風力發電機風機控制中的數據處理

0 引 言

當今社會，關于能源方面我們最關心的是能源的短缺和清潔問題，風能(wind energy)作為一種可再生的清潔能源，是綠色能源中最具代表性的。我國幅員遼闊，很多地區的風能資源豐富, 可開發利用的風能儲量為10億kW。丹麥，德國等國家在30年前就大力發展風力發電，在技術上面已經相當成熟，我們雖然起步晚，但通過借鑒前人的成果，再加上自身的實踐研究，現在的風機主控系統基本已經做到了完全自主開發，在行業內的競爭力也達到了相當高的水平。

一個完整的風機控制系統，主要包括運行流程控制、偏航控制、制動控制、安全系統、槳距和轉矩(或轉速)的PID控制、故障處理系統、數據采集和處理等。數據采集和處理對于風機能否正常發電沒有直接的影響，但是對于用戶層面來說，只有通過查看實時數據和歷史數據，分析數據報表及運行曲線，才能清楚了解風機的運行情況，性能優劣。所以對于整個風機系統，數據處理的功能不可或缺。本文中所指的風機是指風力發電機，它利用風能，將機械能（葉片轉動，齒輪箱變速等）轉化成電能，最后并入電網。國內的主要機型為750kW、1.5MW、2MW、3MW、3.6MW。

以下將詳細介紹風機主控制系統中相關數據的采集和處理。

1 功能說明

風機控制系統的相關數據采集和處理主要包括下面幾類：

(1)風機的一些基本運行數據(Operation Data)

主要包括發電量(Energy)、可利用率(Availability)、風機上電時間(Work time)、故障時間(Fault Time)、停機時間(Stop Time)、發電時間(Power Production Time)偏航時間(Yaw Time)、順時針偏航時間(CW Yaw Time)逆時針偏航時間(CCW Yaw Time)、維護時間(Service Time)、停機次數(Stop Number)、切入次數(Cutin Number)、偏航次數(Yaw Number)、維護次數(Service Number)、平均風速(Mean Wind Speed)以及平均環境溫度(Mean Temperature)等；

(2)功率曲線數據統計及圖形化(Power Curve)

統計的數據主要包括風速頻次(Values)、區間平均風速(Mean Wind Speed)、區間平均功率(Mean Power)區間平均發電機轉速(Mean Generator Speed)等；

(3)風玫瑰圖數據統計及圖形化(Windrose)

統計的數據主要包括風速頻次(Values)、區間平均風速(Mean Wind Speed)、區間平均功率(Mean Power)區間平均機艙位置(Mean Nacelle Position)等；

(4)歷史故障和事件記錄；

(5)故障追憶。

2 數據計算

風機數據報表的格式如圖1所示。

圖1 風機數據

用戶通過查看圖1所示的各類數據來了解風機的各種狀況。相對直觀的表格來說，數據如何采集和計算，然后再記錄存儲下來的這個過程是很復雜的。

一般來說，風機在運行的時候通過主控制器能直接采集到的數據都是一些實時數據，比如當前掃描周期的電壓電流、溫度、壓力、風速、風向、角度、振動值、發電機轉速、電網有功功率、無功功率、頻率等，值班人員通過在中控室或者風機塔筒內的HMI界面了解風機的實時運行情況。一旦風機發生故障或者需要抄報表，就需要調用歷史數據，這些歷史數據是基于實時數據進行計算而得的，不同的數據計算的方法不同，下面介紹幾個比較重要數據的計算方法。

2.1 發電量

主控制器采集來的數據是實時有功功率，一般數據采集的周期為20ms或者100ms(數據采集周期由程序掃描周期決定，采集周期越短，最終計算所得數據越準確，但是對于整個系統的執行能力要求就越高。)也就是說前后周期內的實時有功功率是在不斷更新變化的。發電量計算就是將每個計算周期內的發電量進行累加。但是要注意的是，計算周期和掃描周期很有可能是不同的，這樣的話就需要對掃描周期內的實時有功功率值進行濾波和換算成符合計算周期的值。具體可以參考下面的公式：

其中，E指發電量，一般以千瓦時(kWh)為單位，P指計算周期內的有功功率，一般以千瓦(kW)為單位，t是計算周期，Ts是將毫秒(ms)或者秒(s)的換算成小時(h)的一個時間標度常數，這主要看t是什么單位，如果是ms，那么Ts的值為3 600 000；如果是s，那么Ts的值就為3 600。

要注意的是，用戶一般都要求計算出來的發電量是最終的上網電量，所以實時有功功率的采集最好是采集網側的數據，這樣損耗電量就不會計算在內。如果采集發電機定子側的數據，會包含損耗電量，那用戶所看到的發電量會比上網電量略高。

MW級風機的發電量是十分可觀的，舉例來說，一臺2MW的風機，如果滿發的話，1h能發2 000kWh，那么一天就是48 000kWh，而滿發的風速是10m/s左右，這在很多山區和沿海是很容易達到的。

2.2 可利用率

風機可利用率是指在評估期間內，風電機組處于能夠運行(發電、啟動、停機)或能夠發電的待機狀態的時間與這一期間內總時間的比值。用百分比表示。可利用率指標主要是針對風電機組運行過程中的安全可靠性、質量水平等方面來制定的，一臺成熟穩定的風電機組，一般來說可利用率會保持在97%以上。

可利用率的計算因為受很多客觀因素的影響，國際上也沒有很權威的標準，一般來說，風機可利用率計算公式為：

可利用率 =（工作時間—故障時間）/ 工作時間

式中A—可利用率

Tt—工作時間（如全年不斷電，則Tt為365×24h）Tcun—累積停機時間Tp—計劃維修時間

Ts—使用人員操作失誤造成停機時間（h）

Albt—非維護時間（h）

式中T1—電網故障

T2—不可抗力造成停機，如戰爭、地震、洪水等

T3—氣候限制導致停機，如覆冰、氣溫超過極限運行溫度等。

對于風機系統來說，影響可利用率的可檢測故障主要有變壓器的相關故障(比如超溫、超壓、瓦斯故障、斷路器故障、熔斷器熔斷、控制電源故障等)；電網相關故障(比如三相電壓過大、過小、不平衡，線電壓過大、過小，三相電流過大、過小、不平衡，線電流過大、過小，電網頻率過大、過小等)；避雷裝置動作；結冰傳感器動作；暴風等。另外，如果風機出現故障后進行維護，那么這時候也影響可利用率，但是如果是維護后再有故障信號報出，那么這時候是不影響可利用率的，所以在可利用率計算的時候要特別注意。

2.3 風機上電時間、停機時間、故障時間、偏航時間、維護時間、發電時間

風機上電是指風機主控制器通電的時間，這個時間包括停機時間、故障時間等；停機時間包括風機正常停機、風小待機、維護停機、故障停機等；故障時間就是指風機產生故障停機的時間；偏航時間包括順時針偏航和逆時針偏航(從機艙尾部往頭部看)；維護時間就是指風機需要定期維護或者出現故障后要手動維護的時間。為了安全起見，要求將維護開關打上，在這種狀態下，風機會處于抱閘狀態，槳葉不會轉動；發電時間是指風機并網發電的時間，根據并網和脫網信號來判斷是否發電，在這種狀態下，風機必須沒有故障，如果有報警信號，也需要在風小待機或者停機的情況下及時處理，保證風機設備能長期穩定運行。

這幾個時間的計算處理是一樣的，都是根據風機的運行狀態累加在此狀態下的時間。

2.4 風機停機次數、維護次數、切入次數、偏航次數

在風機轉為停機、維護、切入、偏航狀態時，系統會累加相應的次數。通過相應的狀態信號來判斷風機是否處于某種狀態。

2.5 平均風速、平均環境溫度

風速和溫度等實時模擬量數據在主控制器中都有專門的采集裝置來采集。風場的風速大小直接決定了風機發電量的大小，環境溫度決定了主控制器的運行穩定性，所以這兩個數據也是很重要的。

對于風速等模擬量數據的平均值計算來說，可以采取好幾種方式，其中比較常用的一是將每個計算周期內的實時數據進行累加，然后等到某個時間點，比如某一天或某一個月某一年的最后一秒，以總時間為分母算出平均值；二是在每個計算周期內都計算出截止到上一個計算周期的平均值，和當前計算周期的實時數據進行相加，再求平均值得出最終結果。

第一種方法很直接，實現起來也非常簡便，但是用戶只能查找前一天、前一月或者前一年的平均值，如果要想知道當天、當月或者當年的平均值，就必須等到下一天、下一月或者下一年，這只適合歷史數據的查看。所以一般我們應該采取第二種方法來計算，其計算公式如下：

式中Sa—平均值

Tpre—從統計開始的時刻到當前計算周期的前一周期的時間段

S—當前計算周期內采集到的數據值

t—計算周期

這其中，和發電量的計算一樣，由于采集數據的掃描周期和計算周期不同，S也要進行濾波和換算成符合計算周期的數值。統計開始的時刻一般是當天、當月或者當年的第一秒(20xx.xx.xx.00.00.00)。

3 功率曲線和風玫瑰圖的圖形化

功率曲線和風玫瑰圖有助于用戶直觀的分析風機的發電狀況和風場的風況。

3.1 功率曲線

功率曲線指風力發電機組輸出功率和風速的對應曲線，表示風機在不同的風速下有多大的功率輸出。風機的輸出功率取決于風速，風速受風機位置、風機間距、塔架、槳葉等影響有所變化。因此，準確監測和計算風機功率曲線是十分重要的，它是考核機組性能和發電能力的重要指標。風機的功率曲線如圖2所示。

圖2 風機功率曲線

從功率曲線圖上可以很清楚的看出，將0～25m/s的風速以0.5為單位分成50個區間，采集實時風速，在哪個區間中就將相應的風速頻次累加，并且計算此區間內的平均功率，計算的方法與計算平均值的方法相同。

圖2中，藍色是指風速頻次，紅色是指區間平均功率，理論的功率曲線是用灰色表示的。一般來說，實際功率曲線與理論功率曲線基本相符，如果偏差過大，在數據采集無誤的情況下，就需要考慮下面幾個方面是否有問題：

(1)變流器；

(2)發電機；

(3)PID控制算法(轉矩控制或轉速控制)；

(4)有否限功率運行。

3.2 風玫瑰圖

風玫瑰圖是指在坐標圖上點繪出的某一地區在某一時間段內各風向出現的頻率或者各風向的平均風速的統計圖。風機的風玫瑰圖如圖3所示。

圖3 風玫瑰圖

從風玫瑰圖上可以看出，將0～360o的機艙角度以15o為單位分為12個區間，采集實時風速。和功率曲線相應值的計算方法一樣，風速在哪個區間中就將相應的頻次累加，并且計算此區間內的平均功率，風速的三次方值。

對于風機機艙角度的零位，是從機艙尾部向頭部看過去為0o，還是機艙頭部向尾部看過去為0o，這個在一個風場中必須統一標準，這樣得出的風玫瑰圖才能有效地反映風場的風況。

風玫瑰圖可以非常直觀的顯示風力資源的分布情況，對風電選址、風機功率調節、負荷預測等有直觀的指導意義。

4 數據存儲和讀取

所有的相關數據全部計算好后，存在相應的內存空間中。如果內存允許的話，可以建立一個能存儲20年(一般風機的設計壽命為20年)的數據的結構體空間，包括這20年的每一天，每個月，每一年的所有的數據值。每天的一定時間，比如日期改變、月份改變、年份改變、手動發命令要求存儲的時候，才會執行存儲操作。

在單臺風機上，一般將數據以txt、html、xml、excel等方式將數據進行存儲，遠程的服務器數據庫可以通過訪問這些文件得到數據或者直接從結構體變量中獲取。最終，一個風場的所有風機相關數據都是存儲在中央服務器的數據庫中的，用戶通過操作數據庫進行數據查找和報表打印，獲得每臺風機的運行信息。

5 故障和事件處理

風機系統中很重要的一個部分就是故障代碼機制，風機的每一個運行狀態都通過故障代碼來表現，它存在與風機控制的每個細節。風機的每個故障都有對應的故障代碼，不同的故障代碼的觸發會使風機轉換到不同的工作狀態，故障根據嚴重程度可以分為下面幾等：

(1)嚴重故障—風機緊急停機，必須人工檢查排除故障后去機組手動復位；

(2)較大故障—風機快速停機，一般不能自復位，需手動復位；

(3)一般故障—風機停機，一般能自復位；

(4)報警—不影響風機運行，但是維護人員需在正常停機時去檢查一下。

故障代碼觸發時間、復位時間，重復觸發次數，這些相關的所有信息也會和一般的數據一樣，存儲在本機文件和遠程數據庫中。

故障代碼具體表現形式如圖4所示。

圖4 故障代碼

事件記錄和故障代碼觸發機制基本相同，也是記錄下某個事件的觸發時間，操作者的等級等。風機系統中的事件主要包括下面幾類：故障觸發、并網、塔底手動停機、機艙手動停機、HMI停機、遠程緊停、塔底緊停、機艙緊停、維護停機、扭纜停機、偏航潤滑停機、安全鏈緊停、啟機、復位、安全鏈復位等。

6 故障追憶

故障追憶，顧名思義就是在故障發生之后能通過查看文件或者曲線來分析故障發生前后的風機基本運行狀況，具體實現方法參考下文：

(1)建立一個X*Y的二維數組，用于記錄Y個模擬量/數字量的X個數據（故障前一段時間及故障后一段時間各X/2個）；

(2)程序正常運行時，故障前的X/2個數據以FIFO方式進行記錄；

(3)當觸發記錄條件滿足后，前X/2個數據不再更新，對后X/2個數據進行記錄；

(4)后X/2個數據記錄完成后，將二維數組數據寫入以時間戳為文件名的文件中；

一個故障觸發記錄一個文件，當一次故障追憶完成后，清數組，準備下一次記錄。

需要注意的是：

(1)該文件不公開，不需要SCADA讀取。必要時，可以手動FTP獲取，只供最高等級的工程師分析程序或者風機性能用；

(2)文件數量及硬盤空間需要維護；一般來說硬盤中故障追憶文件達到一定的數量時，需自動刪除早期生成的文件。

故障文件中需要的Y一般包含那些能比較直觀的反映風機運行狀況的數據，比如風輪轉速、槳葉位置、電壓電流、振動、風速風向、實時功率、發電機轉速、各種溫度和壓力值等。

7 小 結

本文具體介紹了風機的控制系統中各類數據的采集、計算、存儲和讀取的方法。雖然和風機邏輯控制互不相關，但實現方式多樣且復雜，而且用戶往往以此來判斷主控制器功能的完整性?？偟膩碚f，只有邏輯控制嚴密，故障代碼機制嚴謹，數據處理完整精確，才是一套完善的風機主控制器軟件。