风力发电技术及其新型风机电控系统的应用

1 前言

风能是非常重要并储量巨大的能源，安全、清洁、充裕，能提供源源不绝而稳定的能源。“十五”期间，能源技术领域中所设立的后续能源技术是作为发展重点的。后续能源包括核能、可再生能源、氢能、燃料电池等，覆盖了除矿物能源以外的几乎所有能源领域，其中风能、太阳能为主攻方向。目前，利用风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风能产业作为一个新兴的有前景的高新技术产业。2020年我国风电总装机容量要达到3000万kW的目标，为风能产业的发展提供了很大的空间。据统计，架设5公里电线及以后的电费投资，远远大于太阳能风力发电系统的一次性投资，足以让您一劳永逸。

风力发电有三种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，用蓄电池蓄能，以保证无风时用电；二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。而MW级风力发电技术早己开始研发。

在架构上，风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。风力机向着变浆距调节技术发展、发电机向着变速恒频发电技术发展，这是风力发电技术发展的趋势，也是当今风力发电的主要技术。

应该说国内风电设备制造行业的迅猛发展，国内市场可供用户选择的风机类型越来越多，随之而来的是对风机稳定性和性能的关注。风机电控系统的快速、可靠性和稳定性很大程度上决定了一款风机的成功与否，所以它是风力发电应用技术中的核心部件。而电控系统的性能主要取决于所选方案和所采用的零部件。为此，本文主要对风力发电控制系统基本架构与风力发电应用中的电控系统及其新型控制器选择和应用作分析说明。

2 风力发电控制系统基本架构

2.1 系统构成

图1为风力发电控制系统网络拓扑。从图1所知，风电机组电控系统是对风电机组自动启动、停机、平稳并网、双速切换、自动对风、数据检测和处理、故障记录及自动保护等就地控制功能。风电厂由三部分组成：就地控制部分、中央集控部分与通信部分。根据不同风机的应用通信部分分为两部分：风机与风机间或风机与控制中心的网络通信部分与风机内部控制通信部分。

2.2 网络结构及其系统主要部件与功能

从图1可知，风电作为典型的分布式控制系统，采用光纤及工业交换机组成环形网络结构，要求网络设备可以在高粉尘、高寒、高热、强电磁环境中运行，实现宽带、可靠稳定的传输风机的各种参数。

其系统主要部件与功能如下：

⑴ SCOM3024是专门针对电力系统高等级变电站设计的工业交换机。主要应用在220kV、500kV、700kV超高压变电站继电保护系统中。

⑵ S1COM3000系列：卡轨式，提供3个1000M端口，6个10/1000Base-TX接口，支持WEB管理，Telnet，SNMP，基于SNMP的网管，RMON、DT-ring2.0、RSTP、MSTF功耗小于56W，为本质安全型工业以太网交换机。

⑶ KIEN1005风机机头控制器，应用于风机内部的控制通信部分。

⑷ 采用了SCOM3000、KIEN2032、KIEN6000部件，其应用为：风机与风机间或风机与控制（检测）中心的网络通信部分；其KIEN6000部件应用在控制中心，完成风场SICOM3000等工业交换机数据落地，同时启用三层功能，与上级网络隔离。

2.3 关于风电场的监控系统

由于风电场单机容量小、数量多，为了确保各台风力机的安全运行，风电场设置有先进的计算机监控系统，该系统一般由地面监控（或称就地监控-LCS)（可从图1看出）和中央监控(CMCS遥控)两部分组成，其中就地监控主机可使用工控机（如ARK3382型），就地监控包括如下功能：

⑴ 运行人员可以从就地控制盘前计算机屏幕上了解到各台风力机的运行状况，如：该风力机处风速、发电机电压、电流、功率因数、主轴转速、齿轮箱及轴承温度等等。

⑵ 可以通过控制盘上的键盘，方便地修改风力机的保护定值，如过压保护整定范围，频率保护整定范围，风速极限值的修改等等。

⑶ 该控制系统能根据自己所检测到的风速、风向情况自动发出开机寻找风向(即自动偏航)或停机的控制命令，同时还能进行自我诊断风力机是否存在故障、是否需要停机。该系统还能对电网进行检测，如发现电网电压、频率工作不正常则立即停机，待电网恢复正常后自动起动。

⑷ 该控制系统具有先进的记录功能，能记录所有发生过的故障或不正常运行状态，并告诉运行人员发生故障的时间。该系统还能进行产量报告，能记录该风力机的月发电量，