 稳定性提高 ,从而可多吸收无功功率 ,克服由于晚 2003 年 第 6 期 ·9 ·徐甫荣 大型风电场及风电机组的控制系统 间负荷下降 ,电网电压过高的困难。与之相比 ,异 步发电机却因需从电网吸收无功的励磁电流 , 与 电网并列运行后 ,造成电网的功率因数变坏 ,因此 双馈电机较同步电机和异步电机都有着更加优越 的运行性能。 (2)风力发电中双馈电机的控制 在风力发电中 ,由于风速变幻莫测 ,使对其的 利用存在一定的困难。改善风力发电技术 , 提高 风力发电机组的效率 , 最充分地利用风能资源 , 有着十分重要的意义。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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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。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。如图 2 所示为按这种控制思路得出的风力 发电双馈电机控制系统框图。 整个控制系统可分为 3 个单元 : 转速调整单 元、有功功率调整单元、电压调整单元 (无功功率调 整) 。它们分别接受风速和转速、有功功率、无功功 率指令 ,并产生一个综合信号 ,送给励磁控制装置 , 改变励磁电流的幅值、频率与相位角 , 以满足系统 的要求。由于双馈电机既可调节有功功率 ,又可调 节无功功率 , 因而有风时机组并网发电 , 无风时也 可作抑制电网频率和电压波动的补偿装置。 (3)双馈风力发电机组应用前景广阔 综上所述 , 将双馈电机应用于风力发电中 , 可 以解决风力机转速不可调、机组效率低等问题。另 外 ,由于双馈电机对无功功率、有功功率均可调 ,对 电网可起到稳压、稳频的作用 , 因而可提高发电质 量。与同步机交 - 直 - 交系统相比 ,还有变频装置 容量小 (一般为发电机额定容量的 10～20 %) 、重 量轻等优点 , 更适合于风力发电机组使用 , 同时也 降低了造价。 将双馈电机应用于风力发电的设想 ,不仅在理 论上成立 ,在技术上也是可行的。与现有的风力发 电技术相比 ,无论从经济性 ,还是从可靠性来看 ,都 具有无可替代的优势 , 具有很强的竞争力 , 有利于 风电机组国产化的进程 ,其发展前景十分广阔。 5 大型风电场的计算机监控系统 风力发电技术和发展将带动大型风电场的建 设。以大型风力发电机组组成的大型风电场 ,可为 电网提供可再生的绿色能源 ,也可解决边远地区能 源供应紧张的形势 ,大型风电场的运行管理已提上 议事日程。目前 ,我国各大风电场在引进国外风力 发电机组的同时 , 一般也都配有相应的监控系统 , 但各有自己的设计思路 ,致使风电场监控技术互不 兼容。如果一个风电场中有多种机型的风电机组 的话 ,就会给风电场的运行管理造成很大困难。因 此 ,国家计委在“九五”科技攻关计划中实施对大型 风电机组进行攻关的同时 ,也把风电场的监控系统 列入攻关计划 ,以期开发出适合我国风电场运行管 理的监控系统。本文在对目前国内几个风电场监 控系统进行调研分析的基础上 ,提出我们的总体设 计思路。 5. 1 通讯方式 目前风电场所采用的风电机组都是以大型并 网型机组为主 , 各机组有自己的控制系统 , 用来采 电气传动自动化·10 · 2003 年 第 6 期 集自然参数、机组自身数据及状态 , 通过计算、分 析、判断而控制机组的启动、停机、调向、刹车和开 启油泵等一系列控制和保护动作 ,能使单台风力发 电机组实现全部自动控制 ,无需人为干预。当这些 性能优良的风电机组安装在某一风电场时 ,集中监 控管理各风电机组的运行数据、状态、保护装置动 作情况、故障类型等尤为重要。为了实现上述功 能 ,下位机 (机组控制机)控制系统应能将机组的数 据、状态和故障情况等通过专用的通讯装置和接口 电路与中央控制室的上位计算机通讯 ,同时上位机 应能向下位机传达控制指令 ,由下位机的控制系统 执行相应的动作 ,从而实现远程监控功能。根据风 电场运行的实际情况 ,上、下位机通讯有如下特点 : ①一台上位机能监控多台风电机组的运行 ,属于一 对多通讯方式 ; ②下位机能独立运行 , 并能与上位 机通讯 ; ③上、下位机之间的安装距离较远 , 超过 500 米 ; ④下位机之间的安装距离也较远 ,超过 100 米 ; ⑤上、下位机之间的通讯软件必须协调一致 ,并 应开发出工业控制专用功能。 为了适应远距离通讯的需要 ,目前国内风电场 所引进的监控系统主要采用如下两种通讯方式 :一 是异步串行通讯方式。它是用 RS - 422 或 RS - 485 通讯接口。它的传输距离可达数千公里 ,传输速度 也可达数百万位。由于所用传输线较少 ,所以成本 较低 ,很适合风电场监控系统采用。同时因为这种 通讯方式的通讯 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 比较简单 , 也很常用 , 所以成 为较远距离通讯的首选方式。二是调制解调器 (MODEM) 方式。它是把数字信号调制成一种摸拟 信号 , 通过介质传输到远方 , 在远方再用解调器将 信号恢复 , 取出信息进行处理 , 是一种实现远距离 信号传输的方式。这种传输方式的传输距离不受 限制 , 可以将某地的信息与世界各地交换 , 且抗干 扰能力较强 ,可靠性高 ,虽相对说来成本较高 ,但在 风电机组通讯中也有较多的应用。 5. 2 上、下位机通讯接口的设计 5. 2. 1 上位机通讯接口的设计 在工业现场控制应用中 , 通常采用工控 PC机 作为上位计算机 ,通过 RS - 232 串行口与下位机通 讯 ,构成集散式监控系统。但是 ,采用 RS - 232 串行 口进行数据通讯 , 其缺点是带负载能力差 , 仅用于 近距离 (15 米以内) 通讯 ,无法满足分散的、远距离 的风电场监控的通讯要求。无论是采用异步串行通 讯方式还是调制解调方式 ,均要在 PC机 RS - 232串 行口的基础上进行适当的改进与扩展。 RS - 232 的电气接口是单端的 , 是双极性电源 供电系统 ,这种电路无法区分由驱动电路产生的有 用信号和外部引入的干扰信号 ,使传输速率和传输 距离都受到限制 ; RS - 422 则采用平衡驱动和差分 接收的方法 ,从根本上消除了信号地线。当干扰信 号作为共模信号出现时 ,接收器只接收差分输入电 压 ,因而这种电路保证了较长的传输距离和较高的 传输速率。两者之间可用异步通讯用 RS - 232/ 422 转换接口板转换。 5. 2. 2 下位机通讯接口的设计 监控系统的下位机是指各风电机组的中心控 制器。对于每台风力发电机组来说 ,即使没有上位 机的参与 ,也能安全正确地工作。所以相对于整个 监控系统来说 , 下位机控制系统是一个子系统 , 具 有在各种异常工况下单独处理风电机组故障 ,保证 风电机组安全稳定运行的能力。从整个风电场的 运行管理来说 ,每台风电机组的下位控制器都应具 有与上位机进行数据交换的功能 ,使上位机能随时 了解下位机的运行状态并对其进行常规的管理性 控制 , 为风电场的管理提供方便。因此 , 下位机控 制器必须使各自的风力发电机组可靠地工作 ,同时 具有与上位机通讯联系的专用通讯接口。 可编程控制器 ( PLC) 具有功能齐全 ,可靠性高 和编程方便的特点 ,在工业控制领域受到了广泛的 欢迎。尤其是近年来 ,为了适应现场控制要求及集 散控制要求 ,国外的 PLC厂家纷纷推出与各自 PLC 相配套的通讯模块 ,这些模块提供了 RS232/ 422 适 配器或 RS - 232 接口与 PC机之间实现数据通讯 , 并有专门的编程软件 , 使软件开发更加方便。因 而 ,采用可编程控制器 ( PLC) 作为风力发电机组的 下位控制器 ,完全可以满足风力发电机组控制和风 电场监控的要求。 5. 3 抗干扰措施 风电场监控系统的主要干扰源是 : ①工业干 扰 :高压交流电场、静电场、电弧、可控硅等 ; ②自然 界干扰 :雷电冲击、各种静电放电、磁爆等 ; ③高频 干扰 :微波通讯、无线电信号、雷达等。 这些干扰通过直接辐射或由某些电气回路传 导进入的方式进入的控制系统 ,干扰控制系统工作 的稳定性。从干扰的种类来看 ,可分为交变脉冲干 2003 年 第 6 期 ·11 ·徐甫荣 大型风电场及风电机组的控制系统 扰和单脉冲干扰两种 , 它们均以电或磁的形式干 扰系统 ,因而抗干扰措施应从以下几方面着手 : ① 在机箱、控制柜的结构上 : 对于上位机来说 , 要求 机箱能有效地防止来自空间辐射的电磁干扰 , 而 且尽可能将所有的电路、电子器件均安装于机箱 内 ; 还应防止由电源进入的干扰 ; 所以应加入电源 滤波环节 ,同时要求机箱有良好的接地 ,机房内有 良好的接地装置。②在通讯线路上 :信号传输线路 要求有较好的信号传输功能 ,衰减较小 ,而且不受 外界电磁场的干扰 ,所以应该使用屏蔽电缆。③在 通讯方式及电路上 : 不同的通讯方式对干扰的抵 御能力不同。一般来说 ,风电场中上、下位机之间 的距离不会超过几千米 , 这种情况下经常采用串 行异步通讯方式 , 其接口形式采用 RS - 422A 接口 电路 , 采用平衡驱动、差分接收的方法 , 从根本上 消除信号地线。这种驱动器相当于两个单端驱动 电路 ,输入相同信号 ,输出一个正向信号和一个反 向信号 ,对共模干扰有较好的抑制作用。RS - 422A 串行通讯接口电路适合于点对点、一点对多点、多 点对多点的总线型或星型网络 , 它的发送和接收 是分开的 ,所以组成双工网络非常方便 ,很适合于 风电场监控系统。 调制解调方式一般适用于远距离传输 ,用于多 站互联 ,现在也有用于风电场监控系统的示例。此 种通讯方式的特点是采用平衡差分方式 ,是半双工 的 , 具有 RS - 422A的优点。用一对双绞线即可实 现通讯 , 可节省电缆投资。但对于近距离通讯来 说 , RS - 422A电路的串行通讯方式显得更加经济 一些。 5. 4 监控软件的编制 监控应用软件是根据具体对象来实施工业监 控而开发出的软件 ,用在监控系统中执行监视、控 制生产过程和及时调整的应用程序。对于风电场 监控系统 , 首先要显示风电场整体及机组安装的 具体位置 , 而后要了解各台机组之间的连接关系 及每台风电机组的运行情况。因此 ,风电场的监控 软件应具有如下功能 : ①友好的控制界面。在编制 监控软件时 , 应充分考虑到风电场运行管理的要 求 , 应当使用汉语菜单 , 使操作简单 , 尽可能为风 电场的管理提供方便。②能够显示各台机组的运 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 ,将下位机的这些数据调入到上位机 ,在显示器 上显示出来 , 必要时还应当用曲线或图表的形式 直观地显示出来。③显示各风电机组的运行状 态。如开机、停车、调向、手/ 自动控制以及大/ 小发 电机工作情况。通过各风电机组的状态了解整个 风电场的运行情况 , 这对整个风电场的管理是十 分重要的。④能够及时显示各机组运行过程中发 生的故障。在显示故障时 ,应能显示出故障的类型 及发生时间 , 以便运行人员及时处理和消除故障 , 保证风电机组的安全和持续运行。⑤能够对风电 机组实现集中控制。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 机进行状态设置和控制 , 如开机、停机、左右调向 等。但这类操作必须有一定的权限 ,以保证整个风 电场的运行安全。⑥系统管理。监控软件应当具有 运行数据的定时打印和人工即时打印以及故障自 动 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 的功能 , 以便随时查看风电场运行状况的 历史记录情况。 监控软件的开发应尽可能在现有工业控制软 件的基础上进行二次开发 , 这样可以缩短开发周 期。同时 , 在软件的编制过程中 , 应当采用模块化 程序设计思想 ,以利于软件的编制和总体调试。 6 结束语 风力发电技术已日趋成熟 ,在可再生的绿色能 源开发领域中占有突出的地位 ,具有重要的开发利 用价值。尤其是在偏远的山区、牧区和海岛等地 区 ,风力发电可为当地居民的生活和生产提供洁净 的能源 ,缓解能源供应紧张的局面。 参考文献 : [ 1]赵 斌等 . 大型风电场的监控系统[J ] . 新能源 ,1998 , (9) . [ 2]夏 晖 . 变桨距风力发电机中的 RCC控制[J ] . 风力发电 , 1999 , (2) . [ 3]杲爱卿等 . 双馈电机在风力发电中的应用[J ] . 新能源 , 1997 , (10) . 作者简介 : 徐甫荣 (1946 - ) ,男 , 1970 年毕业于西 安交通大学电机工程系发电厂电力网 及电力系统专业 , 现为国家电力公司热 工研究院自动化所高级工程师 , 主要从 事火电厂热工自动化及交直流调速拖 动技术的研究工作。 收稿日期 : 2002 - 02 - 04